1 前言

　　机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用于按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件(或工具)的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动(摆动)、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手韵灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有2—3个自由度。本文设计的是一个五自由度工件搬运气动机械手。

　　2 气动机械手的结构

　　该气动机械手具有五自由度(手指运动不计人自由度数)，结构示意图见图1。臂部有3个自由度，即手臂的水平回转1、俯仰2和伸缩3;腕部有2个自由度，即手腕的上下摆动4和回转5。除上述5个动作外，在机器人的基本动作中还有手爪的夹紧动作6。

　　图1气动机械手结构示意图

　　它的动作循环为：底座顺时针旋转(90°)二俯仰气缸上升-手臂伸出-手腕俯下-手腕回转-手指张开-手指夹紧-底座逆时针旋转-手指张开-手腕仰起-手腕回转-手臂缩回-俯仰缸下降的预定的程序和轨迹等要求实现自动抓取、搬运及操作。机械手主要由驱动系统、控制系统、检测装置和机械执行机构组成。

　　3 气动机械手的气动系统原理

　　气动机械手的气动系统图如图2所示。双电控换向阀可以保证电气系统发生故障时，机械手的动作不变。气缸D靠自重下落，上升和下降分别为进气节流调速和排气节流调速。电磁阀14与FD的线圈互锁，用来防止气路突然失压时，升降气缸D的立即下落。三位五通阀FE可以使手臂回转实现多点定位。减压阀13可以精确调整手指的夹持力，防止夹持时工件或手指受损。两个快速排气阀11、12，既可加快气缸C起动速度，又可全程调速。各气缸的到位信号由磁性开关产生，PC控制器检测到信号后控制电磁阀做出下一步动作。

　　图2气动机械手气动系统图

　　4 气动机械手PLC控制

　　应用PLC控制机械手实现各种规定的预定动作，可以简化控制线路，节省成本，提高劳动生产率，该设计中全部采用双电控电磁阀作为驱动气缸的主控阀。输入信号端：12个行程开关发出的信号，另外根据系统控制的要求，需要START，POSITION和RESET共3个按钮信号，1个STOP按钮信号，还需要1个用来控制机械手运行方式的AUTO/MAN旋动开关。输出信号端：用来驱动6个气缸的电磁阀需要12个输出信号，电磁阀14需要1个输出信号，3个用来显示工作状态的START，RESET，POSITION信号指示灯。利用PLC进行多气缸顺序动作控制的特点：

　　(1)整个控制系统包括PLC控制部分和气动控制部分;

　　(2)可用双电控电磁阀或单电控电磁阀或采用阀岛进行气路转换，结构紧凑;

　　(3)信号控制可用行程开关，也可根据需要用非接触式传感器接收信号;

　　(4)工作可靠性高，大大提高了生产率;

　　(5)运用PLC控制与计算机通信可实现远程控制，因而在生产中运用广泛。

　　5 结束语

　　本文介绍的五自由度气动机械手，工作可靠、定位准确、气动控制回路简单、电气控制容易实现、成本相对低，很适合用于工业中单调、频繁的搬运或抓取类工作。另外由于该机械手的气压系统可以进行速度调节、执行机构的灵敏度及线性度、故障模拟、机械手在负载下的重复精度等多项试验，因此可以用于教学实验，且具有良好的示教性。