工业机械臂的设计
Serope kalpak jian,Steven R.Schmid
摘要
机械臂是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械臂是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过程序来完成各种预期的作业任务。机械臂在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能性和适应性。机械臂可以在各种环境中准确的完成任务，这使得它在国民经济各领域有着广阔的发展前景。随着工业自动化的发展，出现了数控加工中心，它在减轻工人劳动强度的同时大大提高了劳动生产率，然而，数控加工中常见的上下料工序，通常采用人工操作或者半自动化的继电器装置。前者费时费工，效率低，后者因设计复杂，需要较多继电器，接线复杂，易受车体震动干扰，同时存在可靠性差，故障多，维修困难等问题。可编程逻辑控制器PLC控制的上下料机械臂，动作简便、线路设计合理、具有较强的抗干扰能力，保证了系统运行的可靠性，降低了维修率，提高了工作效率。机械臂技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等学科领域，是一门跨学科综合技术。
1.工业机械臂的概述
机械臂是多功能机械中一种能自动定位的控制装置，它具有多自由度，可以携带物体在不同的环境中完成工作。在工资水平较低的中国，塑料制品行业仍属于劳动力密集型，机械臂的使用已经迫在眉睫。那些电子类和汽车类的欧美跨国公司很早就在中国厂区使用自动化生产技术。因为要面对工人流失率高和交工伤费用带来的压力，那些分布在工业密集的华南/华东沿海地区的中国本土塑料加工厂也开始对机械臂表现出越来越浓厚的兴趣。
随着我国工业生产的飞跃发展，特别是改革开放以后，自动化程度的迅速提高。我们越来越重视工件的装卸、转向、输送或装配等作业的自动化。
机械臂是模仿着人手的部分动作，按给定的程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。
在现实生活中，你是否会发现这样一个问题：在机械工厂里，加工零件装料的时候是不是很麻烦的，劳动生产率不高，生产成本大，有时候还会发生一些人为事故，导致加工者受伤。想想看用什么可以代替呢，加工的时候只要有几个人巡视一下，且可以24小时不间断运作，人行吗? 回答是肯定的不行的，但是机械式装置可以代替它。
生产中应用机械臂可以提高生产的自动化水平和劳动生产率；可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其是在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中能够代替人进行正常工作。一想到这，我就很想设计一个机械臂用于生产实际当中。
为什么用气压作为机器臂的动力：气压机械臂是指以压缩空气为动力源驱动的机械臂。用气压驱动与其他能源驱动比较有以下有点：
1.空气取之不竭，用完后排入大气，不需要回收和处理，不污染环境。（环保的概念）。
2.空气的阻力很小，管路中压力损失也小，便于远距离输送。
3.压缩空气的工作压力较低（一般为4-8公斤/每平方厘米），因此对移动元件的材质和制造精度可以降低要求。
4.与传统液压相比，它的动作和反应都很快，这是气动突出的优点之一。
5.空气介质清洁，亦不会变质，管路不易堵塞。但是也有它美中不足的地方：
1.由于空气的可压缩性，致使气动工作的稳定性差，因而造成
执行机构运动速度和定位精度不易控制。
2.由于使用气压较低，输出力不可能太大，为了增加输出力，必然使整个气动系统的结构尺寸加大。
2、机械臂的组成
机械臂的形式是多种多样的，有的较为简单,有的较为复杂，但基本的组成形式是相同的，一般由执行机构、传动系统、控制系统和辅助装置组成。
1.执行机构
机械臂的执行机构，由手、手腕、手臂、支柱组成。手是抓取机构，用来加紧和松开物件，与人的手指相仿，能够完成类似人手的动作。手腕是连接手指与手臂的元件，可以进行上下、左右和回转动作。简单的机械臂可以没有手腕。支柱用来支撑手臂，也可以根据要求做成移动式的。
2.传动系统
执行机构的动作要由传动系统来实现。常用机械臂传动系统分为机械传动、液压传动、气压传动和电力传动等几种形式。
3.控制系统
机械臂控制系统的主要作用是控制机械臂按一定的程序、方向、位置、速度进行运动。简单的机械臂一般不设置专门的控制系统，只采用行程开关、继电器、控制阀及电路来实现传动系统的控制。动作复杂的机械臂则要求采用可编程控制器、微型计算机进行控制。
3、机械臂的分类和特点
机械臂一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械臂。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序。它的特点是除了具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专用机械臂，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件传送，这类机械臂在国外称为“Mechanical Hand” 它是为主机服务的，由主机驱动；除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
主要特点：
（1）机械臂（上下料机械臂、装配机械臂、搬运机械臂、堆垛机械臂、助力机械臂、真空搬运机、真空吸吊机、省力吊具、气动平衡器等）。
（2）悬臂起重机（悬臂吊、电动环链葫芦吊、气动平衡吊等）。
（3）导轨式搬运系统（悬挂轨道、轻型轨道、单梁起重机、双梁起重机）。
（4）工业机械臂的应用
机械臂是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械臂的发展，这使得机械臂能更好与机械有机结合。
机械臂虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动、不知疲劳、不怕危险、抓举重物的力量比人手大等特点，因此，机械臂已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用，例如：
- 机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床，组合机床上使用较为普遍。
- 在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在机械行业中,它可以用来组装零部件。
- 可在劳动条件差、单调重复易疲劳的工作环境工作中代替人的劳动。
- 可以在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及有害物的搬运等。
- 宇宙及海洋的开发。
- 军事工程及生物医学方面的研究和实验。
助力机械臂：又称平衡器、平衡吊、省力吊具、手动移载机等，是一种无重力化手动承载系统。本身属于一种非标设计的产品，是针对客户应用需求，量身定制的个案创新。
应用机械臂一种模拟人手操作的自动机械，它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。应用机械臂可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害的环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全。20世纪40年代后期，美国在原子能试验中，首先采用机械臂搬运放射性材料，人在安全室操纵机械臂进行各种操作和实验。机械臂逐步推广到工业生产部门，用于在 高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床、自动生产线和加工中心中应用，完成上下料或从刀库中取放道具并按固定程序更换刀具等操作。机械臂主要有手部机构和运动机构组成。手部机构随使用场合和操作对象的不同而不同，常见的有加持、托持和吸附等类型。运动机构一般由液压、气动、电气装置驱动。机械臂可独立地实现伸缩、旋转和升降等运动，一般有2~3个自由度。
机械臂能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替繁重的劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械臂通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械臂。
机械臂主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有有多种结构形式，如加持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。
机械臂是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械臂的发展，使得经销商能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械臂能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械臂越来越得到了广泛的应用，在机械行业中它可用于零部件的组装，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械臂已发展成为柔性制造系统FMS 和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。机床设备和机械臂共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适用于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量。更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离应用规模和产业化水平低，机械臂的研究和开发直接影响到我国自动化生产的水平提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械臂的研究设计是非常有意义的。
机械臂的机械和控制系统
Dirk Osswald, Heinz Wouml;rn
摘要
最近，带有多指夹子或手的机械人系统已经在全球范围内发展起来了。查看这些系统的机械结构和控制系统,会发现这种系统集成了很多的功能，有拟人化的和非拟人化的。如同人手一样，机械人系统可以用它们的手去抓不同的物体，而不用改换夹子。机械臂具备特殊的运动能力（比如小质量和小惯性），这使被抓物体在机械臂的工作范围内做更复杂、更精确的操作变得可能。这些复杂的操作被抓物体绕任意角度和轴旋转。本文概述了这种机械臂的一般设计方法，同时给出了此类机械臂的一个示例，如卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ。本文末介绍了一些新的构想，如利用液体驱动器为类人型机器人设计一个全新的机械臂。
关键词：多指机械臂；机械臂；精操作；机械系统；控制系统
1.引言
2001年6月在德国卡尔斯鲁厄开展的“人形机器人”特别研究，是为了开发在正常环境（如厨房或客厅）下能够和人类合作和互动的机器人系统。设计这些机器人系统是为了能够在非专业、非工业的条件下（如身处多物之中），协助我们抓取不同尺寸、形状和重量的物体。同时，它们必须能够很好的操纵被抓物体。这种极强的灵活性只能通过一个适应性极强的机械人手抓系统来获得，即所谓的多指机械臂或机械臂。
上文提到的研究项目，就是要制造一个人形机器人，此机器人将装备这种机械臂系统。这个新手将由两个机构合作制造，它们是卡尔斯鲁厄大学的IPR（过程控制和机器人技术研究院）和c（计算机应用科学研究院）。这两个组织都有制造此种系统的相关经验，但是稍有不同的观点。IPR制造的卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ（如图1所示），是一个四指相互独立的手爪，我们将在此文中详细介绍。IAI制造的手（如图17所示）是作为残疾人的假肢。
图1:IPR的Karlsruhe灵巧手II
2.机械臂的一般结构
一个机械臂可以分成两大主要子系统：机械系统和控制系统。机械系统又可分为结构设计、驱动系统和传感系统，我们将在第三部分作进一步介绍。在第四部分介绍的控制系统至少由控制硬件和控制软件组成。我们将对这两大子系统的问题作一番基本介绍，然后用卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ演示一下。
3.机械系统
机械系统将描述这个手的元件组成和功能。这决定结构设计、手指的数量及使用的材料。此外，还确定驱动器（如电动机）、传感器（如位置编码器）的位置。
3.1 结构设计
结构设计将对机械臂的灵活度起很大的作用，即它能抓取何种类型的物体以及能对被抓物体进行何种操作。设计一个机械臂的时候，必须确定三个基本要素：手指的数量、手指的关节数量以及手指的尺寸和安置位置。为了能够在机械臂的工作范围内安全的抓取和操作物件，至少需要三根手指。为了能够对被抓物体的操作获得多方位操作，每个手指必须具备3个独立的关节。这种方法在第一代卡尔斯鲁厄灵巧手上被采用过。但是，为了能够不释放的抓取物体至少需要4根手指。
要确定手指的尺寸和安置位置，可以采用两种方法：拟人化和非拟人化。这将取决于被操作的物体以及期望的操作类型。拟人化的安置方式很容易实现从人手到机械臂的转移。但是每个手指不同的尺寸和不对称的安置位置将增加加工费用，并且是其控制系统变得更加复杂，因为每个手指都必须分别加以控制。对于相同位置的手指的对称布置，常采用非拟人化方法。因为只需加工和构建单一的“手指模块”，因此，可减少加工费用，同时也可是控制系统简化。
3.2 驱动系统
指关节的驱动器对手的灵活度也有很大的影响，因为它决定潜在的力量、精度及关节运动的速度。机械运动的两个方面需加
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