柔性取料机械手

一、项目简介

自动送、取料技术在许多发达国家都有广泛的应用，几乎渗透到国民经济的各行各业，如作为支柱产业之一的汽车制造业、注塑业、化工业、铸件业以及航空航天、军事兵器邓，都占据着相当重要的地位。随着我国工业的发展，在各种恶劣环境下，由于工艺的复杂化以及人性化生产要求，生产过程中的手工送、取原料和加工成型料，在生产中由于存在着效率、速度、精度、安全等方面的一系列问题，已逐步被自动送料、取料机械所取代。自动送料、取料机械的使用进一步满足了工业自动化生产的要求，大幅度提高了生产了效率，生产质量也得到保证。

自动送料、取料系统国内市场多有使用，但，目前市场上缺乏一种基于嵌入式系统、能模仿人手的工业取料柔性机械手。本项目设计的“基于嵌入式系统的工业取料柔性机械手”既能包络抓取，又能精确捏取，并且负载能力强，能够在各种工业现场上实际使用。本产品通过新型传动和驱动技术、气动控制技术及精确控制系统的研究，发明一种新型基于嵌入式系统的柔性机械手，解决仿人柔性机械手在实用化过程中遇到的一些技术难题，使我国自主研发的基于嵌入式系统的柔性取料机械手达到国际领先水平。

本项目重点解决了以下五个方面的技术难题：

（1）取料机械手系统的虚拟样机建模和仿真：研究出适用于各种不同形状和结构的柔性机械手的总体结构、目标机构、数量和位置；驱动方式、驱动元件数量和功率。并以体积最小、重量最轻为优化设计目标，设计出功能完善的取料机械手，完成新型柔性驱动机械手虚拟样机系统模型。

（2）基于嵌入式系统的多轴控制器设计：研究如何通过对以电机驱动的执行机构等设备进行运动控制，以实现预定运动轨迹的动作，特别是如何及时准确的抓取等控制机理。

（3）取料柔性机械手抓取稳定性分析：分析柔性机械手机构的基本特性和在抓取过程中施力的力学模型，利用运动学软件分析驱动部件的抓取运动学和动力学及受力分析，分析每一种抓取模式下达到稳定的条件，用来指导柔性机械手的抓取。

（4）取料机械手信息获取与控制：研究基于嵌入式系统和力传感器信息反馈的机械手控制模式和控制策略，研制机械手控制器和接触力的传感器，实时检测机械手在抓取物体过程中接触力的动态信息，增强抓取稳定性并实时控制气动系统的气压大小。

（5）取料机械手实验系统构建：将研制的柔性机械手、多种传感器、嵌入式柔性机械手控制器、具有实时反馈功能的气动部件进行集成集成，构成多级负载、用途广泛的柔性机械手的抓取、运动实验平台，并通过大量的抓取、运动实验，尤其是抓取轻物、重物和不同规格形状的物体来验证柔性机械手系统的有效性。

本项目目前已完成“基于嵌入式系统的工业取料柔性机械手”的研发，并已完成样机的研制。项目产品目前可达到的技术指标如下：

（1）左右行程(mm)：200

（2）上下行程(mm)：100

（3）旋转角度：30°~90°

（4）最大抓取重量(kg)： 5

（5）取料时间(sec)：<10

（6）一次循环时间(sec)：<30

（7）净重(kg)：<3

二、市场分析及效益预测

伴随着自动化技术、机器人技术的飞速发展，一些机器人强国竞相开始研制新一代柔性取料机械手。在这样的大背景下，国内外大学和科研机构相继研制出各种类型的柔性送料、取料机械手，比较代表性的有：日本在1974年研制成功的Okada多指灵巧手、美国斯坦福大学1983年研制成功的Stanford/JPL多指灵巧手、美国宇航局历时3年耗资300万美元研制的NASA多指灵巧手、德国宇航中心开发的ROTEX机械手和DLR四指灵巧手、加拿大Laval大学研制的欠驱动机械手SARAH等等。在国内，北京航空航天大学机器人研究所于80年代末开发出仿JPL的BH-1灵巧手，哈尔滨工业大学于2003年研制出HIT/DLR多指灵巧手。中科院合肥智能所研制出用于空间机器人舱内服务、舱外行走和自由飞行柔性机械手。此外，中科院沈阳自动化研究所、清华大学、上海交大、杭州电子科技大学、绍兴文理学院等单位对柔性机械手做了一些深入的研究与探索。

世界上只有日本和美国少数企业研制的同类产品，因技术壁垒导致其价格极昂贵，每套至少要10万元。国内目前在实际应用的取料机械手主要有费斯托（Festo）有限公司生产的和中国台湾省天行自动化机械股份有限公司生产的各种不同系列的机械手，他们占有了大部分的市场。随着各个不同行业的发展和完善，工业取料柔性机械手系统的需求非常广泛，从初步的市场调查分析看，国内的年销量基本在1000套/月以上，按每套5万元计算，年销售额可6亿元，利税可以达到9000万以上，市场前景极其可观。

三、项目团队介绍

项目负责人：徐林森，1981年生，合肥智能机械研究所助理研究员，2002年获得合肥工业大学工学学士学位，2006年获得合肥工业大学工学博士学位，研究方向为机构学及机械系统设计。主要参加以下项目：安徽省自然科学基金项目“数控车削多面体及槽的原理及样机仿真研究”，负责机床运动机理研究、样机的设计和试制；电子信息产业部第三十八所委托项目“基于PRO/E的通标件三维基础模型库系统的开发研究”，负责部分标准件的三维建模和一部分模型库的建立；参与扬子集团委托项目“福玲汽车车架分析及改进”，负责部分零件的建模和车架的有限元分析；参与申请江苏省科技公共服务平台项目“江苏常州智能检测与自动化装置技术服务平台”并获得立项，为领导小组成员之一。发表论文8篇，EI收录4篇，申请专利两项，其中一项已授权。

项目承担单位中科院先进制造技术研究所虚拟样机实验室和智能自动化实验室已配备了一整套当今国内先进的仪器、设备。协作单位合肥智能机械研究所是一家专业从事传感器，机电控制系统研发的研究机构，在传感器，机器人领域的研发有着丰富的技术经验积累和一整套完整的研发试验体系。可为本项目提供持续的技术支撑。

四、合作模式

联合成立公司，完成样机的产业化和市场推广。