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机械手的设计与研究

1. 国外研究现状

机械手起源于 20 世纪 50 年代,是基于示教再现和主从控制方式,能适应产品

种类变更,具有多自由度动作功能的柔性自动化设备

［3］

,

也是典型机电一体化产品。

其中,通用机械手具有独立的控制系统 ,程序多变,动作灵活多变等特点 ,在中小批

量的自动化生产中得到大量应用。

近年来,在我国,随着气动技术的迅速发展 ,气动元件及气动自动化技术已经

越来越多的应用于机械手中,构成了气动机械手。气动机械手的最大优势就是低成

本,模块化和集成化

［4］

。

气动机械手包含感知部分,控制部分和主机部分三方面。采

集感应信号及控制信号均由智能阀岛处理；气动伺服定位系统代替伺服电机,步进

马达或液压伺服系统；汽缸,摆动马达完成原来由液压缸或机械部分所做的执行动

作。主机部分采用了标准型辅以模块化的装配形式,使得气动机械手能拓展成系列

化和标准化的产品。在国外 ,像日本,美国,德国等国家,以微型置伺服电机作为控

制系统主动力的精密机械手,则是世界自动化领域中更深高次的发展。相对一般的

工业领域机械手 ,这种精密型的机械手具有动作精度高 ,体积相对小巧 ,高度智能

化的特点

［5］

,被广泛应用于水下精密作业,人体部手术作业,农业果实采摘等领域。

由于这种类型的机械手更突出的要精密型 ,故其整体结构为多关节、多驱动型 ,每

个关节都有独立伺服电机作为驱动源,这些伺服电机则由躯干部的 PLC 等核心处理

器做统一控制管理,以达到灵活多变的控制要求。

现今使用的机械手主要可分为极坐标型机械手和关节型机械手 ,这两种机械

手可以提供较大的工作空间

［6］

,恰好可以满足一般的机械手在工作空间上的要求。

国最早开发的用于果实采摘的极坐标机械手臂 ,旋转关节可以自由移动 ,丝杠关节

可以上下移动,从而使作业空间达到 3m

［7］

。日本东都大学也在 20 世纪 80 年代研制

出了 5 自由度关节型机械手

［8］

。实验表明这种机械手在运动空间上虽然没有极坐

标机械手到位,且末端执行器的可操作能力较低 ,但结构相对简单,工作更加灵活,

［10］

在不需要较复杂操作的工作环境下,体现出一定优势

［9］

。京都大学在此基础上又

开发出了 7 个自由度的机械手

［11］

,解决了其相对极坐标机械手在工作空间上不足

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