机器人自20世纪60年代初问世以来，经过多年的发展，已经广泛应用于各行各业。例如，娱乐机器人、服务机器人、水下机器人、军用机器人、仿人形机器人、农业机器人、医疗机器人、焊接机器人、搬运机器人等，已成为现代生活特别是制造业中不可分割的一部分。
机器人技术是力学、机构学、机械设计学、自动控制、传感技术、电液气驱动技术、计算机、人工智能、仿生学等多学科知识的综合与交叉所形成的一门跨学科的综合性高新技术。机器人作为高自动化、智能化的典型机电一体化设备，通过计算机编程能够自动完成目标操作或移动作业，具有较高的可靠性、灵活性以及巨大的信息储存、处理能力和快速反应能力。机械手的研究作为机器人研究中的一个重要分支，在现代制造业中具有极大的实用价值和战略意义。
图7-56 机械手基本形式示意图
1—手部 2—腕部 3—小臂 4—大臂 5—立柱 6—机架
最初的机械手常为装有固定程序或简单可变程序的专用机械手。这种机械手大多是根据特定的生产现场设计制作的，采用气动、液压或者电气驱动，用行程开关、机械挡块或由其他传感器来控制其工作位置。其工作对象单一，动作较少，结构简单，成本低廉。简单机械手的运动特征主要包括臂部的移动和手部的抓取、松开动作。如图7-56所示，假定机械手的初始运动状态为图中的工位一，则定位到工位一；然后小臂3带动腕部2和手部1下行抓取工件；下一步小臂3上升；之后大臂4右移，同时立柱5旋转到工位二，小臂3带动腕部2和手部1下降并放下工件；最后机械手返回初始位置。至此完成一个工作节拍。
2.冲压机械手的工作原理与结构
冲压机械手是在机械手的基础上，根据冲压生产特点，为实现冲压自动化而专门研发的设备。它能取代人工在各个冲压工位上进行辅助冲压、搬运、上下料等工作。
图7-57所示为某圆柱坐标式压力机自动上料机械手的结构。
上料机械手由手臂7、吸盘12、推料爪6、齿轮轴、制动器气缸等组成。气缸的活塞齿条带动齿轮轴回转实现上料机械手的手臂回转。
当上料机械手的手臂7退到升料台14上面时，撞块8触动限位开关7SQ，升降气缸17和棘爪气缸16同时动作。棘爪18、棘轮、螺杆和螺母升料台14上升。升降气缸17上升，储料筐内的材料立即被上料机械手的吸盘12吸牢，在上升过程中触动限位开关8SQ发出信号，使升降气缸17下降，退回原位；并触动上限位开关2SQ，使其发出信号，从而使上料机械手回到滑道4上。上料机械手与吸盘架相连接的推料爪6将滑道上的材料（前一次送料）推入压力机下模面上，同时手臂7上的撞块8触动限位开关3SQ，并发出信号，打开吸盘的开关阀，使吸盘12与大气相通，被吸的工件落到滑道上，并被两块永久磁铁5吸住，防止工件被推料爪6带回。同时限位开关3SQ使中间继电器断电，经换向阀换向后，上料机械手反向回转。在回转30°时，触碰限位开关5SQ并发出信号，进行一次冲压动作。在上料机械手转回到原位（即回到升料台14上面）时，撞块8触动限位开关7SQ并发出信号，上料机械手重复上述动作。
上料机械手的手臂向升料台上回转，当到达极限位置时，为使手臂减速以减小冲击，采用了制动器10（即机械式制动装置）。制动器只对上料机械手手臂回转起单向缓冲制动作用。当手臂转向升料台时，安装在齿轮轴上的制动器松开，手臂的回转速度也随之渐增，使推料爪6有足够的动能推动材料到达压力机的模面上。
这种自动上料机械手装置可用在600～1000kN的压力机上。在一般压力机上，改装压力机曲轴，附加上料机械手、升料台和滑道等装置，即可使压力机自动连续工作，保证压力机有节奏地进行安全生产，简单方便。
3.冲压机械手的组成
冲压机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。
图7-57 某型号自动上料机械手
1—冲头 2—挡销 3—下模 4—滑道 5—永久磁铁 6—推料爪 7—手臂 8—撞块 9—回转气缸 10—制动器 11—止回挡块 12—吸盘 13—工件 14—升料台 15—快速下降电动机 16—棘爪气缸 17—升降气缸 18—棘爪 19—行程挡块 20—分片爪
（1）执行机构 又称操作机，是机器人完成其功能的机械实体，具有和人的手臂相类似的功能。一般可以分为末端执行器、腕部、手臂、机座四个部分。
1）末端执行器。冲压机械手的末端执行器通常具有夹持功能，因而又称为手部。直接接触冲压工件，并完成相应操作的部分称为手指。按照夹持方式和原理的不同，手部又分为夹钳式、气吸式、磁吸式和套圈式四类。比较常见的是夹钳式和吸盘式手部。手部常采用模块化设计，便于安装拆卸，同时也提高了机械手的适应性。
2）腕部。腕部用于支承和调整末端执行器的位置和速度，同时腕部的存在能够扩大手臂的动作范围，一般具有2～3个回转自由度以调整末端执行器的姿态。某些机械手也可能没有腕部结构而直接将末端执行器连接到小臂上。
3）手臂。通常由多个杆件和连接处的各个关节组成，且与系统主要动力源相连，传递动力，并配合调整末端执行器和手腕姿态。手臂常有多条，而且每条手臂也可以有多节。通常将靠近末端执行器的一节称为小臂，而靠近机座的称为大臂，大臂与机座间也采用关节连接，以扩大机械手整体的运动范围，增强其灵活性。
4）机座。它是机械手中相对固定并承受来自末端、腕部和手臂上的作用力的基础部件。可分为固定式和移动式两类。固定式不可以自由移动，常完成近距离的固定工位操作，而移动式机座的下部安装了轮子、履带等移动机构，使得机械手可以相对自由地移动。由于冲压机械手的功能大都比较简单，因此一般不必具备所有的部件。
（2）驱动机构 驱动机构为机械手提供动力和运动，由动力源、传动装置、检测元件等组成。常用的驱动方式有电动机、液压和气动装置或三者中的两个相互结合。由表7-3可以看出气动方式的成本最低，液压传动方式的传动力最大，电动机传动方式的精度最高，控制性能最好，机械传动方式的使用较少，一般不作考虑。
表7-3 驱动方式的比较
（3）控制系统 控制系统通常包含两部分：传感器电路和用作控制的中枢（PC、PLC和单片机等）及其控制电路。它能对人为的设备操作（开启、停机及示教等）进行反应，同时又能控制机器人按规定的要求动作。常采用的控制方法有不带返回信号检测的开环控制和带返回信号检测的闭环控制。
4.冲压机械手的分类
关于机械手的分类。目前冲压机械手的分类方法较多，可按使用范围、驱动方式、用途、坐标形式、控制方法、搬运质量、运动轨迹等来划分。
（1）按使用范围分类 可分为专用机械手、通用机器人和示教型机械手。
1）专用机械手。这类机械手通常依据某种特定的机械现场设计，在固定程序或简单的可变程序的指导下产生特定的动作。其工作对象单一，动作较少，结构简单，成本较低。
2）通用机器人。为可编写程序的通用机械手，可适应不同的工作对象，通用性强，适用于以多品种、中小批量生产为特点的柔性制造系统。
3）示教型机械手。又称为示教再现型机械手，通过学习由人工导引机械臂的末端执行器（抓手、工具、焊枪等），或由人工操作导引机械模拟装置或用示教盒来使机器人记忆预期的动作，然后重复再现通过示教编程存储起来的作业程序。
（2）按驱动方式分类 可分为机械式机械手、液压式机械手、气动式机械手和电动式机械手等。
（3）按用途分类 可分为冲压机械手、焊接机械手、表面喷涂机械手、装卸机械手、装配机械手、无损检测机械手和医疗机械手等。
（4）按机械手运动控制方式分类 可分为点位控制机械手和连续轨迹控制机械手。
1）点位控制机械手。就是由点到点的控制方式，在关键点（目标点）处准确控制机器人末端执行器的位置和姿态，完成预定的操作要求。例如，上下料搬运机器人、点焊机器人等都属于点位控制方式的机械手。
2）连续轨迹控制机械手。该机械手的各部位协调运动，精确控制机器人末端执行器按预定的轨迹和速度运动，并能控制末端执行器沿曲线轨迹上各点的姿态。弧焊、喷漆和检测机械手等均属连续轨迹控制方式。(www.xing528.com)
（5）按搬运质量分类 可分为微型机械手、小型机械手、中型机械手和大型机械手等。
（6）按机架结构分类 可分为立柱型、门架型、坐标型机械手和Scara型机械手等，如图7-58～图7-61所示。
图7-58 立柱型气动机械手
图7-59 门架型气动机械手
图7-60 坐标型气动机械手
图7-61 Scara型气动机械手
（7）按机械结构的坐标系分类 可分为直角坐标式机械手、圆柱坐标式机械手、球坐标式机械手和关节式机械手等，如图7-62所示。
1）直角坐标式机械手。又称为直移式机械手，如图7-62a所示。机械手的手臂可在直角坐标系的三个坐标轴方向作直线移动，即手臂的前后伸缩、上下升降和左右移动。这种形式的机械手结构简单，运动直观，精度较高，安全系数好，成本低廉。缺点是设备所需的空间较大，而工作范围相对较小。适用于工作位置成直线排列的情况，常用于抓取和传送带上下料。
2）圆柱坐标式机械手。又称为回转型机械手，如图7-62b所示。机械手的手臂可作前后伸缩、上下升降和水平面内摆动。具有直观性好，惯性比大，结构简单等优点，与直角坐标式机械手相比，设备占用的空间较小，而动作范围较大。圆柱坐标式机械手的特征是，在垂直导柱上装有滑动套筒，因而手臂可在竖直方向上作直线运动和在水平面内摆动，但因结构限制，不能抓取到地面上的物体。
图7-62 机械手按照坐标系分类
a）直角坐标式机械手b）圆柱坐标式机械手c）球坐标式机械手d）关节式机械手
3）球坐标式机械手。又称为俯仰型机械手，如7-62c所示。其自由度较多，适用性较广。机械手的手臂可作前后伸缩、上下俯仰和左右摆动。与同尺寸的圆柱坐标式机械手相比，扩大了工作范围，并且可以抓取到地面上的物体。其运动惯性较小，但手臂越长，摆角误差对精度的影响越大。不足之处是运动关系复杂，成本较高。
4）关节式机械手。又称屈伸型机械手，如图7-62d所示。与人的手臂类似，关节式机械手由大臂、小臂和多个关节组成。它比上述三种机械手更具灵活性，甚至可以绕过障碍物进行工作，因而更适应拥挤或者狭窄空间的工作环境，通用性更好。但是多关节的同时动作，导致其运动直观性差，控制复杂，机械结构复杂，机械刚度小，运动精度低，成本高。
5.冲压机械手的型号
目前国内各单位在编制机械手型号时，一般都遵循以下原则：
1）用汉语拼音字母表示机械手及其驱动方式。
2）用数字表明机械手的主要参数，如额定抓取质量等。
3）突出特征需要专门注明时，另用数字或拼音字母加注，如改型顺序等。
给机械手标注型号可以突出机械手的特征，至于机械手的其他特征参数可以在说明书中详细说明。表7-4为机械手型号的编制代号。
表7-4 机械手型号的编制代号
机械手的符号举例如图7-63所示，和型号实例如图7-64所示。
图7-63 符号示例
图7-64 型号实例
6.关节式机器人
关节式机器人因为其灵活性和通用性而备受青睐。日常所常见的焊接、喷涂等机器人都属于关节式机器人。
关节式机器人的结构形式类似于人的手臂，能够有效地确定三维空间中机器人的姿态，主要有回转和旋转两种运动，通过数学计算和轨迹控制能够拟合空间中的任意曲线，甚至轻易地避开障碍物，而到达空间中的任意目标位置。这一点对于采摘机器人来讲尤为重要。
关节式装配机器人又有平面关节式（即SCARA型）和垂直关节式（即空间关节型）两种。平面关节式机器人主要用于制作电路板时不规则芯片的装配，比垂直关节式机器人占用空间小，水平方向运动灵活，承载量轻，精度高，成本低；而垂直关节式机器人的工作面积更大，通用性更强，使用更加灵活。
按照关节的分布方式又可以分为串联和并联机械手。从关节驱动方式分，又可分为多电动机驱动和单电动机驱动机械手，如图7-65所示。多电动机驱动控制相对容易，机械结构简单；而单电动机驱动虽控制较难但设备占用空间小，使用更加灵活。对关节式机器人的研究仍然是当今研究的热点所在。
图7-65 KUKA多电动机驱动的涂胶机器人和单电动机驱动20自由度蛇形机器人
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