機(jī)械手控制器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

.機(jī)械手控制器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢摘要：介紹了機(jī)械手控制器的研究及其應(yīng)用的現(xiàn)狀，以及在國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r，根據(jù)近幾年的發(fā)展?fàn)顩r，分析了其發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：機(jī)械手 控制器 研究現(xiàn)狀 發(fā)展趨勢前言在現(xiàn)今的生活上,科技日新月益的進(jìn)展之下,機(jī)械人手臂與有人類的手臂最大區(qū)別就在于靈活度與耐力度。也就是機(jī)械手的最大優(yōu)勢可以重復(fù)的做同一動作在機(jī)械正常情況下永遠(yuǎn)也不會覺得累。機(jī)械手臂的應(yīng)用也將會越來越廣泛,機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備，作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力。工業(yè)機(jī)械手機(jī)器人的一個重要分支。1 關(guān)于機(jī)械手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動操作裝置。機(jī)械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人，它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運(yùn)動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動方式，稱為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有23個自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過對機(jī)械手每個自由度的電機(jī)的控制，來完成特定動作。同時接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制。控制系統(tǒng)的核心通常是由單片機(jī)或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過對其編程實現(xiàn)所要功能。工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。機(jī)械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手，它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定工作。它的特點是除具備普通機(jī)械的物理性能外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電信號操作機(jī)械手來進(jìn)行探測月球、火星等。第三類是專用機(jī)械手，主要附屬于自動機(jī)床或自動線上，用于解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動，除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。（機(jī)械手）2.關(guān)于機(jī)械手控制系統(tǒng)機(jī)械手控制系統(tǒng)是伴隨著機(jī)械手（機(jī)器人）的發(fā)展而進(jìn)步的。機(jī)械手是在早期出現(xiàn)的古代機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，機(jī)械手研究始于20世紀(jì)中期，隨著計算機(jī)和自動化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺數(shù)字電子計算機(jī)問世以來，計算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步，向高速度、大容量、低價格的方向發(fā)展。同時，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術(shù)的進(jìn)展，又為機(jī)器人和機(jī)械手控制系統(tǒng)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，核能技術(shù)的研究要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國于1947年開發(fā)了遙控機(jī)械手控制系統(tǒng)和遙控機(jī)械手，1948年又開發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手控制系統(tǒng)和機(jī)械手。機(jī)械手控制系統(tǒng)首先是從美國開始研制的。1954年美國戴沃爾最早提出了工業(yè)機(jī)器人的概念，并申請了專利。該專利的要點是借助伺服技術(shù)控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，利用人手對機(jī)器人進(jìn)行動作示教，機(jī)器人能實現(xiàn)動作的記錄和再現(xiàn)。這就是所謂的示教再現(xiàn)機(jī)器人控制系統(tǒng)?，F(xiàn)有的機(jī)器人控制系統(tǒng)差不多都采用這種控制方式。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)械手鉚接機(jī)器人控制系統(tǒng)。作為機(jī)器人產(chǎn)品最早的實用機(jī)型（示教再現(xiàn)）是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。這些工業(yè)機(jī)器人和相關(guān)控制系統(tǒng)主要由類似人的手和臂組成它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機(jī)械手控制系統(tǒng)經(jīng)歷了以下幾個階段：機(jī)械手完成放射源轉(zhuǎn)運(yùn)年代、化工產(chǎn)品垛機(jī)械手年代、工業(yè)用機(jī)械手興起和發(fā)展年代。隨著汽車行業(yè)和塑膠行業(yè)的發(fā)展，西歐、日本、蘇聯(lián)和中國等地域機(jī)械手及其控制系統(tǒng)也開始百花爭放。尤其注塑機(jī)機(jī)械手，發(fā)展更為迅猛，應(yīng)用非常普遍，其控制系統(tǒng)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)趨于成熟和完善。(機(jī)械手控制器）3. 關(guān)于可編程控制器可編程控制器（簡稱PLC）：是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算,順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程?？删幊绦蚩刂破鲗嵤┛刂?，其實質(zhì)就是按一定算法進(jìn)行輸入輸出變換，并將這個變換與以物理實現(xiàn)。輸入輸出變換、物理實現(xiàn)可以說是PLC實施控制的兩個基本點，同時物理實現(xiàn)也是PLC與普通微機(jī)相區(qū)別之處，其需要考慮實際控制的需要，應(yīng)能排除干擾信號適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場，輸出應(yīng)放大到工業(yè)控制的水平，能為實際控制系統(tǒng)方便使用，所以PLC采用了典型的計算機(jī)結(jié)構(gòu)，主要是由微處理器（CPU）、存儲器（RAM/ROM）、輸入輸出接口（I/O）電路、通信接口及電源組成。PLC的基本結(jié)構(gòu)如下圖所示：PLC的應(yīng)用現(xiàn)狀PLC的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，并在迅速擴(kuò)大，對于而今的PLC幾乎可以說凡是需要控制系統(tǒng)存在的地方就需要PLC，尤其近幾年來PLC的性價比不斷提高已被廣泛應(yīng)用在冶金、機(jī)械、石油、化工、輕功、電力等各行業(yè)。按PLC的控制類型，其應(yīng)用大致可分為以下幾個方面。（1）用于邏輯控制這是PLC最基本，也是最廣泛的應(yīng)用方面。用PLC取代繼電器控制和順序控制器控制。例如機(jī)床的電氣控制、包裝機(jī)械的控制、自動電梯控制等。（2）用于模擬量控制PLC通過模擬量I/O模塊，可實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間轉(zhuǎn)換，并對模擬量控制。（3）用于機(jī)械加工中的數(shù)字控制現(xiàn)代PLC具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，它可以與機(jī)械加工中的數(shù)字控制（NC）及計算機(jī)控制（CNC）緊密結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)字控制。（4）用于工業(yè)機(jī)器人控制（5）用于多層分布式控制系統(tǒng)高功能的PLC具有較強(qiáng)的通信聯(lián)通能力，可實現(xiàn)PLC與PLC之間、PLC與遠(yuǎn)程I/O之間、PLC與上位機(jī)之間的通信。從而形成多層分布式控制系統(tǒng)或工廠自動化網(wǎng)絡(luò)。PLC在機(jī)械手中的應(yīng)用:機(jī)械手通常應(yīng)用于動作復(fù)雜的場合來代替人的反復(fù)的操作，從而節(jié)省人的勞動，普通繼電器由于其體積和接口等各方面限制，經(jīng)常被應(yīng)用于動作簡單的電氣及流水線控制，而PLC以其可靠性高、抗干擾能力強(qiáng);控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單、通用性強(qiáng);編程簡單、使用、維護(hù)方便;組合方便、功能強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣; 體積小、重量輕、功耗低等有點被廣泛應(yīng)用于類似機(jī)械手的控制動作復(fù)雜的場合，本設(shè)計正是以PLC控制為基礎(chǔ)從而實現(xiàn)機(jī)械手的各種動。機(jī)械手在我國的發(fā)展我國工業(yè)機(jī)械手的研究與開發(fā)起步較晚，比歐美要晚30年左右，起步于上世紀(jì)70 年代，1972 年我國第一臺機(jī)械手在上海開發(fā)成功，隨之全國各省都開始研制和應(yīng)用機(jī)械手。從第七個五年計劃（19861990 年）開始，我國政府大大加大了對工業(yè)機(jī)器人的重視程度，并且為此項目投入大量的資金，在眾多學(xué)者及研究人員的參與下，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機(jī)器人，其中有由北京機(jī)械自動化研究所設(shè)計制造的噴涂機(jī)器人，廣州機(jī)床研究所和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計制造的點焊機(jī)器人，大連機(jī)床研究所設(shè)計制造的氬弧焊機(jī)器人，沈陽工業(yè)大學(xué)設(shè)計制造的裝卸載機(jī)器人等等。值得注意的是，這些機(jī)器人的控制器，都是由中國科學(xué)院沈陽自動化研究所和北京科技大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)的。與此同時，一系列的機(jī)器人關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來，如機(jī)器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)，編碼器等等。發(fā)展前景1重復(fù)高精度精度是指機(jī)器人、機(jī)械手到達(dá)指定點的精確程度, 它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動作重復(fù)多次, 機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要, 如果一個機(jī)器人定位不夠精確, 通常會顯示一個固定的誤差, 這個誤差是可以預(yù)測的, 因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個隨機(jī)誤差的范圍, 它通過一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)器人來測定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展,機(jī)械手的重復(fù)精度將越來越高, 它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊, 如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。2模塊化有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動裝置的機(jī)械手稱為簡單的傳輸技術(shù), 而把模塊化拼裝的機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置, 使機(jī)械手運(yùn)動自如。模塊化機(jī)械手使同一機(jī)械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能, 擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍, 是機(jī)械手的一個重要的發(fā)展方向。4機(jī)電一體化由“可編程序控制器- 傳感器- 液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方面;發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件, 使液壓技術(shù)從“開關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制”; 省配線的復(fù)合集成系統(tǒng), 不僅減少配線、配管和元件, 而且拆裝簡單, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今, 電磁閥的線圈功率越來越小, 而PLC的輸出功率在增大, 由PLC直接控制線圈變得越來越可能。 隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展, 機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大.目前, 機(jī)械手不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)制造業(yè)如采礦,冶金,石油,化學(xué),船舶等領(lǐng)域,同時也已開始擴(kuò)大到核能,航空,航天,醫(yī)藥,生化等高科技領(lǐng)域以及家庭清潔,醫(yī)療康復(fù)等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域中.如,水下機(jī)器人,拋光機(jī)器人,打毛刺機(jī)器人,擦玻璃機(jī)器人,高壓線作業(yè)機(jī)器人,服裝裁剪機(jī)器人,制衣機(jī)器人,管道機(jī)器人等特種機(jī)器人以及掃雷機(jī)器人,作戰(zhàn)機(jī)器人,偵察機(jī)器人,哨兵機(jī)器人,排雷機(jī)器人,布雷機(jī)器人等軍用機(jī)器人都是機(jī)械手應(yīng)用的典型。機(jī)械手廣泛應(yīng)用于各行各業(yè).而且,隨著人類生活水平的提高及文化生活的日益豐富多彩,未來各種專業(yè)服務(wù)機(jī)器人和家庭用消費(fèi)機(jī)器人將不斷貼近人類生活,其市場將繁榮興旺?？偨Y(jié)機(jī)械手是集機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、信息等多學(xué)科的交叉綜合它的發(fā)展和進(jìn)步依賴并促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。因此機(jī)械手的主要發(fā)展方向如下 一機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化：由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。 二機(jī)械手控制系統(tǒng)向基于pc機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化器件集成度提高控制柜日見小巧且采用模塊化結(jié)構(gòu)：大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 三機(jī)械手中的傳感器作用日益重要除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外裝配、焊接機(jī)械手還應(yīng)用 了視覺、力覺等傳感器而遙控機(jī)械手則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制。機(jī)械手控制器的出現(xiàn)不是孤立的它是許多科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶是社會生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。當(dāng)然與機(jī)械手相關(guān)的技術(shù)還有很多并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展各種技術(shù)相互融合的趨勢將越來越明顯機(jī)械手技術(shù)的廣闊發(fā)展前景也將越來越光明。相關(guān)文獻(xiàn)三自由度螺栓拆卸機(jī)械手的設(shè)計及動力學(xué)分析-機(jī)床與液壓-2011年 第1期 (39)一種仿人機(jī)械手的亞運(yùn)動學(xué)分析-機(jī)械制造-2011年 第1期基于UG的沖床機(jī)械手動力學(xué)仿真-機(jī)械制造-2011年 第1期王炳實. 機(jī)床電氣控制.第三版. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004年：146-162王本軼. 機(jī)床設(shè)備控制基礎(chǔ)