机械手文献综述

1. 机械手概述

工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科——机械手工程。机械手涉及到机械学、力学、自动控制技术、电器液压技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。

机械手的快速发展是由于它的积极作用正日益为人们所认识：一、它能部分的代替人工操作；二、它能按照生产工艺的要求，遵循一定的程序、位置和时间来完成工件的传送与装卸；三、它能操作必要的工具进行装配和焊接，从而大大的改善了作业员的劳动条件，提高了劳动生产率，加快了实现工业生产机械化和自动化的步伐。因而，受到很多国家的重视，投入大量的人力物力来研究和应用。尤其是在高温、高压、噪音、粉尘以及带有放射性和污染的场合，应用更为广泛。在我国近几年也有较快的发展，并且取得一定的效果，受到机械工业的重视。

机械手是一种能自动控制并可重新编程以变动的多功能机器，它有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。机械手的结构形式开始比较简单，专用性比较强。 但随着工业技术的发展，制成了能够的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。

2. 机械手发展史

现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化。

机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。

1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手，名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。 1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩，采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。

美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。比如Unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。把故障前平均时间，由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。 德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。 瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机械手后，大力研究机械手。据报道，1979年从事机械手研

究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年各大学和国家研究部门用在机械手的研究费用占42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可编程序约占一半，达222亿日元，是1978年的两倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的六倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。到1990年有55万机器人在工作。

第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。通过安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。

第三代机械手（机械人）则能地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。

随着工业机器手（机械人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。

3．机械手在生产中的应用

机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬运、切割、装配、喷染等等，应用非常广泛。在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间常配有机械手，以提高生产效率，完成作业员难以完成的或者危险的工作。在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的5%。从这里可以

看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传送到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。

4．机械手的控制方法

机器人控制系统的硬件结构要围绕着如何更好地实现机器人的控制功能而设计和选用。以控制器的核心计算机的分布方式来看，机器人控制系统硬件控制结构大体可分为集中控制、主从控制、分级控制等三类。

在核心控制器的选择上可以有多种方案，目前在机电一体化设计中主要有三种：单片机、工业控制计算机、可编程控制器（PLC）。随着计算机系统的不断发展，也出现了运动控制卡和逻辑控制器等新型控制硬件。

单片机控制机械手能够完成简单的逻辑控制或模拟量控制，可按需要自行配置通信功能，软硬件开发工作量很多，输出带负载能力和抗干扰能力差，可靠性差，环境适应能力差，成本较为低廉。

PLC控制机械手可按使用要求选购相应的产品完成复杂的逻辑控制，以逻辑控制为主，也可以组成模拟量控制系统，软硬件开发工作量较少，输出带负载能力和抗干扰能力强，可靠性好，环境适应能力强，成本较为高。

工业控制计算机具备完善的控制功能，软件丰富，执行速度快，软件开发工作量较多，硬件开发工作量较少，执行速度较慢，环境适应力一般，可靠性好，成本较为高。