三自由度气动教学机械手的实验研究
机械手在工业中的应用可以确保运转周期的连贯，提高品质。另外，由于机械手的控制精确，还可以提高零件的精度。机械手在工业中的应用十分广泛，如： 1、以提高生产过程中的自动化程度
应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 2、以改善劳动条件，避免人身事故
在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。
在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。
3、可以减轻人力，并便于有节奏的生产
应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都设有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。
1.3国内外研究现状
目前，具有六自由度的并联机械手得到了广泛的研究，然而许多场合需要期望输出运动为常量的少自由度的并联机械手，其中三自由度并联机械手是并联机构中一种很有实用前景的机械手，它也是随着机械手技术的发展而发展起来的。Lee和Shah 研究了空间三自由度并联机械手的设计；金琼和杨廷力等分析了一类新型三平移解耦并联机构；李惠良等基于机构结构组成理论，综合出了一类完全解耦的一平移两转动的3 自由度并联机构；杭鲁滨等基于解耦判定准则，构造了一种新型的三平移一转动解耦并联机构，该机构既具有拓扑解耦特性，又具有尺度解耦特性；WeiminLi提出了一种完全解耦的三自由度移动并联机构。运动解耦的并联机构容易控制，而且可以达到很高的精度。文中对这种三自由度并联机构进行了构型分析，建立该机构的运动学模型，验证了该机构具有运动解耦的特性，为该并联机构的动力学分析、有效控制和推广应用等方面提供了一定的理论基础。
在国外，机械手技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的机械手公司，主要包括：瑞典的ABBRobotics，日本
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的FANUC、Yaskawa，德国的KUKARooe，etTcnlgAbtr美国的Adpehooy，英国的AuoehRbtc，OMAU，tTcoois加拿大的JcdInternationalRobotics，以色列的RobogroupTek公司，这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。
在国内，机械手产业刚刚起步，但增长的势头非常强劲，如中国科学院沈阳自动化所投资组建的新松机械手公司，年利润增长在40％左右。最近，全球内带有多指夹子或手的机械人系统已经发展起来了，多种方法应用其上，有拟人化的和非拟人化的。不仅调查了这些系统的机械结构,而且还包括其必要的控制系统。如同人手一样，这些机械人系统可以用它们的手去抓不同的物体，而不用改换夹子。这些机械手具备特殊的运动能力（比如小质量和小惯性），这使被抓物体在机械手的工作范围内做更复杂、更精确的操作变得可能。 这些复杂的操作被抓物体绕任意角度和轴旋转。同时，它们必须能够很好的操纵被抓物体。这种极强的灵活性只能通过一个适应性极强的机械人手抓系统来获得，即所谓的多指机械手或机械手手。
机械手在许多生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平，提高劳动生产率和产品质量以及经济效益，改善工人劳动条件等方面，有着令世人瞩目的作用，引起了世界各国和社会各层人士的广泛关注。从近几年世界机械手推出的产品来看，机械手技术正在向智能化、模块化和系统化的方向发展，其发展趋势主要为：结构的模块化和可重构化；控制技术的开放化、Pc化和网络化；伺服驱动技术的数字化和分散化；多传感器融合技术的实用化；工作环境设计的优化和作业的柔性化以及系统的网络化和智能化等方面。
国外机械手技术已非常成熟，已走向产业化，目前已开发新型机械手为主，以应用于更为广阔的市场。 随着我国门户的逐渐开放．国内的机械手产业面临着越来越大的竞争与冲击。虽然我国机械手的需求量逐年增加。但目前生产的机械手还很难达到所要求的质量．很多机械手的关键部件还需要进口。所以目前来说．我国还处在一个机械手消费型的国家 我国现有的机械手研究开发和应用的工程单位超过2000家．其中从事机械手研究和应用的超过80家基本掌握了操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术。目前生产的各类机械手中有90％以上用于生产中来自中科院沈阳自动化所专家课题组的预测表明．今年，我国机械手市场保有量将增至486000台。
1.4气动技术的优点及发展趋势
气动技术这个被誉为工业自动化之“肌肉”的传动与控制技术，在加工制造业领域越来越受到人们的重视，并获得了广泛应用。目前，伴随着微电子技术、通信技术和自动化
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控制技术的迅猛发展，气动技术也不断创新，以工程实际应用为目标，得到了前所未有的发展。气动技术(Pneumatics)是以压缩空气为介质来传动和控制机械的一门专业技术。“Pneumatics”一词起源于希腊文的“Pneumatics”，其原义为“呼吸”，后来才演变成“气动技术”。
气动技术因具有节能、无污染、高效、低成本、安全可靠、结构简单，以及防火、防爆、抗电磁干扰、抗辐射等优点，广泛应用于汽车制造、电子、工作机械(纺织机械、印刷、包装设备及机床等)、食品等工业产业中。随着新材料、新技术、新工艺的开发和应用，气动技术已经突破传统的设计、制造理念，正在IC/LCD、微电子、生物制药、医疗机械等高技术领域扮演着重要角色。
随着生产自动化程度的不断提高，气动技术应用面迅速扩大，气动产品品种规格持续增多，性能、质量不断提高，市场销售产值稳步增长。在工业技术发达的欧美、日本等国家，气动元件产值已接近液压元件的产值，而且仍以较快的速度在发展。气动工业的高速增长，进一步刺激了气动技术的发展。气动技术正朝着精确化、高速化小型化、复合化和集成化方向发展。
1.5 现有气动机械手的形式及应用
随着气动技术获得了快速发展，其中利用成本性能比低廉及同时具有许多优点的气动机械手设备来满足社会生产实践需要也越来越多的受到重视，气动机械手技术已经成为能够满足许多行业生产实践要求的一种重要实用技术 。
早期的气动机械手，由于无法做到气缸在任意位置的定位，只能靠气缸两个终点位置来定位。或者采用多位气缸，它的定位长度由气缸的行程预先确定。如果要增加一个定位位置，或者要改变两个定位位置之间的距离，那么需要重新设计一个多位气缸。而且如果气缸要求的停止位置越多，它的滑块导向机构就越复杂。早期的气缸由于不能实现任意位置的定位，因此限制了多工位定位的气动机械手的发展。
现代气动机械手的基本结构由感知部分、控制部分、主机部分和执行部分四个方面组成采集感知信号及控制信号均由智能阀来处理，气动伺服定位系统代替了伺服电机、步进马达或液压伺服系统；气缸、摆动马达完成原来由液压缸或机械所作的执行动作；主机部分采用了标准型材辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。人们根据应用工况的要求，选择相应功能和参数的模块，像积木一样随意的组合，这是一种先进的设计思想，代表气动技术今后的发展方向，也将始终贯穿着气动机械手的发
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展及实用性。
由于气动技术和电子技术的结合，以及周边技术的成熟，气动机械手在工业自动化领域里的实用性已经充分体现出来。特别是目前国内外一些学者正尝试在气动机械手中引入现代控制理论和智能控制方法，并取得了一定的研究成果，这为气动机械手大规模进入工业自动化领域开辟了十分广阔的前景 。
1.6本机械手的技术指标
气动机械手的基本要求是能快速、准确的拾、放和搬运物体，这就要求它们具有精度高、反应快、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度以及在任意位置都、能自动定位等特性。
设计气动机械手的原则是:充分考虑作业对象的作业技术要求，拟定较为合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性 。 机械手是典型的机电一体化产品，合理分配机械、电子、硬件、软件各部分所承担的任务和功能，对提高系统的整体性能、结构简化、降低成本起着举足轻重的作用。因此对本机械手采用系统的观点进行整体功能分析，实现结构优化是实现经济性，灵活性和高可靠性系统设计的重要环节和关键步骤。 1.该机械手设计的主要技术指标为： （1）设计的机械手为三自由度；
（2）机械手的水平旋转由步进电机驱动实现，可实现的转角为±180°；
（3）该机械手的水平移动自由度由TN25×200气缸实现；垂直升降自由度由MAL20×100气缸实现；其手爪的开合由SDA25×10气缸实现：
（4）该机械手的主要搬运物体为近似圆柱状，物体为垂直放置，重量约为1kg，最大直径为40mm；
3.系统的控制器件可选用单片机控制。 主要参数如下：
（1）主参数机械手的最大抓取重量是其规格的主参数，约为1kg；
（2）基本参数该机械手的最大工作半径约为200mm，手臂回转行程为360°，手臂升降行程为100mm；
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（3）定位精度也是基本参数之一，该机械手的定位精度为±0.5mm。
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