六自由度搬运机械手的设计【毕业论文+CAD图纸全套】

院 本科毕业设计（论文） 题 目 六自由度搬运机械手的设计 学生姓名 专业班级 机械设计 学 号 院 （系） 学院 指导教师 (职称 ) 完成时间 六自由度搬运机械手的设计 目 录 摘 要 . I . . 绪言 . 1 言 . 1 械手概述 . 2 械手的组成和分类 . 3 手的组成 . 3 手的分类 . 5 械手国内外发展状况 . 5 机器手发展趋势 . 6 机器手研究现状 . 6 械手应用的意义 . 7 课题研究任务 . 8 2. 六自由度搬运机械手的结构设计 . 9 自由度搬运机械手的功能分析 . 9 自由度搬运机械手的坐标形式和自由度 . 9 自由度搬运机械手的坐标形式 . 9 自 由度搬运机械手的自由度 . 13 自由度搬运机械手的手臂结构设计 . 14 自由度搬运机械手的手臂作用 . 14 自由度搬运机械手的手臂组成 . 15 自由度搬运机械手的手臂设计要求 . 15 自由度搬运机械手的手腕部结构设计 . 16 自由度搬运机械手的腕部作用 . 16 自由度搬运机械手的腕部设计要点 . 17 自由度搬运机械手的腕部运动选择 . 17 自由度搬运机械手的手部结构设计 . 18 六自由度搬运机械手的设计 械手手部概述 . 18 钳式手部 . 19 钳式手部设计要点 . 21 自由度搬运机械手的材质选择 . 21 自由度搬运机械手的连接设计 . 22 3. 电路模块的设计 . 23 源开关控制模块 . 23 写接口模块 . 24 片机最小系统设计 . 25 片 . 25 位电路 . 27 钟电路 . 28 4. R/C 伺服电机程序编写 . 29 ，并结合我国在当前工资水平较低的制造业中，尽管仍属于劳动密集型，但机械手的使用却相当普遍这一现状，以及目前世界上对于机械手的整体研究，尤其是六自由度机械手的研究拥有深刻的意义。根据当前世界各先进国家对于机械手的应用情况及各先进国家对于机械手乃至机器人这一领域的深入研究，本文主要从六自由度搬运机械手的结构设计与制作，电路图的设计与绘制，控制系统的程序编写三个方面入手，并分别给予详细的介绍，从而让在校大学生或机器人爱好者能以此为基础，从而自己动手，一步步的从机械手的结构设计与制作，电路图的设计与绘制，控制系统的程序编写，来设计自己的机械手，从而为以后更深层次的研究打下基础。 关键词 六自由度 /搬运 /机械手 /单片机 六自由度搬运机械手的设计 自由度搬运机械手的设计 自由度搬运机械手的设计 自由度搬运机械手的设计 V 六自由度搬运机械手的设计 自由度搬运机械手的设计 自由度搬运机械手的设计 自由度搬运机械手的设计 自由度搬运机械手的设计 X 六自由度搬运机械手的设计 自由度搬运机械手的设计 自由度搬运机械手的设计 自由度搬运机械手的设计 自由度搬运机械手的设计 of of n of at s in a of is of a to in of of of of of in so as to or as in by of of of to of 自由度搬运机械手的设计 1 1. 绪言 言 在工资水平较低的中国，制造业尽管仍属于劳动力密集型，机械手的使用已经越来越普及。那些电子和汽车业的欧美跨国公司很早就在它们设在中国的工厂中引进了自动化生产。但现在的变化是那些分布在工业密集的华南、华东沿海地区的中国本土制造厂也开始对机械手表现出越来越浓厚的兴趣，因为他们要面对工人流失率高，以及交货周期缩短带来的挑战。 机械手可以 确保运转周期的一贯性，提高品质。另外，让机械手取代普通工人从模具中取出零件不仅稳定，而且也更加安全。同时，不断发展的模具技术也为机械手提供了更多的市场机会。 可见随着科技的进步，市场的发展，机械手的广泛应用已渐趋可能，在未来的制造业中，越来越多的机械手将被应用，越来越好的机械手将被创造，毫不夸张地说，机械手是人类是走向先进制造的一个标志，是人类走向现代化、高科技进步的一个象征。 因此如何设计出一个功能强大，结构稳定的机械手变成了迫在眉睫的问题。 图 1业机器人 机器人技术作为 20 世纪人类最伟大的发明之一， 1954 年，美国人 （ 出了一个关于工业机器人的技术方案，随后注册成为专利。 1960 年推出的工业机器人的实验样机。 1961 年推出了定名为“ 第一台工业机器人，用于模铸生产。自 60 年代初问世以来，经历了 40 多年的发展才取得长足的进步。 六自由度搬运机械手的设计 2 在国家标准中，工业机器人被定义为 :“一种能自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的操作机。它能搬运材料、零件或操持工具，用以完成各种作业。”机器人赖以完成各种作业的机械实体 (称作操作机或操作器或机械手 )被定义为 :“具有和人手臂相似的动作功能，可以在空间抓放物体或者进行其他操作的机械装置。”可见，工业机器人是一个机电系统，机械手是它的执行机构。工业机器人在经历了诞生一成长一成熟期后，已成为制造业中不可缺少的核心装备。同时随着社会的发展和人们生活水平的提高，各种各样的机器人也被开发出来去适应制造领域以外 的各个行业。 这些机器人作为机器人家族的后起之秀，由于其用途广泛而大有后来居上之势，仿人形机器人、农业机器人、服务机器人、水下机器人、医疗机器人、军用机器人、娱乐机器人等各种用途的特种机器人纷纷面世，而且正以飞快的速度向实用化迈进。其中移动机器人成为机器人学发展中的一个重要分支。实际上早在 60 年代，国外就有了关于移动机器人的研究。发展到今天，移动机器人涉及到的各学科门类日益丰富，也给国内外的研究人员及学者提出了许多新的挑战，更由于其在军事侦察、排雷排险、防核污染等危险与恶劣环境具有广阔的应用，从而得到了普遍 的关注。 图 1国的“土拨鼠”和“野牛” 图 1游者走出着陆装置 遥控电动排爆机 械手概述 机械手是机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它能模仿人的手和臂的某些动作功能，用以按照固定程序抓取、搬运物件或者操作工具的自动操作装置。在现代化生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手的研制和生产已成为高技术领域内、迅速发展起来的一门新的技术，它更加促进了机械手的发展，六自由度搬运机械手的设计 3 使得机械手能够更好地实现以机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样子灵活，但它具有不断重复工作和劳动，不知疲劳、不怕危险，抓取重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手也受到了许多部门的重视，并越来越广泛地得到应用。 机械手技术涉及到力学、机械学、电气自动控制技术、传感器技术和许多计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。 机械手是一种能够自动化定位控制并可重复编写程序以变动的多功能机器，它有许多的自由度，可用来搬运物体以完成各个不同环境中的工作。 械手的组成和分类 手的组成 机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置说组成。各系 统相互关系如下方框图 1示。 图 1械手组成部分 （ 1）执行机构 包括 手 部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。 即与物件接触的部件。由于与物体接触的形式不同，可以分为夹持式和吸附式。在本课题中我们选用的是夹持式手部结构。夹持式手部由手指（或手抓）和传力机构组成。手指是与物体直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单、制造容易，故应用较广泛。平移型运用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物体的表面形状、被抓部位（是外廓还是内孔）和物体的重量及尺寸。常用的指型有平面的、 V 型面的和曲面的；手 指驱动机构 执行机构 控制机构 位置检测装置 六自由度搬运机械手的设计 4 有外夹式和内撑式；指数有双指、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生加紧力来完成夹放物体的任务。传力机构型式较多，时常用的有：滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杆螺母弹簧式和重力式等。 是连接手部和手臂的部件，并可用来调整抓取物件的方位（即姿势）。 手臂是支撑被抓取物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按照预定要求将其搬运到指定的位置。工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与 驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动。 立柱是支撑手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系，机械手的立柱因工作需要，有时也做横向运动，即称为可移式立柱。 当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可以在基座上安装轮式行走机构，可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整体运动，滚轮式分为有轨和无轨的两种。驱动滚轮运动应另增设机械传动装置。 基座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均装在基座上。故能起到支撑和连接的作用。 （ 2）驱动系统 驱动系统是驱动工业机械手执行机构的动力装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。控制系统是支配工业机械手按规定要求运动系统。目前机械手的控制系统一般由程序控制系统或电气定位（机械挡块定位）系统组成。 （ 3）控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。控制系统有电气控制和射流控制 两种，它支配着机械手按照规定的程序运动，并记忆人们给予机械手六自由度搬运机械手的设计 5 的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度和时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生错误时发出报警信号。 （ 4）位置检测装置 控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。 手的分类 机械手一般分为三类： 需要人工操作的通用机械手。 它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编写程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能以外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。 需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来探测月球等。工业上应用的锻造操作机也属于这一范畴。 专用机械手，其特点具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，所以主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和运送工件。这种机械手在国外称为 它是为主机服务的，有主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。 在我国，目前主要是采用第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题设计的是教学演示用关节式通用机械手。 械手国内外发展状况 机械手 是 一种模拟人手操作的自动机械。它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。应用机械 手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全 ， 因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。 20 世纪 40 年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料，人在安全 间 操纵机械手进行各种操作和实验。 50 年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为机床的辅助装置在自动机床、 自动生产线 和 加工中心 中应用 ， 完成上下料或从刀库中取放刀具并按固定程序更换刀具等操作。 六自由度搬运机械手的设计 6 机械手 主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体 ， 需有 6 个自由度 。自由度是机械手设计的关键参数 。自由 度越多 ， 机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有 2 3 个自由度 。 机器手发展趋势 （ 1）工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从 1991 的 美元下降到 1997 年的 65 万美元。 （ 2）机械结构向模型化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化：由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问世。 （ 3）工业机器人控制系统向基于 的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制规模越来越小巧，且采用规模化结构；大大提高了系统的可靠性 、易操作性和可维修性。 （ 4）机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用了视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 （ 5）虚拟现实技术在机器人中的作用已经从仿真、预演发展到过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操作机器人。 （ 6）当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即 遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室，进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的著名实例。 机器手研究现状 从 1994 年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已经成为国际研究的六自由度搬运机械手的设计 7 热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从 80 年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术，、运动学和轨迹规划技术，生产力部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点 焊、装配、搬运等机器人；其中有 130 多台喷漆机器人在 20 余家企业的近 30 调生产线上获得规模应用，弧焊机器人以应用于汽车制造厂的装配焊接线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及工程应用和国外还是有一定的距离，如：可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术和国外比还有差距；在应用规模上，我国已安装的国产工业机器人约200 台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规模多、批量小、零部件通用化程度降低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面的规划、搞好系列化、通用化、模块化设计、积极推进产业化进程。我国的智能机器人和特种机器人在“ 863”计划的支持下，也取得了不少的成果。其中最为突出的是水下机器人， 6000m 水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、爬行机 器人、管道机器人等好几种；在机器人的视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定基础的发展。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主型遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距很大，需要在原有成绩上，有重点的系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期待在“十五”后期立于世界先进水平之列。 械手应用的意义 随着科学技术的发展，机械手也越来越多的被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电 镀都有应用的实例。 在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： （ 1）可以提高生产过程的自动化程度 应用机械手有利于实现材料的传送、工件装卸、刀具的更换以及机械的装配等的机械化程度，从而提高劳动生产率和降低劳动成本。 （ 2）可以改善劳动条件、避免人生事故 在高温、高压、低温、低压、有尘灰、噪音、臭味、有放射性和其他毒物污染，六自由度搬运机械手的设计 8 以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险或者根本不可能的。而应用机械手即可部分或者全部代替人安全的完成作业，使劳动条件有所改善。在一些简单、重复，特别是较为笨重的作业中，以机械手代替人手进行工作，可以避免由于疲劳或疏忽造成的人身事故。 （ 3）可以减少人力，并便于有节奏地生产 应用机械手代替人手进行工作，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工作，这是减少人力的另外一个侧面。因此，在自动化和综合加工自动线上，目前基本 上都设有机械手，用以减少人力和能更准确地控制生产节拍，便于有节奏的生产。 课题研究任务 本课题主要从对机械手的认识及其概念初步入手，了解机械手的定义、分类、作用、特征等，并由此进一步总结出机械手的主要组成部分 手臂、手指、手腕及机械手的传动系统，电路与程序组成的控制系统，分析机械手的工作原理和总体结构，针对机械手所要完成物品的抓取、移动和放置等任务，进行相关外观结构设计，并针对机械手的传动系统以及驱动系统予以改进。在本课题中，此机械手主要从事于机械行业的教学任务，采用简单的结构设置， 从而让在校大 学生或机器人爱好者能以此为基础，从而自己动手，一步步的从机械手的结构设计与制作，电路图的设计与绘制，控制系统的程序编写，来设计自己的机械手，从而为以后更深层次的研究打下基础。所以本课题的主要任务是： （ 1）利用 008 三维制图软件对该机构中的基座、肩、手臂、手腕、手指及其传动系统中的齿轮啮合予以建模设计，用三维图形展示该机构的具体机构。 （ 2）用 制装配图以及主要的零件图。 （ 3）用 件进行电路图的设计与绘制。 （ 4）用 行 控制程序的设计与编写。 六自由度搬运机械手的设计 9 2. 六自由度搬运机械手的结构设计 根据机械手的基本要求能快速、准确地拾起 就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任一位置都能自动定位等特征。设计原则是：充分分析作业对象（工件）的作业技术要求，拟定最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，从而进一步确定对该机械手结构和运行控制的要求；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，并能实现柔性转接和编程控制。本课题设计的是一种小型的多关节式六自由度机械手，能够满足相应的动作要求，并对一些小质量工件实现抓取、搬运等一些列动作。 自由度搬运机械手的功能分析 该机械手系统共有 6 个自由度，分别为肩的回转与曲摆，大臂的曲摆，小臂的曲摆，手腕的曲摆与回转，以及手抓的回转。 该系统中基座固定，与基座相连的肩可以进行 360 度的回转；与肩相连接的大臂可以进行 +90 度曲摆，与大臂相连接的小臂可以进行 +90 度曲摆，大臂和小臂动作幅度较大，可以满足俯仰要 求。手腕可以进行 360 度的旋转，手腕也可以完成 +90 度的曲摆，末端的手爪部分可以 +90 度夹持，手爪部分通过一对齿轮的啮合转动，及其四杆机构完成手爪的开合，可以满足夹持工件的要求。 通过预先编好的程序，下载到单片机内，从而使该六自由度搬运机械手能独立的完成一套指定的搬运动作，并一直重复进行下去！ 自由度搬运机械手的坐标形式和自由度 自由度搬运机械手的坐标形式 按机械手手臂的不同运动形式及组合情况，其坐标形式可以分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。 （ 1）直角坐标式机械手 直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可以伸缩，左右和上下移动，按照直角坐标形式 x、 y、 z 三个方向的直线运动，其工作范围可以是 1 个直线运动、 2 个直线运动或 3 个直线运动。如在 x、 y、 10 三个直线运动方向上各有 A、 B、 C 3 个回转运动，即构成了 6 个自由度。如图 2角式坐标机械手具有以下优点： 产量大、节拍短，能满足高速的要求。 容易与生产线上的传送带和加工装配机械相配合。 适于装箱类、多工序复杂的工作，定位容易改变。 定位精度高，可以达到 下，载重变化时不会影响精度。 易于实行数控，可于开环或闭环数控机械配合使用。 但是，直角坐标式机械手也有自身的缺点，这种机械手作业范围较小 图 2角式坐标机械手 （ 2）圆柱坐标式机械手 圆柱坐标式机械手是应用最多的一种形式，它适用于搬运和测量工件。具有直观性好、结构简单、本体占用空间较小的特点。其动作范围可以分为：一个旋转运动、一个直线运动加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动，如上图 2示： 图 2柱直角坐标式机械手 圆柱坐标式机械手的基本动作 六自由度搬运机械手的设计 11 A. 手臂水平回转。 B. 手臂伸缩。 C. 手臂上下。 D. 手臂回转运动。 E. 手爪夹紧动作。 圆柱坐标式机械手的特征 圆柱坐标式机械手的特征是垂直导柱上装有滑动套筒，手臂装在滑动套筒上，手臂可以做上下直线运动 （ z） 和水平面内做圆弧状的左右摆动 （ ）。 （ 3）球坐标式机械手 球坐标式机械手是一种自由度较多、用途较广的机械手。它是由 x、 、 3 个方面的运动组成，如下图 2示： 图 2坐标式机械手 图中： X 手臂伸缩 上下俯仰 水平旋转 1 手腕摆动 手腕旋转 球坐标式机械手的工作范围包括一个旋转运动、两 个旋转运动、两个旋转运动加一个直线运动。 球坐标式机械手的基本动作 俯仰运动。 回转运动。 伸缩运动。 六自由度搬运机械手的设计 12 球坐标机械手的特点 球坐标机械手的特点是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内做圆弧上下俯仰运动，它的臂可以伸缩，横向水平摆动，还可以上下摆动，工作范围和人手的动作相似。它的特点是能自动选择最合理的动作线路，所以工效高。另外，由于上下摆动，它的相对体积小。而动作范围大。以行程为 203工作油缸为例，其手臂的上下移动距离就能达到 2450采用圆柱坐标式则其高度就要达到2450坐标式机械手作业范围可以达到 9其他形式约大 3 5 倍。 （ 4）关节式机械手 关节式机械手是一种适合于靠近机体操作的传动形 式。它像人手一样有关节，可以实现多个自由度，动作比较灵活，适合于窄空间工作。早在 20 实际 40 年代，关节式机械手就在原子能工业中得到应用，随后又应用于海洋开发，有一定的发展前途。 关节式机械手有大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动，见下图 2 图 2节式机械手 关节式机械手具有上肢结构，可以实现近似人手操作的机能，表 2关节式机械手与人体上肢动作角度对比： 六自由度搬运机械手的设计 13 表 2 关节式机械手与人体上肢动作角度对比 肩旋转 上臂曲摆 下臂曲摆 下臂旋转 手腕曲摆 手臂曲摆 手旋转 人体上肢 800 900 0 450 +650 +900 +900 关节式机械手 1800 900 900 1800 800 1800 为具有人手操作的机能，需要研制最合适的结构。关节式机械手的传动机构采用齿轮式、齿条式和摆动式。其传动机构采用哪一种形式，主要根据工件的轻重来决定。特别是靠近关节式前端的关节部位的重量对肩部影响很大。传动机构在承受负荷的同时必须承受自重，因此要合理进行其结构设计。 通常把传送机构的运动称为传送机构的自由度。人从手指到肩部共有 27 个自由度。而如将机械手的手臂也制成这样多的自由度，既有困难又不必要。从力学的角度分析，物件在空间只有 6 个自由度。因此为抓取和传送在空间不同位置和方位的物件，传送机构应具有 6 个自由度，三个沿 x、 y、 z 坐标轴的移动和三个沿 x、 y、 z 轴的转动。 自由度搬运机械手的自由度 自由度是指机械手各运动部件在三维空间坐标轴上说具有的独立运动数。它的构成和工作范围概括如下： （ 1）一个自由度 成直线。 成曲线 。 （ 2）两个自由度 成平面。 成平面。 成圆柱曲面。 （ 3）三个自由度 成立方体。 成圆柱体。 成球体。 六自由度搬运机械手的设计 14 有上述可见，要达到空间任意一点，原则上需要 3 个运动轴，而把一件工具送到相应工件的一定位置时又需要 3 个运动轴。因此，一台通用机械手能够达到空间任意点，并将工具送到相对于工件的任意位置，最低限度需要 6 个运动轴，其中位置自由度为 3 个，姿态自由度为 3 个。 综合考虑，本课题设计采用多自由度关节式形式。相应的机械手具有 6 个自由度，包括： 整体结构简图，如下图 2示： 图 2节式机械手结构简图 自由度搬运机械手的手臂结构设计 自由度搬运机械手的手臂作用 手臂一般有三个运动，包括伸缩、旋 转和升降，实现旋转、升降运动主要由横臂和立柱完成。手臂的基本作用是将手爪移动到所需位置和承受手爪抓取工件的最大重量，以及手臂自身的重量。 六自由度搬运机械手的设计 15 自由度搬运机械手的手臂组成 （ 1）运动元件，如：油缸、气缸、齿条、凸轮等是驱动手臂的主要运动部件。 （ 2）导向装置，是保证手臂运动的正确方向及承受由于工件的重量说产生的弯矩和扭矩的力矩。 （ 3）手臂，起着承接外力和连接的作用，手臂上的零部件，如：油缸、导向杆、控制件都安装在手臂上。 自由度搬运机械手的手臂设计要求 （ 1）该系统中手臂应承受能力较 大，刚性好，自重轻 手臂的刚性直接影响到手臂抓取工件的平稳性，运动的速度和定位精度。如果刚性差，则会引起手臂在垂直平面内弯曲变形或水平面内的扭转变形，手臂就会产生振动，或工作时工件卡死无法工作。因此，手臂一般都采用硬度高的材质来加大手臂的刚度，各支撑、连接件的刚性也有一定的要求，以保证能承受所需的驱动力。 （ 2）手臂的运动速度要适当，惯性要小 机械手的运动速度一般是根据产品的生产节拍要决定的，但是不要盲目追求高速。手臂由静止状态到达正常运动速度称为启动，由常速到停止不动为制动，其速度变化过程为速度特征曲线。 手臂要满足自重轻，自身的惯性矩小，其启动和停止的平稳性就好。 （ 3）手臂动作要灵活 手臂的结构要紧凑小巧，才能使手臂运动轻快、灵活。此外，对于悬臂式的机械手，还要考虑零件在手臂的布置，就是要计算手臂移动零件时的重量对回转、升降和支撑中心的偏重力矩。偏重力矩对对手臂的运动不利，偏重力矩过大，会引起手臂的震动，在升降时还会发生一种沉头现象，会影响运动的灵活性，严重时手臂与立柱会卡死。所以在设计中要尽量使手臂重心通过回转中心，或者离回转中心尽量接近，以减小偏重力矩。对于双臂同时操作的机械，则应使两臂的分布尽量对称 于中心，以达平衡。 （ 4）通用性强，能够适应多种作业；工艺性好，便于维修调整 以上的种种要求，有时往往相互矛盾，刚性好、载重大，结构往往粗大，增加手臂自重；转动惯量增加，冲击力就大，位置精度就越低。因此，设计手臂时，需要根据机械手抓取速度、自身重量、抓取重量、自由度、工作范围及机械手的整体布局和六自由度搬运机械手的设计 16 工作条件等各种因素考虑，以达到动作精准、可靠、灵活、结构紧凑、刚度大、自重小，从而保证一定的位置精度和适应快速动作。此外，对于热加工的机械手，还要考虑热辐射、手臂要较长，远离热源，并须装冷却装置。 综合考虑，确定其大臂和小臂三维模型如下图 2示： 图 2械手大臂（左），小臂（右）三维模型图（附舵机） 自由度搬运机械手的手腕部结构设计 自由度搬运机械手的腕部作用 工业机械手的手腕部件设置于手部和手臂之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。 工业机械手是否设置腕部，需要根据具体情况而定。对于那些动作较简单的专用机械手，为简化结构，可以不设置腕部，而直接由臂部的运动驱使手部实现搬运工件或操作工具。但有时单靠臂部运动往往行动不便，或者显得很不经济，这就有必要设六自由度搬运机械手的设计 17 置腕部。尤其在运动空间受控制，不可能由臂部运动来完成动作要求的情况下，更有必要设置腕部。显然，对于课题所研究的通用机械手来说，要求动作的适应性较广，是有必要设置腕部的。 自由度搬运机械手的腕部设计要点 （ 1）力求结构紧凑、重量轻 腕部处于臂部的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂 部承受。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，对于六自由度机械手系统中，在腕部设计时，必须力求结构、重量轻。从现有的腕部结构看来，用机械传动的腕部，已有三个活动度，腕部的旋转和其他部件的运动配合，