1.机械手发展史

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它是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。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

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：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年，美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。这两种出现在六十年代初的机械手，是后来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-Vicarm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。联邦德国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。

目前，机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。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和柔性制造单元FMC中的重要一环节。

2.机械手的组成分类及驱动

2.1 机械手的组成

一般来说，机械手主要有以下几部分组成：

1.手部(或称抓取机构) 包括手指、传力机构等，主要起抓取和放置物件的作用。

2.传送机构（或称臂部） 包括手腕、手臂等，主要起改变物件方向和位置的作用。

3.驱动部分 它是前两部分的动力，因此也称动力源，常用的有液压气压电力和机四种驱动形式。

4.控制部分 它是机械手动作的指挥系统，由它来控制动作的顺序（程序）、位置和时间（甚至速度与加速度）等。

5.其它部分 如机体、行走机构、行程检测装置和传感装置等。

2.2 机械手的分类

机械手从使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为：

1. 按使用范围分类：

（1）专用机械手 一般只有固定的程序，而无单独的控制系统。它从属于某种机器或生产线用以自动传送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料机械手”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。这种机械手结构较简单，成本较低，适用于动作比较简单的大批量生产的场合。

（2）通用机械手 指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动完成传送物件或操作某些工其的机械装置。通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。

2. 按运动坐标型式分类：

（1）直角坐标式机械手 臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩(定为沿X方向的移动)、左右移动(定为沿Y方向的移动)和上下升降(定为沿Z方向的移动)；

（2） 圆柱坐标式机械手 手臂可以沿直角坐标轴的X和Z方向移动，又可绕Z轴转动(定为绕Z轴转动)，亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动；

（3）球坐标式机械手 臂部可以沿直角坐标轴X方向移动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦即手臂可以前后伸缩(沿X方向移动)、上下摆动(定为绕Y轴摆动)和左右转动(仍定为绕Z轴转动)；

（4）多关节式机械手 这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接(肘部)以及大臂和机体的连接(肩部)均为关节(铰链)式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。

3. 按驱动方式分类：

（1）液压驱动机械手 以压力油进行驱动；

（2）气压驱动机械手 以压缩空气进行驱动；

（3）电力驱动机械手 直接用电动机进行驱动；

（4）机械驱动机械手 是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传递给机械手的一种驱动方式。

4. 按机械手的臂力大小分类：

（1）微型机械手 臂力小于1㎏；

（2）小型机械手 臂力为1－10㎏；

（3）中型机械手 臂力为10－30㎏；

（4）大型机械手 臂力大于30㎏。

2.3 机械手的驱动

如前所述，机械手有四种驱动方式，而当中的液压与气压跟机械和电力相比，具有以下优点：

1. 空间布局安装不受严格的空间限制，能构成其它方法难以组成的复杂驱动系统。

2．液压与气压驱动传递的运动均匀平稳，易于实现快速启动、制动和频繁的换向。

3. 操作控制方便，省力，易于实现自动控制、中远距离控制、过载保护。与电气控制、电子控制结合，易于实现自动工作循环和自动过载保护。

4. 液压与气压元件属机械工业基础件，标准化、系列化和通用化程度较高，有利于缩短设计、制造和降低制造成本。

基于以上几点，液压与气压驱动在生产中应用最为广泛。液压与气压作为机械手的两种常见驱动方式，其发展也对机械手的应用具有一定的促进作用。液压与气压都是以流体（液压油液或压缩空气）为工作介质进行能量传递和控制的。液压的优点是单位质量输出功率大，因为液压传动的动力元件可以采用很高的压力（一般可达32MPa,个别场合更高），因此，在同等输出功率下具有体积小、质量轻、运动惯性小、动态性能好的特点。而气压传动的突出优点是：介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且起源压力较低，因此，气压机械手抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以一般适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。相比之下，液压一般用于低速，重载和低污染的环境下。

众所周知，液压驱动多年来一直以矿物型液压油为工作介质，然而油压存在着污染环境、易燃烧、浪费能源的严重问题，一方面有背于当今制造业环保、节能的发展方向，另一方面在一定程度上限制了液压技术的发展和应用。随着科学技术的进步和人类环保、能源危机意识的提高，除了继续使用高水基液作为液压介质外，促使人们重新认识和研究以纯水(不含任何添加剂的天然水(含海水和淡水))作为工作介质的“绿色”液压技术一纯水液压传动技术，并在近20年来使其不论在理论上还是在应用研究上，都得到了持续稳定地复苏和发展。

纯水液压传动具有无污染危害，阻染性与安全性好、温升小，介质经济性好，维护监测成本较低，黏度对温度变化不敏感，压力损失小，发热小，传动效率高，流量稳定性好，系统的刚性大等技术优势。虽然纯水液压传动还存在泄漏与磨损、气蚀、液压冲击、振动和噪声、材料腐蚀与老化等技术难题，但随着新工艺、新材料以及新技术的不断出现和发展，终将会得以解决。未来，预计纯水液压将会是主要的发展热点和方向。

3. 机械手的应用意义及发展趋势

3.1 机械手应用意义

机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。新世纪，生产水平及科学技术的不断进步与发展带动了整个机械工业的快速发展。现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。然而在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。单靠人力将这些不连续的生产工序衔接起来，不仅费时而且效率不高。同时人的劳动强度非常大，有时还会出现失误及伤害。显然，这严重影响制约了整个生产过程的效率和自动化程度。机械手的应用很好的解决了这一情况，它不存在重复的偶然失误，也能有效的避免了人身事故。

在机械工业中，机械手的应用具有以下意义：

1. 可以提高生产过程的自动化程度

应用机械手，有利于提高材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化程度，从而可以提高劳动生产率，降低生产成本，加快实现工业生产机械化和自动化的步伐。

2. 可以改善劳动条件、避免人身事故

在高 温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的。而应用机械手即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人的劳动条件。同时，在一些动作简单但又重复作业的操作中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

3.可以减少人力，便于有节奏的生产

应用 机 械 手代替人手进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续地工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床和综合加工自动生产线上目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确地控制生产的节拍，便于有节奏地进行生产。

3.2 机械手的发展趋势

目前国内机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。

国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械数的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。

目前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，运行速度可以达到3M/S，量产产品达到6轴，负载2KG的产品系统总重已突破100KG。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，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。

目前我国机械手的研发和应用还处在一个发展的阶段，跟美国日本等发达国家相比还有很大的差距，很多产品还需进口，特别是高灵活、高精度的机械手。要使我国机械工业更进一步在发展壮大，就必须提高其自动化程度和生产效率，将人手操作变为机械手操作。同时，国家应加大对机械手及机器人的研发投入，积极开发出拥有自主知识产权的产品，从根本上解决对国外产品的进口需求。