機械手

在現今的生活上,科技日新月益的進展之下,機械人手臂與有人類的手臂最大區別就在於靈活度與耐力度。也就是機械手的最大優勢可以重複的做同一動作在機械正常情況下永遠也不會覺得累！機械手臂的應用也將會越來越廣泛,機械手是近幾十年發展起來的一種高科技自動生產設備，作業的準確性和環境中完成作業的能力。工業機械手機器人的一個重要分支。

按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式。特點是可以通過編程來完成各種預期的作業，構造和性能上兼有人和機械手機器各自的優點。

機械手主要由執行機構、驅動機構和控制系統三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業要求而有多種結構形式，如夾持型、託持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或複合運動來實現規定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越複雜。一般專用機械手有2～3個自由度。控制系統是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來完成特定動作。同時接收傳感器反饋的信息，形成穩定的閉環控制。控制系統的核心通常是由單片機或dsp等微控制芯片構成，通過對其編程實現所要功能。

機械手的執行機構分為手部、手臂、軀幹；

1、手部

手部安裝在手臂的前端。手臂的內孔中裝有傳動軸，可把運用傳給手腕，以轉動、伸曲手腕、開閉手指。

機械手手部的構造系模仿人的手指，分為無關節、固定關節和自由關節3種。手指的數量又可分為二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。可根據夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和大小的夾頭以適應操作的需要。所謂沒有手指的手部，一般都是指真空吸盤或磁性吸盤。

2、手臂

手臂的作用是引導手指準確地抓住工件，並運送到所需的位置上。為了使機械手能夠正確地工作，手臂的3個自由度都要精確地定位。

3、軀幹軀幹是安裝手臂、動力源和各種執行機構的支架 ^[1]  。

機械手所用的驅動機構主要有4種：液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動和機械驅動。

1、液壓驅動式

液壓驅動式機械手通常由液動機（各種油缸、油馬達）、伺服閥、油泵、油箱等組成驅動系統，由驅動機械手執行機構進行工作。通常它的具有很大的抓舉能力（高達幾百千克以上），其特點是結構緊湊、動作平穩、耐衝擊、耐震動、防爆性好，但液壓元件要求有較高的製造精度和密封性能，否則漏油將污染環境。

2、氣壓驅動式

其驅動系統通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機組成，其特點是氣源方便、動作迅速、結構簡單、造價較低、維修方便。但難以進行速度控制，氣壓不可太高，故抓舉能力較低。

3、電氣驅動式電力驅動是機械手使用得最多的一種驅動方式。其特點是電源方便，響應快，驅動力較大（關節型的持重已達400kg），信號檢測、傳動、處理方便，並可採用多種靈活的控制方案。驅動電機一般採用步進電機，直流伺服電機（AC）為主要的驅動方式。由於電機速度高，通常須採用減速機構（如諧波傳動、RV擺線針輪傳動、齒輪傳動、螺旋傳動和多杆機構等）。有些機械手已開始採用無減速機構的大轉矩、低轉速電機進行直接驅動（DD）這既可使機構簡化，又可提高控制精度。

4、機械驅動式

機械驅動只用於動作固定的場合。一般用凸輪連桿機構來實現規定的動作。其特點是動作確實可靠，工作速度高，成本低，但不易於調整。其他還有采用混合驅動，即液-氣或電-液混合驅動。

機械手控制的要素包括工作順序、到達位置、動作時間、運動速度、加減速度等。機械手的控制分為點位控制和連續軌跡控制兩種。

控制系統可根據動作的要求，設計採用數字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然後再根據規定的程序，控制機械手進行工作程序的存儲方式有分離存儲和集中存儲兩種。分離存儲是將各種控制因素的信息分別存儲於兩種以上的存儲裝置中，如順序信息存儲於插銷板、凸輪轉鼓、穿孔帶內；位置信息存儲於時間繼電器、定速回轉鼓等；集中存儲是將各種控制因素的信息全部存儲於一種存儲裝置內，如磁帶、磁鼓等。這種方式使用於順序、位置、時間、速度等必須同時控制的場合，即連續控制的情況下使用。

其中插銷板使用於需要迅速改變程序的場合。換一種程序只需抽換一種插銷板限可，而同一插件又可以反覆使用；穿孔帶容納的程序長度可不受限制，但如果發生錯誤時就要全部更換；穿孔卡的信息容量有限，但便於更換、保存，可重複使用；磁蕊和磁鼓僅適用於存儲容量較大的場合。至於選擇哪一種控制元件，則根據動作的複雜程序和精確程序來確定。對動作複雜的機械手，採用求教再現型控制系統。更復雜的機械手採用數字控制系統、小型計算機或微處理機控制的系統。控制系統以插銷板用的最多，其次是凸輪轉鼓。它裝有許多凸輪，每一個凸輪分配給一個運動軸，轉鼓運動一週便完成一個循環。

機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用範圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續軌跡控制機械手等。機械手通常用作機牀或其他機器的附加裝置，如在自動機牀或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用於原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手在鍛造工業中的應用能進一步發展鍛造設備的生產能力，改善熱、累等勞動條件。

機械手首先是從美國開始研製的。1958年美國聯合控制公司研製出第一台機械手。

機械手可以減省工人、提高效率、降低成本、提高產品品質、安全性好、提升工廠形象。

多關節機械手的優點是:動作靈活、運動慣性小、通用性強、能抓取靠近機座的工件，並能繞過機體和工作機械之間的障礙物進行工作.隨着生產的需要，對多關節手臂的靈活性，定位精度及作業空間等提出越來越高的要求。多關節手臂也突破了傳統的概念，其關節數量可以從三個到十幾個甚至更多，其外形也不侷限於像人的手臂，而根據不同的場合有所變化，多關節手臂的優良性能是單關節機械手所不能比擬的 ^[2]  。

隨着網絡技巧的發展，機械手的聯網操作問題也是以後發展的方向。工業機器人是近幾十年發展起來的一種高科技自動化生產設備。工業機械手的是工業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。機械手作業的準確性和各種環境中完成作業的能力，在國民經濟各領域有着廣闊的發展前景。

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。在現代生產過程中，機械手被廣泛的運用於自動生產線中，機械人的研製和生產已成為高技術領域內，迅速發展起來的一門新興的技術，它更加促進了機械手的發展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。機械手雖然還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重複工作和勞動，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，並越來越廣泛地得到了應用。我國塑料機械已成為機械製造業發展最快的行業之一，年需求量在不斷的加大。我國塑料機械產業的高速發展主要有以下兩個大因素：一是對高技術含量裝備的需求所帶來的設備更新及陳舊設備的淘汰;二是海內塑料加工產業的高速發展，對塑料機械的需求旺盛。

東莞首個“無人工廠”開建：100個機械手率先上崗。 ^[3] 

近期，廣東東莞第一家民營“無人工廠”開始投入建設，這標誌着當地“機器換人”戰略進入新階段。記者瞭解到，當前東莞的用工缺口已達到10萬人以上，“無人工廠”的開建或將緩解用工荒的現象，同時還將對我國機器人產業產生積極影響。

2015年3月，廣東省政府印發《廣東省工業轉型升級攻堅戰三年行動計劃(2015-2017年)》(下稱《計劃》)，這標誌着廣東已迎來全面推進“機器換人”戰略階段。

《計劃》稱，至2017年末，力爭廣東省三年累計引導2萬家、超過50%的規模以上工業企業完成新一輪技術改造;三年累計完成工業技術改造投資9430億元。至2017年末，初步建成10個在全國具有較大影響力的智能製造產業基地，建成2個國內領先的機器人制造產業基地，推動1950家規模以上工業企業開展“機器換人”。

車間的革命：“機器換人”換出產品效益。

“不能簡單地把‘機器換人’看成是解決用工難的辦法，而是工業製造自動化、精密化、智能化水平提升和產品品質提高的體現。”

自動化進程遭遇“錢緊”“技窮”。

一套機器手需要18萬元，目前一個工人的年用工成本約6萬元，而在不同工序上“機器換人”的替代率不同，有的工序在現階段進行“機器換人”並不划算。 ^[4]