人的手臂、手腕、手掌、手指总共有十九个关节,共计27个自由度,因此机械手很难完成人所能完成的许多复杂动作,但在实际工业生产中,机械手所完成的动作并不复杂,故根本不需要机械手拥有这么多的自由度。图2-2a所示为机械手的主运动,它通过立柱和手臂的运动来实现,从而改变工件的空间位置。图2-2b所示为机械手的辅助运动,由手腕和手指的运动组成,该运动可以改变工件的方位。
(a)机械手主运动示意图
(b)机械手辅助运动示意图
图2-2 机械手运动示意图
手指的主要动作有夹紧和放松,手腕则主要做摆动等运动,手臂的动作主要包括升降和转动等,立柱大多只能横向移动,这些动作组合起来就形成了机械手的运动。
一般来说,机械手具有的自由度数越多,机械手就更容易完成一些难度更大的动作,所能应用的领域也越广,但与此同时机械手的结构也更加复杂,机械手的体积也会相应地增加,从而造成机械手制造难度的增大,文修起来十分困难,成本也会因此有着大幅度的提高。机械手的自由度数越少,其专用性也就越强,在技术上容易实现,而且结构也较简单,文修方便。因此要根据实际生产的需要来确定机械手的自由度数,不能随意为之[9]。
2.4 机械手坐标型式
2.4.1 直角坐标式
在图2-3中,机械手可沿X、Y、Z轴作直线运动,但无法转动,这种机械手便是直角坐标式机械手的典型代表。工件的位置成行排列时使用直角坐标式机械手搬运工件,这样可以最大限度地提高效率。直角坐标式机械手结构一般都比较简单,定位精度高,载重变化时其精度也不会受到影响,但由于其所占空间较大,因此其工作范围较小。
图2-3 直角坐标式
2.4.2 圆柱坐标式
在图2-4中,圆柱坐标式机械手有三个运动,即沿X轴、Z轴的平动以及绕Z轴的转动,而且具有四个基本动作:手臂伸缩、手臂绕Z轴转动、腰座沿Z轴移动、手爪夹紧。由此可以看出圆柱坐标式机械手工作范围较大,但不会因此而占据很大的空间
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