[科普中国]-三自由度机械手

简介

在自动化装配电镀生产线上，机械手能将单个或多个工件快速的从一个位置准确地抓取移动到目标位置。机械手的应用大大提高了生产效率，也更容易实现自动化控制，同时其还能使操作人员免受电镀环境对于人身健康的影响。目前应用较多的机械手有二自由度机械手和三自由度机械手。

构成三自由度机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、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。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。1

基本形式摇臂式自动取料机械手典型的摇臂式自动取料机械手，其运动由XY两个相互垂直方向的直线运动与一个摆动运动组合而成摇臂式自动取料机械手一般为小型机械手。

这种机械手的运动过程如下：

（1）动作1当执行下降取料命令后，机械手抓取装置沿Z轴方向垂直下降，抓取动作可以通过吸盘、气动手指和杠杆机构等完成；

（2）动作2抓取镀件的机械手沿Z轴反方向运行到原点，

（3）动作3机械手绕Z轴旋转一定角度为下一次运动做准备；

（4）动作4机械手沿X轴方向将镀件运行到释放点上方，再通过Z轴的下降运动将镀件释放到指定地点；

（5）动作5机械手沿上述轨迹反方向运动到原点，开始下一个循环。

根据控制要求，旋转运动和X轴方向的直线运动可以同时进行。1

横行式自动取料机械手典型的横行式自动取料机械手，其运动由XYZ，3个相互垂直方向的直线运动组合而成，也称为三自由度平移机械手。

（1）运动形式 横行式自动取料机械手的手臂结构与摇臂式机械手的手臂结构是类似的，所不同的是横行式自动取料机械手的运动全部为直线运动，在结构上更具有代表性。横行式自动取料机械手的结构分为X轴、Y轴、Z轴3部分，主要在空间运动距离较大的场合使用；而摇臂式机械手则将其中一个直线运动用更简单的摆动运动所代替。

（2）运动过程分析 这种机械手在结构上主要是将X轴、Y轴、轴（主手、副手）、底座等4部分采用模块化的方式通过直线导轨机构搭接而成，其中X轴、Y轴、Z轴在相互垂直的方向上进行搭接连接。直线导轨机构不仅是运动导向部件，各部分结构的连接也是通过直线导轨机构来实现的。

这种机械手的运动过程如下：动作1当执行下降取料命令后，机械手抓取装置沿Z轴方向垂直下降，抓取装置包括吸盘、气动手指和杠杆机构等；动作2机械手抓取镀件后沿Z轴反向回到原点；动作3机械手抓取镀件沿Y轴方向移动；动作4根据运动需要，机械手抓取镀件沿X轴方向移动，实现跨距转移；动作5当镀件运行到释放点上方时，机械手执行下降命令沿轨迹5下降至释放点释放镀件，完成一次镀件的转移；动作6、动作7、动作8这几个动作沿上述运动轨迹反向运行，回到原点位置,进人待料状态，等待下一次取料循环。这种横向移动，根据控制和运行的要求，X轴、Y轴、Z轴的运动可以同时进行。1

应用前景随着网络技巧的发展，机械手的联网操作问题也是以后发展的方向。工业机器人是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。2