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1、机械手的概述近年来，气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上 得到广泛应用。电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度 更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线的迅速发 展，对气动技术提出了更多更高的要求；微电子技术的引入，促进了电气比例 伺服技术的发展，现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例 伺服控制，控制精度不断提高；由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能 力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。机械手在自动化车间中用来运送物料，从事焊接、喷漆、装配等工艺操作， 可将操作工人从繁重、单调、重复的体力劳动中解放出来。特
2、别是在高温、危险、 有害的作业环境（放射性、有毒气体、粉尘、易燃、易爆、强噪声等）中，可用 机械手代替人的部分操作。目前，机械手已广泛应用于铸造、锻造、冲压、切削 加工、喷漆、装配等各种工艺过程中。本文介绍一种执行机构由电动机和液压缸 组成，采用PLC控制的机械手控制系统的设计。从各国的行业统计资料来看，近30多年来，气动行业发展很快。20世纪 70年代，液压与气动元件的产值比约为9 : 1，而30多年后的今天，在工业技 术发达的欧美、日本等国家，该比例已达到6 : 4，甚至接近5 ：5。我国的气动 行业起步较晚，但发展较快。从20世纪80年代中期开始，气动元件产值的年递 增率达20%以上，高
3、于中国机械工业产值平均年递增率。随着微电子技术、PLC 技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用，气动技术已成为实 现现代传动与控制的关键技术之一。机械手的特点对环境的适应性强能代替人从事危险，有害的工作。在长时间工作对人 体有害的场所，机械手不受影响，只要根据工作环境进行合理的设计，选择适当 的材料和结构，机械手就可以在异常高温或低温，异常压力和有害气体，粉尘， 放射线作用下，以及冲压，灭等危险环境中胜任工作。机械手能持久，耐劳，可以把人从繁重单调的劳动中解放出来，并能扩大 和延伸人的功能。由于机械手的动作准确，因此可以稳定和提高产品的质量，同时又可以避 免人为的操作错误。机械手
4、特点是通过用工业机械手的通用性，灵活性好，能很好的适应产品 的不断变化，以满足柔性产生的需要。机械手分为三类第一类：是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主 机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点 是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类： 是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来 完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采 用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类：是用专用机械手，主要附属于自动机 床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。选择与分析为实现机器人
5、的末端执行器在空间的位置而提供的3个自由度，可以有不同 的运动组合，通常可以将其设计成如下五种形式。圆柱坐标型 这种运动形式是通过一个转动两个移动，共三个自由度组成的 运动系统，工作空间为圆柱形，它与直角坐标型比较，在相同的空间条件下，机 体所占体积小，而运动范围大。直角坐标型直角坐标型机器人，其运动部分的三个相互垂直的直线组成，其工作空间 为长方体，它在各个轴向的移动距离可在坐标轴上直接读出，直观性强，易于位 置和姿态的编程计算，定位精度高，结构简单，但机体所占空间大，灵活性较差。球坐标型 又称极坐标型，它由两个转动和一个直线组成，即一个回转，一 个俯仰和一个伸缩，其工作空间图形唯一球体，它
6、可以做上下俯仰动作并能够抓 取地面上的东西或较低位置的工件，具有结构紧凑、工作范围大的特点，但是结 构比较复杂。关节型关节型又称回转坐标型，这种机器人的手臂与人体上肢类似，其前三个自由度都 是回转关节，这种机器人一般由和大小臂组成，立柱与大臂间形成肘关节，可使大臂作回转运动和使大臂作俯仰运动，小臂作俯仰摆动，其特 点是工作空间范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的工件。平面关节型采用两个回转关节和一个移动关节；两个回转关节控制前后、左右运动，而 移动关节控制上下运动，其工作空间的轨迹图形如图所示，它的纵截面为一矩形 的回转体，纵截面高为移动关节的行程长两回转关节的转角的大小决定了回转体
7、截面的大小、形状。这种机器人在水平方向上有柔顺度，在垂直方向上有较大的 刚度，它结构简单，动作灵活，多用于装配作业中，特别适合中小规格零件的插 接装配，如在电子工业的接插、装配中应用广泛。执行机构手部 既直接与工件接触的部分，一般是回转型或平动型（多为回转型，因 其结构简单）。手部多为两指（也有多指）；根据需要分为外抓式和内抓式两种； 也可以用负压式或真空式的空气吸盘（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板 零件）和电磁吸盘。传力机构形式教多，常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜槭杠杆式、齿 轮齿条式、丝杠螺母式、弹簧式和重力式。腕部 是连接手部和臂部的部件，并可用来调节被抓物体的方位，以扩大机
8、 械手的动作范围，并使机械手变的更灵巧，适应性更强。手腕有独立的自由度。 有回转运动、上下摆动、左右摆动。一般腕部设有回转运动再增加一个上下摆动 即可满足工作要求，有些动作较为简单的专用机械手，为了简化结构，可以不设 腕部，而直接用臂部运动驱动手部搬运工件。目前，应用最为广泛的手腕回转运动机构为回转液压（气）缸，它的结构紧 凑，灵巧但回转角度小（一般小于2700），并且要求严格密封，否则就难保证稳 定的输出扭距。因此在要求较大回转角的情况下，采用齿条传动或链轮以及轮系 结构。臂部 手臂部件是机械手的重要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部（包括 工作或夹具），并带动他们做空间运动。臂部运动的目的
9、：把手部送到空间运动范围内任意一点。如果改变手部的姿 态（方位），则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度 才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右旋转、升降（或俯仰）运动。手臂的各种运动通常用驱动机构（如液压缸或者气缸）和各种传动机构来实 现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的静、动载荷， 而且自身运动较为多，受力复杂。因此，它的结构、工作范围、灵活性以及抓重 大小和定位精度直接影响机械手的工作性能。行走机构 有的工业机械手带有行走机构，我国的正处于仿真阶段。总体方案要执行的详细的动作为：（1）定位 （2）抓取 （3）提升 （4）顺时针转 90 （5） 前进
10、 （6）下降 （7）松开 （8）提升 （9）后退 （10）逆时 针转90 （11）下降，完成一个工作循环。驱动系统方案选择一般情况下机器人驱动系统的选择大致按照如下原则进行选择：物料搬运用有限点位控制的程序控制机器人，重负载用液压驱动，中等载荷 可选用电动驱动系统，轻载荷可选用气动驱动系统。冲压机器人多用气动驱动系 统。用于点焊和弧焊及喷涂作业的机械手，要求具有任意点位和轨迹控制功能， 需采用伺服驱动系统，需采用液压驱动或电动驱动系统方能满足要求按照动力源分为液压、气压和电动三大类，根据需要，也可以将这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。液压驱动液压技术比较成熟，具有动力大、力惯量比大、快速响
11、应高、易于实现直接驱动等特点，适用于承载能力大、惯量大以及在防爆环境中工作的机械手。气压驱动具有速度快、系统结构简单、维修方便价格低等特点，适用于中小负载的 系统中。难于实现伺服控制，多用于程序控制的机械手中，在上下料和冲压机械 手中应用较多。电动驱动随着低惯量、直流伺服电机及配套的伺服驱动器的广泛采用，这种驱动系统 被大量选用气动技术及气动机械手的发展过程气动技术是以空气压缩机为动力源，以压缩空气为工作介质，进行能 量传递或信号传递的工程技术，是实现各种生产控制、自动控制的重要手段之一。大约开始于1776年，Johnwilkimson发明能产生1个大气压左右压力 的空气压缩机。1880年，人
12、们第一次利用气缸做成气动刹车装置，将它成功地 用到火车的制动上。20世纪30年代初，气动技术成功地应用于自动门的开闭及 各种机械的辅助动作上。至50年代初，大多数气压元件从液压元件改造或演变 过来，体积很大。60年代，开始构成工业控制系统，自成体系，不再与风动技 术相提并论。在70年代，由于气动技术与电子技术的结合应用，在自动化控制 领域得到广泛的推广。80年代进入气动集成化、微型化的时代。90年代至今，气 动技术突破了传统的死区，经历着飞跃性的发展，人们克服了阀的物理尺寸局 限，真空技术日趋完美，高精度模块化气动机械手问世，智能气动这一概念产 生，气动伺服定位技术使气缸高速下实现任意点自动定
13、位，智能阀岛十分理想 地解决了整个自动生产线的分散与集中控制问题。气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、 平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。气动机械手强调模块化的形式，现代传输技术的气动机械手在控制方面采 用了先进的阀岛技术（可重复编程等），气动伺服系统（可实现任意位置上的精 确定位），在执行机构上全部采用模块化的拼装结构。90年代初，由布鲁塞尔皇家军事学院YBando教授领导的综合技术部开发 研制的电子气动机器人“阿基里斯”六脚勘探员，是气动技术、PLC控制技术 和传感技术完美结合产生的“六足动物”6个脚中的每一个脚都有3个自由度， 一 个直线气缸把脚提
14、起、放下，一个摆动马达控制脚伸展/退回运动， 另一个摆动 马达则负责围绕脚的轴心做旋转之用。由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人，它集遥感技术 和真空技术于一体，成功地解决了垂直攀缘等视为危险工作的操作问题。Tron-X电子气动机器人，能与人亲切地握手，它的头部、腰部、手能 与人类一样弯曲运动，并且有良好的柔韧性。在幕后操纵人员的操作下（或通过 自身的编程控制）能与人进行对话，或作自我介绍等。Tron-X电子气动机器人 集电子技术、气动技术和人工智能为一体，它告诉我们，气动技术能够实现机器 人中最难解决的灵活的自由度，具有在足够工作空间的适应性、高精度和快速灵 敏的反应能力。气动机械
15、手的应用现状由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、 多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作。而气动机械手作为机械手的一种，它具 有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无 级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。所以，气动机械手被广泛 应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包装、精密 仪器和军事上。现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了 气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定 工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都 采用了各种特
16、殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工 序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上,在半导体芯片、印刷电路等 各种电子产品的装配流水线上， 不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、 气爪， 还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物 品轻轻地吸住， 运送到指定目标位置。对加速度限制十分严格的芯片搬运系统， 采用了平稳加速的SIN气缸。气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物 料的自动计量包装； 用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱 气动机械手等。此外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。如：气 动自动调节病床，Ro-bodoc机器人，da Vinci外科手术
