浅析机械手的设计

【摘要】我们知道，用于再现人手功能技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹与要求实现自动抓取、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为机械手。机械手是现代自动控制领域中出现一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、自动控制技术、传感器技术与计算机技术等科学领域，作为一门跨学科综合技术。

[关键词]机械手；设计

机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备机械手也是工业机器人的一个重要分支。他的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造与性能上兼有人与机器各自的优点，尤其体现在人的智能与适应性。机械手作业的准确性与环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。因此，进行机械手的研究设计具有重要意义。

一、设计的目的

目前，我国大多数工厂生产线上数控机床装卸工件仍然由人工完成，由于劳动强度大、生产效率低，而且具有一定的危险性，已经满足不了生产自动化的发展趋势。为了提高工作效率，降低成本，并使生产线发展成为柔性制造系统，适应现代机械行业自动化生产的要求，针对具体生产工艺，结合机床的实际结构，利用机械手技术，设计用一台上下料机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。本机械手主要与数控机床组合最终形成生产线，实现加工过程的自动化与无人化。

目前，国内外各种机械手与机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状与大体趋势如下：

1.机械结构向模块化、可重构化发展。

2.机械手控制系统向基于pc机开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，结构小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性，而且维修方便。

3.机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，还引进了视觉、听觉、接触觉传感器，使其向智能化方向发展。

4.关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机械手开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；

5.焊接、搬运、装配、切割等作业的机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程与系统动态仿真。

二、机械手其他零部件的设计

1.直角机械手结构

由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，因此，其运动位置精度高，但此种类型机械手的运动空间相对较小，如要达到较大运动空间，则要求机械手的尺寸足够大。直角坐标机械手的工作空间为一空间长方体，主要用于装配作业及搬运作业。直角坐标机械手有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。

2.球坐标机械手结构

球坐标机械手的空间运动是由两个回转运动与一个直线运动来实现的。其工作空间是一个类球形的空间。这种机械手结构简单、成本较低，但精度不很高，主要应用于搬运作业。

3.圆柱坐标机械手结构

圆柱坐标机械手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的。其工作空间是一个圆柱状的空间。这种机械手构造比较简单，精度相对较高，常用于搬运作业。

4.关节型机械手结构

关节型机械手空间运动是由三个回转运动实现的。相对机械手本体尺寸，其工作空间比较大，动作灵活，结构紧凑，占地面积小。此种机械手在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业。关节型机械手又分为水平关节型与垂直关节型两种。

三、机械手的总体设计方案

本课题是轻型平动搬运机械手的设计。本设计主要任务是完成机械手的结构方面设计，以及液压系统方面的简单设计。在本章中对机械手的坐标形式、自由度、驱动机构等进行了确定。因此，在机械手的执行机构、驱动机构是本次设计的主要任务。

1.机械手基本形式的选择常见的机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可以分为以下4种：直角坐标型机械手；圆柱坐标型机械手；球坐标（极坐标）型机械手；多关节型机机械手。其中圆柱坐标型机械手结构简单紧凑，定位精度较高，占地面积小，因此本设计采用圆柱坐标型。

2.机械手的主要部件及运动坐标型式采用圆柱坐标型的基本方案选定后，根据设计任务，为了满足设计要求，本设计关于机械手具有4个自由度即腕部回转、手臂伸缩、手臂回转、手臂升降4个。

3.驱动机构的选择驱动机构是机械手的重要组成部分，机械手的性能价格比在很大程度上取决于驱动方案及其裝置。根据动力源的不同，机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动与机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手，结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便，驱动力大等优点。因此，机械手的驱动方案选择液压驱动。

四、结语

由于工业自动化的全面发展与科学技术的不断提高，对工作效率的提高迫在眉睫。单纯的手工劳作以满足不了工业自动化的要求，因此，必须利用先进设备生产自动化机械以取代人的劳动，满足工业自动化的需求。其中机械手是其发展过程中的重要产物之一，它不仅提高了劳动生产的效率，还能代替人类完成高强度、危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，可以说是一举两得。应用规模与产业化水平低，机械手的研究与开发直接影响到我国机械行业自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。

参考文献：

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[4]徐灏等. 机械设计手册. 第5卷. 北京： 机械工业出版社， 2000

作者简介：李冬（1993-1-），男，湖北武汉人，江汉大学文理学院机电与建筑工程学部2011级机械设计及其自动化专业本科生。