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1、北京理工大學珠海學院ZH UHAI CAMPUS,BEIJING INSTITUTE OF TECHNOLOGY学院： 机械与车辆学院专业：机械电子工程姓名：学号：指导老师：机械手的研究与进展摘要机械手是一种模拟人手操作的自动机械。它可按固定程序抓取、搬运物件或 操持工具完成某些特定操作。应用机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体 力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳 动条件，保证人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能 等部门。关键字：机械手，控制，机构引言机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部 件，根据被抓持物
2、件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式， 如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动 或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、 伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和 方位的物体，需有 6个自由度 。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越 多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2 3个自由度。一 机械手的组成及分类机械手主要由执行机构，驱动系统，控制系统，一集位置检测等所组成。个 系统相互之间的关系如方框图1-1所示。一）执行机构包括手部，手腕，手臂和立柱等
3、部件，有的还增设行走机构。1. 手部 即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构所构成，手指是物件直接接触。而船里机构则通过手机产生夹紧力来完成夹放物件的任务；吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力（如吸盘内形成负 压或产生电磁力）吸附物件。2. 手腕 是联系手部和手臂的部件，起调整或改变工作方位的作用。3. 手臂 支承手臂的部件，用以改变工件的空间位置。4. 立柱 是支撑手臂的部件。立柱也是可以使手臂的一部分，手臂的回转运 动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为 固定不动的，但因工作需要， 有时也可横
4、向移动，即称为可移式立柱。5. 行走机构 机械手为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增设滚轮行走机构，滚轮式行走机构可分为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动 则应另外增设机械传动装置。6. 机座 它是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安 装于机座上，估起支承和连接的作用。二）驱动系统 机械手的驱动系统是驱动执行机构运动的传动装置。常用的有液压 传动，气压传动，电力传动和机械传动等四种形式。三）控制系统有电气控制盒和射流控制两种。一般常见的为电气控制，它是机械手逇重要组成部分，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺序，运动轨迹，运动速度及时间
5、），同时 按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要食可对机械手的动作进 行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。（四）位置检测装置控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈 给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整， 从而使形式机构以一定的精度达到设定位置。二 分类由于机械手还没有统一的分类标准，在此暂按使用范围，驱动饭食和控 制系统等进行分类。（一）按用途分机械手可以分为专用和通用机械手两种：1. 专用机械手 它是附属于主机的，具有固定程序而无独立控制系统的机械装置，专用机械手具有动作少，工作对象单一，结构简单，使用可靠和 造价低等特点，适用于
6、大批量的自动化生产，如自动机床，自动线的上， 下料机械手和“加工中心”附属的自动换刀机械手。2. 通用机械手 它是一种具有独立控制系统的，程序可变的，动作灵活多变 的机械手。通用机械手 它是一种具有独立控制系统的，程序可变的，动 作灵活多样的机械手，通用机械手的、工作范围大，定位精度高，通用 性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种：简易 型以“开-关”式控制定位，只能是点位控制；伺服型具有私服定位控制系 统，可以使点位的，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属 于数控类型。（二）按驱动方式分1. 液压传动机械手 是
7、以油液的压力来驱动执行机构运动的机械手，其 =主要特点是：抓重可达几百公斤以上，传动平稳，结构紧凑，动作灵敏，但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影 响，且不予在高温，低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可 实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精 度高，油液过滤要求严格，成本高。2. 气压传动机械手 是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手，其 主要特点是介质来源极方便气动动作迅速，结构简单，成本低，但是， 由于空气具有可压缩的特定，工作速度的稳定性较差，而且起气源压力 较低，抓重一般在30 公斤以下，适用于告诉，轻载，高温，和粉尘大的
8、 环境中进行工作。3. 机械传动机械手 即由特殊结构的感应电动机，直线电机或功率步进电机 直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械 机构简单，其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方 便，此类机械手目前还不多，但有发展前途。三）按控制方式分1. 点位控制 它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个 点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数越多，则必然增加电 器控制系统的复杂性，目前多数机械手属于点位控制。2. 连续轨迹控制 它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为 无限的，整个移动过程处于控制之下，可以试验平稳和精确的运动，并 且使用
9、范围广，但电气控制系统复杂。按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其坐标式可分为下列几种：（一）指教坐标式如图 1-2 所示的机械手 其手臂的运动是由三个直线运动所组成，吉言指教坐标系的 x 轴的伸缩， 沿 z 手的升降，沿 y 轴的横移。这种坐标形式的机械手成为直角坐标式机 械手，它的特点是结构简单，定位精度高，适用于主机位置成行排列的场 合。但是由于占地面大而工作范围小以及灵活性差，限制了他的使用范围。图1-2直角坐标式（二）圆柱坐标式其手臂的运动共是由两个直线运动和一个回转所组成，沿x轴的伸缩，沿z 轴的升降和绕 z 轴的回转。这种坐标形式的机械手成为圆柱坐标式机械手。 它与直角坐标式
10、相比较，占地面积小而活动范围大，结构较简单，并能达到 较高的定位精度，因此应用较广泛。但由于机械手结构的关系，沿Z轴方向 移动的最低位置收到限制，故不能抓取地面上的物件。图 1-3 圆柱坐标式（三）球坐标式如图1 -4所示，其手臂的运动是由一个直线运动和两个转动所组成，即沿x 轴的伸缩，绕y轴的俯仰和绕z轴的回转。这种坐标形式的机械手称为球坐 标机械手。这种机械手手臂的俯仰运动能抓取地面上的物件，为了是手部能适应抓取物 件方位的要求，常常舍友手腕上下摆动，使其手部保持水平位置或其他状态、 这种形式的机械手具有动作灵活，占地面积小二工作范围大等特点，它适用 于沿伸缩方向向外作业的传动形式，但结构
11、较复杂，此外，手臂其手臂的运 动共类似人的手臂可作几个方向的转动。此外，手臂摆角的误差通过手臂会 引起手部中心处的误差放大。图 1-4 球坐标式（四）关节式如图 1-5 所示，它有大小两臂和立柱等所组成，大小两臂之间的连接为肘 关节，大臂与立柱之间的连接为肩关节。各关节均有铰链构成以实现转动， 手臂的运动时由三个回转运动所组成，即大臂的俯仰，小臂俯仰和大臂的回 转。这种坐标式的机械手成为关节机械手。它的特点是工作范围大，动作灵 活，通用性强，能抓取靠近机座的物件，并能绕过机体和工作主机之间的障 碍物去抓取物件，此为其它形式的机械手不可比拟的优点，但是关节式机械 手的手指点位是由各个关节相互转角
12、来决定的，所以定位精度较差，另外， 控制装置和机械节后比其他形式的机械手均复杂。机械手坐标形式的正确选择，要通过坐标式方案的比较来确定。在拟定 坐标式方案时，又需根据现场具体生产情况和工艺，精度，安装空间的要求， 结合各种坐标形式的特点来分析比较，确定比较合理的坐标形式。图 1-5 关节式三 机械手在生产中的作用随着我国工业生产的飞跃发展，自动化程度的迅速提高，实现工件的装卸， 转向，输送或操持焊枪，喷枪，扳手等工具进行加工，装配等作业的自动化， 已越来越引来人们的重视。机械手是模仿着忍受的部分动作，按给定程序，轨迹和要求实现自动抓 取，、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称
13、为“工 业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率； 可以减轻劳动强度，保证产品质量，实现安全生产，尤其在高温，高压，低 温，低压，粉尘，易爆，有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行 正常的工作，意义更为重大，因此，在机械加工，冲压，铸，锻，焊接，热 处理，电镀，喷漆，装配一集轻工业，交通运输业等方面得到越来越广泛的 应用。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的、上下 料装置，是、附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，支承了能 够独立的按程序就、控制实现重复操作，使用范围比较广的“程序控制通用 机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快
14、地改变工作程序，适应 性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。图 1-6 所示为某车床得到上料专用液压机械手示意图。该机械手的动作 顺序是：摇臂油缸 7 的活塞杆推动摆板 2 绕 o 点反时针方向回转 45 度候， 伸缩油缸 1 的活塞杆驱动滑枕 4 连同加紧油缸 3 一起作伸臂动作，加紧油缸 3 驱动杠杆机构使手部 5 抓取工件，然后伸缩油缸作缩臂动作等待上料，当 机床加工完前一个零件退刀时发出信号，是摇臂油缸7 将摆板 2 拉回，并与 定位销 6 相碰而定位，此时伸臂缸1 又驱动滑枕 4 前伸，将工件送到机床主 轴中心线的位置，由顶料缸（图中未示出）将被加工零件顶入
15、主轴弹簧卡头 中，此时手指张开，滑枕做缩臂动作而复位。机械手以此循环动作实现自动 上料。h陣箱油tr3.%曲缸 心帝藐 瓦孚聶e-宝检削图1-6车床上料机械手示意图图 1-7 所示为双臂上，下料液压机械手示意图。在手臂 a 和 b 上分别装 有升降油缸2,其活塞杆3与手臂a和b刚醒连接。当升降油缸两腔分别通 鸭梨油时，缸体2 就做升降运动，导向杆7亦随缸体运动，其上的撞块与行 程开关xl或x2相碰时分别发出升，降的停止信号。在升降缸的下端固连着 夹紧油缸4，其活塞杆5上，下运动时，通过杆系带动手指6作夹紧或松开 动作。当活塞油缸8的活塞齿条9作往复移动，带动齿轮10，经齿轮11,12 可使手臂
16、 a 和 b 回转正负 90 度，手臂 a 将坯料由上料位置转到加工位置， 同时手臂 b 将已加工完毕的工件取下送到下料位置，然后两手臂同时复位， 准备第二次工作循环。图 1-8 所示为简易数控工业通用机械手，它由手部 1，手腕 2，手臂伸缩 缸4，导向杆5，手臂回转缸7，手臂俯仰缸8，手臂升降缸10，立柱11 等 构成执行机构，由手臂伸缩反馈装置 3，手腕俯仰反馈装置 6，手臂俯仰和 回转反馈装置 9 和 12 等构成位置检测装置，由油泵 13，油泵电机 14，控制 阀 15，油箱 16,等构成驱动系统，由独立的电器柜 17 构成具有可变程序的电控系统。.1IIJl. 2b?i i 甲稀srtt 帚导斓
