六自由度搬运机械手结构设计

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-放下搬运物件，这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。

2.1 六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～+90度曲摆，与大臂相连接的小臂可以进行-90～+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～+90度的曲摆，末端的手爪部分可以-90～+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！

2.2 六自由度搬运机械手的坐标形式和自由度

2.2.1 六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、z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2-1所示，直角式坐标机械手具有以下优点：

①产量大、节拍短，能满足高速的要求。

②容易与生产线上的传送带和加工装配机械相配合。 ③适于装箱类、多工序复杂的工作，定位容易改变。

④定位精度高，可以达到±0.5mm以下，载重变化时不会影响精度。 ⑤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2-1 直角式坐标机械手

（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2-2所示：

图2-2 圆柱直角坐标式机械手 ① 圆柱坐标式机械手的基本动作 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。 ② 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（Φ）。

（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、θ、Φ3个方面的运动组成，如下图2-3所示：

图2-3 球坐标式机械手

图中：X—手臂伸缩 θ—上下俯仰 Φ—水平旋转 θ1—手腕摆动

ω—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。

① 球坐标式机械手的基本动作

A.手臂上下运动，即俯仰运动。 B.手臂左右运动，即回转运动。 C.手臂前后运动，即伸缩运动。 D.手腕上下弯曲。 E.手腕左右摆动。 F.手腕旋转运动。 G.手爪夹紧运动。 H.机械手整体移动。 ② 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203mm的工作油缸为例，其手臂的上下移动距离就能达到2450mm。若采用圆柱坐标式则其高度就要达到2450mm。球坐标式机械手作业范围可以达到9m3，较其他形式约大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2-4所示：

图2-4 关节式机械手

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2-1为关节式机械手与人体上肢动作角度对比：

表2-1： 关节式机械手与人体上肢动作角度对比

人体上肢 关节式机械手 肩旋转 ±800 ±1800 上臂曲摆 ±900 ±900 下臂曲摆 0～-1300 ±900 下臂旋转 -450～+650 ±1800 手腕曲摆 -600～+900 ±800 手臂曲摆 -600～+900 — 手旋转 — ±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。

2.2.2 六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

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