青岛科技大学本科毕业设计（论文）
绪论
现代科技的进步促进了机械手的发展，而机械手迅猛发展反过来推动科技不断进步，从上世纪60年代开始经过近五十年的发展，机械手开始应用于各行各业。制造生产采用机械手，不仅大大提高生产率、缩短生产周期，而且保证产品质量、改善工作环境。它的研究涉及机械设计、高等机构学、多体系统动力学、传感与信息融合技术、经典控制理论、计算机技术、人工智能、仿生学等多学科，这些相关学科的发展促进机械手向高精度、高可靠、实时性良好方向发展。
机械手动力学分析主要研究机构动力学，研究一直驱动外力的情况下，利用所建立的动力学方程求解速度、加速度、位移，主要用于计算机仿真分析。早期研究主要为多刚体系统，各部件均视作刚体，忽略部件弹性变形因素，但是随着航空航天、机械工程等领域轻型化、高速化不断发展，考虑运动部件柔性备受关注。柔性机械手作为典型多柔体系统广泛用于研究。其动力学分析研究内容是考虑运动过程中关节和连杆的柔性效应带来的动力学效应，主要研究目的有两点：一建立更准确反映实际物理系统动力学模型；二设计相应控制策略抑制柔性机械手运动过程因受到驱动力、惯性力、重力作用下产生的变形和振动，保证机械手末端位姿精度和准确运动轨迹。
针对柔性机械手动力学建模问题，有Lagrange方程方法、Kane方法、旋转代数法、
Newton-Euler方法等，对几个动力学建模方法分析对比，指出各种方法优缺点，揭示不同建模存在问题。在考虑系统柔性的前提下，讨论其发展趋势，包含柔性体在内的多体系统。
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柔性机械手系统动力学研究
1 国内外应用及发展
1.1 国内外机械手领域发展趋势
机械手是自动控制、可重复编程、在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备，适合于多品种、变批量的柔性生产。按固定程序进行抓取、装配、搬运，具有高负载自重比、低能耗、低成本，大的操作空间、高速操作能力，追求多种指标（速度、能量、动力学特性）的最佳。
表1-1柔性机械手应用
Tab.1-1Flexible manipulator application 应用 机床加工、铸锻、热处理 机械制造行业，目前主要用于机床、横锻压力机的上下料、点焊、喷漆等作业，按指定程序作业 军事设备、医疗仪器、安装设备、家庭体力、航 空航海、国防核工业、汽车制造业、家电半导体行业、
机械手应用 化肥和化工、食品和药品的包装、精密仪器和军事、冲压
铸、锻、焊接、热处理、机械制造、电镀、喷漆、装配、 轻工业、交通运输业
柔性机械手国外发展状况：
一、性能提高(高速度/精度、高可靠性、便于操作/维修)，价格不断下降
二、模块/可重构化。Eg:关节模块包含伺服电机、减速机、检测系统，这三种模块有机结合使用，重组方式构造关节连杆模块制造机械手整机，现在国内外均有模块化装配机械手产品流向市场。
三、四化（高精、高速、多轴、轻量），控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，利于标准化、网络化，集成度提高，控制柜日见小巧，采用模块化结构，提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
四、注重传感器使用，采用位置、速度、加速度、视觉、力觉传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制
五、虚拟仿真到现实应用。如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手。
六、遥控手更注重人机交互控制系统，能更精准的发挥作用，充分表现机械和知识脑力完美结合。Eg:美国发射到火星上的“索杰纳”机械手。
七、大范围应用机械化。机械手成为国际研究的热点，大到航空航天、医疗机械、生物研究、矿产探测；小到目前已有儿童玩具，比如小型吊车、娃娃机等。它越来越深入我们的生活。
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机械手 国内 国外 青岛科技大学本科毕业设计（论文）
八、产品标准、通用、模块、系列化设计。仿行：柔性喷涂/复合机构开发，伺服轴轨迹规划及控制系统开发。比如焊接、搬运、装配、切割等作业。柔性机械手向着四化（前面已提出，此处不赘述）发展[1]。
液压工作介质矿物型液压油，油的使用存在问题：污染环境、易燃易爆、资源浪费，当今大家注重环保节能、可持续发展，在一定程度上限制了液压技术的发展应用。人类环保意识越来越强，科学技术也越来越完善发达，可使用高水基液压以外液体介质。比如纯水介质，近20年来使其在理论以及应用研究方面都得到了持续稳定发展。纯水液压传动优点：无污染、制造原料容易获得，阻染安全性好、温升小，介质经济性好，监测维护成本低，黏度与温度变化不敏感，压力损失少，发热小，传动效率高，流量稳定性好，系统的刚性大。纯水液压传动缺点：泄漏与磨损、气蚀、液压冲击、振动和噪声、材料腐蚀与老化。相信随着新工艺、新材料以及新技术的不断出现和发展，终将会得以解决[3]。
仿人型机械手、机器化机械手 微型机械手、微操作系统
机械手新发展 智能机械手（智能化，多传感器、多控制器，先进的控制
算法，复杂的机电控制系统）
国内机械手领域发展：
由于我国工业转型向非制造业和服务业发展，机械手的应用领域也跟着大局势发展。装备部队可采用军用机械，定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度高达4M/S，量产产品多达到6轴，负载4斤的产品系统总重超越200斤。同时，随着机械手微型化，机械手向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航海等高端行业发展，这将使机械化更好地服务人类。
目前，机械手大部分主要依靠人工进行控制，需向着降低成本和提高精度发展。研究使用更经济的制造材料，更节约资源的能量（比如太阳能、风能、潮汐能、地热能）供应。第二代机械手拥有微电子计控系统，具有视觉、触觉能力。研究安装各种传感器，通过感觉到的信息反馈，这样的反馈更像是人的反射弧，使机械手具有感觉机能，向着智能方向前进。第三代机械手工作过程中的任务独立完成。紧密联系电子计算机和电视监控设备，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环节。
发展通用和专用机械手，研制示教式机械手，利于机械手推广，让更多人去学习研究机械手，推广应用，促进更多自主产权的发现；示教编程和系统动态仿真；研制计控机械手，与计算机连用，使得编程更加方便，使用更加合理，计算机与机械化完美结合。组合机械手，不同分工来流水线完成生产。机械手性能上需要提速，减少冲击，正确定位，来更好发挥其作用。加大投入伺服型、记忆再现但相比之下型，以及具有触觉、视觉机械手的研究[10]。
1.2 机械手发展的意义
减轻人力劳动，提高质量，改善作业条件，提高自动化水平和生产率，实现安全生产、产品快速更新换代，柔性机械手在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒、放射等
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柔性机械手系统动力学研究
恶劣环境取代人，进行正常生产制造，保证了人身安全，实现生产的机械自动化，结合机械、柔性制造系统和单元，从根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。
机械化是国家经济实力及科学技术水平的重要表现，一个世界强国必然拥有多项领先于世界的研究，其中机械化的研究非常重要。机械化表现在生活、军事、科学探测、医疗等方方面面，因此世界各国都重视机械工业的发展。生产水平的提高及科学技术不断进步发展带动了机械工业的快速发展。生产过程的机械自动化出现于大部分机械工业中使得加工、装配生产连续。机械手的应用有效的避免了人身事故，减少人为误差的出现。 我国机械手的研发应用处在发展的阶段，与美国日本等发达国家相比还有很大差距，很多产品还需进口，特别是高灵活、高精度的机械手。提高自动化程度和生产效率利于我国机械工业的发展壮大，将人手操作变为机械手操作。国家应加大研发投入机械手及机器人，积极开发出拥有自主知识产权的产品，从根本上解决对国外产品的进口的依赖[5]。
1.可以提高生产过程的自动化程度
机械手应用好处 2.可以改善劳动条件、避免人身事故
3.可以减少人力，节省资金，便于快节奏的生产
1.2.1 机械手现状
1、性能提高而单机价格下降
2、结构向模块化、可重构化发展
3、控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展 4、传感器多种多样，加入了视觉，听觉等生物传感器 5、虚拟现实从仿真预演发展到用于过控生产。
6、机械手系统的发展致力于操作者与机械手生产的人机交互控制。
1.2.2 发展方向 总的来说两个方向：
一、 机器人智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统
二、
联系生产加工，满足相对具体的任务，主要采用高性价比、模块化、集成化元件，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工控器[4]。
1.3本章总结
目前我国机械手的研发应用跟美国日本等发达国家相比还有很大的差距，很多产品还需进口，特别是高灵活、高精度的机械手。为了我国机械进一步发展壮大，应提高其自动化程度和生产效率，培养更多机械化人才，注重扶持机械化教育，将工业生产中人为操作变为机械操作。加大对机械手及机器人研发投入，注重研究开发属于我们自己知识产权的新产品，打破国外利用自己特有技术对我们发展的限制，让进口他们的变成我们出口给他们。生产联系加工，满足具体任务的工业机械手，采用高性价比模块，除了满足工作要求还要追求系统经济、简洁、可靠，多采用工控器、市场化、模块化的元件
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青岛科技大学本科毕业设计（论文）
2 机械手的类型及常见控制系统分类
2.1 机械手分类
表2-1按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类[6]
Tab.2-1According to the scope of use, drive and control system, etc. 控制定位特点 方式 简易型 伺服型
表2-2按用途分类的机械手 Tab2-2 Mechanical hand by use 用途分类 专用 固定 程序 控制系统 不独立 是 少 单一 附属主机 动作 对象 批量生产 大 单一，结构简单，造价低 通用
以 “开一关”式控制定位，只能是点位控制 伺服定位控制系统，有点位的，可实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。 其它 可变 独立 否 多 多 中小 精度高，通用性强 控制方式分类 连续轨表2-3按控制方式分类的机械手
Tab.2-3 Mechanical hand according to control mode 特点 轨迹为空间的任意连续曲线，无限设定点，控制着整个移动过程，平机械采用小型计算机控制。 迹控制 稳、准确运动得以实现，使用范围广，电气控制系统复杂。这类工业点位控制
点到点只控制运动过程几个点位置，不控制运动轨迹。欲控制的点数多，需增加电气控制系统复杂性，那么必将导致价格升高，性价比下降。分为专用和通用 5