机械手设计包括机械结构设计，检测传感系统模块设计和控制管理系统设计等，是机械、电子、检测、控制和计算机技术的综合应用。本课题通过对设计的基本要求的分析，设计出机械手的总体方案，重点阐述了手部结构的设计以及控制管理系统硬软件的设计，完成了总系统工作的动画设计。实现了机械手的基本搬运功能，达到了预期要求，具有一定的应用前景。
随着世界经济和技术的发展，人类活动的逐步扩大，机器人应用正迅速向社会生产和生活的所有的领域扩展，也从制造领域转向非制造领域，各种各样的机器人产品随之出现。像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出了自动化各机器人化的要求。随机器人的产生和大量应用，很多领域，许多单一、重复的机械工作由机器人（也称机械手）来完成。
工业机器人是一种能进行自动控制的、可重复编程的，多功能的、多自由度的、多用途的操作机, 广泛采用工业机器人，不仅可提升产品的质量与产量，而且对保障人身安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产所带来的成本，有着十分重要的意义。和计算机、网络技术一样，工业机器人的大范围的应用正在日益改变着人类的生产和生活方式。
机械手是一种模仿人手动作，并按设定的程序来抓取、搬运工件或夹持工具，机械手可在空间抓放物体，动作灵活多样，适用于可变换生产品种的中、小批量自动化生产，广泛应用于自动生产线、自动机的上下料、数控设备的自动换刀装置中。机械手一般由执行系统、驱动系统、控制管理系统和人工智能组成，主要完成移动、转动、抓取等动作。
控制系统是机械手的指挥系统，它经过控制驱动系统，让执行器依规定的要求做工作，并检测其正确与否。可编程控制器（PLC）是一种数定运算操作的电子系统，它将逻辑运算、顺序控制、时序、计数、算术运算等控制程序，用指令形式存放在存储器中，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或生产的全部过程。与继电器控制线路相比，PLC具有可靠性高、抗干扰能力强；编程简单、使用起来更便捷；设计、安装容易，维护工作量少；功能完善、通用性强；体积小、能耗低等特点。因此，机械手控制管理系统越平越多的由可编程控制器来实现。
根据主要的运动参数选择运动形式是结构设计的基础。常见机器人的运动形式有四种，下面分别论述其特点，然后确定运动形式。
直角坐标型机器人的结构简图如图1-1所示，它在x,y,z轴上的运动是独立的，3个关节都是移动关节，关节轴线相互垂直，它大多数都用在生产设备的上下料，也可用于高精度的装卸和检测和作业。这种形式的主要特征是：
圆柱坐标型机器人的结构简图如图1-2所示，R、θ和x为坐标系的三个坐标，其中R是手臂的径向长度，θ是手臂的角位置，x是垂直方向上手臂的位置。这种形式的主要特征是：
极坐标型机器人又称为球坐标机器人，其结构图如图1-3所示，R，θ和β为坐标系的坐标。其中θ是绕手臂支撑底座垂直轴的转动角，β是手臂在铅垂面内的的摆动角。这种机器人运动所形成的轨迹表面是半球面。其特点是：
多关节机器人结构简图如图1-4所示，它是以其各相邻运动部件之间的相对角位移作为坐标系的。θ、α和φ为坐标系的坐标，其中θ是绕底座铅垂轴的转角，φ是过底座的水平线与第一臂之间的夹角，α是第二臂相对于第一臂的转角。这种机器人手臂能够达到球形体积内绝大部分位置，所能达到区域的形状取决于两个臂的长度比例。其特点是：
机器人关节的驱动方式有液压式、气动式、和电动式。下面将三种驱动方式来进行分析比较。
(1)液压容易达到较高的压力（常用液压为 2.5～6.3MPa），体积较小，可以
(4)液压系统采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性能，能大大的提升机械效率，
液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，常用于大型机器人关节的驱动。
(1)压缩空气常用压力为0.4～0.6MPa，若要获得较大的力，其结构就要相对
电动机驱动可分为普通交、直流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。
普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型机器人。伺服电动机和步进输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型机器人。交、直伺服电动机一般用
于闭环控制管理系统，而步进电动机则大多数都用在开环控制管理系统，通常用于速度和位置精度要求不高的场合。
根据圆柱坐标型运动方式和气压驱动方式的选定，对机械手进行总体结构的设计，机械结构由摆动气缸、双联气缸、单联气缸和气爪组成，结构图如图1-5所示。
机械手的手部是最重要的执行机构，是用来握持工件的部件。常用的手部按其握持原理可大致分为夹持类和吸附类两大类，本课题采用夹持类手部。夹持类手部又可分夹钳式、托勾式和弹簧式。本课题选用夹钳式，它是工业机器人最常见的一种手部。手部传动机构可分回转型、平动型和平移型。回转型的特点是当手爪夹紧和松开物体时，手指作回转运动。当被抓物体的直径大小变化时，需要调整手爪的位置才能保持物体的中心位置不变。平动型的特点是手指由平行四杆机构传动，当手爪夹紧和松开物体时，手指姿态不变，作平动。和回转型手爪一样，夹持中心随被夹持物体直径的大小而变。平移型的特点是当手爪夹紧和松开工件时，手指作平移运动，并保持夹持中心固定不变，不受工件直径变化的影响。为便于夹持避免固定中心的麻烦，采用平移型，图2-1所示的是靠导槽保持手指作平移运动。手部结构也采用气压驱动。
机器人手臂停止状态开始的直线运动和旋转运动的组合，所以伴随有速度和加速度.工件有了加速度，其视在重量就变化。设机械手手部纵向中心线上所加的驱动力为P ，P ＝气缸有效截面积×使用的气压×η.作用在一个指尖上的夹紧力为Q （方向沿手指的运动方向）.设两个手指以摩擦力2μQ ，工件重量为G=mg.夹起工件要计算的是单个手指所必须的力Q.
如图2-2所示，工件以加速度a 垂直上升，要使工件不掉下，下式必须成立. 20Q mg ma μ-->
得2a g Q m μ
由设计要求得知夹持长度L＝25mm,根据图2-5可知所加的压强约为0.5MPa.
机械手移动工件的单个工作流程由复位到初始位置、将机械手移动到工件处、夹紧工件、将工件移动到目标位置、放下工件和移动到初始位置6个过程组成。机械手移动工件通过PLC平控制，能轻松实现这6个过程全自动依次运行。
由于本机械手采用气动传动，为方便检测，选用磁性开关作为传感器。安装在气缸外部即可。机械手移动工件通过磁性限位开关与电磁阀来控制。
电磁阀、左移电磁阀、右移电磁阀、上移电磁阀、下移电磁阀来实现，移动或转动的最大位置由左转限位开关SL0、右转限位开关SL1、左移限位开关SL2、右移限位开关SL3、上移限位开关SL4、下移限位开关SL5来控制。
该系统要求机械手可以自动进行工作，转动时要求回转半径最小，要具体控制要求如下：
⑩到达最上端后，机械手开始左转，真到左转限位开关检测到信号，此时机械手已加到初始位置。
由于机械手控制管理系统的输入/输出接点少，要求性能好价格低，编程简单，维护方便，机身小巧，故选用三菱公司的FX1N-24MR-001型号。市场为3330元。该机有14个输入点，10个输出点，辅助继电器1536点，定时器256点，计数器235点，数据寄存器8000点。
这个控制管理系统夹紧工件需要定时器来控制夹紧程度。时间设为3秒。定时器分配如表3-2所示。
此程序用步进指令编写较为方便直观。根据流程图。可画出状态图，如图3-5所示。
为了使视觉动态效果逼真突出，选用优秀的三维动画软件3ds max来制作。4.1建立机械手模型
机械手的建模最简单，通过创建标准基本体与扩展基本体即可建立气缸、气爪等。如图4-1，4-2所示。
创建六角螺母时，先创建图形中的多边形。再经过仔细修改\修改器列表，选择挤出，完成六边形的拉伸。如图4-3，4-4所示。
3d max 基础动画最简单，通过激活自动关键点按钮，为物体的移动、旋转、缩放等变换参数记录动画。制作机械手的动画，还要用到层次式关系和FK。首先了解什么是层次关系。比如我们要制作人的手臂动画。我们大家都希望这样来控制：对人物的上臂作旋转操作，上臂的运动自动带动了小臂、手腕、手掌、手指等肢体的运动。这种用一个物体的运动可以带动其他肢体运动的动画关系在3ds max 中我们称其为层次关系。在这个动画关系中，上臂的运动决定了小臂的运动，小臂会跟随上臂的运动而运动；那么在3ds max 中上臂称为小臂的父物体，小臂则称为上臂的子物体。
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