機械手

1簡介

　　在現(xiàn)今的生活上,科技日新月益的進展之下,機械人手臂與有人類的手臂最大區(qū)別就在于靈活度與耐力度。也就是機械手的最大優(yōu)勢可以重復(fù)的做同一動作在機械正常情況下永遠也不會覺得累！機械手臂的應(yīng)用也將會越來越廣泛,機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設(shè)備，作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力。工業(yè)機械手機器人的一個重要分支。

　　種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式。特點是可以通過編程來完

　　機械手(12張)成各種預(yù)期的作業(yè)，構(gòu)造和性能上兼有人和機械手機器各自的優(yōu)點.

2構(gòu)成

　　機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（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。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有2～3個自由度?？刂葡到y(tǒng)是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來完成特定動作。同時接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過對其編程實現(xiàn)所要功能。

　　執(zhí)行機構(gòu)

　　機械手的執(zhí)行機構(gòu)分為手部、手臂、軀干；

　　1、手部

　　手部安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔中裝有傳動軸，可把運用傳給手腕，以轉(zhuǎn)動、伸曲手腕、開閉手指。

　　機械手手部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無關(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?？筛鶕?jù)夾持對象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。

　　2、手臂

　　手臂的作用是引導(dǎo)手指準確地抓住工件，并運送到所需的位置上。為了使機械手能夠正確地工作，手臂的3個自由度都要精確地定位。

　　3、軀干軀干是安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機構(gòu)的支架。

　　驅(qū)動機構(gòu)

　　機械手所用的驅(qū)動機構(gòu)主要有4種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。其中以液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動用得最多。

　　1、液壓驅(qū)動式

　　液壓驅(qū)動式機械手通常由液動機（各種油缸、油馬達）、伺服閥、油泵、油箱等組成驅(qū)動系統(tǒng)，由驅(qū)動機械手執(zhí)行機構(gòu)進行工作。通常它的具有很大的抓舉能力（高達幾百千克以上），其特點是結(jié)構(gòu)緊湊、動作平穩(wěn)、耐沖擊、耐震動、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。

　　2、氣壓驅(qū)動式

　　其驅(qū)動系統(tǒng)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機組成，其特點是氣源方便、動作迅速、結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、維修方便。但難以進行速度控制，氣壓不可太高，故抓舉能力較低。

　　3、電氣驅(qū)動式電力驅(qū)動是機械手使用得最多的一種驅(qū)動方式。其特點是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大（關(guān)節(jié)型的持重已達400kg），信號檢測、傳動、處理方便，并可采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動電機一般采用步進電機，直流伺服電機（AC）為主要的驅(qū)動方式。由于電機速度高，通常須采用減速機構(gòu)（如諧波傳動、RV擺線針輪傳動、齒輪傳動、螺旋傳動和多桿機構(gòu)等）。有此機械手已開始采用無減速機構(gòu)的大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速電機進行直接驅(qū)動（DD）這既可使機構(gòu)簡化，又可提高控制精度。

　　4、機械驅(qū)動式

　　機械驅(qū)動只用于動作固定的場合。一般用凸輪連桿機構(gòu)來實現(xiàn)規(guī)定的動作。其特點是動作確實可靠，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，即液-氣或電-液混合驅(qū)動。

　　控制系統(tǒng)

　　機械手控制的要素包括工作順序、到達位置、動作時間、運動速度、加減速度等。機械手的控制分為點位控制和連續(xù)軌跡控制兩種。

　　控制系統(tǒng)可根據(jù)動作的要求，設(shè)計采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機械手進行工作程序的存儲方式有分離存儲和集中存儲兩種。分離存儲是將各種控制因素的信息分別存儲于兩種以上的存儲裝置中，如順序信息存儲于插銷板、凸輪轉(zhuǎn)鼓、穿孔帶內(nèi)；位置信息存儲于時間繼電器、定速回轉(zhuǎn)鼓等；集中存儲是將各種控制因素的信息全部存儲于一種存儲裝置內(nèi)，如磁帶、磁鼓等。這種方式使用于順序、位置、時間、速度等必須同時控制的場合，即連續(xù)控制的情況下使用。

　　其中插銷板使用于需要迅速改變程序的場合。換一種程序只需抽換一種插銷板限可，而同一插件又可以反復(fù)使用；穿孔帶容納的程序長度可不受限制，但如果發(fā)生錯誤時就要全部更換；穿孔卡的信息容量有限，但便于更換、保存，可重復(fù)使用；磁蕊和磁鼓僅適用于存儲容量較大的場合。至于選擇哪一種控制元件，則根據(jù)動作的復(fù)雜程序和精確程序來確定。

　　對動作復(fù)雜的機械手，采用求教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復(fù)雜的機械手采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計算機或微處理機控制的系統(tǒng)。

　　控制系統(tǒng)以插銷板用的最多，其次是凸輪轉(zhuǎn)鼓。它裝有許多凸輪，每一個凸輪分配給一個運動軸，轉(zhuǎn)鼓運動一周便完成一個循環(huán)。

3歷史

　　它是在早期出現(xiàn)的古代機器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，機械手研究始于20世紀中期，隨著計算機和自動化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺數(shù)字電子計算機問世以來，計算機取得了驚人的進步，向高速度、大容量、低價格的方向發(fā)展。同時，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術(shù)的進展，又為機器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，核能技術(shù)的研究要求某些操作機械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國于1947年開發(fā)了遙控機械手，1948年又開發(fā)了機械式的主從機械手。

　　機械手首先是從美國開始研制的，1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手，它的結(jié)構(gòu)是；機體上安裝一個回轉(zhuǎn)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。隨著計算機和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展,農(nóng)業(yè)機械將進入高度自動化和智能化時期，機械手機器人的應(yīng)用可以提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量,改善勞動條件,解決勞動力不足等問題。

4分類

　　機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。

　　機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。

　　機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。

5優(yōu)勢

　　機械手可以減省工人、提高效率、降低成本、提高產(chǎn)品品質(zhì)、安全性好、提升工廠形象。

　　多關(guān)節(jié)機械手的優(yōu)點是:動作靈活、運動慣性小、通用性強、能抓取靠近機座的工件，并能繞過機體和工作機械之間的障礙物進行工作.隨著生產(chǎn)的需要，對多關(guān)節(jié)手臂的靈活性，定位精度及作業(yè)空間等提出越來越高的要求。多關(guān)節(jié)手臂也突破了傳統(tǒng)的概念，其關(guān)節(jié)數(shù)量可以從三個到十幾個甚至更多，其外形也不局限于像人的手臂，而根據(jù)不同的場合有所變化，多關(guān)節(jié)手臂的優(yōu)良性能是單關(guān)節(jié)機械手所不能比擬的。

6普遍應(yīng)用

應(yīng)用前景

　　隨著網(wǎng)絡(luò)技巧的發(fā)展，機械手的聯(lián)網(wǎng)操作問題也是以后發(fā)展的方向。工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。

　　市場需求

　　機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。我國塑料機械已成為機械制造業(yè)發(fā)展最快的行業(yè)之一，年需求量在不斷的加大。我國塑料機械產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展主要有以下兩個大因素：一是對高技術(shù)含量裝備的需求所帶來的設(shè)備更新及陳舊設(shè)備的淘汰;二是海內(nèi)塑料加工產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，對塑料機械的需求旺盛。

7應(yīng)用領(lǐng)域

　　工業(yè)制造領(lǐng)域：

　　主要讓機器人在機械制造業(yè)中代替人完成大批量、高質(zhì)量要求的工作，如汽車制造、艦船制造及某些家電產(chǎn)品（電視機、電冰箱、洗衣機）的制造等。化工等行業(yè)自動化生產(chǎn)線中的點焊、弧焊、噴漆、切割、電子裝配及物流系統(tǒng)的搬運、包裝等工作，也有部分是由機器人完成的。

　　軍事領(lǐng)域：

　　主要讓機器人執(zhí)行一些自動的偵察與控制任務(wù)，尤其是一些相對較為危險的任務(wù)，比如，無人偵察機、拆除炸彈的機器人及掃雷機器人等。機器人還可以代替士兵去完成那些不太復(fù)雜的工程及后勤任務(wù)，從而使戰(zhàn)士從繁重的工作中解脫出來，去從事更加重要的工作。

　　娛樂領(lǐng)域：

　　機器人在娛樂領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，比如，機器人足球大賽、機器人彈鋼琴和機器人寵物等。

　　醫(yī)療領(lǐng)域：

　　機器人主要用來輔助護士進行一些日常的工作，比如，幫助醫(yī)生運送用藥品及自動監(jiān)測病房內(nèi)的空氣質(zhì)量，等等。宜用機器人還可以協(xié)助醫(yī)生完成一些難度較高的手術(shù)，例如，眼部手術(shù)、腦部手術(shù)等。美國還發(fā)明了一種可以進入人體血管的微型機器人，幫助醫(yī)生在病人的血管內(nèi)滅殺病毒。