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三自由度直角坐标机械手设计
作 者 姓 名 汪增帅
专 业 机械设计制造及其自动化
原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机械手来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一畴。第三类是专业机械手，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。
机械手按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机械手以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机械手中使用最多的一种结构形式，世界一些著名机械手的本体部分都采用这种机构形式的机械手。
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要机械手像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂运动的驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了机械手的性能。一般而言，机械手通常就是由执行机构、驱动－传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1-1 所示。
图1-1 机械手的一般组成
机械手的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。执行机构是机械手赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动－传动系统主要包括驱动机构和传动系统。驱动机构提供机械手各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机械手各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机械手分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又称操作机(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。
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机械手的历史和现状
机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构特点是机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。
日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种典型机械手后，大力从事机械手的研究。
目前工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠人工进行控制；控制方式则为开环式，没有识别能力；改进的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息进行反馈，使机械手具有感觉机能。
第三代机械手（机械手）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造单元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一环。
随着工业机械手研究制造和应用领域不断扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。国际工业机械手会议ISIR决定每年召开一次会议，讨论和研究机械手的发展及应用问题。
目前，工业机械手主要用于装卸、搬运、焊接、铸锻和热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还不能满足工业生产发展的需要。使用工业机械手代替人工操作的，主要是在危险作业（广义的）、多粉尘、高温、噪声、工作空间狭小等不适于人工作业的环境。
在国外机械制造业中，工业机械手应用较多，发展较快。目前主要应用于机床、模锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先制订的作业程序完成规定的操作，但还不具备传感反馈能力，不能应付外界的变化。如发生某些偏离时，就将引起零部件甚至机械手本身的损坏。
随着现代化科学技术的飞速发展和社会的进步，针对于上述各个领域的机械手系统的应用和研究对系统本身也提出越来越多的要求。制造业要求机械手系统具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种、小批量的生产过程。计算机集成制造（CIM）要求机械手系统能和车间中的其它自动化设备集成在一起。研究人员为了提高机械手系统的性能和智能水平，要求机械手系统具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。然而，目前商品化的机械手系统多采用封闭结构的专用控制器，一般采用专用计算机作为上层主控计算机，使用专用机械手语言作为离线编程工具，采用专用微处理器，并将控制算法固化在EPROM中，这种专用系统很难（或不可能）集成外部硬件和软件。修改封闭系统的代