六自由度搬运机械手结构设计(2)

A.一个直线运动，构成直线。 B.一个旋转运动，构成曲线。 （2）两个自由度

A.两个直线运动，构成平面。

B.一个直线运动加一个在直线运动所在平面的旋转运动，构成平面。 C.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，构成圆柱曲面。 （3）三个自由度

A.三个直线运动，构成立方体。

B.两个直线运动和一个旋转运动，构成圆柱体。 C.一个直线运动和两个旋转运动构成球体。 D.三个旋转运动，构成球体。

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：1.肩的旋转 2.大臂的曲摆 3.小臂的曲摆 4.手腕的曲摆 5.手腕的旋转 6.手部的夹持。其整体结构简图，如下图2-5所示：

图2-5 关节式机械手结构简图

2.3 六自由度搬运机械手的手臂结构设计

2.3.1 六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。

2.3.2 六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。

2.3.3 六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2-6所示：

图2-6 机械手大臂（左），小臂（右）三维模型图（附舵机）

2.4 六自由度搬运机械手的手腕部结构设计

2.4.1 六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。

2.4.2 六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，可以完成整个机械手的多方位工作，完成其操作任务。

（2）综合考虑，合理布局

腕部作为机械手的执行机构，又承担着连接和支撑作用。不仅要保证力和运动的要求，而且要具有足够的强度和刚度。

（3）必须考虑工作条件

对于高温作业和在腐蚀介质中工作的机械手，其腕部与手部经常在高温区域或腐蚀介质中停留与作业，直接受高温辐射的影响或易于腐蚀。因此，在设计时应充分估算对机械手腕部的不良影响（如：热膨胀、压力油的燃点及其粘度、有关材料及电控电测元件的耐热性能等），采取相应的措施，保证机械手腕部仍有良好的工作性能和较长的使用寿命。由于本课题研究的机械手属于教学演示型，工作条件可以不予考虑。

2.4.3 六自由度搬运机械手的腕部运动选择

多关节型机械手腕部工作的情况和直线型机械手不完全相同。如果没有腕部的运动，手部在提取水平安放的工件后做水平回转时，工件的轴线方向每一瞬间都在改变（沿着手臂回转的圆周切线方向）。如果在臂部水平回转的情况下能够根据要求改变工件方向，必须增加腕部摆动这一自由度。这样，从表面上看，似乎腕部的摆动和臂部的水平回转动作重复了，而实际上臂部的水平回转主要是实现工件的移位，腕部的曲摆是为了实现工件在水平面内不同位置时的定向运动，不能互相替代。

如果要将水平放置的工件改变为垂直放置，必须要有腕部绕自身轴轴的旋转运动才能实现（转90度）。也就是说有了腕部的旋转运动，就可以实现工件的调头和翻身。如果腕部同时具有旋转和曲摆这两个自由度，那么手部既可以水平提取工件，也可以垂直提取工件。

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