第1章 绪论
1.1 工业机器人（机械手）的概述 1.1.1 工业机器人的发展
1954年，美国人George C.Devol在他申请的专利“Programmed article transfer”中，首次提出了“工业机器人”的概念。1958年，被誉为“工业机器人之父”的Joseph F.Engle Berger创建了世界上第一个机器人公司——Unimation公司，并参与设计了第一台Unimat机器人。与此同时，另一家美国公司——AMF业开始研制工业机器人，即Versatran机器人，它主要用于机器之间的物料搬运。1970年4月，在伊利诺斯工学院召开了全美第一届工业机器人会议。
日本机器人的发展，经过了20世纪60年代的摇篮期、70年代的实用化时期以及80年代的普及、提高期3个基本阶段。在1967年，日本东京机械贸易公司首次从美国AMF公司引进Versatran机器人。1968年，日本川崎重工业公司与美国Unimation公司缔结国际技术合作协议，引进Unimation机器人，1970年实现国产化。从此日本进入了开发和应用机器人技术时期。1980年，机器人技术在日本取得了极大的成功与普及。现在日本人呢拥有的工业机器人的台数约占世界总台数的65%，而且其制造技术也处于领先地位。
我国工业机器人起步于20世纪70年代初期，1972年我国开始研制自己的工业机器人。经过几十年的发展，大致经历了三个阶段：70年代的萌芽期、80年代的开发期和90年代的适用化期。现在，国家更重视机器人工业的发展，也有越来越多的企业和科研人员投入到机器人的开发研究中。目前，我国研制的工业机器人已经达到了工业应用水平。我国机器人技术研究主要体现在以下五个方面：一是示教再现型工业机器人；二是智能机器人；三是机器人化机械；四是以机器人为基础的重组装配系统；五是多传感器信息融合与配置技术1.1.2 工业机器人的分类
表1-1 机器人分类表
[6][7]。
分类名称 操作型机器人 程控型机器人 示教再现型机器人 数控型机器人 感觉控制型机器人 适应控制型机器人 学习控制型机器人 智能机器人 简要解释 能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统 按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作 通过引导或其他方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行工作 不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业 利用传感器获取的信息控制机器人的动作 机器人能适应环境变化，控制自身的行为 机器人能“体会”工作经验，具有一定的学习能力，并能将所“学”的经济用于工作中 以人工智能决定其行为的机器人 1
关于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。一般的分类方式如上表。 1.1.3 工业机械手的应用
工业机械手是伴随工业生产和科学技术的发展，特别是电子计算机的广泛应用而迅速发展起来的一门新兴技术装备。它综合应用了机械，电子，自动控制等先进技术以及物理，生物等学科的基础知识，以实现机械化与自动化的有机结合而广泛应用在工业生产的各个部门
[2]。
工业机械手是工业生产发展中的必然产物。它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照
预定要求输送工件和握持工具进行操作的自动化技术装备。这种新颖技术装备的出现和应用，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用，因而具有强大的生命力，受到人们的广泛重视和欢迎。
工业上应用的机械手，由于使用场合和工作要求的不同，其结构形式亦各有不同，技术复杂程度也有很大差别。但它们都有类似人的手臂，手腕和手的部分动作及功能；一般都能按预定程序，自动地，重复循环地进行工作。此外，还有些非自动化的装备，具有与人体上肢类似的部分动作，结构上与工业机械手是一致的，亦可归属于工业机械手的范畴。例如，早期就有一种由人直接用绳索牵引进行操作的随动机械手和近期发展起来的由人工进行操作的机械手（如平衡吊），以及一些就近按扭控制和遥控的非自动的单循环的机械手等。
实践证明，工业机械手可以代替人的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和生产自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期，频繁，单调的操作，采用机械手是有效的；此外，它还能在高温，低温，深水，宇宙，放射性和其他有毒，污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。
1.2 设计问题的提出
在生产实践中，常常需要将上料、加工、卸料等工序进行合理的安排，组成一条自动流水加工线
[3]。但在流水线上加工时，需要许多工人搬运工件，有时劳动强度较大。当生产
效率很高时，为了减少工人数量，改善工人的劳动条件，提高劳动生产率这就需要使自动线上工件搬运自动化。于是针对这一问题就提出了要研制一种搬运机械手来代替工人实现工件的搬运上线，并且能满足定位和重复定位精度。用搬运机械手来代替工人搬运工件可以减轻工人的劳动强度，减少自动线上的工人数目，同时也提高了生产效率并且精度也得到了保障。而事实上，在生产领域真正用来加工的时间一般不大于整个生产时间的10％，大部分时间是用在了工件的搬运、装夹等辅助工序上。从这个方面可以看出研制一种自动化搬运机械手的迫切性和重要性。
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第2章 机械手的总体设计
2.1 机械手的组成及各部分关系概述
机械手由三大部分（机械部分、传感部分、控制部分）六个子系统（驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人-环境交互系统、人机交互系统、控制系统）组成。
机械结构系统：机器人的机械结构又主要包括末端操作器、手腕、手臂、机身（立柱）。 驱动系统：驱动器是把从动力源获得的能量变换成机械能，使机器人各关节工作的装置，常见的驱动形式有步进电机驱动、直流电机驱动、交流电机驱动、液压驱动、气压驱动以及近些年出现的一些特殊的新型驱动（例如超声波驱动、磁致伸缩驱动、静电驱动等）。
控制系统：机器人的控制方式多种多样，根据作业任务不同，主要可分为点位控制方式（PTP）、连续轨迹控制方式（CP）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。
2.2 机械手的设计分析 2.2.1 设计要求
某生产线上搬运工件原由人工完成, 劳动强度大、生产效率低。为了提高生产线的工作效率, 降低成本, 使生产线发展成为柔性制造系统, 适应现代自动化大生产, 针对具体生产工艺, 利用机器人技术, 设计用一台搬运机械手代替人工工作。
该机械手能完成如下的动作循环：手臂前伸→手指夹紧抓料→手臂上升→手臂缩回→机身回转180度→手腕回转90度→手臂下降→手臂前伸→手指松开→手臂缩回→机身回转复位→手腕回转复位→待料。 2.2.2 总体设计任务分析
(1) 结构形式的设计: 机械手常见的运动形式有1）直角坐标型2）圆柱坐标型3）球坐标（极坐标）型4）关节型（回转坐标）型5）平面关节型五种
[1]。
圆柱坐标型是由三个自由度组成的运动系统，工作空间为圆柱形，它与直角坐标型比较，在相同的空间条件下，机体所占体积小，而运动范围大。
直角坐标型，其运动部分的三个相互垂直的直线组成，其工作空间为长方体，它在各个轴向的移动距离可在坐标轴上直接读出，直观性强，易于位置和姿态的编程计算，定位精度高，结构简单，但机体所占空间大，灵活性较差。
球坐标型，它由两个转动和一个直线组成，即一个回转，一个俯仰和一个伸缩，其工作空间图形唯一球体，它可以做上下俯仰动作并能够抓取地面上的东西或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作范围大的特点，但是结构比较复杂。
关节型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个自由度都是回转关节，这种机器人一般由和大小臂组成，立柱与大臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰运动，小臂作俯仰摆动，其特点是工作空间范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的工件。
平面关节型，采用两个回转关节和一个移动关节，两个回转关节控制前后、左右运动，而移动关节控制上下运动。这种机器人在水平方向上有柔顺度，在垂直方向上有较大的刚度，它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合中小规格零件的插接装配。
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综上，本次设计中采用回转坐标型。
(2) 自由度的确定：自由度(Degrees of Freedom),指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括末端操作器的开合度。在运动形式上分为为直线运动P，为旋转运动R。自由度数的多少反映了这种机械手能完成动作的复杂程度，根据对机械手必须完成的动作的研究，设计四个自由度的机械手即可完成所规定的工作任务。从机座到手腕，关节的运动方式为旋转-直线-直线-旋转，即RPPR型
[1][15]
。
(3) 驱动方式的选择:1）驱动系统有液压驱动2）气压驱动3）电机驱动4）机械联动四种，其中液压驱动和气压驱动较为通用
[5]。
液压驱动：结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐振动、防爆性好。而且液压技术比较成熟，具有动力大、力惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。
气压驱动：具有速度快、系统结构简单、造价较低、维修方便、清洁等特点，适用于中小负载的系统中，但对速度很难进行精确控制，且气压不可太高，所以抓举能力较低，难于实现伺服控制。
电机驱动：步进或伺服电机可用于程序复杂、运动轨迹要求严格的小型通用机械手； 异步电机、直流电机适用于抓重大、速度低的专用机械手；电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传递、处理方便，控制方式灵活，安装维修方便。但控制性能差，惯性大，不易精确定位。
机械联动：动作可靠，动作范围小，结构比较复杂，适用于自由度少、速度快的专用机械手。
并且，同其他转动方式相比较，传动功率相同时，液压传动装置的重量轻，体积紧凑，可实现无级变速，调速范围大。运动件的惯性小，能够频繁顺序换向，传动工作平稳，系统容易实现缓冲吸着震，并能自动防止过载。与电气配合，容易实现动作和操作自动化，与微电子技术和计算机配合，能够实现各种自动控制工作
[4]。液压元件基本已经上系列化、通
用化和标准化，利于CAD技术的应用、提高工效，降低成本。容易达到较高的单位面积压力，较小的体积可获得较大的出力（推力或转距）。液压系统介质的可压缩性小，工作较平稳，可靠，并可实现较高的位置精度。液压传动中，力，速度和方向比较容易实现自动控制。液压装置采用油液做介质，具有防锈性和自润滑效能，可以提高机械效率，使用寿命长。
综上，本次设计采用液压驱动。
(4) 控制方式的选择:1）点位控制方式（PTP）2）连续轨迹控制方式（CP）3）力（力矩）控制方式 4）智能控制方式
[1]。
点位控制的特点是只控制工业机器人末端执行机构在作业空间中某些规定的离散点上的位姿。控制时只要求工业机器人快速、准确地实现相邻各点之间的运动，而对达到目标点的运动轨迹不做任何规定。这种控制方式的主要技术指标是定位精度和运动所需时间。由于其控制方式易于实现，常应用于上下料、搬运、点焊等工业机器人。
连续轨迹控制的特点是连续的控制工业机器人末端执行器在作业空间的位姿，要求其严
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格按照预定的轨迹和速度在一定的精度要求内运动，而且速度可控，轨迹光滑且运动平稳。这种控制方式的主要技术指标是工业机器人末端操作器位姿的轨迹跟踪精度及平稳性。常用于弧焊、喷漆、去毛边和检测作业机器人。
力（力矩）控制方式常用于准确定位并要求使用适度的力或力矩来完成装配、抓放物体等工作。
智能控制方式是通过传感器获得周围环境的知识，并根据自身内部的知识库相应做出决策。采用智能控制技术的机器人具有较强的环境适应性及自学能力，技术难度及成本要求都比较高。
综上，本次设计采用点位控制。
另外该机械手的动作是有顺序要求的，控制系统采用PLC控制机械手实现设计要求的工序动作
[5]，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率。
综合上述，此次采用电-液伺服点位控制，可以很好的完成自动线工作。 2.2.3 总体方案拟定
因为本机械手工作范围大，位置精度要求高。考虑本机械手工作要求的特殊情况，本设
计采用悬臂式四自由度的机械手，简图下所示：
图2-1 机械手结构简图
自由度具体分配如下：
1）手臂回转自由度。拟采用摆动油缸来实现，摆动缸的动片与缸体相连接，通过油液带动叶片转动，与之相连的缸体也发生转动，从而实现机身的回转。其行程角度靠挡块和限位行程开关来调整。
2）手臂俯仰自由度。机器人的手臂俯仰运动，一般采用活塞油（气）与连杆机构联用来实现。设计中拟采用单活塞杆液压缸来实现，缸体采用尾部耳环与机身连接，而其活塞杆的伸出端则与手臂通过铰链相连。其行程大小靠挡块和限位行程开关来调整。
3）手臂伸缩自由度。由于油缸或气缸的体积小，质量轻，因而在机器人手臂结构中应用较多。设计中拟采用单活塞杆液压缸来实现，其伸缩行程大小靠挡块和限位行程开关来调整。
4）手腕回转自由度。拟采用摆动液压缸来实现。当注入压力油时，油压推动动片连同转轴一起回转。因为动片是固定在转轴上的，故动片转动时，转轴也随着其一起转。而末端操作器与转轴是固定在一起的，故转轴一转手部便一起转，从而实现手腕的回转运动。其行程角度靠挡块和限位行程开关来调整。
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