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直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂有三個(gè)主自由度。X移動(dòng),Y移動(dòng),Z移動(dòng)組成,通過(guò)在執(zhí)行終端加裝X轉(zhuǎn)動(dòng),Y轉(zhuǎn)動(dòng),Z轉(zhuǎn)動(dòng)可以到達(dá)空間內(nèi)的任何坐標(biāo)點(diǎn)。

右圖即為常見(jiàn)的構(gòu)造形式之一,對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō),有時(shí)并不需要機(jī)械手臂具有完整的六個(gè)自由度,而只需其中的一個(gè)或幾個(gè)自由度。直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂可以由單軸機(jī)械手臂組合而成。單軸機(jī)械手臂作為一個(gè)組件在工業(yè)中應(yīng)用廣泛。下圖為單軸機(jī)械手臂。單軸機(jī)械手臂的組件化大大降低了工業(yè)設(shè)計(jì)的成本,因?qū)�業(yè)制造商擁有良好的質(zhì)量保證和批量生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì),使用組件比自行設(shè)計(jì)機(jī)械手臂更具優(yōu)勢(shì)。常見(jiàn)的直交機(jī)械手組合有懸臂式,龍門式,直立式,橫立式等樣式。

對(duì)于半導(dǎo)體制造應(yīng)用來(lái)說(shuō),常用的機(jī)械手臂是用來(lái)搬送晶片,比如下圖雙臂型的機(jī)械手。

手臂一般有3個(gè)運(yùn)動(dòng):伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降。實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、升降運(yùn)動(dòng)是由橫臂和產(chǎn)柱去完成。手臂的基本作用是將手爪移動(dòng)到所需位置和承受爪抓取工件的最大重量,以及手臂本身的重量等。

組成

手臂由以下幾部分組成:

1、運(yùn)動(dòng)元件。如油缸、氣缸、齒條、凸輪等是驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件。

2、導(dǎo)向裝置。是保證手臂的正確方向及承受由于工件的重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)的力矩。

3、手臂。起著連接和承受外力的作用。手臂上的零部件,如油缸、導(dǎo)向桿、控制件等都安裝在手臂上。

此外,根據(jù)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)和工作的要求,如管路、冷卻裝置、行程定位裝置和自動(dòng)檢測(cè)裝置等,一般也都裝在手臂上。所以手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、承載能力和動(dòng)作精度都直接影響機(jī)械手的工作性能。

手臂的剛性直接影響到手臂抓取工件時(shí)動(dòng)作的平穩(wěn)性、運(yùn)動(dòng)的速度和定位精度。如剛性差則會(huì)引起手臂在垂直平面內(nèi)的彎曲變形和水平面內(nèi)側(cè)向扭轉(zhuǎn)變形,手臂就要產(chǎn)生振動(dòng),或動(dòng)作時(shí)工件卡死無(wú)法工作。為此,手臂一般都采用剛性較好的導(dǎo)向桿來(lái)加大手臂的剛度,各支承、連接件的剛性也要有一定的要求,以保證能承受所需要的驅(qū)動(dòng)力。

2、手臂的運(yùn)動(dòng)速度要適當(dāng),慣性要小

機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度一般是根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍要求來(lái)決定的,但不宜盲目追求高速度。

手臂由靜止?fàn)顟B(tài)達(dá)到正常的運(yùn)動(dòng)速度為啟動(dòng),由常速減到停止不動(dòng)為制動(dòng),速度的變化過(guò)程為速度特性曲線。

手臂自重輕,其啟動(dòng)和停止的平穩(wěn)性就好。

3、手臂動(dòng)作要靈活

手臂的結(jié)構(gòu)要緊湊小巧,才能做手臂運(yùn)動(dòng)輕快、靈活。在運(yùn)動(dòng)臂上加裝滾動(dòng)軸承或采用滾珠導(dǎo)軌也能使手臂運(yùn)動(dòng)輕快、平穩(wěn)。此外,對(duì)了懸臂式的機(jī)械手,還要考慮零件在手臂上布置,就是要計(jì)算手臂移動(dòng)零件時(shí)的重量對(duì)回轉(zhuǎn)、升降、支撐中心的偏重力矩。偏重力矩對(duì)手臂運(yùn)動(dòng)很不利,偏重力矩過(guò)大,會(huì)引起手臂的振動(dòng),在升降時(shí)還會(huì)發(fā)生一種沉頭現(xiàn)象,還會(huì)影響運(yùn)動(dòng)的靈活性,嚴(yán)重時(shí)手臂與立柱會(huì)卡死。所以在設(shè)計(jì)手臂時(shí)要盡量使手臂重心通過(guò)回轉(zhuǎn)中心,或離回轉(zhuǎn)中心要盡量接近,以減少偏力矩。對(duì)于雙臂同時(shí)操作的機(jī)械手,則應(yīng)使兩臂的布置盡量對(duì)稱于中心,以達(dá)到平衡。

4、位置精度高

機(jī)械手要獲得較高的位置精度,除采用先進(jìn)的控制方法外,在結(jié)構(gòu)上還注意以下幾個(gè)問(wèn)題:

①機(jī)械手的剛度、偏重力矩、慣性力及緩沖效果都直接影響手臂的位置精度。

②加設(shè)定位裝置和行程檢測(cè)機(jī)構(gòu)。

③合理選擇機(jī)械手的坐標(biāo)形式。直角坐標(biāo)式機(jī)械手的位置精度較高,其結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)都比較簡(jiǎn)單、誤差也小。而回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的誤差是放大時(shí)的尺寸誤差,當(dāng)轉(zhuǎn)角位置一定時(shí),手臂伸出越長(zhǎng),其誤差越大;關(guān)節(jié)式機(jī)械手因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,手端的定位由各部關(guān)節(jié)相互轉(zhuǎn)角來(lái)確定,其誤差是積累誤差,因而精度較差,其位置精度也更難保證。

5、通用性強(qiáng),能適應(yīng)多種作業(yè);工藝性好,便于維修調(diào)整

以上這幾項(xiàng)要求,有時(shí)往往相互矛盾,剛性好、載重大,結(jié)構(gòu)往往粗大、導(dǎo)向桿也多,增加手臂自重;轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加,沖擊力就大,位置精度就低。因此,在設(shè)計(jì)手臂時(shí),須根據(jù)機(jī)械手抓取重量、自由度數(shù)、工作范圍、運(yùn)動(dòng)速度及機(jī)械手的整體布局和工作條件等各種因素綜合考慮,以達(dá)到動(dòng)作準(zhǔn)確、可靠、靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、剛度大、自重小,從而保證一定的位置精度和適應(yīng)快速動(dòng)作。此外,對(duì)于熱加工的機(jī)械手,還要考慮熱輻射,手臂要較長(zhǎng),以遠(yuǎn)離熱源,并須裝有冷卻裝置。對(duì)于粉塵作業(yè)的機(jī)械手還要添裝防塵設(shè)施。

該機(jī)械臂由用戶的頭腦完全控制,靈巧到足以拿起一個(gè)玻璃杯,在沒(méi)有其他人幫助的情況下喝掉一杯飲料。這個(gè)機(jī)械臂的創(chuàng)造者一個(gè)研究小組,成員來(lái)自于加州理工學(xué)院等機(jī)構(gòu),其中,神經(jīng)芯片被植入Sorto的大腦后頂葉皮層(ppC)。

該機(jī)器臂控制芯片植入位置與之前其他癱瘓用戶控制機(jī)械臂的植入位置不同,通常情況下,這種控制芯片植入位置是控制肌肉的大腦區(qū)域,而PPC是控制我們行動(dòng)意圖的區(qū)域,移動(dòng),并讓Erik Sorto控制的機(jī)械臂更加流暢和自然地運(yùn)動(dòng)。Erik Sorto要做的就是思考他打算做什么,并通過(guò)大量的練習(xí),能夠使機(jī)械臂進(jìn)行他正在考慮的任務(wù)。

橡膠機(jī)器手臂

科學(xué)家已經(jīng)研制出了橡膠機(jī)器手臂,可以抓起螞蟻而不是捏死。這種機(jī)械手臂還處于研發(fā)階段,科學(xué)家把電線浸入液體硅橡膠中,待凝固后抽出電線,得到一個(gè)長(zhǎng)5-8mm,頭發(fā)絲細(xì)的觸手。觸手內(nèi)部分為許多小格子,通過(guò)壓縮空氣流動(dòng)來(lái)做出各種動(dòng)作,可以毫無(wú)傷害的握起螞蟻的腰部。

科學(xué)家認(rèn)為這種觸手將來(lái)會(huì)大有用武之地,當(dāng)然不是抓螞蟻玩兒,而是進(jìn)行諸如精密的心臟及胚胎血管手術(shù)。