淺談小型機械手的現狀及研究

孔盛杰 賴鑫盧 龐豪杰

【摘 要】隨著21世紀機械自動化社會的發展，機器人慢慢地進入了人們的生活來代替人們完成一部分不是很復雜而又重復的工作，我們的社會正在逐漸向“機器代人” [1]的時代靠攏。因為機器人在日常生活中能否得到廣泛應用這個話題受到了越來越多的人的關注，更有很多科學家企業家將目標聚焦到這里一點，但事實上機器人，尤其是工業方向的機器人，不僅整體規模龐大，而且制作并不方便，無法充分滿足當代人的需求，故機器人的發明和制造逐漸成為了當今的熱點話題。機械手是有機械或電子元件控制的一種具有抓取和移動物體功能的裝置，它是一種新型的裝置，并且已經在很多領域得到了廣泛的應用。

【關鍵詞】機械手；小型；機器代人

國外對機械手的研究相對國內比較早，機械手是從美國引出的，1958年，美國與一家公司合作一起研發出第一臺機械手，于是，美國著重在靈活度方面對機械手進行改進，取得了一定的成就。反觀我國的技術水平和程序的開發和國外的發展相比較而言還存在一定的距離，而機械手的研究創新會直接影響到我國自動化生產水平的提高，也會影響現代智能制造的發展水平，這點的必要性在經濟發展和技術成就方面都體現得淋漓盡致。

通過查閱資料，我發現大部分的機械手都存在著一個通病：成本高，結構復雜，控制起來麻煩，大多數都是專用的。因此，以操作簡單，成本低為準則，研究出一款通用性高的、柔軟的、手爪能因物體的大小而變形的機械手是有必要的，此類機械手適用于工作在小型零部件的自動化生產線上[2]。優化機械手的制造過程，可以降低勞動力的成本，減少人力，提高效率，從而獲得更高的效益。再者說機械手是一種跟人手相似的，可以代替人手的一種物體，而且能夠通過提前設定好的程序進行夾起物體、傳遞物體的自動機器[3]。機械手能夠代替著人們來做一些反反復復的、低難度的工作，可以讓人們從工業革命時代的那種流水線般的工作流程中解脫出來，這種動作單一的工作很容易讓人感覺到疲憊，疲憊了就會使出錯率變高，但通過程序控制的機械手就可以代替人們來執行這種工作，既不容易出錯又能高效率的完成所規定的任務，它的主要優點就在于在工作環境中能夠一直做著同樣的動作而且不會出現錯誤，這個優點能開拓它的應用領域和工作要求的精確度，就比如說一些環境很惡劣的、會有危險性存在的情況下就完全可以使用機械手來代替人手進行工作。

一、小型機械手的研究價值

就我國機械手的現狀而言，我國對于機械手的研究是比較晚的，落后與歐美國家有30年，我國第一臺機械手是1972年在上海研究成功的，在此以后全國各地就開始卷入研發機械手的熱潮。其實機械手就中國而言是很重要卻又不重要的，中國的人口在世界上是最多的，由于人口多的原因有時會機械手做的事大多都是由人來完成，完成那些簡單而又重復的工作，但是中國若想稱為世界強國就必須要用最少的資源去完成更多的事情，各個企業應盡可能的采用先進的技術來高效的生產產品，從而提高核心競爭力，這時候機械手就顯得十分必要了，機械手可以幫助企業把這些人力資源從生產中解放出來[4]，而且人的工作效率，準確程度等肯定是比不上機器的，機器可以提高效率和保證準確率，從長期考慮的話，機械手的生產投入肯定是比人工生產更為經濟，雖然這樣可能會引起一波失業潮，但是創造就業的機會也會因此而增加，并且對社會產生的利益也是巨大的，我相信在不久的將來，機械手會廣泛的投入到企業中應用。機械手主要有以下幾點明顯的優勢：1.可以使加工環境得到改善2.可以提高在生產線上的自動化程度3.可以解放人力，使生產線更加流暢。

二、小型機械手的主要研究內容

生產過程中的自動化和機械化已成為現代工業的主題。在機械生產中，加工、裝配等生產是一步一步完成的。專用機床是用來大批量生產的，這樣能提高生產效率，數控機床、加工中心等機床是用來各式各樣的小批量生產的。但是車間中的切削加工僅僅只是一部分，但是大量的裝卸、搬運、裝配還是不夠自動化，還是需要很多人力來進行工作，有待于進一步實現自動化。查詢有關資料得，在美國生產的各種零件中，大約有七成的是小批量生產；金屬加工生產批量中有四分之三在50件以下，零件在機床上真正的加工的時間僅僅只有零件生產時間的5%左右。這個數據表明，裝卸、搬運這些工序真的需要朝著機械自動化的方向發展，小型機械手就是為實現這些工序的自動化所研究的。小型機械手可以簡單的在空間中抓取物體，動作簡單好操控，機械手爪又可以因為物體不同的大小尺寸而發生變形，從而提高預緊力，適用于很多品種的中、小批量自動化生產，可以應用于自動生產線上。

三、小型機械手的主要研究步驟

首先，應該對國內外的機械手發展進行調查研究，有個大致的了解，整理出一個大致的框架，有一定的設計思路。然后借鑒于其他機械手的比較從而確定傳動類型和驅動模式，驅動部分采用步進電機用電路板來控制。通過手爪的材料對比確定能做到抓取大多數小型部件的變形手爪，在完成材料購買后，確定手爪的大小等參數，畫出手爪的三維圖紙，通過它的運動方式分析其可行性及抓取力度，最后經過調試完成作品。

機械手的抓取模式，抓取力度，和操作方法是機械手的關鍵技術所在。機械手抓取物體時，調整機械手掌心的位置，使被抓取物控制在機械手所抓取的范圍之內，之后通過控制電路板上的按鍵來控制機械手的張緊，閉合，復位，停止操作。因為我們所研究的是柔性機械手，柔性夠大可能會造成剛性不足，所以機械手的抓取速度并沒有氣動的那么快，一個抓緊閉合的操作過程大概在7至8s。這樣的運動速度，也符合人類手掌的速度，能夠滿足仿生機械手的要求。用機械手抓取物體，首先靠近并接觸物體，然后抓緊物體，最后再抓起物體。機械手控制方案設計包括控制系統硬件結構和單片機程序控制兩個方面。

在國內外機械產業中，工業機械手應用得比較廣泛，發展也比較迅速。目前主要用于各種機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業中，它可以根據人編制好的程序去完成一些相對應的操作，但是這個機械手還是不夠智能化，不能根據環境進行智能的控制，不能自動的進行傳感，所以應付外界的變化還是比較困難。如果機械手編制的程序一旦出現點小錯誤，位置發生了偏離后，不及時的停止操作可能就會使零件的不準確或機械手遭受破壞。因此，研發智能型的機械手是十分必要的，使其具備一定的傳感能力，能夠通過傳感感受到外界條件的變化，隨之做出一定的措施。如位置發生不明顯的偏移時，即能夠及時更正錯誤，并進行自檢，重點是研究視覺和觸覺功能。

【參考文獻】

[1]郭洪武.淺談現代工業機械手的應用與發展趨勢[J].中國西部科技，2012（10）.

[2]吳明清.自動上下料機械手手爪的三維設計[J].現代制造技術與裝備，2012（3）.

[3]劉濤.基于S7-200 PLC的三維機械手控制設計[J].科技廣場，2011（9）.

[4]侯博.芯片搬運機械手設計[J].機械設計與制造，2011（10）.