机械手设计

1.1 机械手及其组成
1.1.1 什么是机械手
机械手是一种能模仿人手臂的某些动作功能，按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手是工厂企业高度自动化的标志，它能完成许多高技术难度和繁重的体力劳动，尤其对于高温、高压、高湿度、污染等不适宜以人工工作的环境中，机械手起到了不可取代的作用。
1.1.2 机械手的组成
机械手的组成及其相互之间的关系如图所示。

机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等组成。
（一）执行机构
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。
1、手部 即与物件接触的部件。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。
2、手腕 是联接手部和手臂的部件，其调整或改变工件方位的作用。
3、手臂 支承手腕和手部的部件，用以改变工件的空间位置。
4、立柱 是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。
5、行走机构 机械手为了完成远距离的操作和扩大使用范围，可以增设滚轮行走机构。滚轮式行走机构可分为有轨的或是无轨的两种。
6、机座 它是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于基座上，故起支承和联接的作用。
7、其它部分 行程检测装置和传感装置等。
行程检测装置是检测和控制机械手各运动行程（位置）的装置。
传感装置其中装有某种传感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反映手指与物件是否接触、物件有无滑下或脱落、物件的位置是否准确、手指对物件的握紧力是否与物件的重量相适应。
（二）、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。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度 。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2～3个自由度。
1.2 机械手的分类
㈠、按机械手的使用范围分类：
⑴ 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，用以自动的传送物件或操作某一工具。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。
⑵ 通用机械手（也称工业机器人）即指具有可变程序和单独驱动的控制系统，又不从属于某种机器，而能自动地完成传送物件或操作某些工具的机械装置。
㈡、按机械手的驱动方式分类：
⑴ 液压驱动机械手 以压力油进行驱动。
⑵ 气压驱动机械手 以压缩空气进行驱动。
⑶ 电力驱动机械手 直接用电机进行驱动。
⑷ 机械驱动机械手 是将主机的动力通过凸轮、连杆、齿轮、间歇机构等传给机械手的一种驱动方式。
㈢、按机械手臂力大小分类：
⑴ 微型机械手 臂力小于1公斤。
⑵ 小型机械手 臂力为1～10公斤。
⑶ 中型机械手 臂力为10～30公斤。
⑷ 大型机械手 臂力大于30公斤。
㈣ 按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。
2 机械手的设计
2.1 机械手设计的总体方案
由于本次设计的机器人需要通过气缸来实现机械手臂的三个方向上的自由度如：手臂的上下的升降运动、手臂的前后伸缩运动、手臂的回转运动以及用气压马达来实现小车按轨道运动。总体设计方案如下面的框图所示：

设计示意图如下所示
机械手的执行机构由于采用积木式连接，结构非常简单、实用。
（四）延时控制回路
图2-6所示的延时控制回路，为控制信号A使二位四通单气控滑阀1切换时，压缩空气经阀1、单向节流阀3向气容4充气，经过一定的时间，气容压力达到一定数值，控制二位三通气控阀2切换。压缩空气经阀2的B口输往执行机构。信号A取消后，阀1又弹簧复位，压缩空气控制阀2也复位而关闭，B口无输出。气容4中的空气经阀3的单向阀、阀1而排空。
延时控制回路用于不允许使用时间继电器的场合，如易燃、易爆和大粉尘的场合。

4 机械手臂的工作原理
4.1 气动原理图

4.2 电磁铁动作程序表
结合机械手气压系统图说明其动作循环过程。
压力继电器发出电信号，使机械手开始按程序动作。首先，电磁铁1DT通电，压缩空气从电磁阀的左边通道经单向节流阀进入手臂升降油缸的上腔，推动手臂上升。在手臂上升到一定位置，碰行程开关，使1DT断电，并发出信号使3DT通电，压缩空气由电磁阀的左边通道经快速排气阀进入手臂前后伸缩气缸的左侧，推动手臂前伸。在手臂前伸到一定位置，装在手臂上的碰铁碰到行程开关发出电信号，使 7DT通电，压缩空气由电磁阀的左边通道进入手指夹紧气缸的左侧，使手指张开。在延时结束后，7DT断电，使8DT通电，手指夹紧工件；并同时发出信号使4DT通电，压缩空气由电磁阀的右边通道经快速排气阀进入手臂前后伸缩气缸的右侧，使手臂缩回。当手臂上的碰铁碰到行程开关使4DT断电并发出电信号，使 5DT通电，压缩空气由电磁阀的左边通道进入手臂回转气缸的一腔使手臂回转950。当手臂的回转碰铁碰到行程开关使5DT断电，并发出电信号使3DT通电，压缩空气由电磁阀的左边通道经快速排气阀进入手臂前后伸缩气缸的左侧，推动手臂前伸。在手臂前伸到一定位置，装在手臂上的碰铁碰到行程开关发出电信号，使 7DT通电，压缩空气由电磁阀的左边通道进入手指夹紧气缸的左侧，使手指张开，延时到7DT断电，使8DT通电，手指闭合，并发出电信号使4DT通电，压缩空气由电磁阀的右边通道经快速排气阀进入手臂前后伸缩气缸的右侧，使手臂缩回。当手臂上的碰铁碰到行程开关使4DT断电并发出电信号，使 2DT通电进行排气，手臂则靠自重下降。在手臂下降到一定位置，装在手臂上的碰铁碰到行程开关发出电信号，使 6DT通电，压缩空气由电磁阀的右边通道进入手臂回转气缸的另一腔使手臂反转950。机械手复位，机械手的循环结束。