案例43：平面四杆机构在人造手中的应用实例 (一)人造手的用途 人造手包括工业机械手和假手，就是代替人手操作的机械。假手用于代替断肢者的 上肢，而工业机械手可以代替工人工作，不仅在工业界，而且在字宙开发和海底开发以 及医疗系统等许多方面得到广泛应用。 (二)人造手机构学 1、人造手的自由度 如果把人的一只手臂看作是机构学的模型时，就可用约有27个自由度的连杆机构 米近似地表示，其中约有20个自由度集中在手部（从手胞到指尖部分），作为人造手如 果有27个自由度的话，就需要27个驱动装置，特别是对其控制是相当复杂的。因此， 通常是根据具体的功能需要，把集中在手上的自由度加以简化。四个构件构成的平面连 杆机构只有一个自由度，对其票动和控制都比较简单，从面在人造手中应用很多。 2、人造手的驱动装置 人造手的自由度确定以后，应该选择合适的驱动装置来实现各自由度的动力化。电 力、液压和气压都可以被考虑作为动力源 3、人造手的传感器 人造手的设计不但要考虑如何确定并且实现其自由度，还要使之具有感觉：触觉、 压爱和位量。实现这些感觉的元件通常有：微动开关，导电橡胶、继电器触点、金风导 通、电位计、编码器、半导体检测仪、应变仪、司服系统的位置偏差、差动变压器和喷 嘴等。 (三)平面四杆机构在人造手中的应用实例 1、外夹式摆杆型机板手 图1所示为一种外夹式摆杆型机械手。图2为其手指部位机构运动简图。自由度 为F-3X3-2X4-1(对称结构略去不计)，手腕部分也可以上下旋转。 (1)功能：抓取物体。 (2)动力源：原设计为电力（电动机），也可选取液压或气动。 (3)动作过程：当原动件7作直线运动时，连杆6带动杠杆4作摆动，从而可抓 取或放开工件。 1
案例 43：平面四杆机构在人造手中的应用实例 （一）人造手的用途 人造手包括工业机械手和假手，就是代替人手操作的机械。假手用于代替断肢者的 上肢，而工业机械手可以代替工人工作，不仅在工业界，而且在宇宙开发和海底开发以 及医疗系统等许多方面得到广泛应用。 （二）人造手机构学 1、 人造手的自由度 如果把人的一只手臂看作是机构学的模型时，就可用约有 27 个自由度的连杆机构 来近似地表示，其中约有 20 个自由度集中在手部（从手腕到指尖部分）。作为人造手如 果有 27 个自由度的话，就需要 27 个驱动装置，特别是对其控制是相当复杂的。因此， 通常是根据具体的功能需要，把集中在手上的自由度加以简化。四个构件构成的平面连 杆机构只有一个自由度，对其驱动和控制都比较简单，从而在人造手中应用很多。 2、人造手的驱动装置 人造手的自由度确定以后，应该选择合适的驱动装置来实现各自由度的动力化。电 力、液压和气压都可以被考虑作为动力源。 3、人造手的传感器 人造手的设计不但要考虑如何确定并且实现其自由度，还要使之具有感觉：触觉、 压觉和位觉。实现这些感觉的元件通常有：微动开关、导电橡胶、继电器触点、金属导 通、电位计、编码器、半导体检测仪、应变仪、司服系统的位置偏差、差动变压器和喷 嘴等。 （三） 平面四杆机构在人造手中的应用实例 1、外夹式摆杆型机械手 图 1 所示为一种外夹式摆杆型机械手。图 2 为其手指部位机构运动简图。自由度 为 F=3X3-2X4=1 (对称结构略去不计)。手腕部分也可以上下旋转。 （1）功能：抓取物体。 （2）动力源：原设计为电力（电动机），也可选取液压或气动。 (3 ) 动作过程：当原动件 7 作直线运动时，连杆 6 带动杠杆 4 作摆动，从而可抓 取或放开工件。 1
1一后部工体：一不一红所0一速所行练到哈力面：&手不支隆 图1外夹式摆杆型机械手 图2外夹式摆杆型机械手机构运动简图 2
图 1 外夹式摆杆型机械手 图 2 外夹式摆杆型机械手机构运动简图 2
2、装卸机械手 图3所示为另一种装卸机械手。图4为其手指部位机构运动简图。自由度为 F=3X32X4=】(对称结构略去不计).手跑部分也可以上下旋转。 (1)功能：抓取物体。 (2)动力源：气压。 (3)动作过程：当气缸左端输入气压为05Mp的压力空气时，将推动活嘉2带 动活塞杆4右行作直线运动。通过连杆5带动控制杆6作摆动，从而可抓取工件。当气 缸左端压力空气排出时，弹簧3迫使活塞2带动活塞杆4左行，从而松开放下工件。 一0形画：一锈意：8一第黄一居斤系一连杆形 长一控制杆行下一系科气红一机械手都分 图3装卸机械手 B 图4装卸机械手机构运动简图 3
2、 装卸机械手 图 3 所示为另一种装卸机械手。图 4 为其手指部位机构运动简图。自由度为 F=3X3-2X4=1 (对称结构略去不计)。手腕部分也可以上下旋转。 （1）功能：抓取物体。 （2）动力源：气压。 （3）动作过程：当气缸左端输入气压为 0.5Mp 的压力空气时，将推动活塞 2 带 动活塞杆 4 右行作直线运动，通过连杆 5 带动控制杆 6 作摆动，从而可抓取工件。当气 缸左端 压力空气排出时，弹簧 3 迫使活塞 2 带动活塞杆 4 左行，从而松开放下工件。 图 3 装卸机械手 图 4 装卸机械手机构运动简图 3
3、车轴用液压机械手 图5所示为搬运车轴用液压机械手。图6为其手指部位机构运动简图，油缸6和 机架4固联在一起。手指部位属于定块机构，自由度为F=3X3-2X4=1(对称结构略去 不计)。手腕部分也可以上下旋转，它属于摇块机构。图7为其手腕部位机构运动简图。 自由度也是F-3X3-2X4-1, (1)功能：搬运车轴等轴类零件。 (2)动力源：液压。 图5车轴用液压机械手 4 6(4) 16 15 A 23 图6车轴用液压机板手手指机构运动简图 4
3、车轴用液压机械手 图 5 所示为搬运车轴用液压机械手。图 6 为其手指部位机构运动简图，油缸 6 和 机架 4 固联在一起。手指部位属于定块机构，自由度为 F=3X3-2X4=1 (对称结构略去 不计)。手腕部分也可以上下旋转，它属于摇块机构。图 7 为其手腕部位机构运动简图。 自由度也是 F=3X3-2X4=1 。 （1） 功能：搬运车轴等轴类零件。 （2） 动力源：液压。 图 5 车轴用液压机械手 图 6 车轴用液压机械手手指机构运动简图 4
B 图7车轴用液压机械手手腕机构运动简图 (3)动作过程： 就手指部位来说，当油缸左端输入压力油时，将推动活塞带动活塞杆23右行作直 线运动，通过连杆15推动爪16作摆动，从而可抓取工件。当油缸右端输入压力油时， 将推动活塞带动话塞杆左行作直线运动，通过连杆15拉爪16作摆动。从而松开放下工 件。 就手腕部位来说，当油缸7左端或右端输入压力油时，将推动活寒带动活寒杆24 运动。推动机架4作摆动。而油缸7本身作摆动。 4、川崎UMINATE用标准机械手 图8所示为川崎UMINATE用标准机板手。图9为其手指部位机构运动简图。 自由度为F=3X3-2X4=1(对称结构略去不计)。手腕部分可以上下旋转。 (1)功能：抓取物体，用于搬运作业。爪可以按工件更换使用。 (2)动力源：气压， 5
图 7 车轴用液压机械手手腕机构运动简图 （3）动作过程： 就手指部位来说，当油缸左端输入压力油时，将推动活塞带动活塞杆 23 右行作直 线运动，通过连杆 15 推动爪 16 作摆动，从而可抓取工件。当油缸右端输入压力油时， 将推动活塞带动活塞杆左行作直线运动，通过连杆 15 拉爪 16 作摆动，从而松开放下工 件。 就手腕部位来说，当油缸 7 左端或右端输入压力油时，将推动活塞带动活塞杆 24 运动，推动机架 4 作摆动。而油缸 7 本身作摆动。 4、 川崎 UMINATE 用标准机械手 图 8 所示为川崎 UMINATE 用标准机械手。图 9 为其手指部位机构运动简图。 自由度为 F=3X3-2X4=1 (对称结构略去不计)。手腕部分可以上下旋转。 （1）功能：抓取物体，用于搬运作业。爪可以按工件更换使用。 （2）动力源：气压。 5
图8Ma)川崎UMINATE用标准机板手 -1l4 104.5 18 1一活塞：8一支座：3一连杆：-臂：6一弹舞；6一板：7一活塞杆 图8(b)川崎UMINATE用标准机械手
图 8(a) 川崎 UMINATE 用标准机械手 图 8(b) 川崎 UMINATE 用标准机械手 6
2 C A 图9川峰UMINAT正用标准机械手指部位机构运动简图 (3)动作过程： 当气缸（图中未显示）左端输入气压为0.5Mp的压力空气时，将推动活寒1带 动活塞杆7右行作直线运动，通过连杆3带动臂4作摆动，从而可抓取工件，当气缸左 端压力空气排出时，弹簧5迫使活塞1蕾动活塞杆7左行，从面松开放下工件。 5、平行夹特机板手 图0所示为平行夹持机械手。图1】为其手指部位机构运动简图。它是由五个构 件组成的平面机构，自由度为F一3X4-2X5-1-1(对称结构略去不计)，手脆部分可以上 下旋转。为了使爪作平行移动采用了平行四边形机构。对于平行四边形机构来说，按铰 硅四杆机构计算，自由度为F-3X3-2X4-1。若不增加高副F,由于重力作用，将致使连 杆即爪3总是贴紧杆5，从而实现不了设计目的。因此增加高副F是必要的。 (1)功能：抓取物体，用于搬运作业。爪可以按工件更换使用。 (2)动力源：气压， 7
图 9 川崎 UMINATE 用标准机械手指部位机构运动简图 （3）动作过程： 当气缸（图中未显示）左端输入气压为 0.5Mp 的压力空气时，将推动活塞 1 带 动活塞杆 7 右行作直线运动，通过连杆 3 带动臂 4 作摆动，从而可抓取工件。当气缸左 端压力空气排出时，弹簧 5 迫使活塞 1 带动活塞杆 7 左行，从而松开放下工件。 5、平行夹持机械手 图 10 所示为平行夹持机械手。图 11 为其手指部位机构运动简图。它是由五个构 件组成的平面机构，自由度为 F=3X4-2X5-1=1 (对称结构略去不计)。手腕部分可以上 下旋转。为了使爪作平行移动采用了平行四边形机构。对于平行四边形机构来说，按铰 链四杆机构计算，自由度为 F=3X3-2X4=1 。若不增加高副 F,由于重力作用，将致使连 杆即爪 3 总是贴紧杆 5，从而实现不了设计目的。因此增加高副 F 是必要的。 （1）功能：抓取物体，用于搬运作业。爪可以按工件更换使用。 （2）动力源：气压。 7
图10(a)平行夹持机械手 图10b) 平行夹持机械手
图 10(a) 平行夹持机械手 图 10(b) 平行夹持机械手 8
定形1 5 A D C 图11 平行夹持机械手手指部位机构运动简图 (3)动作过程： 当气缸1下端输入压力空气时，将推动活塞带动活塞杆5上行作直线运动，通过杆 5和6带动爪3作平行移动，从而可抓取工件。当气缸1上端输入压力空气时，则松开 爪3放下工件， (4)讨论 若把高副F改成低副（饺链或移动副），其余的运动副不变，这样的机构能否工作？ 如果能够工作的话，又有什么欠要之处？ 若把高副F改成移动剧，使爪能作平行移动.同时取消杆6，这样的机构能否工作？ 如果能够工作的话，又有什么欠妥之处？ 6、操作机的夹持机械手 图12所示为操作机的夹持机械手。图13为其手指部位机构运动简图。.总构件数 7个，共有8个低副，自由度为F=3X62X8-2,正是由于此机构有两个自由度，才能 同时夹持两个工件，见以下分析。 构件7,1,2,6以及8部分，它是由五个构件组成的平面机构，包含有A、B、C、 D和E共5个低副，自由度为F=3X42X5=2,杆7作为原动件作直线移动，其余构件 9
图 11 平行夹持机械手手指部位机构运动简图 （3）动作过程： 当气缸 1 下端输入压力空气时，将推动活塞带动活塞杆 5 上行作直线运动，通过杆 5 和 6 带动爪 3 作平行移动，从而可抓取工件。当气缸 1 上端输入压力空气时，则松开 爪 3 放下工件。 （4）讨论 若把高副 F 改成低副（铰链或移动副），其余的运动副不变，这样的机构能否工作？ 如果能够工作的话，又有什么欠妥之处？ 若把高副 F 改成移动副，使爪能作平行移动。同时取消杆 6，这样的机构能否工作？ 如果能够工作的话，又有什么欠妥之处？ 6、操作机的夹持机械手 图 12 所示为操作机的夹持机械手。图 13 为其手指部位机构运动简图。总构件数 7 个，共有 8 个低副，自由度为 F=3X6-2X8=2 。正是由于此机构有两个自由度，才能 同时夹持两个工件，见以下分析。 构件 7，1，2，6 以及 8 部分，它是由五个构件组成的平面机构，包含有 A、B、C、 D 和 E 共 5 个低副，自由度为 F=3X4-2X5=2 。杆 7 作为原动件作直线移动，其余构件 9
的运动并不确定。 现在假设工件5比工件3尺寸大。当大工件5给手指6夹住以后，手指6 与机架（气缸）的相对位置固定，剩下的构件7,1,2与机架（气缸8）构成平面四杆 机构。自由度为F-3X3-2X4-1。因此构件1只有一个自由度。 1一扭杆；9一连接杆；3、5一工件；4一挡块；6一手指； 7一杆；8一气缸；9一弹簧 图12操作机的夹持机械手 10 图13操作机的夹持机械手手指部位机构运动简图 分
的运动并不确定。 现在假设工件 5 比工件 3 尺寸大。当大工件 5 给手指 6 夹住以后，手指 6 与机架（气缸）的相对位置固定，剩下的构件 7，1，2 与机架（气缸 8）构成平面四杆 机构，自由度为 F=3X3-2X4=1 。因此构件 1 只有一个自由度。 图 12 操作机的夹持机械手 图 13 操作机的夹持机械手手指部位机构运动简图 10