1、機(jī)械手的發(fā)展1 、引言機(jī)械手作為工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支， 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， 他代替了人的繁重的勞動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)加工生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化， 并能在有害壞境洗吖作業(yè)以保護(hù)我們的人身安全， 因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、電子、冶金、輕工等眾多工業(yè)行業(yè)。進(jìn)入 21 世紀(jì)，隨著我國(guó)人口老齡化的提前到來(lái)，近來(lái)在東南沿海還出現(xiàn)了嚴(yán)重的勞動(dòng)力稀缺的現(xiàn)象， 這就迫切要求我們提高勞動(dòng)生產(chǎn)力， 降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度， 提高我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化水平勢(shì)在必行， 將機(jī)械手， 應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)線，把工業(yè)產(chǎn)品從一條生產(chǎn)線搬運(yùn)到另瓦一條生產(chǎn)線， 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)， 減輕產(chǎn)業(yè)工人大量的重復(fù)性勞動(dòng)，同時(shí)又可以

2、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。2、機(jī)械手的分類機(jī)械手按適用范圍一般可分為三類： 第一類是專用機(jī)械手， 這類機(jī)械手專業(yè)性強(qiáng)， 配合在某臺(tái)主機(jī)或生產(chǎn)線上以完成輔助性的工作， 例如抓取工件、 上料下料等， 這類機(jī)械手是為主機(jī)服務(wù)的并由主機(jī)驅(qū)動(dòng)， 除極少數(shù)外， 它們的工作程序一般是固定的， 因此是專用的； 第二類是不需要人工操作的通用機(jī)械手， 這類機(jī)械手能夠獨(dú)立地按照控制程序且自動(dòng)重復(fù)操作，并可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序， 以完成各項(xiàng)規(guī)定的操作， 這類機(jī)械手適應(yīng)性強(qiáng)， 在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用；第三類是需要人工操作的機(jī)械手，簡(jiǎn)稱操作機(jī)，這類機(jī)械手起源于原子、軍事工業(yè)， 開始是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)， 后來(lái)發(fā)展

3、到用無(wú)線電訊號(hào)操作機(jī)來(lái)進(jìn)行航天活動(dòng)等。機(jī)械手按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、 氣動(dòng)式、 電動(dòng)式和機(jī)械式機(jī)械手。 按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等3、機(jī)械手的構(gòu)成機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。 手部是用來(lái)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(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)） 、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓出物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度。為了抓去空間中任意位置和方位的物體， 需要 6 個(gè)自由度。 自由度是機(jī)械手設(shè)

4、計(jì)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2 3 個(gè)自由度。控制系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制來(lái)完成特定的動(dòng)作。同時(shí)接受傳感器反饋的信息，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(guò)對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)所要的功能。（ 1 ）執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)分為手部、手臂、軀干；手部手部安裝在手臂的前端。 手臂的內(nèi)孔中裝有傳動(dòng)軸， 可把運(yùn)動(dòng)傳給手腕， 以轉(zhuǎn)動(dòng)、伸曲手腕、開閉手指。機(jī)械手手部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無(wú)關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié) 3種。手指的數(shù)量又可分為二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。可根據(jù)夾持對(duì)象

5、的形狀和大小配備多種形狀和大小的夾頭以適應(yīng)操作的需要。 所謂沒有手指的手部，一般都是指真空吸盤或磁性吸盤。手臂手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確地抓住工件， 并運(yùn)送到所需的位置上。 為了使機(jī)械手能夠正確地工作，手臂的 3 個(gè)自由度都要精確地定位。軀干軀干是安裝手臂、動(dòng)力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。（ 2 ）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)械手所用的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有4 種： 液壓驅(qū)動(dòng)、 氣壓驅(qū)動(dòng)、 電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。其中以液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)用的最多。液壓驅(qū)動(dòng)式液壓驅(qū)動(dòng)式機(jī)械手通常由液動(dòng)機(jī)（各種油缸、油馬達(dá)） 、伺服閥、油泵、油箱等組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由驅(qū)動(dòng)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。通常具有很大的抓舉力，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作平穩(wěn)、耐沖擊、

6、耐震動(dòng)、防爆性好，但液壓元件要求有較高的制造精度和密封性能，否則漏油將污染環(huán)境。氣壓驅(qū)動(dòng)式其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機(jī)組成，其特點(diǎn)是氣源方便、動(dòng)作迅速、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 造價(jià)較低、 維修方便。 但難以進(jìn)行速度控制， 氣壓不可太高，故抓舉能力較低。電氣驅(qū)動(dòng)式電氣驅(qū)動(dòng)是機(jī)械手使用的最多的一種驅(qū)動(dòng)方式。 其特點(diǎn)是電源方便， 響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力較大，信號(hào)檢測(cè)、傳動(dòng)、處理方便，并可采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)， 直流伺服電機(jī)為主要的驅(qū)動(dòng)方式。 由于電機(jī)速度高， 通常采用減速機(jī)構(gòu)。 有些機(jī)械手已開始采用無(wú)減速機(jī)構(gòu)的大轉(zhuǎn)矩、 低轉(zhuǎn)速電機(jī)進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)，這即可使機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單化，又可提高控制精

7、度。機(jī)械驅(qū)動(dòng)式機(jī)械驅(qū)動(dòng)只用于動(dòng)作固定的場(chǎng)合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。其特點(diǎn)是動(dòng)作確實(shí)可靠，工作速度高，成本低，但不易于調(diào)整。其他還有采用混合驅(qū)動(dòng)，即液-氣或電-液混合驅(qū)動(dòng)。（ 3 ）控制系統(tǒng)機(jī)械手控制的要素包括工作順序、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度、加減速度等。機(jī)械手的控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制兩種。控制系統(tǒng)可根據(jù)動(dòng)作的要求， 設(shè)計(jì)采用數(shù)字順序控制。 它首先要編制程序加以存儲(chǔ)， 然后再根據(jù)規(guī)定的程序， 控制機(jī)械手進(jìn)行工作。 程序的存儲(chǔ)方式有分離存儲(chǔ)和集中存儲(chǔ)兩種。 分離存儲(chǔ)是將各種控制因素的信息分別存儲(chǔ)于兩種以上的存儲(chǔ)設(shè)置中；集中存儲(chǔ)是將各種控制因素的信息全部存儲(chǔ)于一種存儲(chǔ)裝置

8、內(nèi)。4、機(jī)械手在工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀機(jī)械手研究始于 20 世紀(jì)中期，它是在早期出現(xiàn)的古代機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的， 隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展， 同時(shí)， 大批量生產(chǎn)的迫切需求也推動(dòng)了自動(dòng)化家屬的近戰(zhàn)， 又為機(jī)械手的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。 近些年， 機(jī)械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動(dòng)成產(chǎn)率的重要因素。 當(dāng)前國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)械手主要應(yīng)用于一下幾個(gè)方面。（ 1）冷加工方面的應(yīng)用在冷加工方面， 機(jī)械手主要用于柴油機(jī)配件以及箱體類、 軸類和盤類等零件單機(jī)加工時(shí)的刀具安裝和上料下料等。 通過(guò)在程序控制、 數(shù)字控制等機(jī)床上的使用，成為加工設(shè)備的一個(gè)重要組成部分，以及在加工生產(chǎn)線、自動(dòng)線上應(yīng)用，成為機(jī)床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重

9、要環(huán)節(jié)。（ 2）熱加工方面的應(yīng)用熱加工是高溫、 危險(xiǎn)的重體力工作， 很久以來(lái)就要求實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。 為了提高工作效率以及確保工作人員的人身安全， 尤其對(duì)于大件和人力所不能勝任的作業(yè)任務(wù)就更需要采用機(jī)械手操作。（ 3）拆修裝方面的應(yīng)用拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)中體力勞動(dòng)較多的部門之一，隨著機(jī)械手的迅速發(fā)展， 目前國(guó)內(nèi)鐵路工廠、 機(jī)務(wù)段等部門， 已使用機(jī)械手分解制動(dòng)缸、 拆裝三通閥、鉤舌、組裝輪對(duì)、裝卸軸箱、清除石棉等，近些年來(lái)還研制了一種客車車內(nèi)噴漆通用機(jī)械手， 用以對(duì)客車內(nèi)部進(jìn)行連續(xù)噴漆。 在這些機(jī)械手的試用下， 改善了工作人員的勞動(dòng)條件，提高了工作的質(zhì)量和效率。5、機(jī)械手的傳動(dòng)方式的比較現(xiàn)在的機(jī)械

10、手大多采用液壓傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)存在以下幾個(gè)缺點(diǎn)：（ 1 ）液壓傳動(dòng)在工作過(guò)程中常有較多的能量損失（摩擦損失、泄露損失） ：液壓傳動(dòng)易泄露，不僅污染工作場(chǎng)地，限制其應(yīng)用范圍，可能引起失火事故，而且影響執(zhí)行部分的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及正確性。（ 2 ）工作室受溫度變化影響較大。油溫變化時(shí)，液體粘度變化，引起運(yùn)動(dòng)特性變化。（ 3 ）因液壓脈動(dòng)和液體中混入空氣，易產(chǎn)生噪聲。（ 4 ）為了減少泄露，液壓元件的制造工藝水平要求較高，故價(jià)格較高；且使用維護(hù)需要較高的技術(shù)水平。鑒于以上這些缺陷，機(jī)械手可采用氣壓傳動(dòng)，氣壓傳動(dòng)有以下有點(diǎn)：（ 1 ）介質(zhì)的提取和處理方便。氣壓傳動(dòng)工作壓力較低，工作介質(zhì)提取較為容易，而后排入大

11、氣，處理也較為方便，一般不需設(shè)置回收管道和容器：介質(zhì)清潔，不易堵塞管道，介質(zhì)穩(wěn)定，不存在介質(zhì)變質(zhì)及補(bǔ)充的問(wèn)題。（ 2 ）阻力損失和泄露較小，在壓縮空氣的輸送過(guò)程中，阻力損失較小，空氣便于集中供應(yīng)和遠(yuǎn)距離輸送。 外泄漏不會(huì)像液壓傳動(dòng)一樣， 造成壓力明顯降低和嚴(yán)重污染。（ 3 ）動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏。氣壓傳動(dòng)一般只需要0.02s-0.3s ，即可建立起所需的壓力和速度。氣壓傳動(dòng)也能是實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。（ 4 ）能源可儲(chǔ)存。壓縮空氣可存儲(chǔ)在儲(chǔ)氣罐中，因此，若突然發(fā)生斷電等情況時(shí)，機(jī)器及其工藝流程不致突然中斷。（ 5 ）工作環(huán)境適應(yīng)性好。在易燃、易爆、多塵埃、強(qiáng)磁、強(qiáng)輻射、振動(dòng)等惡劣環(huán)境中，

12、氣壓傳動(dòng)與控制系統(tǒng)比機(jī)械、 機(jī)器及液壓系統(tǒng)優(yōu)越， 而且不會(huì)因溫度變化影響傳動(dòng)及控制性能。（ 6 ）成本低廉。由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)工作壓力較低，因此降低了氣壓傳動(dòng)元件和輔件的材質(zhì)和加工精度要求，容易制造，降低成本。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為：由于氣體具有可壓縮性， 因此， 在氣壓傳動(dòng)伺服系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)高精度定位比較困難。 此外， 氣源工作壓力較低， 抓舉力較小。 雖然氣壓傳動(dòng)技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動(dòng)功能已有部分被工業(yè)界所接受， 而且對(duì)于不太復(fù)雜的機(jī)械手， 用氣壓傳動(dòng)元件組成的控制系統(tǒng)已被接受， 但有一點(diǎn)氣壓傳動(dòng)機(jī)器人這一體系已經(jīng)取得的一系列重要發(fā)展過(guò)去介紹的不夠， 因此在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域里， 對(duì)氣壓傳動(dòng)機(jī)械手、 氣壓傳

13、動(dòng)機(jī)器人的實(shí)用性和前景存在不少疑慮。6、國(guó)內(nèi)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)當(dāng)下機(jī)械手在工業(yè)中的應(yīng)用逐步擴(kuò)大， 技術(shù)性能也在不斷的提高， 但是機(jī)械手在技術(shù)上還有一個(gè)逐步完善的過(guò)程，其發(fā)展趨勢(shì)有以下幾點(diǎn)。（ 1）重復(fù)高精度精度是指機(jī)械手達(dá)到指定點(diǎn)的精度程度， 它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)進(jìn)行多次，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精度程度。重復(fù)精度比精度更重要， 更難， 如果一個(gè)機(jī)械手定位不夠精確， 通常會(huì)顯示一個(gè)固定的誤差， 這個(gè)誤差是可以預(yù)測(cè)的， 因此可以通過(guò)編程予以校正。 重復(fù)精度的限定是一個(gè)隨機(jī)誤差的范圍， 它通過(guò)一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)械手來(lái)測(cè)定。 隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，

14、 機(jī)械手的重復(fù)精度將越來(lái)越高， 它的應(yīng)用領(lǐng)域也將越來(lái)越廣闊，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(dòng)裝置的機(jī)械手稱為簡(jiǎn)單的傳輸技術(shù)， 而用模塊化拼裝的機(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(dòng)裝置的機(jī)械手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)械手動(dòng)作自如。 模塊化機(jī)械手使同一機(jī)械手可能應(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(gè)重要的發(fā)展方向。（ 3）節(jié)能化為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無(wú)污染要求不加潤(rùn)滑脂的元件已經(jīng)問(wèn)世。 隨著材料技術(shù)的進(jìn)步， 新型材料的出現(xiàn)， 構(gòu)造特殊

15、、用自潤(rùn)滑材料制造的霧潤(rùn)滑元件，不僅節(jié)省潤(rùn)滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡(jiǎn)單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長(zhǎng)。4）機(jī)電一體化由“可編程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(dòng)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” ； 節(jié)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(jiǎn)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(lái)越小， 而 plc 的輸出功率在增大， 由 plc 直接控制線圈變得越來(lái)越可能。（ 5）逐步擴(kuò)大機(jī)械手在熱加工行業(yè)上的應(yīng)用。就目前國(guó)內(nèi)機(jī)械手行業(yè)來(lái)說(shuō)，機(jī)械手應(yīng)用在機(jī)械工業(yè)冷加工作業(yè)中的

16、較多，而在鑄、鍛、焊、熱處理等熱加工以及裝配作業(yè)等方面的應(yīng)用較少。因熱加工作業(yè)的物件較重、 形狀復(fù)雜、 環(huán)境溫度高等， 給機(jī)械手的設(shè)計(jì)與制造帶來(lái)了很多的困難，這就需要解決技術(shù)上的難點(diǎn)，使機(jī)械手可以更好的為熱加工作業(yè)服務(wù)。（ 6）提高機(jī)械手的工作性能。機(jī)械手工作性能的優(yōu)劣， 決定了機(jī)械手能否正常地應(yīng)用于生產(chǎn)工作中。 機(jī)械手工作性能中的重復(fù)定位精度和工作速度這兩個(gè)指標(biāo)， 是機(jī)械手能否保質(zhì)保量地完成各種操作任務(wù)的關(guān)鍵因素。 因此， 要解決好機(jī)械手的工作平穩(wěn)性和快速性的要求， 不僅應(yīng)從解決緩沖定位措施人手外， 還應(yīng)發(fā)展?jié)M足機(jī)械手性能要求且價(jià)格便宜的電液伺服閥，將伺服控制系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)械手。（ 7）發(fā)展組

17、合式機(jī)械手。從機(jī)械手本身的設(shè)計(jì)特點(diǎn)來(lái)說(shuō)， 可改編程序的機(jī)械手更適應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、 設(shè)備更新、多品種小批量的生產(chǎn)要求，但是它的成本較高，專用機(jī)械手價(jià)格便宜，但適用范圍受到限制。因此，對(duì)一些特殊用途的場(chǎng)合，就需要專門設(shè)計(jì)加工，這樣就提高了產(chǎn)品的成本。 為了適應(yīng)不同領(lǐng)域的要求， 可將機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成組合型式。 這種機(jī)械手兼顧了設(shè)計(jì)上的通用性和使用上的專用性， 便于標(biāo)準(zhǔn)化、 系列化設(shè)計(jì)生產(chǎn)， 有利于提高機(jī)械手的質(zhì)量同時(shí)有降低了成本， 是一種很有發(fā)展前景的機(jī)械手。國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。 使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，而做出相應(yīng)的改變。如位置發(fā)生偏移時(shí)，能及時(shí)自行檢測(cè)并更正， 重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能， 目前已經(jīng)取得一定的成績(jī)。 視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測(cè)距儀以及微型計(jì)算機(jī)。 工作時(shí)， 電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)， 然后將信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)， 以便計(jì)算機(jī)分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。觸覺功能即在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。 在工作時(shí)， 機(jī)械手首先伸出手指尋找工件， 通過(guò)安裝在手指內(nèi)的敏感元件產(chǎn)生觸覺作用， 然后伸向前方， 抓住工件。 收的抓力大小通過(guò)裝在手指內(nèi)的敏感元件來(lái)