摘要：随着现代工业技术的发展，工业自动化技术越来越高，生产工况也有趋于恶劣的态势，这对一线工人的操作技能也提出了更高的要求，同时操作工人的工作安全也受到了相应的威胁。工人工作环境和工作内容也要求理想化简单化，对于一些往复的工作由机械手远程控制或自动完成显得非常重要。这样可以避免一些人不能接触的物质对人体造成伤害，如冶金、化工、医药、航空航天等。

关键词：机械手臂;机械工程;技术领域

引言

在机械制造业中，机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料以及焊接、喷漆等作业，它可以按照事先制定的作业程序完成规定的操作，有些还具备有传感反馈能力，能应付外界的变化。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。数控机床在生产线作业中具有重要的作用，对于提高生产效率具有重要影响。机械手作为数控机床的重要组成部分，在操作过程中受到各种外界因素影响，基于结构性的设计优化，可以有效提高机械手的结构稳定性，提高其应用价值，并可以保障数控机床操作的安全性，为数控机床自动、高效运行奠定良好的基础。

一、相关理论概述

（一）机械手的定义与分类

机械手是一种能够在各种条件下工作的设备，它的工作主要是模仿人手的操作，并且可以通过改变控制程序实现不同的操作的多功能机器[3]。

机械手因其对工业生产具有积极作用而被人们所认识。因它能代替人们在一些条件恶劣的场合，在保证生产质量的同时完成生产工序，大大的提高了工业生产率，受到了各国的强烈重视。尤其在一些带有放射性和强污染性的场合，投入研究的财力和物力更加之多。

机械手大致可分为三类。第一类独立机械手，第二类人工操作机械手，第三类专用机械手。独立机械手又可称为通用机械手，独立机械手顾名思义就是独立的不需要人工操作的机械手，而且它不附属于主机，在拥有一般机械手传统功能的同时还拥有记忆智能功能。人工操作机械手简称操作机，它由原子和军事工业发展而来，后来发展到通信行业，在星球的探测中用通信设备控制机械手对星球进行探测。专业机械手是专门用来工厂机床的下料和传送的机械手，它一般附属于自动生产的生产线上或生产机床上，除少数工序外，它的操作工序都是由主机驱动且固定地为主机服务。

1.直角坐标型机械手

这种形式的机械手他的精度和方位不跟着工作空间的变动而改变，很轻松的就可以获得高的精度。 然而，这种类型的机械手操作空间很小，手臂收回的同时又朝相对的反方向伸出，因此会阻碍工作的正常操作，并且这种机械手占地空间要求大，会很占地方。

2.圆柱坐标型机械手

该类型机械手能够绕着中心轴转一定角度，其工作空间也可以变大，相关计算方法较简洁;直线移动的部位运用气压传动，这 样可以做到输出功率更大化，能够顺延到机体。 不过，它的手部能够到达的空间局限性很大，不可以到达靠近柱子或接近大地区域;平行移动的传动部分的密封、防油等工作比较困难;小臂在进 行作业时，小臂后端可能接触工作空间中的其他物件。

3.球坐标（极坐标）型机械手

该类型的机械手用三个包括移动和旋转的活动关节来确定目标的地方， 通常需要加上一个旋转的关节以此来确定目标的位姿。 该类型机械手可以围绕一个主轴进行转动，中心主轴区域的作业空间很大。 但是该机械手比较复杂，操控起来很不方便， 而且直线运动的传动依然有密封及作业死角的难题。

4.多关节型机械手

该类型机械手臂是一种比较适合接近目标操作的传动方式。 它像人的手臂一样有多个活动关节，可以达到几个自由度共同作业的目的，行动起来十分的灵便。 该种形式机械手有大臂和小臂的运动，以及肘部位和肩部位等各个关节的活动[3]。 可以做数个方向的转动，作业空间很大，行动灵便，通用性很好，但是定位的精度不太好，调控装备十分繁琐。 该种形式机械手拥有上肢的部分结构，有类似于人工操作的性能。

（二）机械手的应用及相关组成

目前，机械手应用已经触达各个领域。在热加工方面，对人们不能胜任的高温锻造工业中，机械手可以实现自动化完成下料和铸造，大大的减轻了操作负担，提高了生产质量好生产效率;在冷加工方面，对生产过程中的零配件进行下料和安装，代替人的手工操作，已经成为生产线上的重要设备;甚至在拆、装、修方面也有应用，例如在劳动强度高的铁路部门，利用机械手拆装铁路的阀门，清除路况等，大大的降低了工人的劳动强度。

机械手主要由：用于执行动作的执行机构和用于驱动各动作运动的驱动机构，以及用于控制机械手运动的控制系统构成。

执行机构又由用来支撑整个机械手的躯干和手臂、手爪组成。手臂是用来引导机械手抓取物体的部件，在手爪抓取物体后并承担运输的任务，将抓取的物体运送到该工件需要加工的位置，手臂还应具有多个自由度，能够自由的旋转，以完成机械手工作过程的精准。手爪是用来模仿人类手指的功能，能够对物体进行抓取，手爪的手指数量可以根据工作的需求设计出不同的手指数。

驱动机构是用来驱动机械手各部件运动的机构。目前应用最多的驱动技术主要是电气驱动和气压驱动，当然在一些自动化工业生产还有一些其他驱动技术，如液压驱动和机械驱动等。

控制系统时用来控制机械手加工的顺序，加工的快慢和在加工过程中加入适当的延时，保证系统平稳运行的装置。在机械手中一般采用PLC作为它的控制系统，PLC控制系统它的可靠性比较高，使用方便，编程也相对简单，完全能够满足以点动和连动为主的机械手控制。在控制过程中，首先需要弄清机械手所要完成的操作步骤，然后根据操作步骤设计合理的控制程序，用来控制机械手的运行。在一些复杂的生产工艺中，有的还采用计算机控制系统等机械手进行控制。机械手臂主要有四个大部件：

1）爪部，通过传动机构的动作来引导手抓执行末端的张合。

2）腕部，腕部的作用是连接手抓和机械臂的传动部分，腕部的动作主要是为了改变夹持目标的位置，该部位活动灵便，转动惯性很小。

3）臂部，机械臂是机械手重要的组成部分之一，机械臂主要

起到支撑和传动运动的作用，是极其重要的部分之一。

4）机身，机身是具有支承的作用，也是用来传动手臂动作的

部件。

二、国内机械手臂发展概况

在我国飞速发展的现代化经济中，工业生产力的高低是衡量发展快慢的重要因素。在不断发展的工业经济中，操作工人的生产环境愈加恶劣，这使得在要求提高工人操作技能的同时，也使他们的工作安全也受到了不同程度的威胁。随着一系列现代化设备的推进，大大的减轻了操作工人的劳动强度，对于以前那些操作困难、操作危险的工业操作，都是通过操作工人远程控制自动化设备自动完成生产的。这不但可以避免一些有害物质对操作工人的伤害，还可以提高工厂的生产效率。

在各国的工业制造中，机械手技术是应用最为广泛的一种技术。它能够按照人们的事先要求完成相应的操作，有的机械手还带反馈能力，能够根据生产条件的变化自动的调整生产操作，使生产的质量和稳定性得到提高。目前在一些生产的机床和焊接的行业中，得到大量的应用。机械手的使用不但缩减了工业的生产成本，还提高了工业的生产效率和生产质量，促进了社会的现代化发展。

机械手技术是一门涉及多领域的跨学科综合性技术。近年来，机械手的发展越加的迅速，电子技术、计算机技术、传感器技术以及一些最新的技术也在机械手中有了应用[2]。机械手技术的使用，已经是我国的工业发展的重要组成部分。

同时，机械手可以能够借助软件的编程，对不同的生产对象，完成不同的控制，提高了生产的效率。目前，在一些对人力要求较高的工业中，基本上都有使用机械手技术，用来减轻人力的需求和更好的控制，实现产业的最大化。

机械手有着40多年的发展历史，是一种类似于机器人的生产设备。它能够完成事先编辑好的操作程序，在各种工业条件都能有条不紊的作业。它有着人的智能性和机器的适应性，在现代化经济发展中有着广阔的前景。在国内对两条机械臂机器人的科研大概只有 5～6 年的时间，尚处与模仿和学习阶段。 也可以这样说，我国对于两条机械臂机器人的研究才刚开始接触。 由于受到相关资料和科研要求的限制，当前国内对两条机械臂机器人的科研大多就相关行动路线规划、动力学及调控这些内容。

根据相关统计， 几年前我国双机械臂机器人行业生产情况并不乐观，2014 年仅仅只有 8 台，2015 年订单变为 50 台， 之后便是以翻倍的速度上涨，2016 年为 122 台，2017 年更是达到了220 台。

虽然我国有着广大市场，但是综合分析，由于我国在双机械臂机器人领域或者说在工业机器人行业的基础技术，行业资源， 核心技术都比较欠缺，应用不是很广泛。

三、机械手臂结构设计分析

机械手设计作为上下料开工过程中关键技术环节之一，与数控机床的运转效率及运行质量均密切相关，因此设计数控机床上下料机械手过程中，应当对机械结构的运行特点充分掌握，设计好上下料机械手机械结构的设计流程，在机床运行中可以保证每一个机械结构的紧凑性、合适性。上下料机械手结构设计作为实现数控机床模块化、智能化、科学化运行的重要前提，可以综合分析相关数据，并且机械手作为现代化操作方式之一，通过PC机终端控制机械操作运维的具体方向，能够对数控机床的整体效率、水平有效提升。不仅如此机械手还拥有功能集成性，通过加强系统性能管控达到最优化。

（一）下料手爪结构设计

下料手爪结构，主要是用以工件装卸，根据适配的机床参数以及工作方式的不同，下料手爪结构发挥的作用也有所不同。有搬运、加工、测算三种功能，机械手爪结构其设计原则就是为了满足工作要求，要求整体结构尽可能地选用少连接部件，要求具有良好的适用性、通用性，可以适配多种机床环境。同时还要考虑机械手在运行过程中出现故障时，便于工作人员更换故障工件以及维修，设计上要考虑与智能计算机控制系统的兼容性。基于以上要求，机械手采用杠杆式的连接结构，以活塞推压实现各结构联动，采取这样的设计让机械手爪可以做出夹紧、放松的动作。

（二）下料手腕结构设计

对于手臂和手爪来说，下料手腕结构是实现两者连接的重要部分，也是机械手特定动作的最末端，应对手臂进行合理配合、对手抓进行有效控制，使特定工作得以最终完成。手腕是连接的部件，不但要求其符合工作的具体要求，还要遵循结构紧凑、体积领条等设计基本原则。手腕活动自由度一般由实际机械手工作内容来决定。通常来讲，自由度数能够决定机械手手腕运动型和灵活性，若提高自由度数，那么便能提高手腕灵活性，可以选取的搬运行为变的更多，不过提高自由度会让腕部结构变得复杂化，制造成本、设计成本将大大增加。要想让机械臂在工作过程中传递不同力以及传递的连贯性得到保证，应让结构连接有一定的刚度和强度。要想增加运动时的精度，需要最大限度地将手腕不同关节连接复杂度降低，对构件所具有的刚度特性进行有效利用，设置结构运动的纤维，使机械手由于运动超限给工作人员带来的人身伤害与机械手给自身带来的损坏情况得到预防。经过分析、考察多种具体机床设计的机械手结构，使下料手腕结构工作的安全性和精确度得到保证，应按照结构紧凑、结构简单的设计基本原则，以作用要求得到满足为前提，对三个自由度进行设计，从而让下料手能够对不同工作的复杂需要进行满足[2]。

（三）机械传动结构设计

机械手传动结构设计，要关注机械手运行过程的精度和响应速度这两个因素，是机械手结构设计的难点之一。由于其有精度和速度的要求，因此机械手的体积不宜过大，要保持较低的重量，通过这样的设置保证较高的响应速度。但是为了操作的精确度，还要在有限的结构空间、重量方面，保证各零部件安装空间得到有效利用，以此满足高精度的操作要求。因此在设计上，要尽可能减少反向空回运动，以此提高运动、操作的精度。采用链传动的配合方式，对各连接结构进行优化，采用这样的设置可提高机械传动系统的使用寿命。

（四）机械手平衡结构设计

在结构设计过程中还要充分考虑到数控机床开门尺寸是否满足机械手的进出，内部空间是否满足机械手腕部的旋转等。在实际应用过程中往往不能一次装夹完成加工，还需要参考加工工艺考虑是否需要增加翻转机构来进行工件的翻面。在设计数控机床机械手结构中，技术人员还应当结合实际需求，强化设计流程完整性。在关节式的下料手中，其平衡机构通常发挥着加快不同控制命令反应速度、减小驱动器负载等重要作用。在具体的生产过程中，应对弹簧式的平衡机构进行使用，该机构的优点主要有维修方便、拆卸轻松、成本低廉、结构简单、平衡性好等。设计机械手最为重要的就是优化机械手平衡机构、连接机构、传动机构、主要构件等不同机构的设计，并对这些机构的配合方式、布局形式进行合理调整，实现系统运动的整体平衡，获得更好的平衡性，与此同时，弹簧式的平衡机构可以有效优化该平衡问题，使机械手的平衡要求得到满足。

结语

机械手作为机械结构的重要组成部分，其在数控机床中发挥着巨大的作用，是数控机床的重要组成部分。基于对数控机床机械结构设计分析，其对于机械手控制精度具有重大影响，是提高整体协调性的重要组成部分。本文基于数控机床机械手的机械结构分析，阐述了各结构的主要功能，并对各结构进行了全面论述，旨在为相关设计人员提供经验借鉴，保障数控机床机械手机械结构的稳定性。机械手借鉴了人的手臂，通过结构的固定、编程，使其可以实现抓取、摆动，在工业化生产制造过程中被广泛应用。机械手基于结构的衔接而运行，并基于系统的控制而实现具体作业，最早的机械手结构设计能够支撑一定强度的劳动，可以代替人工在生产线作业中的地位。基于自动化技术的发展，将系统与自动化系统进行有效结合，其结构精度、结构稳定性均得到了有效的提高，可实现对机械手结构的科学控制。

参考文献

[1]陈峰，丁富强，赵锡芳.双臂机器人无碰撞运动规划[J].机器人，2002（2）：112-114+121.

[2]王美玲.面向救援任务的双臂机器人协作运动规划与控制方法研究[D].合肥：中国科学技术大学，2015.

[3]吴伟国，李海伟.仿猿双臂手机器人连续摆荡移动优化与实验[J].哈尔滨工业大学学报，2019，51（7）：33-41.

[4]钟琮玮.仿人型乒乓球机械手运动学及动力学控制方法研究[D].杭州：浙江大学，2011：1-5.