智能機(jī)械手臂造型設(shè)計(jì)研究

楊志龍

摘要：隨著智能機(jī)械手臂應(yīng)用面的不斷擴(kuò)大，研究其造型設(shè)計(jì)凸顯出重要意義。本文首先介紹了智能機(jī)械手臂造型設(shè)計(jì)特點(diǎn)，分析了智能機(jī)械手臂設(shè)計(jì)中的主要構(gòu)成。在探討造型設(shè)計(jì)規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，研究了智能機(jī)械手的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：智能機(jī)械手臂;造型設(shè)計(jì);研究

前言

作為一種智能化程度較高的生產(chǎn)制作工具，智能機(jī)械手臂在近期得到了廣泛的應(yīng)用和長足的發(fā)展。研究智能機(jī)械手臂的造型設(shè)計(jì)，能夠更好地完善機(jī)械手臂的外觀，從而更好地與其功能相融合。本文從介紹其造型設(shè)計(jì)的特點(diǎn)著手研究。

1.智能機(jī)械手臂造型設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1功能原理對(duì)造型的影響

智能機(jī)械手臂的功能依附于機(jī)構(gòu)工作原理而實(shí)現(xiàn)。目前市場上常見的機(jī)械手臂有多軸和三軸等，尤其以六軸機(jī)械手臂應(yīng)用較為廣泛。在造型設(shè)計(jì)時(shí)需先確定機(jī)械手臂大致形態(tài)與結(jié)構(gòu)比例，再考慮各個(gè)關(guān)節(jié)的連接方式、造型元素、細(xì)節(jié)形態(tài)及圖形化設(shè)計(jì)等。機(jī)械手臂造型可采用全包裹式或半包裹式，雙臂式或單臂式，都以功能需求為造型基礎(chǔ)。產(chǎn)品形態(tài)是表達(dá)產(chǎn)品設(shè)計(jì)思想與實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的語言和媒介。在造型創(chuàng)新的過程中，考慮機(jī)械手臂的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)規(guī)律，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行造型設(shè)計(jì)才具有實(shí)際意義。

1.2造型特點(diǎn)對(duì)比分析

（1）同一品牌的產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有家族化色彩偏好及造型曲線偏好，在保證功能與審美的基礎(chǔ)上融入產(chǎn)品族造型基因。產(chǎn)品族設(shè)計(jì)是企業(yè)競爭的有效手段，使產(chǎn)品能獲得統(tǒng)一的家族特征。

（2）輕載機(jī)械手臂與重載機(jī)械手臂的造型元素選擇具有差異性，輕載機(jī)械手臂重視靈活精確，因此多采用線元素來塑造，強(qiáng)調(diào)形態(tài)的輕松、靈動(dòng)，采用雙臂設(shè)計(jì)將關(guān)節(jié)電機(jī)內(nèi)置;重載機(jī)械手臂重視力量感與安全可靠性，造型多采用體元素與較寬大的面元素來凸顯產(chǎn)品厚重感。同時(shí)采用較大的基座設(shè)計(jì)，一方面符合載重需要，另一方面使視覺重心下移，下降的視覺感官是穩(wěn)定、可靠的，凸顯了造型的力量感，增加人對(duì)機(jī)械手臂載重可靠性的心理感受。

2.智能機(jī)械手臂設(shè)計(jì)中的主要構(gòu)成

2.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)

（1）手部：手部安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔中裝有傳動(dòng)軸，可把運(yùn)用傳給手腕，以轉(zhuǎn)動(dòng)、伸曲手腕、開閉手指。機(jī)械手手部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又可分為二指、三指、四指等，其中以二指用的最多?？筛鶕?jù)夾持對(duì)象的形狀和大小配備多種形狀和大小的夾頭以適應(yīng)操作的需要。

（2）手臂：手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確地抓住工件，并運(yùn)送到所需的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確地工作，手臂的三個(gè)自由度都要精確地定位。

（3）軀干：軀干是安裝手臂、動(dòng)力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。

2.2驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

（1）液壓驅(qū)動(dòng)式：液壓驅(qū)動(dòng)式機(jī)械手通常由液動(dòng)機(jī)、伺服閥、油泵、油箱等組成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由驅(qū)動(dòng)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。通常它的具有很大的抓舉能力，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作平穩(wěn)、耐沖擊、耐震動(dòng)、防爆性好，但液壓元件要求有較高的制造精度和密封性能，否則漏油將污染環(huán)境。

（2）氣壓驅(qū)動(dòng)式：其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機(jī)組成，其特點(diǎn)是氣源方便、動(dòng)作迅速、結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)較低、維修方便。但難以進(jìn)行速度控制，氣壓不可太高，故抓舉能力較低。

（3）電氣驅(qū)動(dòng)式：電力驅(qū)動(dòng)是機(jī)械手使用得最多的一種驅(qū)動(dòng)方式。其特點(diǎn)是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力較大，信號(hào)檢測、傳動(dòng)、處理方便，并可采用多種靈活的控制方案。

2.3控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)可根據(jù)動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì)采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲(chǔ)，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作程序的存儲(chǔ)方式有分離存儲(chǔ)和集中存儲(chǔ)兩種。分離存儲(chǔ)是將各種控制因素的信息分別存儲(chǔ)于兩種以上的存儲(chǔ)裝置中，如順序信息存儲(chǔ)于插銷板、凸輪轉(zhuǎn)鼓、穿孔帶內(nèi);位置信息存儲(chǔ)于時(shí)間繼電器、定速回轉(zhuǎn)鼓等;集中存儲(chǔ)是將各種控制因素的信息全部存儲(chǔ)于一種存儲(chǔ)裝置內(nèi)，如磁帶、磁鼓等。這種方式使用于順序、位置、時(shí)間、速度等必須同時(shí)控制的場合，即連續(xù)控制的情況下使用。

3.造型設(shè)計(jì)規(guī)律分析

3.1形態(tài)仿生曲線運(yùn)用

機(jī)械手臂形態(tài)設(shè)計(jì)要體現(xiàn)力量與美感的雙重訴求，需從點(diǎn)、線、面、體等形態(tài)元素中體現(xiàn)。德國KUKA公司推出的重載機(jī)械手臂承載力可達(dá)1300kg，外形采用了仿生學(xué)設(shè)計(jì)，曲線較為平滑、舒展流暢、整體感強(qiáng)，充滿了向上的張力。瑞士ABB公司的重載機(jī)械手臂，最大承載力500kg，相比之下，該形態(tài)曲線轉(zhuǎn)折較多，大量折線的運(yùn)用使機(jī)體輪廓線較為瑣碎，削弱了機(jī)體線條的流暢性。

3.2色彩運(yùn)用

色彩依附于產(chǎn)品形態(tài)而存在，人對(duì)造型設(shè)計(jì)的第一印象來自其色彩。機(jī)械手臂一般采用具有一定辨識(shí)度的色彩作為產(chǎn)品主色調(diào)，增強(qiáng)品牌的識(shí)別度。意大利COMAU公司生產(chǎn)的機(jī)械手臂，選用紅色作為主色調(diào)，體現(xiàn)了意大利文化中的奔放、熱情;德國KUKA公司生產(chǎn)的輕載機(jī)械手臂，選用淺色為主色調(diào)，表達(dá)質(zhì)輕、高效、靈動(dòng)的特征，同時(shí)可緩和視覺緊張感，局部采用高純度亮色作為點(diǎn)綴，強(qiáng)化視覺中心，增強(qiáng)產(chǎn)品的色彩節(jié)奏感。產(chǎn)品色彩的選擇需考慮與環(huán)境色的搭配，可使場景功能區(qū)分明確，色彩對(duì)比分明，營造嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鳝h(huán)境。

3.3材料與質(zhì)感的運(yùn)用

機(jī)械手臂的外殼材料需保證一定的強(qiáng)度要求，并體現(xiàn)材質(zhì)感。德國KUKA公司生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)械手臂，采用新型碳纖維加強(qiáng)材料，機(jī)身質(zhì)量較輕但強(qiáng)度卻很高，同時(shí)能保持具有一定光澤度的質(zhì)感。日本YASKAWA公司仿生家用雙臂機(jī)器手，機(jī)身采用啞光淺色塑料，手臂采用高光澤度亮色塑料，給人輕巧、親和的感覺。

4.結(jié)束語

通過對(duì)智能機(jī)械手臂造型設(shè)計(jì)的相關(guān)研究，我們可以發(fā)現(xiàn)，作為一種實(shí)際應(yīng)用效果良好的人工替代工具，智能機(jī)械手臂的造型可以進(jìn)行更深度的優(yōu)化。有關(guān)人員應(yīng)該根據(jù)智能機(jī)械手臂的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，研究制定最優(yōu)化的造型設(shè)計(jì)方案。

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