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第13章 工业机械手
一、概述
工业机械手是能够模仿人手的部分动作，按给定程序、 轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。
1、机械手的组成：
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统及位 置检测装置等组成，各部分之间的相互关系如下图示。
.
（1）执行机构：包括手部、手腕、手臂和立柱等
部件，有的还增设行走机构。
（1）可以由手臂完成的动作尽量不设置手腕；
（2）手腕结构尽可能简化；
（3）手腕处的结构要求紧凑、重量轻，手 腕的驱动装置多采用分离式。
.
手部的夹持由通向手部的油管4进入的压力油驱动活塞完成
1、手腕的结构
手腕动作的运
动形式为一个回
（2）应保证工件能顺利进入或脱开手指； （3）应具有足够的强度和刚度，且自身重量轻；
（4）动作迅速、灵活、准确，通用机械手在更换手 部时方便。
.
手部可根据其用途和结构的不同，分为机械式夹持 器、吸附式末端执行器和专用工具三类。它被安装在操 作机手腕或手臂的机械接口上。
1、夹持式手部：
特点：夹持式手部在抓取工件的形状上有较大的
2、方位系数是从考虑手指处于不同位置处夹取工件 时，对夹紧力影响的系数。其值按表13.1选取。
.
（3）驱动力的计算
手指夹持工件所需的驱动力大小，在同一夹紧力的条 件下，随所采用的传动机构的不同而不同。但其计算方 法都是按照具体的传动机构进行力的分析，根据力系平 衡原理进行的。
回转型驱动力的计算：
1）连杆传动式：
机械手的手臂、手腕、手部及整机主体的运动如 下图示：
.
手臂运动：伸缩A、回转B、上下摆动C、升降运动D
手部运动：夹紧、松开
整机行走
手腕运动：回转F、上下摆动G、左. 右摆动H
（2）机械手 的分类：
按驱动方式可分类为液压、气动、 电力和机械驱动机械手。
按用途可分类为通用或专用机械 手。
按控制方式可分类为点位、连续轨 迹控制等机械手。
按运动坐标形式可分类为直角、 圆柱、球和关节坐标四种机械手。
.
圆柱坐标机械手：由立柱和一个安装在立柱上 的水平臂组成手臂可前后伸缩、上下升降和绕 立柱转动其结构占据空间位置小，活动范围大。
直角坐标机械手：由三个相互正交的平移 轴组成。手臂可前后伸缩、上下升降和左 右横移三个动作。结构简单,定位精度高。 .
1）真空负压吸盘
特点：结构简单、 重量轻、表面吸 附力分布均匀。
适用：多用于抓 取薄板及弧形壳 体工件等。
橡胶或软塑料制 成的碗状吸附盘
吸盘中形成的 真空吸附工件
.
2）电磁吸盘
采用电磁铁通 过磁场吸力作用吸 取工件。
特点：结构简单， 但只适合于磁性 材料工件，不能 在高温下应用。
.
三、手腕
手腕是连接手部和手臂的部件，其作用是 调整或改变手部的方位。机械手的手腕运动一 般设有回转运动和上下摆动，其结构相对复杂。 故，设计时应该注意如下事项：
驱动系统
手臂：支承手腕和手部
法兰盘：外接手 部的机械式接口
控制装置：控 制驱动系统
立柱：支承手臂
手腕：连接手部和手臂
.
（2）驱动系统：驱动执行机构运动的动力装置，
常用液压、气动、电力和机械式四种形式。
（3）控制系统：机械手动作的指挥系统，用来
控制动作的顺序、位置、时间、速度和加速度等。
（4）位置检测装置：控制执行机构的运动位置，
FPa
1
2
2b cos
.
移动型驱动力的计算：
1）齿轮齿条式
夹紧力为驱动力的一半，
即： FN 0.5FP
2）左右旋丝杆平移式
提供给丝杆的驱动力矩M 与手部夹紧力的关系为：
MFNd22tan
.
2、吸附式手部
吸附式手部依靠吸附力抓取物料，适用于抓取大平 面、易碎、微小等类型的物料。其手部的真空负压吸盘 或电磁吸盘是两种常见的吸附力来源。
球坐标机械手：由回转机座、俯仰铰链和伸缩臂组成 手臂可前后伸缩、上下和左右摆动。其结构能以简单 的机构得到较大的工作范围。
关节坐标型机械手：由大小两手臂和立柱等机构组成。
可实现三个方向的旋转运动。具有动作灵活、运动惯
性小、动作范围大等优点。
.
抓取重量（臂力）：指机械手所能 抓取或搬运物件的最大重量。是机 械手最基本的参数。
随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设 定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，使 执行机构以一定的精度达到设定的位置。
.
2、机械手的运动与分类
（1）机械手的运动：机械手以及其手部所夹持的
工件（或工具）在空间的位置，由臂部、腕部等组成 部件以及整机的各自独立运动的合成来确定。
机械手通常可实现的基本运动包括有：伸缩、回转、 摆动、升降夹紧和松开等。
（3）机械手 的主要参数
运动速度：是反映机械手生产水平， 影响机械手的运动周期和工作效率 的参数。
行程范围：对使用性能有较大的影 响。
定位精度：是衡量机械手工作质 量的重要指标。
.
二、手部
手部是机械手直接抓取和握紧物件或夹持专用 工具执行作业任务的部件。设计手部时，除满足抓 取要求外，还应满足以下几点要求： （1）手指握力的大小适宜；
设作用在活塞杆1上的驱动 力为Fp，手指3作用于工件上 的夹紧力为FN。
.
根据活塞杆受力的平衡条件可得驱动力为：
FP2F 1sin2FNb assii n ns( in )
.
2）滑槽杠杆式
拉杆上下运动
圆柱销在两杠杆 的滑槽中移动
杠杆绕铰链转动，带动 手指实现夹紧或松开
驱动力与夹紧力的关系为：
FN
适应性。
.
（1）结构组成
驱动装置（双作用活塞缸）
手指（或手爪）
传动机构（连杆机构、铰链连接）
பைடு நூலகம்
.
指端：手指上直接与被夹持工件接触的部位，其结构形 状取决于工件形状。
手部结构按模仿人 手手指的动作可分 为回转型、移动型 等。
.
夹持器多为双指手爪式。其手爪的运动方式除可分 为平移型和回转型外，其回转型手爪又可再分为单支点 和双支点；按夹持方式还可分为外夹式和内撑式；按驱 动方式可分为电动（电磁）、液压和气动式。
双支点回转型
单支点回转型
内撑式
平移型 .
（2）手指夹紧力的计算
机械手工作时，为保证手指能可靠的把工件夹牢所
必须的夹紧力计算公式为：
工件情况系数
夹紧力
FN≥K1K2K3G 被抓取工件的重量
安全系数，通常取1.2～2
注：
方位系数
1、工作情况系数主要考虑惯性力的影响，可按
K2=1.1~2.5 或 K2=1+a/g 估算。
一、概述
工业机械手是能够模仿人手的部分动作，按给定程序、 轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。
1、机械手的组成：
机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统及位 置检测装置等组成，各部分之间的相互关系如下图示。
.
（1）执行机构：包括手部、手腕、手臂和立柱等
部件，有的还增设行走机构。
（1）可以由手臂完成的动作尽量不设置手腕；
（2）手腕结构尽可能简化；
（3）手腕处的结构要求紧凑、重量轻，手 腕的驱动装置多采用分离式。
.
手部的夹持由通向手部的油管4进入的压力油驱动活塞完成
1、手腕的结构
手腕动作的运
动形式为一个回
（2）应保证工件能顺利进入或脱开手指； （3）应具有足够的强度和刚度，且自身重量轻；
（4）动作迅速、灵活、准确，通用机械手在更换手 部时方便。
.
手部可根据其用途和结构的不同，分为机械式夹持 器、吸附式末端执行器和专用工具三类。它被安装在操 作机手腕或手臂的机械接口上。
1、夹持式手部：
特点：夹持式手部在抓取工件的形状上有较大的
2、方位系数是从考虑手指处于不同位置处夹取工件 时，对夹紧力影响的系数。其值按表13.1选取。
.
（3）驱动力的计算
手指夹持工件所需的驱动力大小，在同一夹紧力的条 件下，随所采用的传动机构的不同而不同。但其计算方 法都是按照具体的传动机构进行力的分析，根据力系平 衡原理进行的。
回转型驱动力的计算：
1）连杆传动式：
机械手的手臂、手腕、手部及整机主体的运动如 下图示：
.
手臂运动：伸缩A、回转B、上下摆动C、升降运动D
手部运动：夹紧、松开
整机行走
手腕运动：回转F、上下摆动G、左. 右摆动H
（2）机械手 的分类：
按驱动方式可分类为液压、气动、 电力和机械驱动机械手。
按用途可分类为通用或专用机械 手。
按控制方式可分类为点位、连续轨 迹控制等机械手。
按运动坐标形式可分类为直角、 圆柱、球和关节坐标四种机械手。
.
圆柱坐标机械手：由立柱和一个安装在立柱上 的水平臂组成手臂可前后伸缩、上下升降和绕 立柱转动其结构占据空间位置小，活动范围大。
直角坐标机械手：由三个相互正交的平移 轴组成。手臂可前后伸缩、上下升降和左 右横移三个动作。结构简单,定位精度高。 .
1）真空负压吸盘
特点：结构简单、 重量轻、表面吸 附力分布均匀。
适用：多用于抓 取薄板及弧形壳 体工件等。
橡胶或软塑料制 成的碗状吸附盘
吸盘中形成的 真空吸附工件
.
2）电磁吸盘
采用电磁铁通 过磁场吸力作用吸 取工件。
特点：结构简单， 但只适合于磁性 材料工件，不能 在高温下应用。
.
三、手腕
手腕是连接手部和手臂的部件，其作用是 调整或改变手部的方位。机械手的手腕运动一 般设有回转运动和上下摆动，其结构相对复杂。 故，设计时应该注意如下事项：
驱动系统
手臂：支承手腕和手部
法兰盘：外接手 部的机械式接口
控制装置：控 制驱动系统
立柱：支承手臂
手腕：连接手部和手臂
.
（2）驱动系统：驱动执行机构运动的动力装置，
常用液压、气动、电力和机械式四种形式。
（3）控制系统：机械手动作的指挥系统，用来
控制动作的顺序、位置、时间、速度和加速度等。
（4）位置检测装置：控制执行机构的运动位置，
FPa
1
2
2b cos
.
移动型驱动力的计算：
1）齿轮齿条式
夹紧力为驱动力的一半，
即： FN 0.5FP
2）左右旋丝杆平移式
提供给丝杆的驱动力矩M 与手部夹紧力的关系为：
MFNd22tan
.
2、吸附式手部
吸附式手部依靠吸附力抓取物料，适用于抓取大平 面、易碎、微小等类型的物料。其手部的真空负压吸盘 或电磁吸盘是两种常见的吸附力来源。
球坐标机械手：由回转机座、俯仰铰链和伸缩臂组成 手臂可前后伸缩、上下和左右摆动。其结构能以简单 的机构得到较大的工作范围。
关节坐标型机械手：由大小两手臂和立柱等机构组成。
可实现三个方向的旋转运动。具有动作灵活、运动惯
性小、动作范围大等优点。
.
抓取重量（臂力）：指机械手所能 抓取或搬运物件的最大重量。是机 械手最基本的参数。
随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设 定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，使 执行机构以一定的精度达到设定的位置。
.
2、机械手的运动与分类
（1）机械手的运动：机械手以及其手部所夹持的
工件（或工具）在空间的位置，由臂部、腕部等组成 部件以及整机的各自独立运动的合成来确定。
机械手通常可实现的基本运动包括有：伸缩、回转、 摆动、升降夹紧和松开等。
（3）机械手 的主要参数
运动速度：是反映机械手生产水平， 影响机械手的运动周期和工作效率 的参数。
行程范围：对使用性能有较大的影 响。
定位精度：是衡量机械手工作质 量的重要指标。
.
二、手部
手部是机械手直接抓取和握紧物件或夹持专用 工具执行作业任务的部件。设计手部时，除满足抓 取要求外，还应满足以下几点要求： （1）手指握力的大小适宜；
设作用在活塞杆1上的驱动 力为Fp，手指3作用于工件上 的夹紧力为FN。
.
根据活塞杆受力的平衡条件可得驱动力为：
FP2F 1sin2FNb assii n ns( in )
.
2）滑槽杠杆式
拉杆上下运动
圆柱销在两杠杆 的滑槽中移动
杠杆绕铰链转动，带动 手指实现夹紧或松开
驱动力与夹紧力的关系为：
FN
适应性。
.
（1）结构组成
驱动装置（双作用活塞缸）
手指（或手爪）
传动机构（连杆机构、铰链连接）
பைடு நூலகம்
.
指端：手指上直接与被夹持工件接触的部位，其结构形 状取决于工件形状。
手部结构按模仿人 手手指的动作可分 为回转型、移动型 等。
.
夹持器多为双指手爪式。其手爪的运动方式除可分 为平移型和回转型外，其回转型手爪又可再分为单支点 和双支点；按夹持方式还可分为外夹式和内撑式；按驱 动方式可分为电动（电磁）、液压和气动式。
双支点回转型
单支点回转型
内撑式
平移型 .
（2）手指夹紧力的计算
机械手工作时，为保证手指能可靠的把工件夹牢所
必须的夹紧力计算公式为：
工件情况系数
夹紧力
FN≥K1K2K3G 被抓取工件的重量
安全系数，通常取1.2～2
注：
方位系数
1、工作情况系数主要考虑惯性力的影响，可按
K2=1.1~2.5 或 K2=1+a/g 估算。