机械手

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。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。

分类

机械手类型可分为四大类：用途、控制、驱动、臂力。

用途类型可分为：

1、专用机械手：专门为一定设备服务的，简单、实用，在生产中运用得比较广泛、它一般只能完成一、两种特定的作业，如用来抓取和传送工件。它的工作程序是固定的，也可根据需要编制控制程序来获得多种工作程序，以适应多种作业的需要；

2、通用机械手：专用机械手的基础上发展起来的。它能对不同物件完成多种动作，具有相当的通用性。它是一种能独立工作的自动化装置，其动作程序可按照工作需要来改变，大都是采用顺序控制系统。

通用机械手又分为简易型、示教再现型和智能机械手、操纵式机械手等几种。

（1）简易型通用机械手：是国内外应用较多的一种，固定程序采用凸轮转鼓；可变程序则采用插销板或插件板进行控制；

（2）示教再现型通用机械手：先由人操作机械手完成必要的动作，由磁带或磁鼓加以记录存储，然后根据存储的信息进行动作，故又称之为重复型机械手；

（3）智能机械手：具有较高的判断能力，它以光敏元件模拟人的眼睛，以声敏元件模拟人的耳朵，以热电偶和电阻应变仪模拟人的皮肤的冷热感觉和触觉，以电子计算机模拟人的大脑；

（4）操纵式机械手：是在人的操纵之下完成多种复杂动作，其内容可根据需要随时改变，操纵式机械手可以近距离直接操纵，也可以远距离操纵。其特点是适合于人不宜进入的环境中工作，如海底资源开发、宇宙空间探索以及危险的工作地区。其缺点是结构复杂、成本高。

按控制类型可分为：

1、点位控制机械手：点位控制机械手的运动轨迹是空间两个点之间的连接。控制点数越多，性能愈好。它基本能满足各种要求，结构简单；

2、连续轨迹控制机械手：这种机械手的运动轨迹是空间的任意曲线，它能在三维空间中做极其复杂的动作，工作性能完善，但控制部分比较复杂。

按驱动类型可分为：液压驱动式、气压驱动式、电气驱动式、机械驱动式（只用于动作固定的场合）。其他还有采用混合驱动的，即液——气或电——液混合驱动。

按臂力（即被传送物件的重量）大小可分为：

1、微型机械手：臂力小于1kg；

2、小型机械手：臂力为1-10kg；

3、中型机械手：臂力为10-30kg；

4、大型机械手：臂力大于30kg。

组成结构

机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成：

一、执行机构

机械手的执行机构分为手部、手臂、躯干；

1、手部

手部安装在手臂的前端。手臂的内孔中装有传动轴，可把运用传给手腕，以转动、伸曲手腕、开闭手指。

机械手手部的构造系模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节3种。手指的数量又可分为二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和大小的夹头以适应操作的需要。所谓没有手指的手部，一般都是指真空吸盘或磁性吸盘。

2、手臂

手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需的位置上。为了使机械手能够正确地工作，手臂的3个自由度都要精确地定位。

3、躯干

躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。

二、驱动机构

机械手所用的驱动机构主要有4种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压驱动、气压驱动用得最多。

1、液压驱动式

液压驱动式机械手通常由液动机（各种油缸、油马达）、伺服阀、油泵、油箱等组成驱动系统，由驱动机械手执行机构进行工作。通常它的具有很大的抓举能力（高达几百千克以上），其特点是结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐震动、防爆性好，但液压元件要求有较高的制造精度和密封性能，否则漏油将污染环境。

2、气压驱动式

其驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成，其特点是气源方便、动作迅速、结构简单、造价较低、维修方便。但难以进行速度控制，气压不可太高，故抓举能力较低。

3、电气驱动式

电力驱动是机械手使用得最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，响应快，驱动力较大（关节型的持重已达400kg），信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用步进电机，直流伺服电机（AC）为主要的驱动方式。由于电机速度高，通常须采用减速机构（如谐波传动、RV摆线针轮传动、齿轮传动、螺旋传动和多杆机构等）。有此机械手已开始采用无减速机构的大转矩、低转速电机进行直接驱动（DD）这既可使机构简化，又可提高控制精度。

4、机械驱动式

机械驱动只用于动作固定的场合。一般用凸轮连杆机构来实现规定的动作。其特点是动作确实可靠，工作速度高，成本低，但不易于调整。

其他还有采用混合驱动，即液-气或电-液混合驱动。

三、控制系统

机械手控制的要素包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度、加减速度等。

机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种。

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。

其中插销板使用于需要迅速改变程序的场合。换一种程序只需抽换一种插销板限可，而同一插件又可以反复使用；穿孔带容纳的程序长度可不受限制，但如果发生错误时就要全部更换；穿孔卡的信息容量有限，但便于更换、保存，可重复使用；磁蕊和磁鼓仅适用于存储容量较大的场合。至于选择哪一种控制元件，则根据动作的复杂程序和精确程序来确定。

对动作复杂的机械手，采用求教再现型控制系统。更复杂的机械手采用数字控制系统、小型计算机或微处理机控制的系统。

控制系统以插销板用的最多，其次是凸轮转鼓。它装有许多凸轮，每一个凸轮分配给一个运动轴，转鼓运动一周便完成一个循环。

优势

在机械工业中，机械手的应用意义可以概括如下：

（一）可以提高生产过程的自动化程度。

应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

（二）可以改善劳动条件、避免人身事故。

在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

（三）可以减少人力，便于有节奏地生产

应用机械手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。