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1、Error! No text of specified style in document.摘要本文基于现代科技和工业的发展趋势和需求，以典型的机械手为例，对块状物料抓取控制进行研究。对国内外机械手的发展现状和趋势做出分析，并简要论述未来机械手的发展方向。在对机械手的诞生历程、结构组成、驱动方式、控制结构、控制系统和运动轨迹控制等方面进行详细的分析研究基础上，得出各种控制结构和控制系统的优缺点和适用场所。最后分别详细介绍分析机械手在深海水下机械手、达芬奇手术机器人这两种尖端科技上的应用及其控制方法，以及在现代工厂中得到广泛应用的块状物料抓取式装箱机和注塑机械手中的机械手的原理和控制方案。关键词
2、：块状物料，抓取控制，机械手- I -AbstractAbstractThis article is based on modern science and technology and industry development trend and demand, grasping the key to investigate manipulator to block material control for research. For domestic and foreign development present situation and trend of the manipulator
3、 to make analysis and research, and briefly discusses the future development direction of the manipulator. And the basic structure of the manipulator, structure composition, drive mode and control structure, control system and trajectory control and so on a detailed analysis of the research, through
4、 the analysis and comparison, it is concluded that, the work environment and the needs of different sectors more optimized manipulator overall scheme is put forward. Then detailed analysis of manipulator in deep-sea underwater manipulator, surgical robot applications of these two kinds of cutting-ed
5、ge technology and its control method, and is widely used in modern factories block material fetching type packing machine and injection molding principle and control scheme of the manipulator of the manipulator.Key Words：Block material, grab control, mechanical hand - II -第一章 前言第一章 前 言1.1课题背景及重要意义从原
6、始社会到现在，人们对于物块的抓取经历了用手直接抓取、手持工具抓取到如今的机器人或者机械手臂的抓取。来到新世纪，人类对于海洋资源的探索开发利用和对太空的探索进入了全新的时代。由于各种原因人类不能直接进入海洋或者太空进行长时间工作。在工业生产方面，人类面对一些重复繁琐的工作，工作效率和热情都比较低。面对这些问题，研究机器人和机械手代替人类在危险领域或者工厂车间去工作是一个行之有效的途径。面对复杂的环境人类对机械手所具备的性能要求更高，抗干扰，耐热防水，专业性强，可控制性强、经济实用等。所以通过对机械手整体系统的提高优化，提高其机构稳定性，系统优越性，从而降低工作的失误几率，工作效率也随之提高，大大
7、降低生产的成本，推动社会发展。1.2机械手国内外发展现状目前，机械手不仅在传统的制造加工业业、矿产开采业、冶金业、石油化工业、化工、航海船舶等领域继续发挥着作用，同时也已经开始在核动力、航空航天、医学临床、生化科技等高科技领域以及家庭清洁、医疗康复等服务业领域中得到应用。1.2.1国外现状国外机械手起步发展较早，现在已经把机械手朝着智能化方向发展。重点是研究具有视觉和触觉功能的机械手，它能根据条件的变化，作出相应的反馈。机械手的各种性能在不断提高，而成本却在下调；国外的机械手现在大都具有模块化的集成系统并且在向可重构的方向发展；控制系统在往基于PC机的开放型控制器的方向发展14。1.2.2国内
8、现状目前国内机械手的应用主要集中在南方地区，重点是珠三角，长三角地区等工业发达城市。而在北方地区应用很少，发展相对落后。在技术方面虽然经过国家的“七五”、“九五”攻关计划和863计划的扶持有很大的突破，但是相对于发达国家比较还是落后30年左右。关键技术没有掌握，绝大多数靠进口。主要用于产品搬运包装、焊接喷漆、数控机床和工程机械。而在尖端的科研领域应用很少13。1.3本文主要研究内容 本文主要以机械手为例，研究块状物料抓取和控制，重点是研究其在现代前沿科技领域中的应用。从机械手的结构组成、材质选择、驱动方式、控制系统、运动轨迹等方面对机械手进行详细的分析，针对不同行业的工作环境所需求得不同的机械
9、手进行研究。- 24 -第二章 机械手介绍 第二章 机械手介绍 机械手的特点是机电一体化，现在人们对它系统的整体性能和其简单的结构以及降低其生产成本提出了更高的要求，因此对机械手的结构构成、控制系统和软硬件的研究优化是尤为重要的。2.1 机械手诞生历程机械手可以模仿手、臂的某些功能，可根据固定的程序抓取或搬运物体或操作工具。现代最早的工业机器人就是机械手。它可以代替人类，在有害或者危险的环境下生产工作，实现生产的机械化和自动化以保护人身安全，因此被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工、原子能、航空航天和水下作业等部门。 人类历史上最早出现机械手的应用是在20世纪40年代的二战期间，美国的橡树岭
10、国家实验室用来搬运核原料的遥控机械操作手，它的操作系统是主从型。而第一台机械手是在1958年在美国联合控制公司诞生的，但是它的控制系统是示教型。而在四年之后，该公司又进行了创新，制造出一种更灵活的机械手，该机械手的手臂可以转动、伸屈，并且它是液压驱动。这个创新升级对机械手的发展有着重大推动作用，为日后的球面坐标式机械手的发展打下重要基础。同年，北美机械制造公司发明了点位和轨迹控制的机械手。上述的两种机械手是国外机械手发展的基础，从此之后，随着工业生产发展的需求，喷漆和弧焊机器人应运而生得到应用。到上世纪80年代，一种装载微型计算机的用于装载作业的工业机械手被开发出来。在欧洲大陆制造业的龙头德国
11、是在1970开始发展机械手的，主要用于起重搬运、弧焊、运输等行业。而机械手发展最快的国家是日本。从上世纪60年代末在美国引进机械手后，一直在研究创新发展，现在在世界上是机械手产业技术的集大成者。我国的机械手开发起步于1972年，在上海研制成功第一台机械手。这标志着我国在机械手领域迈出第一步。在我国的机械手起步之初，中国科学院沈阳自动化研究所和北京科技大学机器人研究所对我国的机械手发展做出了重大贡献。2.2机械手构成 执行机构、驱动机构和控制系统这三部分构成了机械手的主要骨架。机械手的手部是用来夹取工件的，因为被抓物料的形体、大小、体重、材质和操作方式不同，所以有很多结构，例如夹持式、托扶型和吸
12、附式等。驱动机构可以让手进行各种旋转、摆动或组合动作来达到规定的要求，并改变被抓取物体的位置。机械手的自由度是指运动机构的独立运动，如升降、伸展和转动。当机械手具有6个自由度的时候就可以到达空间中的任何位置和方向。自由度是作为衡量机械手的最关键参数。机械手想要更灵活，使用性越广泛，那么自由度就会更大，结构也就更加复杂。专用的机械手一般具有23个自由度。控制系统是通过控制每个自由度的电机来操控机械手去完成指定动作。然后接受传感器的反馈信息做出调整下达指令形成闭环系统的控制。单片机或DSP等微控制芯片是控制系统的核心。机械手的构成如图1所示。图 1机械手的构成2.2.1执行机构机械手的执行机构包括
13、手部、手臂和躯干。1、 手部图2机械手手部手部是在手臂的前面。传动轴安装在是手臂里面，把动力传给手部，让手指爪实现开闭、转动和伸屈。机械手的手部是根据人的手指而仿造的，有无关节、固定关节和自由关节3种。手指的数量有二指、三指、四指等，其中二指机械手应用的最广。一般因夹持对象的外形和尺寸不同而配备各种各样的手指夹头。还有无手指的手部是指真空吸盘手或磁性吸盘手。2、 手臂 图3机械手手臂手臂是用来准确的引领手指抓取物料，并搬运到指定的地方。手臂的每个自由度都需要精确地操控，这样才能使机械手准确无误的工作。 3.躯干 图4机械手躯干躯干是手臂、电机和各种执行机构连接在一起的支架。2.2.2驱动机构机
14、械手基本上有4种驱动机构：液压驱动、气动驱动、电驱动和机械驱动。其中，液压传动和气动驱动最常用。1、液压驱动式液压驱动机械手的系统基本上由液压执行机构（油缸、油马达）、伺服阀、油泵、油箱等组成。他驱动机械手执行机构操作。其抓取物料的能力是很强大的。他的优点是结构稳定、运作平稳、抗冲击性好、耐振动、防爆好，所以对其元件的制造精密度和标准性要求非常高，否则汽油的泄漏会造成严重后果。2、气动驱动式它的驱动系统包括气缸、气阀、空气箱和空气压缩机。它的特点是送风方便、移动快、结构简单、成本低、维修简易等。与之对应缺点是速度难以控制，压力不能高，所以抓举物料的能力比较低4。3、电动驱动式电动驱动是机械手最
15、常用的驱动形式之一。电动驱动的特点是供电方便、响应速度快、驱动力大、信号收集、传输、整合方便，控制方案选择具有多样性。驱动电机的种类分为步进电机和直流伺服电机，这是主要的驱动方法。有的机械手，引入了无减速机构的大扭矩、低速电机直接转矩驱动（DD），这样使结构得到了精简，控制精度得到了很大的提高。4、机械传动式机械传动式的驱动方式只是用于运动轨迹固定的地方。通常采用凸轮连杆机构代工机械手的工作。本实用型的特点是动作可靠，效率高，投入少，但是一般不易调整。 其他方面是混合动力，即液体气体混合驱动或着电气液体混合驱动。2.2.3控制系统1.主从型控制系统要实现主机与从机之间的通信，通常是用地址识别进行信息交换。信息交换即可以分为并行通信和串行通信，也可以分为单工、双工、全双工和多工通信。用单片机控制的机械手，它构成的系统一般是选取主从型控制结构。主从型顾名思义就是构成多级系统中多个单片机，其中有一个是作为主机来控制剩下的单片机，也就是从机。在这种主从式的控制系统中，信息的交换是采用并行通信。信息交换的方法如图5所示5。 图5信息交换框图2.示教型控制系统示教型控制的核心是“示范”和“再现”。操作人员在机械手操作之前先示范如何工作，通过及其
