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助力機械手發展史
機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備，它對穩定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。本文參閱了大量的國內外期刊雜志，論述了機械手的發展歷程、組成和分類，同時對國內外機械手的研究現狀和發展趨勢做了一定的了解。另外，本文還對機械手的常見驅動方式做了一番分析，并預測了它的發展趨勢。
關鍵詞：機械手；液壓氣壓驅動；發展
1機械手發展史
機械手是在機械化，自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置。它是機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優點，尤其體現了人的智能和適應性（王希敏，1992）。在現代生產過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產線中，機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。（王承義，1995）
機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。它的結構是：機體上安裝一個回轉長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制系統是示教形的。1962年，美國聯合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數控示教再現型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統仿照坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮、用液壓驅動；控制系統用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎上發展起來的。同年，美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉、升降采用液壓驅動控制系統也是示教再現型。這兩種出現在六十年代初的機械手，是后來國外工業機械手發展的基礎。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯合研制一種Unimate-Vicarm型工業機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業，定位誤差小于±1毫米。聯邦德國KnKa公司還生產一種點焊機械手，采用關節式結構和程序控制。
目前，機械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算控制系統，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，使機械手具有感覺機能。第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯系，并逐步發展成為柔性制造系統FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環節。
2.機械手的組成分類及驅動
2.1 機械手的組成
一般來說，機械手主要有以下幾部分組成：
1.手部(或稱抓取機構) 包括手指、傳力機構等，主要起抓取和放置物件的作用。
2.傳送機構（或稱臂部） 包括手腕、手臂等，主要起改變物件方向和位置的作用。
3.驅動部分 它是前兩部分的動力，因此也稱動力源，常用的有液壓氣壓電力和機四種驅動形式。
4.控制部分 它是機械手動作的指揮系統，由它來控制動作的順序（程序）、位置和時間（甚至速度與加速度）等。
5.其它部分 如機體、行走機構、行程檢測裝置和傳感裝置等。（侯沂,劉濤. 2004）
2.2 機械手的分類
機械手從使用范圍、運動坐標形式、驅動方式以及臂力大小四個方面的分類分別為：
1. 按使用范圍分類：
?。?）專用機械手 一般只有固定的程序，而無單獨的控制系統。它從屬于某種機器或生產線用以自動傳送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料機械手”、“曲拐自動車床機械手”、“油泵凸輪軸自動線機械手”等等。這種機械手結構較簡單，成本較低，適用于動作比較簡單的大批量生產的場合。
?。?）通用機械手 指具有可變程序和單獨驅動的控制系統，不從屬于某種機器，而且能自動完成傳送物件或操作某些工其的機械裝置。通用機械手按其定位和控制方式的不同，可分為簡易型和伺服型兩種。簡易型只是點位控制，故屬于程序控制類型，伺服型可以是點位控制，也可以是連續軌跡控制，一般屬于數字控制類型（李允文，1994）。
2. 按運動坐標型式分類：
?。?）直角坐標式機械手 臂部可以沿直角坐標軸X、Y、Z三個方向移動，亦即臂部可以前后伸縮(定為沿X方向的移動)、左右移動(定為沿Y方向的移動)和上下升降(定為沿Z方向的移動)（張軍，馮志輝，2004）；
（2） 圓柱坐標式機械手 手臂可以沿直角坐標軸的X和Z方向移動，又可繞Z軸轉動(定為繞Z軸轉動)，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉動；
（3）球坐標式機械手 臂部可以沿直角坐標軸X方向移動，還可以繞Y軸和Z軸轉動，亦即手臂可以前后伸縮(沿X方向移動)、上下擺動(定為繞Y軸擺動)和左右轉動(仍定為繞Z軸轉動)；
（4）多關節式機械手 這種機械手的臂部可分為小臂和大臂。其小臂和大臂的連接(肘部)以及大臂和機體的連接(肩部)均為關節(鉸鏈)式連接，亦即小臂對大臂可繞肘部上下擺動，大臂可繞肩部擺動多角，手臂還可以左右轉動。（孫桓等，2006）
3. 按驅動方式分類：
?。?）液壓驅動機械手 以壓力油進行驅動；
?。?）氣壓驅動機械手 以壓縮空氣進行驅動；
?。?）電力驅動機械手 直接用電動機進行驅動；
?。?）機械驅動機械手 是將主機的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機構等傳遞給機械手的一種驅動方式。
4. 按機械手的臂力大小分類：
（1）微型機械手 臂力小于1㎏；
?。?）小型機械手 臂力為1－10㎏；
（3）中型機械手 臂力為10－30㎏；
?。?）大型機械手 臂力大于30㎏。
2.3 機械手的驅動
如前所述，機械手有四種驅動方式，而當中的液壓與氣壓跟機械和電力相比，具有以下優點：
1. 空間布局安裝不受嚴格的空間限制，能構成其它方法難以組成的復雜驅動系統。
2．液壓與氣壓驅動傳遞的運動均勻平穩，易于實現快速啟動、制動和頻繁的換向。
3. 操作控制方便，省力，易于實現自動控制、中遠距離控制、過載保護。與電氣控制、電子控制結合，易于實現自動工作循環和自動過載保護。
4. 液壓與氣壓元件屬機械工業基礎件，標準化、系列化和通用化程度較高，有利于縮短設計、制造和降低制造成本。（許福玲,陳堯明.2007）
基于以上幾點，液壓與氣壓驅動在生產中應用最為廣泛。液壓與氣壓作為機械手的兩種常見驅動方式，其發展也對機械手的應用具有一定的促進作用。液壓與氣壓都是以流體（液壓油液或壓縮空氣）為工作介質進行能量傳遞和控制的。液壓的優點是單位質量輸出功率大，因為液壓傳動的動力元件可以采用很高的壓力（一般可達32MPa,個別場合更高），因此，在同等輸出功率下具有體積小、質量輕、運動慣性小、動態性能好的特點（王懋瑤，2001）。而氣壓傳動的突出優點是：介質李源極為方便，輸出力小，氣動動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩定性較差，沖擊大，而且起源壓力較低，因此，氣壓機械手抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以一般適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環境中進行工作。相比之下，液壓一般用于低速，重載和低污染的環境下。（淘湘廳,袁銳波. 2007）
眾所周知，液壓驅動多年來一直以礦物型液壓油為工作介質，然而油壓存在著污染環境、易燃燒、浪費能源的嚴重問題，一方面有背于當今制造業環保、節能的發展方向，另一方面在一定程度上限制了液壓技術的發展和應用，(石全，2006)。隨著科學技術的進步和人類環保、能源危機意識的提高，除了繼續使用高水基液作為液壓介質外，促使人們重新認識和研究以純水(不含任何添加劑的天然水(含海水和淡水))作為工作介質的“綠色”液壓技術一純水液壓傳動技術，并在近20年來使其不論在理論上還是在應用研究上，都得到了持續穩定地復蘇和發展（楊爾莊，2006）。
純水液壓傳動具有無污染危害，阻染性與安全性好、溫升小，介質經濟性好，維護監測成本較低，黏度對溫度變化不敏感，壓力損失小，發熱小，傳動效率高，流量穩定性好，系統的剛性大等技術優勢。雖然純水液壓傳動還存在泄漏與磨損、氣蝕、液壓沖擊、振動和噪聲、材料腐蝕與老化等技術難題，但隨著新工藝、新材料以及新技術的不斷出現和發展，終將會得以解決，（張利平，2001）。未來，預計純水液壓將會是主要的發展熱點和方向。
3. 機械手的應用意義及發展趨勢
3.1 機械手應用意義
機械工業是國民的裝備部，是為國民經濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產業。機械工業的規模和技術水平是衡量國家經濟實力和科學技術水平的重要標志。因此，世界各國都把發展機械工業作為發展本國經濟的戰略重點之一(張志獻，2002)。新世紀，生產水平及科學技術的不斷進步與發展帶動了整個機械工業的快速發展。現代工業中，生產過程的機械化，自動化已成為突出的主題。然而在機械工業中，加工、裝配等生產是不連續的。單靠人力將這些不連續的生產工序銜接起來，不僅費時而且效率不高。同時人的勞動強度非常大，有時還會出現失誤及傷害。顯然，這嚴重影響制約了整個生產過程的效率和自動化程度。機械手的應用很好的解決了這一情況，它不存在重復的偶然失誤，也能有效的避免了人身事故（楊永清等，2008）。
在機械工業中，機械手的應用具有以下意義：
1.可以提高生產過程的自動化程度
應用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產率，降低生產成本，加快實現工業生產機械化和自動化的步伐。
2.可以改善勞動條件、避免人身事故
在高 溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業，大大地改善了工人的勞動條件。同時，在一些動作簡單但又重復作業的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
3.可以減少人力，便于有節奏的生產
應用 機 械 手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續地工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產線上目前幾乎都設有機械手，以減少人力和更準確地控制生產的節拍，便于有節奏地進行生產。
3.2 機械手的發展趨勢
目前國內機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數量、品種、性能方面都不能滿足工業生產發展的需要。所以，在國內主要是逐步擴大應用范圍，重點發展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業條件，在應用專用機械手的同時，相應的發展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發揮機械手的作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統中的一個基本單元。
國外機械手在機械制造行業中應用較多，發展也很快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業，它可按照事先指定的作業程序來完成規定的操作。國外機械數的發展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經取得一定成績。
目前世界高端工業機械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發展趨勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達到3M/S，量產產品達到6軸，負載2KG的產品系統總重已突破100KG。更重要的是將機械手、柔性制造系統和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統的人工操作狀態。同時，隨著機械手的小型化和微型化，其應用領域將會突破傳統的機械領域，而向著電子信息、生物技術、生命科學及航空航天等高端行業發展。
