机电一体化技术课程考核要求

以及人工智能学等多门尖端学科。工业机械手是机器人学的一个分支，它代表了机电一体化的最高成就。随着科学技术的不断发展，工业机械手已成为柔性制造系统、自动化工厂、计算机集成制造系统的自动化工具。广泛采用工业机械手，不仅可以提高产品的质量和数量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，促进我国制造业的崛起，有着十分重要的意义。

所谓工业机械手就是一种能按给定的程序或要求自动完成物件（如材料、工件、零件或工具等）传送或操作作业的机械装置，它能部分地代替人的手工劳动。较高级型式的机械手，还能模拟人的手臂动作，完成较复杂的作业。由于机械手科学的发展十分迅速，世界上对机械手还没有一个明晰，统一的定义。国际标准化组织（ISO）对机械手做了如下定义：机械手是一种可以反复编程和多功能的用来搬运材料、零件、工具的操作机或是为了执行不同任务而具有可改变和可编程的动作的专门系统（A reprogrammable and multifunctional manipulator, devised for the transports of masteries ,parts, tools or specialized Systems ,with varied and programmed movements ,with the aim of carrying out varied tasks）。

随着我国工业机械手技术的不断发展，很多专家也建议建立自己的机械手定义，我国国家标准GB/T12643-90也将工业机械手定义为“一种能自动定位控制，可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。它能搬运材料、零件或操持工具，用于完成各种任务作业”。

1.1.1工业机械手的组成

一个完整的工业机械手通常由执行机构、驱动——传动装置、控制系统和智能系四部分组成(如图1.1所示)：

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图 1.1工业机械手的组成

执行机构(也称操作机)是机械手赖以完成任务的实体，通常由杆件组成。驱动——传动装置包括驱动器和传动机构两个部分，他们通常与执行机构连成一体，驱动机构通常有电机(直流伺服电机、步进电机、交流伺服电机)、液动或气动装置；传动机构常用的有滚珠丝杠、谐波减速器、链、带以及各种齿轮轮系。

控制系统一般由计算机和伺服控制器组成，前者发出指令协调各关节驱动器之间的运动，同时要完成编程和其他环境状况(传感器信息)、工艺要求、外部相关设备(电焊机、喷枪)之间的信息传递和协调工作，后者控制各个关节驱动器，使各杆件按照一定的速度、加速度和位置要求进行运动。

智能系统是目前机械手系统中一个不够完善但发展很快的子系统，它分为两个部分:感知系统和分析——决策智能系统，前者主要是靠硬件(各类传感器)实

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现，后者主要靠软件(如专家系统)实现。

1.1.2机械手的分类

机械手从使用范围、运动坐标形式、驱动方式以及臂力大小四个方面的分类分别为：

1.按机械手的使用范围分类：

(1)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传送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料机械手”、“曲拐自动车床机械手”、“油泵凸轮轴自动线机械手”等等。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。

(2)通用机械手（也称工业机器人）：指具有可变程序和单独驱动的控制系统，不从属于某种机器，而且能自动完成传送物件或操作某些工具的机械装置。通用机械手按其定位和控制方式的不同，可分为简易型和伺服型两种。简易型只是点——位控制，故属于程序控制类型，伺服型可以是点——位控制，也可以是连续轨迹控制，一般属于数字控制类型。这种机械手由于手指可更换(或可调节)，程序可变，故适用于中、小批生产。但因其运动较多，结构较复杂，技术条件要求较高，故制造成本一般也较高。

2.按机械手臂部的运动坐标型式分类：

(1)直角坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴X、Y、Z三个方向移动，亦即臂部可以前后伸缩(定为沿X方向的移动)、左右移动(定为沿Y方向的移动)和上下升降(定为沿Z方向的移动)；

(2)圆柱坐标式机械手手臂可以沿直角坐标轴的X和Z方向移动，又可绕Z轴转动(定为绕Z轴转动)，亦即臂部可以前后伸缩、上下升降和左右转动；

(3)球坐标式机械手臂部可以沿直角坐标轴X方向移动，还可以绕Y轴和Z轴转动，亦即手臂可以前后伸缩(沿X方向移动)、上下摆动(定为绕Y轴摆动)和左右转动(仍定为绕Z轴转动)；

(4)多关节式机械手这种机械手的臂部可分为小臂和大臂。其小臂和大臂的连接(肘部)以及大臂和机体的连接(肩部)均为关节(铰链)式连接，亦即小臂对大臂可绕肘部上下摆动，大臂可绕肩部摆动多角，手臂还可以左右转动。

3.按机械手的驱动方式分类：

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(1)液压驱动机械手，即以压力油进行驱动； (2)气压驱动机械手，即以压缩空气进行驱动； (3)电力驱动机械手，即直接用电动机进行驱动；

(4)机械驱动机械手，即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。

4.按机械手的臂力大小分类： (1)微型机械手，其臂力小于 1 kg； (2)小型机械手，其臂力为 1~10 kg； (3)中型机械手，其臂力为 10~30 kg； (4)大型机械手，其臂力大于30 kg。

1.1.3工业机械手的应用状况

工业机械手最早应用在汽车制造工业，常用于焊接、喷漆、上下料和搬运。工业机械手延伸和扩大了人的手足和大脑功能，它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作;代替人完成繁重、单调重复劳动，提高劳动生产率，保证产品质量。机械手目前主要应用于制造业中，特别是电器制造、汽车制造、塑料加工、通用机械制造及金属加工等工业。工业机械手与数控加工中心，自动搬运小车与自动检测系统可组成柔性制造系统和计算机集成制造系统，实现生产自动化。随着生产的发展，功能和性能的不断改善和提高，机械的应用领域日益扩大。

我国工业机械手的研究与开发始于20世纪70年代。1972年我国第一台机械手开发于上海，随之全国各省都开始研制和应用机械手。从第七个五年计划(1986--- 1990)开始，我国政府将工业机器人的发展列入其中，并且为此项目投入的大量的资金，研究开发并且制造了一系列的工业机器人，有由北京机械自动化研究所设计制造的喷涂机器人，广州机床研究所和北京机床研究所合作设计制造的点焊机器人，大连机床研究所设计制造的氢弧焊机器人，沈阳工业大学设计制造的装卸载机器人等等。这些机器人的控制器，都是由中国科学院沈阳自动化研究所(SIA)和北京科技大学机器人研究所开发的，同时一系列的机器人关键部件也被开发出来，如机器人专用轴承，减震齿轮，直流伺服电机，编码器，DC——PWM等等。我国的工业机械手(或第一代机械手)发展主要是逐步扩大其应用

范围:在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，研制出示教式机械手、计算机控制机械手和组合式机械手等。可以将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业

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