機(jī)械手臂

手臂一般有3個(gè)運(yùn)動(dòng):伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降。實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、升降運(yùn)動(dòng)是由橫臂和產(chǎn)柱去完成。手臂的基本作用是將手爪移動(dòng)到所需位置和承受爪抓取工件的最大重量，以及手臂本身的重量等。

手臂由以下幾部分組成:

(1)運(yùn)動(dòng)元件。如油缸、氣缸、齒條、凸輪等是驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件。

(2)導(dǎo)向裝置。是保證手臂的正確方向及承受由于工件的重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)的力矩。

(3)手臂。起著連接和承受外力的作用。手臂上的零部件，如油缸、導(dǎo)向桿、控制件等都安裝在手臂上。

此外，根據(jù)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)和工作的要求，如管路、冷卻裝置、行程定位裝置和自動(dòng)檢測(cè)裝置等，一般也都裝在手臂上。所以手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、承載能力和動(dòng)作精度都直接影響機(jī)械手的工作性能。

1、手臂應(yīng)承載能力大、剛性好、自重輕

手臂的剛性直接影響到手臂抓取工件時(shí)動(dòng)作的平穩(wěn)性、運(yùn)動(dòng)的速度和定位精度。如剛性差則會(huì)引起手臂在垂直平面內(nèi)的彎曲變形和水平面內(nèi)側(cè)向扭轉(zhuǎn)變形，手臂就要產(chǎn)生振動(dòng)，或動(dòng)作時(shí)工件卡死無(wú)法工作。為此，手臂一般都采用剛性較好的導(dǎo)向桿來(lái)加大手臂的剛度，各支承、連接件的剛性也要有一定的要求，以保證能承受所需要的驅(qū)動(dòng)力。

2、手臂的運(yùn)動(dòng)速度要適當(dāng)，慣性要小

機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度一般是根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍要求來(lái)決定的，但不宜盲目追求高速度。

手臂由靜止?fàn)顟B(tài)達(dá)到正常的運(yùn)動(dòng)速度為啟動(dòng)，由常速減到停止不動(dòng)為制動(dòng)，速度的變化過(guò)程為速度特性曲線(xiàn)。

手臂自重輕，其啟動(dòng)和停止的平穩(wěn)性就好。

3、手臂動(dòng)作要靈活

手臂的結(jié)構(gòu)要緊湊小巧，才能做手臂運(yùn)動(dòng)輕快、靈活。在運(yùn)動(dòng)臂上加裝滾動(dòng)軸承或采用滾珠導(dǎo)軌也能使手臂運(yùn)動(dòng)輕快、平穩(wěn)。此外，對(duì)了懸臂式的機(jī)械手，還要考慮零件在手臂上布置，就是要計(jì)算手臂移動(dòng)零件時(shí)的重量對(duì)回轉(zhuǎn)、升降、支撐中心的偏重力矩。偏重力矩對(duì)手臂運(yùn)動(dòng)很不利，偏重力矩過(guò)大，會(huì)引起手臂的振動(dòng)，在升降時(shí)還會(huì)發(fā)生一種沉頭現(xiàn)象，還會(huì)影響運(yùn)動(dòng)的靈活性，嚴(yán)重時(shí)手臂與立柱會(huì)卡死。所以在設(shè)計(jì)手臂時(shí)要盡量使手臂重心通過(guò)回轉(zhuǎn)中心，或離回轉(zhuǎn)中心要盡量接近，以減少偏力矩。對(duì)于雙臂同時(shí)操作的機(jī)械手，則應(yīng)使兩臂的布置盡量對(duì)稱(chēng)于中心，以達(dá)到平衡。

4、位置精度高

機(jī)械手要獲得較高的位置精度，除采用先進(jìn)的控制方法外，在結(jié)構(gòu)上還注意以下幾個(gè)問(wèn)題:

(1)機(jī)械手的剛度、偏重力矩、慣性力及緩沖效果都直接影響手臂的位置精度。

(2)加設(shè)定位裝置和行程檢測(cè)機(jī)構(gòu)。

(3)合理選擇機(jī)械手的坐標(biāo)形式。直角坐標(biāo)式機(jī)械手的位置精度較高，其結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)都比較簡(jiǎn)單、誤差也小。而回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的誤差是放大時(shí)的尺寸誤差，當(dāng)轉(zhuǎn)角位置一定時(shí)，手臂伸出越長(zhǎng)，其誤差越大;關(guān)節(jié)式機(jī)械手因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手端的定位由各部關(guān)節(jié)相互轉(zhuǎn)角來(lái)確定，其誤差是積累誤差，因而精度較差，其位置精度也更難保證。

5、通用性強(qiáng)，能適應(yīng)多種作業(yè);工藝性好，便于維修調(diào)整

以上這幾項(xiàng)要求，有時(shí)往往相互矛盾，剛性好、載重大，結(jié)構(gòu)往往粗大、導(dǎo)向桿也多，增加手臂自重;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加，沖擊力就大，位置精度就低。因此，在設(shè)計(jì)手臂時(shí)，須根據(jù)機(jī)械手抓取重量、自由度數(shù)、工作范圍、運(yùn)動(dòng)速度及機(jī)械手的整體布局和工作條件等各種因素綜合考慮，以達(dá)到動(dòng)作準(zhǔn)確、可靠、靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、剛度大、自重小，從而保證一定的位置精度和適應(yīng)快速動(dòng)作。此外，對(duì)于熱加工的機(jī)械手，還要考慮熱輻射，手臂要較長(zhǎng)，以遠(yuǎn)離熱源，并須裝有冷卻裝置。對(duì)于粉塵作業(yè)的機(jī)械手還要添裝防塵設(shè)施。

機(jī)械手臂根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同分為多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂，直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂，球坐標(biāo)系機(jī)械手臂，極坐標(biāo)機(jī)械手臂，柱坐標(biāo)機(jī)械手臂等。右圖為常見(jiàn)的六自由度機(jī)械手臂。他有X移動(dòng)，Y移動(dòng)，Z移動(dòng)，X轉(zhuǎn)動(dòng)，Y轉(zhuǎn)動(dòng)，Z轉(zhuǎn)動(dòng)六個(gè)自由度組成。

水平多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂一般有三個(gè)主自由度，Z1轉(zhuǎn)動(dòng)，Z2轉(zhuǎn)動(dòng)，Z移動(dòng)。通過(guò)在執(zhí)行終端加裝X轉(zhuǎn)動(dòng)，Y轉(zhuǎn)動(dòng)可以到達(dá)空間內(nèi)的任何坐標(biāo)點(diǎn)。

直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂有三個(gè)主自由度。X移動(dòng)，Y移動(dòng)，Z移動(dòng)組成，通過(guò)在執(zhí)行終端加裝X轉(zhuǎn)動(dòng)，Y轉(zhuǎn)動(dòng)，Z轉(zhuǎn)動(dòng)可以到達(dá)空間內(nèi)的任何坐標(biāo)點(diǎn)。

右圖即為常見(jiàn)的構(gòu)造形式之一，對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，有時(shí)并不需要機(jī)械手臂具有完整的六個(gè)自由度，而只需其中的一個(gè)或幾個(gè)自由度。直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂可以由單軸機(jī)械手臂組合而成。單軸機(jī)械手臂作為一個(gè)組件在工業(yè)中應(yīng)用廣泛。下圖為單軸機(jī)械手臂。單軸機(jī)械手臂的組件化大大降低了工業(yè)設(shè)計(jì)的成本，因?qū)I(yè)制造商擁有良好的質(zhì)量保證和批量生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，使用組件比自行設(shè)計(jì)機(jī)械手臂更具優(yōu)勢(shì)。常見(jiàn)的直交機(jī)械手組合有懸臂式，龍門(mén)式，直立式，橫立式等樣式。

對(duì)于半導(dǎo)體制造應(yīng)用來(lái)說(shuō)，常用的機(jī)械手臂是用來(lái)搬送晶片，比如下圖雙臂型的機(jī)械手

該機(jī)械臂由用戶(hù)的頭腦完全控制，靈巧到足以拿起一個(gè)玻璃杯，在沒(méi)有其他人幫助的情況下喝掉一杯飲料。這個(gè)機(jī)械臂的創(chuàng)造者一個(gè)研究小組，成員來(lái)自于加州理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)，其中，神經(jīng)芯片被植入Sorto的大腦后頂葉皮層(PPC)。

該機(jī)器臂控制芯片植入位置與之前其他癱瘓用戶(hù)控制機(jī)械臂的植入位置不同，通常情況下，這種控制芯片植入位置是控制肌肉的大腦區(qū)域，而PPC是控制我們行動(dòng)意圖的區(qū)域，移動(dòng)，并讓Erik Sorto控制的機(jī)械臂更加流暢和自然地運(yùn)動(dòng)。Erik Sorto要做的就是思考他打算做什么，并通過(guò)大量的練習(xí)，能夠使機(jī)械臂進(jìn)行他正在考慮的任務(wù)。

科學(xué)家已經(jīng)研制出了橡膠機(jī)器手臂，可以抓起螞蟻而不是捏死。目前這種機(jī)械手臂還處于研發(fā)階段，科學(xué)家把電線(xiàn)浸入液體硅橡膠中，待凝固后抽出電線(xiàn)，得到一個(gè)長(zhǎng)5-8mm，頭發(fā)絲細(xì)的觸手。觸手內(nèi)部分為許多小格子，通過(guò)壓縮空氣流動(dòng)來(lái)做出各種動(dòng)作，可以毫無(wú)傷害的握起螞蟻的腰部。

科學(xué)家認(rèn)為這種觸手將來(lái)會(huì)大有用武之地，當(dāng)然不是抓螞蟻玩兒，而是進(jìn)行諸如精密的心臟及胚胎血管手術(shù)。