[科普中国]-助力机械手

助力机械手，又称机械手、平衡吊、平衡助力器、手动移载机（以上说法并不专业但国内已经流行），是一种新颖的、用于物料搬运及安装时省力操作的助力设备。它巧妙地应用力的平衡原理，使操作者对重物进行相应的推拉，就可在空间内平衡移动定位。重物在提升或下降时形成浮动状态，靠气路保证零操作力（实际情况因为加工工艺及设计成本控制，操作力以小于3kg为判断标准）操作力受工件重量影响。无需熟练的点动操作，操作者用手推拉重物，就可以把重物正确地放到空间中的任何位置。

简介应用由于具有无重力化、精确直观、操作便捷、安全高效等特点，“平衡吊”广泛应用于现代工业中的物料移载、高频率搬运、精确定位、部件装配等场合。

从接受原材料和物料开始，一直到加工、生产、保管及配送等物料流动过程中的每一个环节，平衡吊手动移载系统所发挥的作用是令人瞩目的。

正确使用相应的物料移载方法和手段，对于各行业中，重物的移载、搬运现场的操作人员的健康、安全，进而其作业的合理性、劳动力的节省、生产效率的提高、产品品质的保障等多方面都有极大改善。

系统组成一套完整的助力机械手装备主要由三部分组成：平衡吊主机、抓取夹具（或机械手）及安装结构。

机械手主机是实现物料（或工件）在空中无重力化浮动状态的主体装置。

机械手则是实现工件抓取，并完成用户相应搬运和装配要求的装置。

安装结构则是根据用户服务区域及现场状况要求以支撑整套设备的机构。

产品系列为实现物料移载的省力操作，国内机械手的专业厂商已推出丰富的平衡吊机型，满足不同行业中不同物料不同工艺要求的搬运需要。

按工作原理不一样，有臂杆式和软索式。其中臂杆式平衡吊又因工作曲线差异，有PBF、PBC等；软索式则因主体执行元件不同，分卷筒式（IRB）和直线气缸式（PBB）、钢丝绳式和链条式等。根据动力源不同，有气动式和电动式（EBC）等。

另外，按系统所采用基座不同，有落地固定式、落地移动式、悬挂固定式、悬挂移动式、附墙式等1。

系统特点硬臂式助力机械手系统组成主要包括四部分：

1）轨道行走系 统；

2）机械手主机；

3）夹具部分；

4）执行部分；

5）气路控制系统。

轨道系统本方案采用双排C型铝合金轨道与移动平台小车配合，平台小车下法兰连接硬臂式机械手。使整个设备在轨道行程内平稳行走。C型轨道采用进口材料，强度、精度高。

非金属滚轮采用高强度耐磨尼龙材料加工而成，使用寿命长。

主机a） 可实现不同重量物料的重力平衡状态，适用于物料的精确移载操作。

b） 空载、满载及处理不同工件时，系统可感知其重量变化，并实现载荷在三维空间中的浮动状态，便于精确定位。

c） 全程平衡、运动顺滑等特点，使得操作者可以很便捷地实现工件的搬运、定位、装配等操作。

d） 刚性手臂可使机械手带工件越过障碍；水平臂可满足物料在相关场所进行横向放入、横向取出等动作要求。

e） 系统可始终保持机械手头部的水平，发挥高作业性。

f） 关节刹车装置，具有多个回转关节，以实现广域范围内的物料取置；配备有刹车装置，操作者可在操作过程中随时中断机械手的运动。

气动夹具主机控制与夹具（机械手）集成为一体，方便操作者双手控制工件。主机操作按钮都集成于夹具控制面板上，控制部分及指示灯、指示器等按人体工学原理布置，便于操作及紧急情况的处理。

执行执行部分是机械手上承担抓（或吸）取物件的机构，由手指、传力（或增力）机构和动力装置等组成。

手指是手部中直接承担抓（或吸）取物件的元件。

1、手指的抓取机能
助力机械手的手指的抓取机能是由被抓取物件和手指决定的。被抓取物件的大小、形状、重量、材质和受外力的约束程度及运动（抓取运动的物件）情况，决定了手指是的大小、形状、个数、种类配置和动作，而这些又决定了手指的抓取机能（即该手指能抓取的极限尺寸；手指对物件的约束和握紧程度；抓取精度-定位精度等）。

2、手指的种类

机械手的手指有机械式和吸盘式两种形式。人手抓取物件时，手指常与手掌相对握紧。机械式手指没有手掌，全靠手指握紧物件；而吸盘式手指则刚好相当于只有手掌吸附物件。机械式手指的应用比较广泛。

机械式手指常按指根的动作及手指的数目或手指的形状进行分类。

（1）按指根的动作不同分类

回转型手指：手指的张开与闭合是靠指根的回转动作完成的。无关节手指的本体是一个直构件；固定关节指的本体是一个弯构件，即在指的中间处形成一个“V”形关节角；而自由关节指的本体在中间分开，指根与指尖是由铰链连接的。

直进型手指：手指的张开与闭合是靠手指的直接动作完成的。这种手指也可分为无关节指和自由关节指。有时还把无关节指、固定关节指、自由关节指相互组合而成为混合手指。

（2）按手指抓取部分的形状分类

有圆弧形的、锯齿形的、钩形的和平板形的等等。

3、典型表面与手指的接触状态

虽然被抓取物件的形状和尺寸是多种多样的，但是从抓取的角度来看，可将被抓取部位的形状分成圆柱形、正方柱形、板形、球形和圆锥形等5种典型表面。各种手指在抓取这5种典型表面时的接触状态是各不相同的，根据这时的接触状态，即可对不同形状和数量的手指及其抓取机能进行分析和比较，以便从中选出合理的指形和手指个数2。

控制系统a） 设置有元件保护盒，以保护主要精密气动元器件，避免操作时意外撞击及灰尘沉积。气路排布完全按丰田AMS标准执行，方便维修。

b） 系统配备二联件、单向阀和储气罐，为系统提供持续稳定的压缩空气，当主供气源意外断气时，可提供一定时间的安全保障，并使系统有足够的动力完成本次操作或将工件卸载。

系统安全a） 配备有负载显示器，指示负载状态，告知操作者：此时物料是否可被提起或被卸载。当系统处于负载状态时，显示器呈红色。

b） 配备有负载压力表，指示压缩空气工作状况。

c） 配备有安全误操作保护装置，防止误动作对人身或设备造成伤害；在操作者未对安装状况进行确认前，即工件未安装到位前，如果工人误操作松开按钮，工件不能被卸载（限于动力夹具）。

d） 系统配备了失气保护装置，当主供气源意外断气时，主机臂杆不能动作，机械手停止作业，避免意外的伤害。

e） 设备配套安全控制系统，在操作时，系统不会因为误动作，而突然改变负载或空载压力，因此机械手不会因此快速上升或下降而对人身、设备和产品造成伤害。

发展趋势世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变机械制造系统的人工操作状态。随着机槭手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机槭领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学