1、2. 六自由度搬運機械手的結構設計根據機械手的基本要求能快速、準確地拾起-放下搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任一位置都能自動定位等特征。設計原則是：充分分析作業對象（工件）的作業技術要求，擬定最合理的作業工序和工藝、并滿足系統功能要求和環境條件；明確工件的形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數等，從而進一步確定對該機械手結構和運行控制的要求；盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現柔性轉接和編程控制。本課題設計的是一種小型的多關節式六自由度機械手，能夠滿足相應的動作要求，并

2、對一些小質量工件實現抓取、搬運等一些列動作。 2.1 六自由度搬運機械手的功能分析該機械手系統共有6個自由度，分別為肩的回轉與曲擺，大臂的曲擺，小臂的曲擺，手腕的曲擺與回轉，以及手抓的回轉。該系統中基座固定，與基座相連的肩可以進行360度的回轉；與肩相連接的大臂可以進行-90+90度曲擺，與大臂相連接的小臂可以進行-90+90度曲擺，大臂和小臂動作幅度較大，可以滿足俯仰要求。手腕可以進行360度的旋轉，手腕也可以完成-90+90度的曲擺，末端的手爪部分可以-90+90度夾持，手爪部分通過一對齒輪的嚙合轉動，及其四桿機構完成手爪的開合，可以滿足夾持工件的要求。通過預先編好的程序，下載到單片機內，

3、從而使該六自由度搬運機械手能獨立的完成一套指定的搬運動作，并一直重復進行下去！2.2 六自由度搬運機械手的坐標形式和自由度 六自由度搬運機械手的坐標形式按機械手手臂的不同運動形式及組合情況，其坐標形式可以分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關節式。（1）直角坐標式機械手直角坐標式機械手是適合于工作位置成行排列或傳送帶配合使用的一種機械手。它的手臂可以伸縮，左右和上下移動，按照直角坐標形式x、y、z三個方向的直線運動，其工作范圍可以是1個直線運動、2個直線運動或3個直線運動。如在x、y、z三個直線運動方向上各有A、B、C 3個回轉運動，即構成了6個自由度。如圖2-1所示，直角式坐標機械手具有以

4、下優點：產量大、節拍短，能滿足高速的要求。容易與生產線上的傳送帶和加工裝配機械相配合。適于裝箱類、多工序復雜的工作，定位容易改變。定位精度高，可以達到±0.5mm以下，載重變化時不會影響精度。易于實行數控，可于開環或閉環數控機械配合使用。但是，直角坐標式機械手也有自身的缺點，這種機械手作業范圍較小 圖2-1 直角式坐標機械手（2）圓柱坐標式機械手圓柱坐標式機械手是應用最多的一種形式，它適用于搬運和測量工件。具有直觀性好、結構簡單、本體占用空間較小的特點。其動作范圍可以分為：一個旋轉運動、一個直線運動加一個不在直線運動所在平面內的旋轉運動，如上圖2-2所示： 圖2-2 圓柱直角坐標式機

5、械手 圓柱坐標式機械手的基本動作A. 手臂水平回轉。B. 手臂伸縮。C. 手臂上下。D. 手臂回轉運動。E. 手爪夾緊動作。 圓柱坐標式機械手的特征圓柱坐標式機械手的特征是垂直導柱上裝有滑動套筒，手臂裝在滑動套筒上，手臂可以做上下直線運動（z）和水平面內做圓弧狀的左右擺動（）。（3）球坐標式機械手球坐標式機械手是一種自由度較多、用途較廣的機械手。它是由x、3個方面的運動組成，如下圖2-3所示：圖2-3 球坐標式機械手圖中：X手臂伸縮 上下俯仰 水平旋轉 1手腕擺動 手腕旋轉球坐標式機械手的工作范圍包括一個旋轉運動、兩個旋轉運動、兩個旋轉運動加一個直線運動。 球坐標式機械手的基本動作A.手臂上下

6、運動，即俯仰運動。B.手臂左右運動，即回轉運動。C.手臂前后運動，即伸縮運動。D.手腕上下彎曲。E.手腕左右擺動。F.手腕旋轉運動。G.手爪夾緊運動。H.機械手整體移動。 球坐標機械手的特點球坐標機械手的特點是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內做圓弧上下俯仰運動，它的臂可以伸縮，橫向水平擺動，還可以上下擺動，工作范圍和人手的動作相似。它的特點是能自動選擇最合理的動作線路，所以工效高。另外，由于上下擺動，它的相對體積小。而動作范圍大。以行程為203mm的工作油缸為例，其手臂的上下移動距離就能達到2450mm。若采用圓柱坐標式則其高度就要達到2450mm。球坐標式機械手作業范圍可以

7、達到9m3，較其他形式約大35倍。（4）關節式機械手關節式機械手是一種適合于靠近機體操作的傳動形式。它像人手一樣有關節，可以實現多個自由度，動作比較靈活，適合于窄空間工作。早在20實際40年代，關節式機械手就在原子能工業中得到應用，隨后又應用于海洋開發，有一定的發展前途。關節式機械手有大臂和小臂的擺動，以及肘關節和肩關節的運動，見下圖2-4所示： 圖2-4 關節式機械手關節式機械手具有上肢結構，可以實現近似人手操作的機能，表2-1為關節式機械手與人體上肢動作角度對比：表2-1： 關節式機械手與人體上肢動作角度對比肩旋轉上臂曲擺下臂曲擺下臂旋轉手腕曲擺手臂曲擺手旋轉人體上肢±800&#

8、177;9000-1300-450+650-600+900-600+900關節式機械手±1800±900±900±1800±800±1800為具有人手操作的機能，需要研制最合適的結構。關節式機械手的傳動機構采用齒輪式、齒條式和擺動式。其傳動機構采用哪一種形式，主要根據工件的輕重來決定。特別是靠近關節式前端的關節部位的重量對肩部影響很大。傳動機構在承受負荷的同時必須承受自重，因此要合理進行其結構設計。通常把傳送機構的運動稱為傳送機構的自由度。人從手指到肩部共有27個自由度。而如將機械手的手臂也制成這樣多的自由度，既有困難又不必要。從力學

9、的角度分析，物件在空間只有6個自由度。因此為抓取和傳送在空間不同位置和方位的物件，傳送機構應具有6個自由度，三個沿x、y、z坐標軸的移動和三個沿x、y、z軸的轉動。 六自由度搬運機械手的自由度自由度是指機械手各運動部件在三維空間坐標軸上說具有的獨立運動數。它的構成和工作范圍概括如下：（1）一個自由度A.一個直線運動，構成直線。B.一個旋轉運動，構成曲線。（2）兩個自由度A.兩個直線運動，構成平面。B.一個直線運動加一個在直線運動所在平面的旋轉運動，構成平面。C.一個直線運動加一個不在直線運動所在平面內的旋轉運動，構成圓柱曲面。（3）三個自由度A.三個直線運動，構成立方體。B.兩個直線運動和一個

10、旋轉運動，構成圓柱體。C.一個直線運動和兩個旋轉運動構成球體。D.三個旋轉運動，構成球體。有上述可見，要達到空間任意一點，原則上需要3個運動軸，而把一件工具送到相應工件的一定位置時又需要3個運動軸。因此，一臺通用機械手能夠達到空間任意點，并將工具送到相對于工件的任意位置，最低限度需要6個運動軸，其中位置自由度為3個，姿態自由度為3個。綜合考慮，本課題設計采用多自由度關節式形式。相應的機械手具有6個自由度，包括：1.肩的旋轉 2.大臂的曲擺 3.小臂的曲擺 4.手腕的曲擺 5.手腕的旋轉 6.手部的夾持。其整體結構簡圖，如下圖2-5所示：圖2-5 關節式機械手結構簡圖2.3 六自由度搬運機械手的

11、手臂結構設計2.3.1 六自由度搬運機械手的手臂作用手臂一般有三個運動，包括伸縮、旋轉和升降，實現旋轉、升降運動主要由橫臂和立柱完成。手臂的基本作用是將手爪移動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。 六自由度搬運機械手的手臂組成（1）運動元件，如：油缸、氣缸、齒條、凸輪等是驅動手臂的主要運動部件。（2）導向裝置，是保證手臂運動的正確方向及承受由于工件的重量說產生的彎矩和扭矩的力矩。（3）手臂，起著承接外力和連接的作用，手臂上的零部件，如：油缸、導向桿、控制件都安裝在手臂上。 六自由度搬運機械手的手臂設計要求（1）該系統中手臂應承受能力較大，剛性好，自重輕手臂的剛性直接影響

12、到手臂抓取工件的平穩性，運動的速度和定位精度。如果剛性差，則會引起手臂在垂直平面內彎曲變形或水平面內的扭轉變形，手臂就會產生振動，或工作時工件卡死無法工作。因此，手臂一般都采用硬度高的材質來加大手臂的剛度，各支撐、連接件的剛性也有一定的要求，以保證能承受所需的驅動力。（2）手臂的運動速度要適當，慣性要小機械手的運動速度一般是根據產品的生產節拍要決定的，但是不要盲目追求高速。手臂由靜止狀態到達正常運動速度稱為啟動，由常速到停止不動為制動，其速度變化過程為速度特征曲線。手臂要滿足自重輕，自身的慣性矩小，其啟動和停止的平穩性就好。（3）手臂動作要靈活手臂的結構要緊湊小巧，才能使手臂運動輕快、靈活。此

13、外，對于懸臂式的機械手，還要考慮零件在手臂的布置，就是要計算手臂移動零件時的重量對回轉、升降和支撐中心的偏重力矩。偏重力矩對對手臂的運動不利，偏重力矩過大，會引起手臂的震動，在升降時還會發生一種沉頭現象，會影響運動的靈活性，嚴重時手臂與立柱會卡死。所以在設計中要盡量使手臂重心通過回轉中心，或者離回轉中心盡量接近，以減小偏重力矩。對于雙臂同時操作的機械，則應使兩臂的分布盡量對稱于中心，以達平衡。（4）通用性強，能夠適應多種作業；工藝性好，便于維修調整以上的種種要求，有時往往相互矛盾，剛性好、載重大，結構往往粗大，增加手臂自重；轉動慣量增加，沖擊力就大，位置精度就越低。因此，設計手臂時，需要根據機

14、械手抓取速度、自身重量、抓取重量、自由度、工作范圍及機械手的整體布局和工作條件等各種因素考慮，以達到動作精準、可靠、靈活、結構緊湊、剛度大、自重小，從而保證一定的位置精度和適應快速動作。此外，對于熱加工的機械手，還要考慮熱輻射、手臂要較長，遠離熱源，并須裝冷卻裝置。綜合考慮，確定其大臂和小臂三維模型如下圖2-6所示：圖2-6 機械手大臂（左），小臂（右）三維模型圖（附舵機）2.4 六自由度搬運機械手的手腕部結構設計2.4.1 六自由度搬運機械手的腕部作用工業機械手的手腕部件設置于手部和手臂之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎上進一步改變或調整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手

15、變得更靈巧，適應性更強。工業機械手是否設置腕部，需要根據具體情況而定。對于那些動作較簡單的專用機械手，為簡化結構，可以不設置腕部，而直接由臂部的運動驅使手部實現搬運工件或操作工具。但有時單靠臂部運動往往行動不便，或者顯得很不經濟，這就有必要設置腕部。尤其在運動空間受控制，不可能由臂部運動來完成動作要求的情況下，更有必要設置腕部。顯然，對于課題所研究的通用機械手來說，要求動作的適應性較廣，是有必要設置腕部的。 六自由度搬運機械手的腕部設計要點（1）力求結構緊湊、重量輕腕部處于臂部的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承受。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性能。

16、因此，對于六自由度機械手系統中，在腕部設計時，必須力求結構、重量輕。從現有的腕部結構看來，用機械傳動的腕部，已有三個活動度，腕部的旋轉和其他部件的運動配合，可以完成整個機械手的多方位工作，完成其操作任務。（2）綜合考慮，合理布局腕部作為機械手的執行機構，又承擔著連接和支撐作用。不僅要保證力和運動的要求，而且要具有足夠的強度和剛度。（3）必須考慮工作條件對于高溫作業和在腐蝕介質中工作的機械手，其腕部與手部經常在高溫區域或腐蝕介質中停留與作業，直接受高溫輻射的影響或易于腐蝕。因此，在設計時應充分估算對機械手腕部的不良影響（如：熱膨脹、壓力油的燃點及其粘度、有關材料及電控電測元件的耐熱性能等），采取

17、相應的措施，保證機械手腕部仍有良好的工作性能和較長的使用壽命。由于本課題研究的機械手屬于教學演示型，工作條件可以不予考慮。 六自由度搬運機械手的腕部運動選擇多關節型機械手腕部工作的情況和直線型機械手不完全相同。如果沒有腕部的運動，手部在提取水平安放的工件后做水平回轉時，工件的軸線方向每一瞬間都在改變（沿著手臂回轉的圓周切線方向）。如果在臂部水平回轉的情況下能夠根據要求改變工件方向，必須增加腕部擺動這一自由度。這樣，從表面上看，似乎腕部的擺動和臂部的水平回轉動作重復了，而實際上臂部的水平回轉主要是實現工件的移位，腕部的曲擺是為了實現工件在水平面內不同位置時的定向運動，不能互相替代。如果要將水平放

18、置的工件改變為垂直放置，必須要有腕部繞自身軸軸的旋轉運動才能實現（轉90度）。也就是說有了腕部的旋轉運動，就可以實現工件的調頭和翻身。如果腕部同時具有旋轉和曲擺這兩個自由度，那么手部既可以水平提取工件，也可以垂直提取工件。因此，通過軟件SolidWorks三維建模，得到如下手腕的結構模型，如圖2-7所示：此模型中腕部具有兩個運動，一個是使手部繞本身軸線的自轉運動（簡稱自轉）；另一個是使手部繞軸軸線的擺動（簡稱腕部的曲擺），這樣也就可以滿足工件水平和垂直的抓取。圖2-7 機械手腕部三維模型圖（附電機）2.5 六自由度搬運機械手的手部結構設計 機械手手部概述工業機械手的手部（亦稱抓取機構）是用來直

19、接握持工件的部件。由于被握持工件的形狀、尺寸大小、輕重和材料性能，表面狀況等的不同，所以工業機械手的手部結構都是根據特定的工件要求專門設計的。各種手部的結構，不僅結構形式不完全相同，而且他們的工作原理也并不一樣。歸納起來，常用的手部，按照其握持工件的原理，大致可以分為夾持式和吸附式兩大類。 本課題的關節式機械手根據抓取工件形狀，采用夾持式手部，在此，主要介紹夾持式手部的幾種主要形式。如下圖2-8所示：（a） 夾持式手部 （b） 移動式手部（c） 回轉型外夾式圖2-8 手部的種類 夾鉗式手部夾持式中最常見的主要形式有夾鉗式，此外還有鉤托式和彈簧式，夾持類手部按照其手指夾持工件時的運動不同，又可分

20、為手指回轉型和手指平移型兩種。如上圖中所示。夾鉗式手部是夾持類機械手部中最常見的一種。它的動作與鋼絲鉗或臺虎鉗相似。夾鉗式手部一般由以下幾個部分組成：（1）手指它是直接與工件接觸的構件。手部松開和夾緊工件就是通過手指的張開和閉合來實現的。一般情況下，機械手手部只用兩個手指。很少為三指或多指。它們的結構形式常取決于被夾持工件的形狀和特性。（2）傳動機構它是向手指傳遞運動和力，以實現夾緊和松開動作的機構。（3）驅動裝置它是向傳動機構提供動力的裝置，按照驅動方式的不同，有液壓、氣動、電動和機械之分。此外，尚有連接與支撐元件，將上述有關部分連成一個整體，使手部與機械手的腕部（或臂部）連接。由于夾持式手

21、部適應性強，故在生產中應用最多。其中回轉型手部一般都具有結構簡單、動作靈活、制造容易等優點，在生產上應用比平移型手部多。而且通常以雙支點回轉型作為夾鉗式手部的基本形式。本課題的手部設計主要參考回轉形外夾式夾鉗手部，通過步進電機帶動蝸桿的旋轉，使之相嚙合的蝸輪運動，帶動連桿、手指運動，完成對工件的抓取任務。其模型如下圖2-9所示：圖2-9 機械手手部平面模型圖（附電機） 夾鉗式手部設計要點（1）手指應具有一定的開閉范圍夾持式手部的手指開閉范圍就是從張開到閉合（夾緊）時，每個手指的變動量。顯然，為了讓手指閉合時能夠夾緊工件，張開時能使手指順利的接近工件，而不和其他設備等相碰，手指必須具有一定的開閉范圍，其大小直接與工件和手指的形狀、尺寸、及手部如何接近工件的路線等有關，同時還要注意經過路線的周圍環境。手指的開閉范圍，應根據實際情況進行分析后加以確定。一般來說，如果工作環境允許，采用較大的開閉范圍，可以降低對工件的尺寸公差、位置精度的要求，且有利于手部順利地夾持工件，但會增大驅動裝置的行程和結構尺寸，增加手指開閉時間，所以手指開閉范圍不宜設計過大。（2）應具有適當的夾緊力和驅動力為了使手指能夾緊工件，并保證在運動