1、1 緒 論1.1前言用于再現人手的的功能的技術裝置稱為機械手。機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業生產中應用的機械手被稱為工業機械手。工業機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術，并已成為現代機械制造生產系統中的一個重要組成部分，這種新技術發展很快，逐漸成為一門新興的學科機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。工業機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動生產設備。工業機械手也是工業機器人的一個重要分支。他的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業，在構

2、造和性能上兼有人和機器各自的優點，尤其體現在人的智能和適應性。機械手作業的準確性和環境中完成作業的能力，在國民經濟領域有著廣泛的發展空間。機械手的發展是由于它的積極作用正日益為人們所認識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，顯著的提高了勞動生產率，加快實現工業生產機械化和自動化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發展，并且取得

3、一定的效果，受到機械工業的重視。 機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，他有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環境中的工作。 機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業技術的發展，制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。1.2 工業機械手的簡史現代工業機械手起源于20世紀50年代初，是基于示教再現和主從控制方式、能適應產品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產品。機械手首先是從美國開始研制的。1958年

4、美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。他的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統是示教型的。1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎之上又試制成一臺數控示教再現型機械手。商名為Unimate(即萬能自動)。運動系統仿造坦克炮塔，臂回轉、俯仰，用液壓驅動；控制系統用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用機械手就是在這個基礎上發展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產工業機械手。1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉，臂可以回轉、升降、伸縮、采用液壓驅動，控制

5、系統也是示教再現型。雖然這兩種機械手出現在六十年代初，但都是國外工業機械手發展的基礎。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯合研制一種Unimate-Vic-arm型工業機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業，定位誤差可小于±1毫米。美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結構，降低成本。如Unimate公司建立了8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±0.1毫米。德國機器制造業是從1970年開

6、始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業。德國KnKa公司還生產一種點焊機械手，采用關節式結構和程序控制。瑞士RETAB公司生產一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。日本是工業機械手發展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1976年個大學和國家研究部門用在機械手的研究費用42%。1979年日本機械手的產值達443億日元，產量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功

7、能的機械手產值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機械手累計產量達56900臺。在數量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業，其次是電機、電器。預計到1990年將有55萬機器人在工作。 第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經出現了觸覺和視覺機械手。第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯系。并逐步發展成為柔性制

8、造系統FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環。隨著工業機器手（機械人）研究制造和應用的擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。1.3工業機械手在生產中的應用  機械手是工業自動控制領域中經常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛。在現代工業中，生產過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業的自動化水平越來越高，現代化加工車間，常配有機械手，以提高生產效率，完成工人難以完成的或者危險的工作。可在機

9、械工業中，加工、裝配等生產很大程度上不是連續的。據資料介紹，美國生產的全部工業零件中，有75%是小批量生產；金屬加工生產批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產時間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業機械手就是為實現這些工序的自動化而產生的。目前在我國機械手常用于完成的工作有：注塑工業中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個生產工序；機械手加工行業中用于取料、送料；澆鑄行業中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠實現這類工作的搬運機械手為研究對象。下面具體說明機械手在工業方面的應用。 建造旋轉零件（轉軸、盤類、環類）自動線一般都采用機械手在機床之

10、間傳遞零件。國內這類生產線很多，如沈陽永泵廠的深井泵軸承體加工自動線（環類），大連電機廠的4號和5號電動機加工自動線（軸類），上海拖拉機廠的齒坯自動線（盤類）等。加工箱體類零件的組合機床自動線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機械手的，如上海動力機廠的氣蓋加工自動線轉位機械手。 在實現單機自動化方面各類半自動車床，有自動加緊、進刀、切削、退刀和松開的功能，單仍需人工上下料；裝上機械手，可實現全自動化生產，一人看管多臺機床。目前，機械手在這方面應用很多，如上海柴油機廠的曲拐自動車床和座圈自動車床機械手，大連第二車床廠的自動循環液壓仿行車床機械手，沈陽第三機床廠的Y38滾齒機械手，青海第二機床廠

11、的滾銑花鍵機床機械手等。由于這方面的使用已有成功的經驗，國內一些機床廠已在這類產品出廠是就附上機械手，或為用戶安裝機械手提供條件。如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產線機械手（生產線中有兩臺多工位機床）和天津二注塑機有加料、合模、成型、分模等自動工作循環，裝上機械手的自動裝卸工件，可實現全自動化生產。目前機械手在沖床上應用有兩個方面：一是160t以上的沖床用機械手的較多。如沈陽低壓開關廠200t環類沖床磁力起重器殼體下料機械手和天京拖拉機廠400t沖床的下料機械手等；其一是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進輕局技術研究所制作的120t和40t多工位沖床機械手等。 鑄、鍛、焊熱處理等熱加工方面模

12、鍛方面，國內大批量生產的3t、5t、10t模鍛錘，其所配的轉底爐，用兩只機械手成一定角度布置早爐前，實現進出料自動化。上海柴油機廠、北京內燃機廠、洛陽拖拉機廠等已有較成熟的經驗。1.4 機械手的組成工業機械手是一種模仿人手動作，并按設定的程序、軌跡和要求代替人手抓取、搬運工件或操持工具或進行操作的自動化裝置。目前國內工業機械手的種類和型式比較多，但是從結構型式分析，主要由執行機構、驅動系統和控制系統等組成。 執行機構 主要由手部、手腕、受臂和行走機構等運動部件組成。（1）手部 它具有人手某種單一動作的功能。由于抓取物件的形狀不同，手部有夾持式和吸附式等型式。夾持式手部是由手指和傳力機構組成。手

13、指是直接與物件接觸的構件。常用的手指運動型式有回轉型和平移型。回轉型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型手指應用較少，其原因是結構比較復雜，但是平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位（是外廓或是內孔）和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的；手指有外夾式和內撐式；指數有雙指式、多指式和雙手雙指式等。 傳力機構形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式等。 吸附式手部有負壓吸盤和電磁吸盤兩類。 對于輕小片狀零件、光滑薄板材料

14、等，通常用負壓吸盤吸料。造成負壓的方式有氣流負壓和真空泵壓。 對于導磁性的環類和帶孔的盤類零件，以及有網孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力有直流電磁鐵和交流電磁鐵產生。 用負壓磁盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數量、和吸附力的大小，根據被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。 此外，根據特殊需要，手部還有勺式（如澆注機械手的澆包部分）、托式（如冷擠齒輪機床上下料機械手的手部）等型式。（2） 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調節被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設有回轉運動再增加

15、一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結構，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅動手部搬運工件。目前，應用最為廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓（氣）缸，它的結構緊湊，靈巧但回轉角度小（一般小于 2700）,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩定的輸出扭距。因此在要求較大回轉角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構。（3）臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態（方位），則用腕部的自由度加以實現。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要

16、求，即手臂的伸縮、左右旋轉、升降（或俯仰）運動。手臂的各種運動通常用驅動機構（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構來實現，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。（4） 行走機構 當工業機械手需要完成比較遠的距離的操作時，可以在機座上安裝滾輪、軌道等行走機構，以實現工業機械手的整機運動。我國的正處于仿真階段。 驅動機構驅動機構是工業機械手的重要組成部分。根據動力源的不同, 工業機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。采用液壓機構驅動機械手,結構

17、簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。 控制系統及其分類 它是支配著工業機械手按規定的要求運動的系統。目前工業機械手的控制系統一般由程序控制系統和電氣定位（或機械擋塊定位）系統組成。在機械手的控制上，有點動控制和連續控制兩種方式。大多數用插銷板進行點位控制。1.5工業機械手的分類工業機械手的種類很多，關于分類的問題，目前在國內尚無統一的分類標準，在此暫按使用范圍、驅動方式和控制系統等進行分類。按使用范圍可以分為：專用機械手和通用機械手兩大類。前者一般附屬于工作機器設備，動作程序固定，驅動系統和控制系統可以獨立，亦可附屬于工作機器設備。而后者是獨立工作的自動化機械裝置。在規格性能范圍內，其動作程序是

18、可變的，通過調整可在不同場合使用，驅動系統和控制系統是獨立的。按驅動方式可以分為：液壓傳動機械手、氣壓傳動機械手、電動傳動機械手、機械傳動機械手。 1液壓傳動機械手 是以由油液的壓力來驅動執行機構運動的機械手。其主要特點是：抓重可以達到幾百公斤以上、傳動平穩、結構緊湊、動作靈敏。但是對密封裝置要求嚴格，不然油的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，并且不宜在高溫、低溫下工作。若機械手采用電液伺服驅動系統，可實現連續軌跡控制，使機械手的通用性擴大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴格，成本高。 2氣壓傳動機械手 是以壓縮空氣的壓力來驅動執行機構運動的機械手。其主要特點是：介質來源極其方便、

19、氣動動作迅速、結構簡單、成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特征，工作速度的穩定性較差，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環境中進行工作。 3機械傳動機械手 即由機械傳動機構（如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機構等）驅動的機械手。它是一種附屬于工作主機的專用機械手，其動力是由工作機械傳遞的。它的主要特點是運動準確可靠、動作頻率高，但結構較大，動作程序可不變。它常被用于為工作主機的上、下料。 4電動傳動機械手 即由特殊結構的感應電動機、直線電機或功率步進電機直接驅動執行機構運動的機械手，因為不需要中間的轉換機構，故機械結構簡單。其中直線電機機械手的運動速度快和

20、行程長，維護和使用方便。此類機械手目前還不多，但有發展前途。 按控制方式可以分為：點位控制和連續軌跡控制。前者它的運動為空間點到點之間的移動，只能控制運動過程中幾個點的位置，不能控制其運動軌跡。若欲控制的點數越多，則必然增加電氣控制系統的復雜性。目前多數機械手屬于點位控制。后者它的運動軌跡為空間的任意連續曲線，其特點是設定點為無限的，整個移動過程處于控制之下，可以實現平穩和準確的運動，并且使用范圍廣，但是電氣控制系統復雜。1.6工業機械手的發展趨勢(1)工業機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5

21、萬美元。(2)機械結構向模塊化、可重構化發展。例如關節模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統三位一體化:由關節模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產品問市。(3)工業機器人控制系統向基于PC機的開放型控制器方向發展，便于標準化、網絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構:大大提高了系統的可靠性、易操作性和可維修性。(4)機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環境建模及決策控制多傳感器融合配置技術在產品化系統中已有成

22、熟應用。(5)虛擬現實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發展到用于過程控制如使遙控機器人操作者產生置身于遠端作業環境中的感覺來操縱機器人。(6)當代遙控機器人系統的發展特點不是追求全自治系統，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統構成完整的監控遙控操作系統，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統成功應用的最著名實例。(7)機器人化機械開始興起。從94年美國開發出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。我國的工業機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”

23、、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業的近30條自動噴漆生產線(站)上獲得規模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產品:機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統技術與國外比有差距;在應用規模上，我國己安裝的國產工業機器人約200臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業，當前我

24、國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質量、可靠性不穩定。因此迫切需要解決產業化前期的關鍵技術，對產品進行全面規劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業化進程.我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平，還開發出直接遙控機器人、雙臂協調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸有了一定的發展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統遙控機器人、智能裝配機器人、機器

25、人化機械等的開發用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統攻關，才能形成系統配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。有了一定的發展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統攻關，才能形成系統配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。1.7工業機械手的自由度和座標型式1 工業機械手的自由度 自由度是機械手設計的主要參數，每一個構件（即運動件）相對固定坐標系所具有的獨立運動稱

26、為自由度。每一個構件相對固定坐標系最多可有六個自由度即沿X、Y、Z三個方向獨立的往復運動和繞X、Y、Z軸的三個獨立的回轉運動。兩個構件組成相對運動的聯接稱為運動副，對相對運動加以限制的條件即為約束條件。因為，組成運動副的各構件的運動是受到約束的，不能任意運動，必須按照人們預定的規律而運動。分析機械手的手臂、手腕、手指等部件的本身和它們之間的關系，不外乎是由一組相互聯系著的構件和運動副所組成，這些運動副又可以分為只有一個自由度的回轉副和移動副或有三個自由度的球面副。 所謂工業機械手的自由度就是整機、手臂和手腕相對于固定坐標所具有的獨立運動。有幾個獨立運動就有幾個自由度。手指的抓取動作或吸盤的吸放

27、動作一般不記在自由度數目內。工業機械手自由度數的多少，決定著工業機械手動作多樣化的程度。一般為了確定被抓取對象在空間的位置和方位？（即姿勢），需要有六個自由度。但實際上由于有些工件或工具具有對稱性或放置狀態一定，往往并不需要工業機械手都具有六個自由度。工業機械手的自由度數越多。它的動作越靈活，應用越廣，但同時也使控制系統和機械結構越復雜，定位精度難以保證，整機的造價高，自重大。所以，在設計工業機械手時，應按照生產實際需要選用最少的自由度數。目前國內外現有的工業機械手的自由度數目多數為25個。2 座標型式按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可以分為下列幾種：（1）直角坐標式：其手臂

28、的運動系由三個直線運動所組成，即沿直角座標系的X軸的伸縮、沿Z軸的升降、沿Y軸的橫移。這種座標型式的機械手稱為直角座標式機械手。它的特點是結構簡單，定位精度高，適用于主機位置成行排列的場合。但是由于占地面積大而工作范圍小以及靈活性差，限制了它的使用范圍。（2）圓柱座標式：其手臂的運動系由兩個直線運動和一個回轉所組成，即沿直角座標系的X軸的伸縮、沿Z軸的升降和繞Z軸的回轉。這種座標型式的機械手稱為圓柱座標式機械手。它與直角坐標式相比較，占地面積小而活動范圍小，結構簡單，并能達到較高的定位精度，因此應用較廣泛，但是由于機械手結構的關系，沿Z軸方向移動的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的物件。（3

29、）球座標式：其手臂的運動系由一個直線運動和兩個回轉所組成，即沿X軸的伸縮、繞Y軸的俯仰和繞Z軸的回轉。這種座標型式的機械手稱為）球座標式機械手。 這種機械手手臂的俯仰運動能抓取地面上的物件，為了使手部能適應被抓取物件方位的要求，常常設有手腕上下擺動，使其手部保持水平位置或其它狀態。這種型式的機械手手臂具有動作靈活，占地面積小而工作范圍大等特點，它使用于沿軸伸縮方向外作業的傳動形式。但是結構復雜，此外，手臂擺角的誤差通過手臂會引起手部中心處的誤差放大。（4）關節式：其機械手的運動類似人的手臂可作幾個方向的轉動，它由大小兩臂和立柱等組成，大小兩臂之間的聯動為肘關節，大臂與立柱之間的聯接為肩關節，各

30、關節均由鉸鏈構成以實現轉動，手臂的運動系由三個回轉運動所組成，即大臂的俯仰、小臂俯仰和大臂的回轉。這種座標型式的機械手稱為關節式機械手。它的特點是工作范圍大，動作靈活，通用性強，能抓取靠近機座的物件，并能繞過機體和工作主機之間的障礙物去抓取物件，此為其它型式的機械手不可比擬的優點。但是關節式機械手的手指定位是由各個關節相互轉角來決定的，所以定位精度較差，另外，控制裝置和機械機構比其它型式的機械手均復雜。機械手座標型式的正確選擇，要通過座標型式方案的比較來確定。在擬定座標型式方案時，又須根據現場具體生產情況和工藝、精度、安裝空間的要求，結合各種座標型式的特點來分析比較，確定比較合理的座標型。1.

31、8工業機械手的展望 目前工業機械手的應用逐步擴大，技術性能在不斷提高。由于發展時間較短，人們對它有一個逐步認識的過程，機械手在技術上還有一個逐步完善的過程，其目前的展望為：（1）擴大機械手在熱加工行業上應用目前國內機械手應用在機械工業冷加工作業中的較多，而在鑄、鍛、焊、熱處理等熱加工以及裝配作業等方面的應用較少。因熱加工作業的物件重、形狀復雜、環境溫度高等，給機械手的設計、制造帶來不少困難，這就需要解決技術上的難點，使機械手更好地為熱加工作業服務。同時，在其它行業和工業部門，也將隨著工業技術水平的不斷提高，而逐步擴大機械手的使用。（2）提高工業機械手的工作性能機械手工作性能的優劣，決定著它能否

32、正常地應用于生產中。機械手工作性能中的重復定位精度和工作速度兩個指標，是決定機械手能否保質保量地完成操作任務的關鍵因素。因此要解決好機械手的逐個平穩性和快速性的要求，除了從解決緩沖定位措施入手外，還應發展滿足機械手性能要求價廉的電液伺服閥，將伺服控制系統應用于機械手上。（3）發展組合式機械手從機械手本身的特點來說。可變程序的機械手更適應產品改型、設備更新、多品種小批量的要求，但是它的成本高，專用機械手價廉，但適用范圍又受到限制。因此，對一些特殊用途的場合，就需要專門設計、專門加工，這樣就提高了產品成本。為了適應應用領域分門別類的要求，可將機械手的機構設計成可以組合的型式。組合式機械手是將一些通

33、用部件（如手臂伸縮部件、升降部件、回轉部件和腕部回轉、俯仰部件等）根據作業的要求，選擇必要的能完成預定機能的單元部件，以機座為基礎進行組合，配上與其相適應的控制部分，即成為能完成特殊要求的機械手。它可以簡化結構，兼顧了使用上的專用性和設計上的通用性，便于標準化、系列化設計和組合專業化生產，有利于提高機械手的質量和降低造價，是一種有發展前途的機械手。（4）研制具有“視覺”和“觸覺”的所謂“智能機器人”對于需用人工進行靈巧操作及需要進行判斷的工作場合，工業機械手很難替代人的勞動。如在工作過程中出現事故、障礙和情況變化等，機械手不能自動分辨糾正，而只能停機，待人們排除意外事故后才能繼續工作。因此，人

34、們對機械手提出了更高的要求，希望使其具有“視覺”、“觸覺”等功能，使之對物體進行判斷、選擇，能連續調節以適應變化的條件，并能進行“手眼”協調動作。這就需要一個能處理大量信息的計算機，要求人與機器“對話”進行信息交流。 這種帶“視覺”、“觸覺”反饋的，由計算機控制的，具有人的部分“智能”的機械裝置稱為“智能機器人”。所謂“智能”是包括：識別、學習、記憶、分析判斷的功能。而識別功能是通過“視覺”、“觸覺”和“聽覺”等感覺“器官”認識對象的。具有感覺功能的機器人，其工作性能是比較完善的，能準確的夾持任意方位的物件，判斷物件重量，越過障礙物進行工作，自動檢測夾緊力的大小，并且能自動調節，適用于從事復雜

35、、精密的操作，如裝配作業（國外研制的裝配機器人，能將活塞裝入間隙僅有20微米的汽缸內），它有著一定的發展前途。 智能機器人是一種新興的技術，對它的研究將涉及到電子技術、控制論、通訊技術、電視技術、空間機構和仿生機械學等學科。它是當代自動控制技術的一個新興領域。隨著科學技術的發展，智能機器人將會代替人做更多的工作。1.9本文主要研究內容本文研究了國內外機械手發展的現狀，通過學習機械手的工作原理，熟悉了搬運機械手的運動機理。在此基礎上，確定了搬運機械手的基本系統結構，對搬運機械手的運動進行了簡單的力學模型分析，完成了機械手機械方面的設計工作（包括傳動部分、執行部分、驅動部分）的設計工作。1.10本

36、章小結本章簡要的介紹了機械手的基本概念。在機械手的組成上，系統的從執行機構、驅動機構以及控制部分三個方面說明。比較細致的介紹了機械手的發展趨勢，簡要的敘述了本文研究的內容。2 機械手的總體設計方案本課題是輕型平動搬運機械手的設計及運動仿真。本設計主要任務是完成機械手的結構方面設計，在本章中對機械手的座標形式、自由度、驅動機構等進行了確定。因此，在機械手的執行機構、驅動機構是本次設計的主要任務。2.1 機械手基本形式的選擇常見的工業機械手根據手臂的動作形態,按坐標形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標型機械手;(2)圓柱坐標型機械手; ( 3)球坐標(極坐標)型機械手; (4)多關節型機機械

37、手。其中圓柱坐標型機械手結構簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設計采用圓柱坐標。圖1.1 是機械手搬運物品示意圖。圖中機械手的任務是將傳送帶A上的物品搬運到傳送帶B。圖1.1 機械手基本形式示意2.2機械手的主要部件及運動在圓柱坐在圓柱坐標式機械手的基本方案選定后，根據設計任務，為了滿足設計要求，本設計關于機械手具有4個自由度既：手部回轉；手臂伸縮；手臂回轉；手臂升降4個主要運動。本設計機械手主要由4個大部件和5個液壓缸組成：（1）手部，采用一個雙作用式液壓缸，通過機構運動實現手抓的張合。（2） 腕部，采用一個回轉液壓缸實現手部回轉（3）臂部，采用直線缸來實現手臂平動1.2m。（4）機

38、身，采用一個直線缸和一個回轉缸來實現手臂升降和回轉。2.3驅動機構的選擇驅動機構是工業機械手的重要組成部分, 工業機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅動方案及其裝置。根據動力源的不同, 工業機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。液壓機構驅動機械手的優點：(1)由于液壓傳動是油管連接，所以借助油管的連接可以方便靈活地布置傳動機構，這是比機械傳動優越的地方。例如，在井下抽取石油的泵可采用液壓傳動來驅動，以克服長驅動軸效率低的缺點。由于液壓缸的推力很大，又加之極易布置，在挖掘機等重型工程機械上，已基本取代了老式的機械傳動，不僅操作方便，而且外形美觀大方。(2)液壓傳動裝置的重

39、量輕、結構緊湊、慣性小。例如，相同功率液壓馬達的體積為電動機的12%13%。液壓泵和液壓馬達單位功率的重量指標，目前是發電機和電動機的十分之一，液壓泵和液壓馬達可小至0.0025N/W(牛/瓦),發電機和電動機則約為0.03N/W。(3)可在大范圍內實現無級調速。借助閥或變量泵、變量馬達，可以實現無級調速，調速范圍可達12000，并可在液壓裝置運行的過程中進行調速。(4)傳遞運動均勻平穩，負載變化時速度較穩定。正因為此特點，金屬切削機床中的磨床傳動現在幾乎都采用液壓傳動。(5)液壓裝置易于實現過載保護借助于設置溢流閥等，同時液壓件能自行潤滑，因此使用壽命長。(6)液壓傳動容易實現自動化借助于各

40、種控制閥，特別是采用液壓控制和電氣控制結合使用時，能很容易地實現復雜的自動工作循環，而且可以實現遙控。(7)液壓元件已實現了標準化、系列化和通用化，便于設計、制造和推廣使用。液壓機構驅動機械手的缺點:(1)液壓系統中的漏油等因素，影響運動的平穩性和正確性，使得液壓傳動不能保證嚴格的傳動比。(2)液壓傳動對油溫的變化比較敏感，溫度變化時，液體粘性變化，引起運動特性的變化，使得工作的穩定性受到影響，所以它不宜在溫度變化很大的環境條件下工作。(3)為了減少泄漏，以及為了滿足某些性能上的要求，液壓元件的配合件制造精度要求較高，加工工藝較復雜。(4)液壓傳動要求有單獨的能源，不像電源那樣使用方便。(5)

41、液壓系統發生故障不易檢查和排除。總之，液壓傳動的優點是主要的，隨著設計制造和使用水平的不斷提高，有些缺點正在逐步加以克服。液壓傳動有著廣泛的發展前景。因此，機械手的驅動方案選擇液壓驅動。2.4 機械手的技術參數列表 用途：搬運:用于車間搬運 設計技術參數:1、抓重:30Kg (夾持式手部)2、自由度數:4個自由度3、座標型式:圓柱座標4、最大工作半徑:1600mm5、手臂最大中心高:900mm6、手臂運動參數伸縮行程：800mm伸縮速度：83mm/s升降行程：330mm升降速度：< 60mm/s回轉范圍:7、手腕運動參數回轉范圍: 2.5 本章小結本章對機械手的整體部分進行了總體設計，選

42、擇了機械手的基本形式以及自由度，確定了本設計采用液壓驅動，給出了設計中機械手的一些技術參數。下面的設計計算將以次進行。3 機械手手部的設計計算3.1 手部設計基本要求（1） 應具有適當的夾緊力和驅動力。應當考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構所需的驅動力大小是不同的。（2） 手指應具有一定的張開范圍，手指應該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點所轉過的角度），以便于抓取工件。（3） 要求結構緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結構緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。（4） 應保證手抓的夾持精度。3.2 典型的手部結構（1） 回轉型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種

43、。（2） 移動型 移動型即兩手指相對支座作往復運動。（3）平面平移型。3.3機械手手抓的設計計算3.3.1選擇手抓的類型及夾緊裝置本設計是設計平動搬運機械手的設計，考慮到所要達到的原始參數：手抓張合角=，夾取重量為30Kg。常用的工業機械手手部,按握持工件的原理,分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體,不適合用于本方案。本設計機械手采用夾持式手指,夾持式機械手按運動形式可分為回轉型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動,這種手指結構簡單, 適于夾持平板方料, 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置, 其理論夾持誤差零。若采用典型的平移型手指, 驅動力需加在

44、手指移動方向上,這樣會使結構變得復雜且體積龐大。顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。通過綜合考慮，本設計選擇二指回轉型手抓，采用斜楔杠桿這種結構方式。夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置，它在彈簧的作用下機械手手抓閉和，在壓力油作用下，彈簧被壓縮，從而機械手手指張開。 手抓的力學分析下面對其基本結構進行力學分析：斜楔杠桿 圖3.1（a）為常見的斜楔杠桿式手部結構。(a) (b)圖3.1 斜楔杠桿式手部結構、受力分析1手指 2銷軸 3杠桿在杠桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為F，并通過銷軸中心O點，兩手指1的對銷軸的反作用力為F1和F2，其力的方向垂直于中心線和并指向點，交和的延長線于A及B。由=0 得 =

45、0 得 由=0 得h F= （3.1）式中 a手指的回轉支點到對稱中心的距離（mm）. 工件被夾緊時手指的方向與兩回轉支點的夾角。由分析可知，當驅動力一定時，角增大，則握力也隨之增大，但角過大會導致拉桿行程過大，以及手部結構增大，因此最好=。3.3.3 夾緊力及驅動力的計算 手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依據。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產生的靜載荷以及工件運動狀態變化的慣性力產生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態。 手指對工件的夾緊力可按公式計算： （3.2）式中 安全系數，通常1.22.0； 工作情況系數，主要考慮慣性力的影響。可近似按下式估

46、其中a，重力方向的最大上升加速度； 運載時工件最大上升速度 系統達到最高速度的時間，一般選取0.030.5s 方位系數，根據手指與工件位置不同進行選擇。 G被抓取工件所受重力（N）。表3-1 液壓缸的工作壓力作用在活塞上外力F（N）液壓缸工作壓力Mpa作用在活塞上外力F（N）液壓缸工作壓力Mpa小于500050000以上計算：設a=100mm,b=50mm,<<機械手達到最高響應時間為0.5s，求夾緊力和驅動力和 驅動液壓缸的尺寸。(1) 設 =1.02 根據公式，將已知條件帶入： =1.5 （2）根據驅動力公式得： （3）取 F （4）確定液壓缸的直徑D 選取活塞桿直徑d=0.5

47、D,選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.81MPa, 根據表4.1（JB826-66），選取液壓缸內徑為：D=63mm則活塞桿內徑為:D=630.5=31.5mm，選取d=32mm 手抓夾持范圍計算為了保證手抓張開角為，活塞桿運動長度為34mm。手抓夾持范圍，手指長100mm,當手抓沒有張開角的時候，如圖3.2（a）所示，根據機構設計，它的最小夾持半徑，當張開時，如圖3.2（b）所示，最大夾持半徑計算如下： 機械手的夾持半徑從4090mm。3.4 機械手手抓夾持精度的分析計算機械手的精度設計要求工件定位準確,抓取精度高,重復定位精度和運動穩定性好,并有足夠的抓取能力。機械手能否準確夾持工件，把工件

48、送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也于機械手夾持誤差大小有關。特別是在多品種的小批量生產中，為了適應工件尺寸在一定范圍內變化，一定進行機械手的夾持誤差。（a） (b)圖3.2 手抓張開示意圖圖3.3 手抓夾持誤差分析示意圖該設計以棒料來分析機械手的夾持誤差精度。機械手的夾持范圍為80mm180mm。一般夾持誤差不超過1mm,分析如下：工件的平均半徑：手指長,取V型夾角偏轉角按最佳偏轉角確定：計算 當S時帶入有：夾持誤差滿足設計要求。3.5彈簧的設計計算選擇彈簧是壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖3.4所示，計算如下。圖3.4 圓柱螺旋彈簧的幾何參數(1

49、).選擇硅錳彈簧鋼，查取許用切應力(2).選擇旋繞比C=8，則 （3.3）(3).根據安裝空間選擇彈簧中徑D=42mm，估算彈簧絲直徑 (4).試算彈簧絲直徑 （3.4）(5). 根據變形情況確定彈簧圈的有效圈數： （3.5）選擇標準為，彈簧的總圈數圈(6).最后確定，(7).對于壓縮彈簧穩定性的驗算 對于壓縮彈簧如果長度較大時，則受力后容易失去穩定性，這在工作中是不允許的。為了避免這種現象壓縮彈簧的長細比，本設計彈簧是2端自由，根據下列選取： 當兩端固定時，,當一端固定；一端自由時，；當兩端自由轉動時，。結論本設計彈簧，因此彈簧穩定性合適。(8).疲勞強度和應力強度的驗算。對于循環次數多、在

50、變應力下工作的彈簧，還應該進一步對彈簧的疲勞強度和靜應力強度進行驗算（如果變載荷的作用次數，或者載荷變化幅度不大時，可只進行靜應力強度驗算）。現在由于本設計是在恒定載荷情況下，所以只進行靜應力強度驗算。計算公式： （3.6）選取1.31.7（力學性精確能高） （3.7）結論：經過校核，彈簧適應。 3.6 本章小結通過本章的設計計算，先對滑槽杠桿式的手部結構進行力學分析，然后分別對滑槽杠桿式手部結構的夾緊力、夾緊用的彈簧、驅動力進行計算，在滿足基本要求后，對手部的夾持精度進行分析計算。4 腕部的設計計算4.1 腕部設計的基本要求（1） 力求結構緊湊、重量輕腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動

51、載荷均由臂部承擔。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。（2）結構考慮，合理布局 腕部作為機械手的執行機構，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。（3） 必須考慮工作條件對于本設計，機械手的工作條件是在工作場合中搬運加工的棒料，因此不太受環境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質中，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素。4.2 腕部的結構以及選擇典型的腕部結構(1) 具有一個自由度的回轉驅動的腕部結構。它具有結構緊湊、靈活等優點而被廣

52、腕部回轉，總力矩M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動慣性所用。回轉角由動片和靜片之間允許回轉的角度來決定（一般小于）。(2) 齒條活塞驅動的腕部結構。在要求回轉角大于的情況下，可采用齒條活塞驅動的腕部結構。這種結構外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。(3) 具有兩個自由度的回轉驅動的腕部結構。它使腕部具有水平和垂直轉動的兩個自由度。(4) 機-液結合的腕部結構。 腕部結構和驅動機構的選擇 本設計要求手腕回轉，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結構選擇具有一個自由度的回轉驅動腕部結構，采用液壓驅動。4.3 腕部的設計計算 腕部設計考慮的參數 夾取工件重量30Kg，回轉。 腕部的驅動力矩計算（1）

53、腕部的驅動力矩需要的力矩。（2） 腕部回轉支撐處的摩擦力矩。夾取棒料直徑100mm，長度1000mm，重量30Kg，當手部回轉時，計算 力矩：（1） 手抓、手抓驅動液壓缸及回轉液壓缸轉動件等效為一個圓柱體，高為220mm，直徑120mm，其重力估算G=3.14（2） 擦力矩。（3） 啟動過程所轉過的角度=0.314rad，等速轉動角速度。 （4.1）查取轉動慣量公式有：代入： 腕部驅動力的計算表4-1 液壓缸的內徑系列（JB826-66） （mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250設定腕部的部分尺寸：根據表4-1設缸體內空半徑R=110mm，外徑根據表3-2選擇121mm,這個是液壓缸壁最小厚度，考慮到實際裝配問題后，其外徑為226mm；動片寬度b=66mm,輸出軸r=22.5mm.基本尺寸示如圖4.1所示。則回轉缸工作壓力，選擇4Mpa圖4.1 腕部液壓缸剖截面結構示意表4.2 標準液壓缸外徑（JB1068-67） （mm）液壓缸內徑40 506380901001101251401501601802002