机械手发展及控制系统技术概述【文献综述】

文献综述

电气工程及自动化

机械手发展及控制系统技术概述

摘要：本文主要介绍机械手的发展趋势，控制技术及其在工业上的应用。文中主要介绍基于PLC的气动机械手控制系统，基于数据手套的机械手控制技术，基于PC控用制的智能机械手控制系统和基于运动控制芯片的机械手控制系统。

关键词：机械手；发展趋势；控制技术；应用

1 引言

机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标准。因此，各个国家都把机械工业作为发展本国经济的重要战略之一[1]。然而在机械工业生产中，很多生产线是不连接的，单靠人力既费时又费力，还会产生安全问题。机械手的应用很好的解决了这一情况[1]。

机械手是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。它可以代替人繁重的劳动以实现生产自动化和机械化，能提高生产效率且保护人生安全。因此广泛应用于机械生产中。发展至今，现在的机械手已经不是单一的功能及种类，它根据多种生产需要可以分为很多种。用以应用于各种生产环节。

2 机械手国内外发展趋势

2.1我国机械手发展趋势

目前国内机械主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元[2]。

2.2国外机械手发展趋势

国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械数的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩[2]。

目前世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，量产产品达到6轴，负载2KG

的产品系统总重已突破100KG。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展[2]。

3 机械手控制系统技术

所谓机械手的控制系统就是将机械手的运行通过一整套的系统进行完全控制[3]。

机械手的种类很多，不同的环境使用不同的机械手，这样也导致它们的控制系统的多样性。下面举例几种不同机械手不同的控制系统。

3.1基于PLC的气动机械手控制系统

此次介绍的气动机械手采用三菱FX2N-48MR控制器。PLC控制系统设回原点、手动、单步、单周期和连续5种工作方式[8]。

该气动机械手采用PLC控制系统，能完成将任务从一条生产线搬运到另一条生产线。简单可靠，安全性高，可重复性好[4]。该机械手的自动化控制，能提高自动化程度[5]，减少劳动力，提高劳动效率[6]，具有很强的实用性[7]。

3.2 基于数据手套的机械手控制技术

基于数据手套的机械手控制是一种新的机械手控制模式。它采用的控制模式是操作者带上数据手套通过计算机系统实时控制机器人，并且在计算机上有生成的虚拟场景辅助操作，在看不见机械手的情况下，操作者也能通过改变虚拟手的姿态对机械手做出相应的调整[9]。数据手套和机械手都是通过RS-232串口与计算机相连的。

整个系统分为三部分：操作系统、计算机软件系统和机械手。如图1。

图1 基于数据手套的机械手控制系统框图

该机械手具有很强的实时性和交互性，相对于传统的控制方法具操作简单、直观、高校等优点，应用前景广泛。

3.3 基于PC控制的智能机械手控制系统

该机械手具有无线控制和准备定位的能力。采用的软件基于单片机为核心的下位机底层控制系统和用VB开发的上位机（PC机），两者之间数据传送是以NRF9E5为核心的传送模块来实现的。同时用直流电机的定位系统解决了机械手的定位问题[10]。

该系统由上位机软件、无线电通信模块和下位机执行模块组成如图2所示。

图2 基于PC控制的机械手系统结构框图

基于PC机控制的智能机械手无线控制系统的实现，解决了有线控制方式下的机械手移动范围小，连线复杂等问题。同时，在定位方面更加准确。这种系统比直接用单片机控制机械手更加可靠，方便。这将促进机械手智能化的发展。

3.4 基于运动控制芯片的机械手控制系统

针对平面关节型机械手各关节联动的特点，采用了基于PIC16FB77单片机和运动芯片LM629的底层控制系统。简化了控制系统硬件电路结构[11]。

基于LM629和PLC16F877单片机构成的单个关节直流电机伺服驱动系统如图3.4

图3 控制系统原理图

该控制系统同单纯用单片机来实现机械手控制系统相比，具硬件电路简单、可靠性高，成本低廉及单片机CPU负担小等优点。

4 机械手在工业中的应用

国内外机械工业中机械手主要应用于以下几个方面：

（1）建造旋转零件（转轴、盘类、环类）自动线

一般都用机械手在机床之间传递零件。从而可以提高劳动生产率，降低生产成本。

（2）在实现自动化方面

各类半自动车床，有自动加紧、进刀、切削、退刀和松开的功能，单仍需人工上下料；装上机械手，可实现全自动化生产，一人看管多台机床[13]。目前，机械手在这方面应用很多，如上海柴油机厂的曲拐自动车床和座圈自动车床机械手。有利于加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

（3）铸、锻、焊热处理等热加工方面

模锻方面，国内大批量生产的3t、5t、10t模锻锤，其所配的转底炉，用两只机械手成一定角度布置早炉前，实现进出料自动化[13]。应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大改善了工人的劳动条件。

5 结论

本文介绍了机械手的发展趋势，机械手将朝着更多的功能发展，它的使用范围了将更加广泛。主要介绍了机械手的控制系统及技术，正是因为它的使用广泛性，机械手的控制系统也朝着多样性发展。技术的发展使得机械手朝着更加可靠，安全，精准的方向发展，对工业的发展，自动化的提高有着不可低估的作用。

参考文献

[3] 晁黎明.基于PLC的机械手控制系统设计[J].科技信息，2011，01：509～509

[4] 蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略[J].机器人技术与应用，2001，76（4）：11～

16.

[5] 李允文.工业机械手设计[M].北京：机械工业出版社，1996.

[6] ClavelR.Delta, a fast robot with parallel geometry[J]. The 18th Int. Symposium

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[7] John J.Craig, Introduction to Robotics Mechanics and Control[J],Second

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[8] 张文.基于PLC的气动机械手控制系统[J].机电，2010，36：16～16

[9] 张俊杰，李世其，熊友军.基于数据手套的机械手控制技术[J].计算机应用研究,

2006,07：170～170.

[10] 卓树峰，黄净晴. 基于PC控用制的智能机械手控制系统[J].安顺师范高等专科学校校

报（综合版），2006，03：93～93

[11] 刘仕良，方建军. 基于运动控制芯片的机械手控制系统设计[J].单片机与嵌入式系统

应用，2005，05：54～54

[12] 孙恒、陈作模、葛文杰，机械原理[M],北京：高等教育出版社，2006.5～21.