【正文】 機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978 年美國 Unimate 公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種UnimateVicarm型工業(yè)機(jī) 械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于177。 1 毫米。 美國還十分注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如 Unimate 公司建立了 8 年機(jī)械手試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。準(zhǔn)備把故障前平均時(shí)間（注：故障前平均時(shí)間是指一臺(tái)設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時(shí)間），由 400小時(shí)提高到 1500 小時(shí)，精度可提高到177。 毫米。 德國機(jī)器制造業(yè)是從 1970 年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國 KnKa 公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制 。 瑞士 RETAB 公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。 瑞典安莎公司采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。 日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自 1969 年從美國引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力研究機(jī)械手的研究。據(jù)報(bào)道， 1979 年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá) 50 多個(gè)。 1976 年個(gè)大學(xué)和國家研究部門用在機(jī)械手的研究費(fèi)用 42%。 1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá) 443 億日元，產(chǎn)量為 14535 臺(tái)。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá) 222 億日元，是 1978 年的二倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為 67 億日元，比1978 年增長 50%。智能機(jī)械手約為 17 億日元，為 1978 年的 6 倍。截止 1979 年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá) 56900 臺(tái)。在數(shù)量上已占世界首位，約占 70%，并以每年 50%～ 60%的速度增長。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到 1990 年將有 55 萬機(jī)器人在工作。 第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機(jī)械手具有感 7 覺機(jī)能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機(jī)械手。 第三代機(jī)械手（機(jī)械人）則能獨(dú)立地 完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元 (Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機(jī)器手（機(jī)械人）研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大，國際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開展很多。 工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用 機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。機(jī)械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作?？稍跈C(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有 75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50 件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的 5%。從這里可以看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。目前在我國機(jī)械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具 中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個(gè)生產(chǎn)工序；機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運(yùn)機(jī)械手為研究對(duì)象。下面具體說明機(jī)械手在工業(yè)方面的應(yīng)用。 建造旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)軸、盤類、環(huán)類）自動(dòng)線 一般都采用機(jī)械手在機(jī)床之間傳遞零件。國內(nèi)這類生產(chǎn)線很多，如沈陽永泵廠的深井泵軸承體加工自動(dòng)線（環(huán)類），大連電機(jī)廠的 4 號(hào)和 5 號(hào)電動(dòng)機(jī)加工自動(dòng)線（軸類），上海拖拉機(jī)廠的齒坯自動(dòng)線（盤類）等。 加工箱體類零件的組合機(jī)床自動(dòng)線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機(jī)械手的， 如上海動(dòng)力機(jī)廠的氣蓋加工自動(dòng)線轉(zhuǎn)位機(jī)械手。 在實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化方面 各類半自動(dòng)車床，有自動(dòng)加緊、進(jìn)刀、切削、退刀和松開的功能，但仍需人工上下料；裝上機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)，一人看管多臺(tái)機(jī)床。目前，機(jī)械手在這方面應(yīng)用很多，如上海柴油機(jī)廠的曲拐自動(dòng)車床和座圈自動(dòng)車床機(jī)械手，大連第二車床廠的自動(dòng)循環(huán)液壓仿行車床機(jī)械手，沈陽第三機(jī)床廠的 Y38 滾齒機(jī)械手，青海第二機(jī)床廠的滾銑花鍵機(jī)床機(jī)械手等。由于這方面的使用已有成功的經(jīng)驗(yàn)，國內(nèi)一些機(jī)床廠已在這類產(chǎn)品出廠是就附上機(jī)械手，或?yàn)橛脩舭惭b機(jī)械手提供條件。如上 海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線機(jī)械手（生產(chǎn)線中有兩臺(tái)多工位機(jī)床）和天津二注塑機(jī)有加料、合模、成型、 8 分模等自動(dòng)工作循環(huán)，裝上機(jī)械手的自動(dòng)裝卸工件，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)。目前機(jī)械手在沖床上應(yīng)用有兩個(gè)方面：一是 160t以上的沖床用機(jī)械手的較多。如沈陽低壓開關(guān)廠 200t環(huán)類沖床磁力起重器殼體下料機(jī)械手和天京拖拉機(jī)廠 400t 沖床的下料機(jī)械手等；其一是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進(jìn)輕局技術(shù)研究所制作的 120t 和 40t 多工位沖床機(jī)械手等。 鑄、鍛、焊熱處理等熱加工方面 模鍛方面，國內(nèi)大批量生產(chǎn)的 3t、 5t、 10t 模鍛錘，其所配的轉(zhuǎn)底爐，用兩只機(jī)械手成一定角度布置早爐前，實(shí)現(xiàn)進(jìn)出料自動(dòng)化。上海柴油機(jī)廠、北京內(nèi)燃機(jī)廠、洛陽拖拉機(jī)廠等已有較成熟的經(jīng)驗(yàn)。 機(jī)械手的組成 [1] 工業(yè)機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。 如圖 11 所示： 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu)機(jī)器人控 制 系 統(tǒng)驅(qū) 動(dòng) 傳 動(dòng) 系 統(tǒng)手 部腕 部臂 部腰 部基 座 部 （ 固 定 或 移 動(dòng) ）電 、 液 或 氣 驅(qū) 動(dòng) 裝 置單 關(guān) 節(jié) 伺 服 控 制 器關(guān) 節(jié) 協(xié) 調(diào) 及 其 它 信 息 交 換計(jì) 算 機(jī) 圖 11 機(jī)械手組成結(jié)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) （ 1）手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以 用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。 傳力機(jī)構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。 （ 2） 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械 9 手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡單的專用機(jī)械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬 運(yùn)工件。 目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮? 2700） ,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。 （ 3）臂部 手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。 臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸 縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。 手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。 （ 4） 行走機(jī)構(gòu) 有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu)，我國的正處于仿真階段。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)動(dòng)力源的不同 , 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。采用齒輪機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 ,適用范圍廣，瞬時(shí)傳動(dòng)比恒定，效率高； 壽命長；結(jié)構(gòu)緊湊，控制方便。 控制系統(tǒng)分類 在機(jī)械手的控制上，有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。 工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展趨勢 (1)工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高 (高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修 )，而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從 91 年的 萬美元降至 97 年的 萬美元。 (2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向 模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化 :由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī) 。國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化 。器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu) :大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操 10 作性和可維修性。 (4)機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合 技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 (5)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。 (6)當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。 (7)機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從 94 年美國開發(fā)出“虛擬 軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機(jī)器人從 80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人 。其中有 130 多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(站 )上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其 工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如 :可靠性低于國外產(chǎn)品 :機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距 。在應(yīng)用規(guī)模上，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約 200 臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程 .我國的 智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“ 863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000m 水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種 :在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技 術(shù)和產(chǎn)品。 11 本文主要研究內(nèi)容 本文研究了國內(nèi)外機(jī)械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學(xué)習(xí)機(jī)械手的工作原理，熟悉了工業(yè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，確定了工業(yè)機(jī)械手的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)工業(yè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了簡單的力學(xué)模型分析，完成了機(jī)械手機(jī)械方面的設(shè)計(jì)工作（包括傳動(dòng)部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動(dòng)部分）的設(shè)計(jì)工作。進(jìn)而運(yùn)用 proe 軟件對(duì)機(jī)械手的手部及升降機(jī)構(gòu)作了運(yùn)動(dòng)仿真分析。掌握了三維軟件設(shè)計(jì)的一般過程。 本章小結(jié) 本章簡要的介紹了機(jī)械手的基本概念。在機(jī)械手的組成上，系統(tǒng)的從執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及控制部分三個(gè)方面說明。 介紹了三維軟件 Pro/Engineer 的基本知識(shí)。比較細(xì)致的介紹了機(jī)械手的發(fā)展趨勢，簡要的敘述了本文研究的