浅谈小型机械手的现状及研究

孔盛杰 赖鑫卢 庞豪杰

【摘 要】随着21世纪机械自动化社会的发展，机器人慢慢地进入了人们的生活来代替人们完成一部分不是很复杂而又重复的工作，我们的社会正在逐渐向“机器代人” [1]的时代靠拢。因为机器人在日常生活中能否得到广泛应用这个话题受到了越来越多的人的关注，更有很多科学家企业家将目标聚焦到这里一点，但事实上机器人，尤其是工业方向的机器人，不仅整体规模庞大，而且制作并不方便，无法充分满足当代人的需求，故机器人的发明和制造逐渐成为了当今的热点话题。机械手是有机械或电子元件控制的一种具有抓取和移动物体功能的装置，它是一种新型的装置，并且已经在很多领域得到了广泛的应用。

【关键词】机械手；小型；机器代人

国外对机械手的研究相对国内比较早，机械手是从美国引出的，1958年，美國与一家公司合作一起研发出第一台机械手，于是，美国着重在灵活度方面对机械手进行改进，取得了一定的成就。反观我国的技术水平和程序的开发和国外的发展相比较而言还存在一定的距离，而机械手的研究创新会直接影响到我国自动化生产水平的提高，也会影响现代智能制造的发展水平，这点的必要性在经济发展和技术成就方面都体现得淋漓尽致。

通过查阅资料，我发现大部分的机械手都存在着一个通病：成本高，结构复杂，控制起来麻烦，大多数都是专用的。因此，以操作简单，成本低为准则，研究出一款通用性高的、柔软的、手爪能因物体的大小而变形的机械手是有必要的，此类机械手适用于工作在小型零部件的自动化生产线上[2]。优化机械手的制造过程，可以降低劳动力的成本，减少人力，提高效率，从而获得更高的效益。再者说机械手是一种跟人手相似的，可以代替人手的一种物体，而且能够通过提前设定好的程序进行夹起物体、传递物体的自动机器[3]。机械手能够代替着人们来做一些反反复复的、低难度的工作，可以让人们从工业革命时代的那种流水线般的工作流程中解脱出来，这种动作单一的工作很容易让人感觉到疲惫，疲惫了就会使出错率变高，但通过程序控制的机械手就可以代替人们来执行这种工作，既不容易出错又能高效率的完成所规定的任务，它的主要优点就在于在工作环境中能够一直做着同样的动作而且不会出现错误，这个优点能开拓它的应用领域和工作要求的精确度，就比如说一些环境很恶劣的、会有危险性存在的情况下就完全可以使用机械手来代替人手进行工作。

一、小型机械手的研究价值

就我国机械手的现状而言，我国对于机械手的研究是比较晚的，落后与欧美国家有30年，我国第一台机械手是1972年在上海研究成功的，在此以后全国各地就开始卷入研发机械手的热潮。其实机械手就中国而言是很重要却又不重要的，中国的人口在世界上是最多的，由于人口多的原因有时会机械手做的事大多都是由人来完成，完成那些简单而又重复的工作，但是中国若想称为世界强国就必须要用最少的资源去完成更多的事情，各个企业应尽可能的采用先进的技术来高效的生产产品，从而提高核心竞争力，这时候机械手就显得十分必要了，机械手可以帮助企业把这些人力资源从生产中解放出来[4]，而且人的工作效率，准确程度等肯定是比不上机器的，机器可以提高效率和保证准确率，从长期考虑的话，机械手的生产投入肯定是比人工生产更为经济，虽然这样可能会引起一波失业潮，但是创造就业的机会也会因此而增加，并且对社会产生的利益也是巨大的，我相信在不久的将来，机械手会广泛的投入到企业中应用。机械手主要有以下几点明显的优势：1.可以使加工环境得到改善2.可以提高在生产线上的自动化程度3.可以解放人力，使生产线更加流畅。

二、小型机械手的主要研究内容

生产过程中的自动化和机械化已成为现代工业的主题。在机械生产中，加工、装配等生产是一步一步完成的。专用机床是用来大批量生产的，这样能提高生产效率，数控机床、加工中心等机床是用来各式各样的小批量生产的。但是车间中的切削加工仅仅只是一部分，但是大量的装卸、搬运、装配还是不够自动化，还是需要很多人力来进行工作，有待于进一步实现自动化。查询有关资料得，在美国生产的各种零件中，大约有七成的是小批量生产；金属加工生产批量中有四分之三在50件以下，零件在机床上真正的加工的时间仅仅只有零件生产时间的5%左右。这个数据表明，装卸、搬运这些工序真的需要朝着机械自动化的方向发展，小型机械手就是为实现这些工序的自动化所研究的。小型机械手可以简单的在空间中抓取物体，动作简单好操控，机械手爪又可以因为物体不同的大小尺寸而发生变形，从而提高预紧力，适用于很多品种的中、小批量自动化生产，可以应用于自动生产线上。

三、小型机械手的主要研究步骤

首先，应该对国内外的机械手发展进行调查研究，有个大致的了解，整理出一个大致的框架，有一定的设计思路。然后借鉴于其他机械手的比较从而确定传动类型和驱动模式，驱动部分采用步进电机用电路板来控制。通过手爪的材料对比确定能做到抓取大多数小型部件的变形手爪，在完成材料购买后，确定手爪的大小等参数，画出手爪的三维图纸，通过它的运动方式分析其可行性及抓取力度，最后经过调试完成作品。

机械手的抓取模式，抓取力度，和操作方法是机械手的关键技术所在。机械手抓取物体时，调整机械手掌心的位置，使被抓取物控制在机械手所抓取的范围之内，之后通过控制电路板上的按键来控制机械手的张紧，闭合，复位，停止操作。因为我们所研究的是柔性机械手，柔性够大可能会造成刚性不足，所以机械手的抓取速度并没有气动的那么快，一个抓紧闭合的操作过程大概在7至8s。这样的运动速度，也符合人类手掌的速度，能够满足仿生机械手的要求。用机械手抓取物体，首先靠近并接触物体，然后抓紧物体，最后再抓起物体。机械手控制方案设计包括控制系统硬件结构和单片机程序控制两个方面。

在国内外机械产业中，工业机械手应用得比较广泛，发展也比较迅速。目前主要用于各种机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业中，它可以根据人编制好的程序去完成一些相对应的操作，但是这个机械手还是不够智能化，不能根据环境进行智能的控制，不能自动的进行传感，所以应付外界的变化还是比较困难。如果机械手编制的程序一旦出现点小错误，位置发生了偏离后，不及时的停止操作可能就会使零件的不准确或机械手遭受破坏。因此，研发智能型的机械手是十分必要的，使其具备一定的传感能力，能够通过传感感受到外界条件的变化，随之做出一定的措施。如位置发生不明显的偏移时，即能够及时更正错误，并进行自检，重点是研究视觉和触觉功能。

【参考文献】

[1]郭洪武.浅谈现代工业机械手的应用与发展趋势[J].中国西部科技，2012（10）.

[2]吴明清.自动上下料机械手手爪的三维设计[J].现代制造技术与装备，2012（3）.

[3]刘涛.基于S7-200 PLC的三维机械手控制设计[J].科技广场，2011（9）.

[4]侯博.芯片搬运机械手设计[J].机械设计与制造，2011（10）.