机械手论文（精编4篇）

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机械手论文1

关键词： 机械类课程教学 机械手抓取机构 ADAMS软件 仿真分析

在机械类课程教学中，往往由于在课堂上没有机械设备的实物，导致教学缺乏直观性。由于目前的一线教学条件及场所的限制，各学校也很难在课堂上配备机械设备的实物。鉴于此，我们可以借助现代化多媒体教学手段，充分利用机械设计、仿真等软件，从而改变现状。以机械手抓取机构的教学为例，在教学过程中灵活运用机械动力学仿真软件ADAMS来讲解其运动及受力特征，效果很好。

机械手（图1）是模仿人手工作的机械，它可将工件或工具按预定程序自动地送到所需要的位置。推广使用机械手，可以提高劳动生产率，保证产品质量。改善工人劳动条件是实现生产自动化的有效途径之一。抓取机构是机械手的主要部件之一，它直接用来抓取工件或操纵工具［1，2］。

由于工件或工具的形状、大小、重量等不同，抓取的方式也不同，抓取机构可分为手爪式、真空吸盘式和电磁吸盘式三种类型。本文以手爪式抓取机构作为研究对象，其结构如图2所示。研究的整体过程可分为力学计算，UG建模、装配、定义连杆，导入ADAMS，加约束添加驱动，运动仿真及后置处理，优化模型，等等［3］。

1.抓取机构力学分析

整个机构（图3（a））是沿中心平面对称的，所以在力学分析过程中取左连杆和左手指为对象（图3（b））。对左连杆对象而言为二力杆件［4］，如图3（c）所示，沿杆线力平衡，则有公式：

2.仿真分析

虚拟样机技术及ADAMS软件

虚拟样机技术（Virtual Prototype Technology）是当前设计制造领域的一门新技术，涉及系统动力学、计算方法与软件工程学等学科。它利用软件建立机械设计系统的三维实体模型和力学模型，分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供参数依据。

ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）软件是美国MDI公司开发的机械系统动力学仿真分析软件，它使用交互式图形软件环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷，以及计算有限元的输入载荷，等等［5,6］。本文的研究载体即为ADAMS软件。

模型建立

ADAMS软件在动力学分析及后置处理有着非常强大的功能，但其造型能力相对较差。对本文机构可采用专业三维设计软件完成，考虑和ADAMS做联合仿真时，优先选择UG软件。主要是这两款软件都支持Parosolid标准，且在UG的运动仿真模块任何一步骤均可以直接导出ADAMS的。cmd文件，可做到无缝对接。在做两者联合建模仿真时最好均采用英文界面，这样可大大减少错误［7］。

在UG中的抓取机构的造型如图4所示，导入ADAMS软件中的模型如图5所示。采用在UG中造型后，添加连杆（UG中把运动单元称为连杆）后导入ADAMS中，再在ADAMS中添加约束完成后续的仿真分析。

仿真分析

对其施加约束，进行动力学分析。首先在大地和机架之间添加固定副，使大地和机架形成一体。然后再分别添加各连杆之间的运动副：在导杆与机架之间添加移动副，导杆分别与左、右连杆之间添加旋转副，左连杆与左手指添加旋转副，右连杆与右手指之间添加旋转副。同时在左右连杆之间添加一个弹簧，实际物理样机是不存在这个弹簧，在此虚拟样机中的目的是测量抓取力量。最后在导杆与机架之间添加的移动副上添加驱动力驱动。暂定驱动力取700N。

在ADAMS的Build菜单建立模型中的两个角度α+β、α随时间的变化曲线，如图6所示。为后续的验证工作做准备。

（b）角度α随时间的变化曲线

图6 角度α+β、α随时间的变化曲线

在ADAMS的后置处理模块中生成弹簧力随时间的变化曲线，如图7所示，通过曲线查找得弹簧力为1663N。

利用ADAMS的Fuction Buider功能建立式（4）的表达式，并生成公式中f力曲线，如图8所示。通过曲线查找得弹簧力为1650 N。

通过对比发现，公式计算的输出力值1650N与虚拟样机仿真实验的输出力1663N基本重合，这其中误差还包含了样机的本身重力等影响。由此可见，仿真实验数据的可靠性很高，完全可用仿真分析来代替繁杂的计算过程，节省大量的设计计算时间。

3.优化

通过更改模型中机构的几何位置、尺寸等来细化模型。但从该虚拟样机的三维模型中，可清晰地看到机构左右成对称，若要对其细化，最好是更改沿其对称轴线上的几何关系。鉴于此，选择更改导杆与左右连杆的旋转副作用点位置，来细化模型。观察在不同位置时机构输出力的变化及跟随的两个角度α+β、α的变化。

在虚拟样机中设置导杆与左右连杆的旋转副作用点的竖直方向Y坐标为变量DV_1，以此来模型细化处理。分别得到五种不同坐标下的角度变化曲线如图9所示，弹簧力变化曲线如图10所示。

通过图10可以发现，随着坐标值增大输出力增大，由此可得出在其他条件不变的情况下，将导杆与左右连杆的旋转副作用点向上提高即可增大输出力，具体增大量可参照图10。

4.结语

机械手在工业生产中的运用非常广泛，所涉及的专业也相当多。本文仅对其中的一小部分抓取机构作虚拟样机分析，通过分析其理论力学上输入力与输出力的关系，在ADAMS中对其进行分析，发现虚拟样机实验中的力关系与理论力关系基本吻合，这样就对后续的研究分析提供了可靠性。在后续的研究开发过程中可对样机添加材料特性、惯性矩等，进一步与物理样机靠近。虚拟样机技术的应用大大缩短了抓取机构的设计研发周期，降低了产品生产成本，为抓取机构的设计提供了一个高效的开发途径［8］。

参考文献：

［1］孙恒，陈作模。机械原理［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［2］焦振学。先进制造技术［M］.北京：北京理工大学出版社，2001.

［3］葛晓忠，詹葵华，钟克。基于UG的平面连杆机构的运动分析与应用［J］.东华大学学报，2008，（6）：332－334.

［4］哈尔滨工业大学理论力学教研室。理论力学［M］.北京：高等教育出版社，2000.

［5］王国强，张进平，马若丁。虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践［M］.西安：西北工业大学出版社，2002.

［6］郑建荣。ADAMS虚拟样机技术入门及提高［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［7］范勤，何丽君。基于ADAMS的卧卷夹钳虚拟样机建模及动力学仿真［J］.起重运输机械，2008，（5）：55－58.

［8］谢方伟，李柄文。虚拟样机技术在减速器设计中的运用［J］.煤矿机械，2008，（1）：166－168.

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机械手论文2

论文摘要：传统课程标准下的机械基础分为理论力学、材料力学、机械原理、机械零件四类，但它们偏重理论且与机械基础注重实践以及高职培养应用型人才的初衷不符。就新课程下的机械基础教学方法进行了研究。

作为高职机械类专业重要科目的机械基础，以往的课程是分为四门来学习的。即理论力学、材料力学、机械原理、机械零件。这四门课程的理论性和抽象性过强，且涉及面广，需要的学时多，其特点是偏重学术，却对实际应用方面指导不够，不能满足高职对应用型人才培养的要求。针对这一现状，提出了新课程标准。

一、新课程标准与传统教学标准的区别

1　学习方式上的区别

新课程标准与传统教学标准相比，在教学方式上倡导自主、探究、合作，它强调的是培养学生的创新精神和实践能力，像搜集和处理信息、获得新知、分析解决问题、交流合作的能力等。而这些都是传统教学标准所欠缺的，传统的说教式教学方式已经不能适应课改的要求。

2　教学手段上的区别

传统课程标准以课堂教学为基础，老师往往采取的是填鸭式、灌输式的教学手段。新课程标准的教学则强调学生在学习知识的过程中了解知识的形成过程并掌握其规律。

3　主观能动性的区别

新课程标准的一个最显著的特点就是强调探究式学习，要做到探究式学习，就要发挥学生的自主学习能力，以学生为中心，这样才能把学生的被动学习变成主动学习。而传统课程标准以老师为中心，学生的学习是在老师的要求下被动接受的，因此就不可能记得牢，经常是到了下课，学的东西又还给了老师。

二、新课程标准下的机械基础教学

1　传统课程标准的弊病催生新课程标准下的机械基础教学

由于传统课程下的机械基础耗时多，且学术性、理论性、抽象性过强，不适合高职培养应用型人才的需要，因此课程改革势在必行。新的课程标准实施后，机械基础成为机电设备维修与管理、汽车运用技术、机电一体化、数控技术、模具设计与制造等机电类专业的必修课，并具有实践指导意义。

2　新课程下的机械基础与传统课程下的机械基础比较

新课程下的机械基础只针对有所关联的专业进行开设，且在课程的设置上坚持改革、发展和创新，强调的是基础过程的课程体系建设，强调教师的教学科研能力，突出的是课程内容的实用性、先进性。并以操作性为重点。而传统课程下的机械基础的受众不明确，老师也多照本宣科，学生也缺乏实践的机会，使得本来很实用的学科变成了纸上谈兵。

三、新课程下的机械基础教学的切入点

1　实现应试教育向素质教育的转变

以前，机械基础的课程设计之所以强调理论教学，是为了适应考试的需要，学得好是一张卷子，学得不好也是一张卷子。学生学习机械基础就是为了应付考试，学习质量可想而知。新课程让机械基础这个实践性强且实用性佳的学科回归了本位，老师在教学实践中强调的是学生的参与，特别是动手能力的培养，继而使得学生的理论知识也得到了巩固。

2　摆脱对书本的依赖，以实践教学为主

之前的机械基础内容难、繁、偏、1日，老师教起来费神，学生听起来头疼。这还不说，由于师生都以书本为唯一的获知来源，使得书上的一些理论缺乏现实参考，有的学生，老师已讲得声嘶力竭，他还如丈二和尚摸不着头脑。

3　注重扮演角色性质的变化

如果把机械基础比作是一部电影剧本，里面有很多台词，以往是老师作为演员，按剧本里的台词把要说的话给念白出来，学生只要当观众，进行附和就行了。但是新课程则要求将老师和学生的角色换过来，变为学生当演员，让老师来当观众，同时还要对学生的演技进行评判。特别是在实验课或是校外实践时，更是要以学生为主角，以他们真正掌握所学知识为标准。

四、新课程下的机械基础学时设置及目的

根据新课程标准的要求，不妨将以往涉及面广的理论知识进行模块化分类，分为基础知识、机械传动、机械零部件三大模块。对于基础部分以理论讲述为主，课时不宜过多。而其他部分则分为两种情况，既有理论，又有实践的，则课时均分；以实践为主的，适当增加实验课。这样一来，主题就得到了突出，老师实现了教学目的，学生达到了学习目的。

新课程下的机械基础教学强调的是轻理论、重实践，轻说教、重自学。因此，在教学方式和手段上要适应课改的要求，在教学内容上务实且要学会运用现代教学技术，将多媒体教学等形式引入课堂，并在实践教学中逐步形成教学体系，这样才能使得机械基础教学不断推向前进。

参考文献

机械手论文3

关键词：柑橘收获

末端执行器

结构优化

中图分类号：TB47　文献标识码：A　文章编号：1672-3791(2012)02(a)-0001-01

1　水果收获机器人的概念和研究意义

水果收获机器人主要分为两部分：机器人的本体结构部分和控制部分。其中，本体结构部分又可分为：机械手，末端执行器，底部平台，有的还有视觉系统。

在中国，随着农村经济的快速发展和不断调整种植结构，水果栽培面积，例如苹果、柑橘和葡萄，达到自199 3年以来的900万公顷，占世界上水果种植面积总数的四分之一。然而，水果收割任务中50％到70％的劳动力还是靠体力劳动。因为农业人口正在减少，收获自动化亟待普及。此外，由于果树是高个子，收割工作需要使用梯子，使手工收获危险高和效率低下。所以，农业收获机械化亟待普及。因为水果本身易损伤和生长环境的复杂等因素的制约，现阶段的各种水果收获机器人都有各种不足。本文就近几年来的有关论文进行研究学习及对本地柑橘的生长环境的调研，拟设计了一种适合本地柑橘机械采摘的简易机械臂及末端执行器。

2　本地柑橘的自然采摘环境

浙江大部分都是山地地貌，并且大都种植了柑橘、芦柑、胡柚等柑橘属的植物。虽然浙江的气候、土壤等都适宜于柑橘的生长，但是浙江的山地地貌也给采摘和运输带来了一定的难度。每年的采摘季节，需要大批的劳动力，而于此相反的是，本地的劳动力日渐下降，全都去城镇务工了。因此，针对柑橘的采摘机器人呼之欲出。柑橘果实外有一层较厚的果皮，它能很好的减轻柑橘间的碰撞冲击力。

3　本设计的末端执行器及机械臂的结构

采摘机械手的设计

与工业机器人机械手不何，果蔬果实收获机器人的机械手，所处的外部环境是复杂的、多变的、非结构的，并且与果实的栽培方式有很大关系。因此，设计机械手应在考虑栽培方式的基础上，使果实处于其作业空间内，并且能够避免障碍物(叶子、茎秆等)，准确地抓取到果实。对于柑橘、苹果等树冠高大的果树，机械手需要较大的作业空间。为此，本设计采用三个关节的折叠臂使达到所需的作业空间，并且可以折叠便于携带。

具体三维模型见图1。

末端执行器的设计

目前各地研究的收获机械手的末端执行器大多为：先由机械手爪抓住果实，然后通过机械手爪转动来扭断果柄；或者在手爪抓住果实后，用另一个剪刀去剪断呆柄，然后机械臂把水果运输到指定点，手爪放开。这样的设计一定程度上降低了收获机械人的收获效率。

本设计的末端执行器主要由支架，动力部分，传动部分，果梗剪断器，果实传送部分五个部分组成，具体看图2。此末端执行器由电机通过齿轮驱动果梗剪断器剪断果梗，同时果实掉入果梗剪断器下方的柔性导管中，果实通过柔性导管被马上运输到指定点。

本设计的末端执行器和普通的执行器相比，不但从减少电机的数量，并且提高收获机械人的工作效率。其中图2中的柔性软管不仅代替了普通的末端执行器的手爪功能，从而减去了一个被驱动元件，还能直接把采摘得果实直接运送到指定点，进而大大提高了收获效率。但由于运输过程中有一定碰撞，所以此末端执行器一般适用于柑橘等柑橘属的水果。

此外，由于不同品种的柑橘的果梗粗细不同，果实的直径大小不同，我们可以根据采摘对象的不同，更换不同的果梗剪断器，不同直径的柔性管道，甚至整个末端执行器也可更换。

建立实物模型，检验实际效果

根据三维建模的相关数据及考虑现实的取材便利，我们用轻质不锈钢做为主材料，直流电机为动力部分，齿轮为传动部件，塑料管做为柔性管道制造出了四自由度的柑橘采摘机械手模型(图3)。并且，在实验室里，模拟运行了此机械手的采摘功能。在实验室里，该柑橘采摘机械手模型在人的控制下基本能实现在竖直空间上的上下自由运动。并且顺利剪断果梗，使果实顺利掉入由塑料管充当的柔性管道中。最终，果实顺着柔性管道顺利到达指定位置。

4　结语

对于目前水果收获机器人的机械手和末端执行器存在的问题。本文提出了自己的见解：因机械手的结构与果蔬的生长状态有关，可采用关节型的折叠机构。对于水果收获机器人只能针对一种对象进行作业的现状，本设计提出了一套适合柑橘属果实采摘的末端执行器的设计，即只需要更换末端执行器，这样收获机器人的利用率将大大提高。另外，柔性的管道节省去了机械臂把水果放回地面的时间，从而大大提高了机器人的采摘效率。

当然，本设计的也还存在一些不足。如缺少在自然环境中的测试，还不能很好的利用到现实生产过程中。机械臂的设计有些过于简单，有待进一步优化。

参考文献

[1]姜丽萍，陈树人，果实采摘机器人的研究综述[J]，农业装备技术，2006(1)：156～159

机械手论文4

关键词：气动机械手，结构优化，结构设计

前 言：

气动机械手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。气动机械手具有结构简单、重量轻、动作迅速、可靠、节能、不污染环境、可实现无级调速、易实现过载保护等优点，特别适用于汽车制造业、食品和药品包装行业、化工行业、精密仪器制造业和军事工业等。

在现代工业技术应用的气动机械手能够实现4个自由度的运动，其各自的自由度的驱动全部由气动肌肉来实现。最前端的气爪抓取物品，通过气动肌肉的驱动实现各自关节的转动，使物品在空间上运动，根据合理的控制，最终实现机械手的动作要求。气动机械手回转臂的设计主要是选择合适的控制阀，设计合理的气动控制回路，通过控制和调节各个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作。

1.气动机械手的原理

气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。它巧妙地应用力的平衡原理，使操作者对重物进行相应的位移，就可在空间内平衡移动定位负荷。重物在提升或下降时形成浮动状态，靠气路实现微重力的物料位移，操作力受工件重量影响。无需熟练的点动操作，操作者用手推拉重物，就可以把重物正确地放到空间中的任何位置，或者通过操作台控制工件的位移可完成以下动作：送料、预夹紧、手臂上升、手臂旋转、小臂伸长、手腕旋转。

图1：气动机械手系统工作原理图

气压传动机械手的优点：（1）不用增速机构就能获得较高的运动速度，这是简易机械手的一项主要性能，其可适应各种快速自动搬运的工作。（2）能源方便，工厂都有压缩工作站。（3）空气泄漏基本无害。（4）适应易爆、易燃等恶劣环境。

（5）结构、保养都简单，成本低。（6）可将直线风缸和摆动风缸做成手臂的一部分，结构简单，刚性好。

2.气动机械手的主要部件和设计要求

根据模块化设计思想，机械手的各模块化机构分别为：立柱、手臂、小臂、手腕和手爪几个部分。论文选择圆柱坐标式机械手，木设计的机械手具有3个自由度：手臂伸缩；机身回转；机身升降。木设计的机械手主要由3个大部件和3个气缸组成：手部，采用一个气爪，通过机构运动实现手爪的运动。臂部，采用直线缸来实现手臂的伸缩。机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。

机械手的手部是机械手上承担抓取工件的机构，由于被抓取物件（炮弹）的形状近似于圆台，所以，其手爪采用特殊的V字型结构，即手爪的内表而设计成与圆台斜度相同的斜而，即保证了抓取的稳定又不会因“线接触”而影响炮弹的表而质量。通过对平衡气缸内空气压力快速精确的调节，实现对某一重量范围内工件的实时平衡状态。机械手可选择定制功能：平衡系统；垂直提升；负载平衡。设备回转关节设置刹车系统，可在任意所需要的位置刹车，使机械手可以长期或定期保持需要的状态。翻转90度、翻转180度和翻转任意角度（MAX270°）；断气保护：设备被意外断气时，设备上的储气罐装置可保证工人正常完成一个循环工作，然后进入刹车状态指不功能：负载指示、到位指示。误操作保护功能：工件在悬空时不可被释放。人性化操作手柄：控制按钮和人性化防滑手柄集成一体，让操作人更便捷操纵机体。工件表面保护：夹具接触工件部位装置保护物件，保证工件表而不会被刮伤。高效率工作：夹具设置抓取导向，让工件的拾取更高效。

控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作程序的存储方式有分离存储和集中存储两种。分离存储是将各种控制因素的信息分别存储于两种以上的存储装置中，如顺序信息存储于插销板、凸轮转鼓、穿孔带内；位置信息存储于时间继电器、定速回转鼓等；集中存储是将各种控制因素的信息全部存储于一种存储装置内，如磁带、磁鼓等这种方式使用于顺序、位置、时间、速度等必须同时控制的场合，即连续控制的情况下使用。

3.机械手回转臂的结构优化措施

为防止手臂沿伸缩方向轴线转动、加大承载能力，以及提高运动精度，必须设有导向装置。伸缩手臂的导向装置需根据伸缩手臂的安装形式、结构及负荷等条件来确定。用的有单导向杆和双导向杆。在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难，将旋转气缸安装在底板上，实现机械手的回转运动，使机械手向左或向右摆动。机械手末端执行器的水平伸缩运动和竖直升降运动各由一个气缸控制，即以最简单的形式，在完全伸出和回缩位置之间进行切换。

具体优化措施：第一，由于最大应力出现在齿轮的齿根处，所以，为了减小应力给齿轮寿命带来的影响，应采用热处理方法增强齿根强度。第二，由于最大变形出现在手爪受压的地方，长期使用定会加剧磨损，从而间接影响在检测平台上的位置。因此，对于下半部分手爪结构进行热处理，以增强其耐磨性和强度。