通用上下料机器人控制系统设计
2 机械手简介
2.1 机械手的分类
工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。
一、按用途分
机械手可分为专用机械手和通用机械手两种: 1、专用机械手
它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械
手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大
批量的自动化生产，如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”附属的自动换刀机械手。
2、通用机械手
它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。在规格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。
通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以 “开一关”式控制定位，只能是点位控制: 伺服型具有伺服系统定位控制系统，可以是点位的，也可以实现连续轨迹控制，一般的伺服型通用机械手属于数控类型。
二、按驱动方式分 1、 液压传动机械手
此类是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工
3
通用上下料机器人控制系统设计
作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。
2、 气压传动机械手
此类是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
3、机械传动机械手
此类机械手即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。它常被用于工作主机的上、下料。
4、电力传动机械手
即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。
三、按控制方式分 1、点位控制
它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。
2、连续轨迹控制
它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。
4
通用上下料机器人控制系统设计
2.2 常见机械手分类
按机械手的不同运动形式及组合情况，其坐标型式可分为以下几类： (1)直角坐标式
如图2-1所示机械手，其手臂的运动系由三个直线运动所组成，即沿直角坐标系的X轴的伸缩、沿Z轴的升降、沿Y轴的横移。这种坐标型式的机械手称为直角坐标式机械手。它的特点是结构简单，定位精度高，适用于主机位置成行排列的场合。但是由于占地面积大而工作范围小以及灵活性差，限制了它的使用范围。
图2-1 直角坐标式机械手
(2)圆柱坐标式
如图2-2所示的机械手，其手臂的运动系由两个直线运动和一个回转所组成，即沿X轴的伸缩、沿Z轴的升降和绕Z轴的回转。这种坐标型式的机械手称为圆柱坐标式机械手。它与直角坐标式相比较，占地面积小而活动范围大，结构简单，并能达到较高的定位精度，因此应用较广泛。但由于机械手的结构关系，沿Z轴方向移动的最低位置受到限制，故不能抓取地面上的物件。
5
通用上下料机器人控制系统设计
图2-2 圆柱坐标式机械手
(3)球坐标式
如图2-3所示的机械手，其手臂的运动系由一个直线运动和两个转动所组成，即沿X轴的伸缩、绕Y轴的俯仰和绕Z轴的回转。这种坐标型式的机械手称为球坐标式机械手。
这种机械手手臂的俯仰运动能抓取地面上的物件，为了使手部能适应被抓取物件方位的要求，常常设有手腕上下摆动，使其手部保持水平位置或其它状态。这种型式的机械手具有动作灵活，占地面积小而工作范围大等特点，它适用于沿伸缩方向向外作业的传动形式。但结构较复杂，此外，手臂摆角的误差通过手臂会引起手部中心处的误差较大。
6
通用上下料机器人控制系统设计
图2-3 球坐标式机械手
(5)关节式
如图2-4所示机械手，其手臂的运动类似人的手臂可作几个方向的转动。它由大小两臂和立柱等所组成，大小两臂之间的联接为肘关节，大臂与立柱之间的联接为肩关节，各关节均有铰链构成以实现转动，手臂的运动系由三个回转运动所组成，即大臂的俯仰（θ）、小臂的俯仰（θ2）和大臂的回转（Ф）。这种坐标型式的机械手称为关节式机械手。它的特点是工作范围大，动作灵活，通用性强，能抓取靠近机座的物件，并能绕过机体和工作主机之间的障碍物去抓取物件，此为其它型式机械手不可比拟的优点。但是关节式机械手的手指定位是由各个关节相互转角来决定的，所以定位精度较差，另外，控制装置和机械结构比其它型式的机械手均复杂。
7