六自由度機械手機械結(jié)構(gòu)設(shè)計①

邸韜

[摘 要] 機械手也被稱為自動手，能模仿人手臂的某些動作功能。隨著我國《中國制造2025》的制定與實施，我國機器人的研制與發(fā)展也列為今后發(fā)展的重要方向，而作為機器人的發(fā)展重點又是機械手的研制與控制系統(tǒng)，在研究手運動的基礎(chǔ)上，設(shè)計出六自由度機械手包括六關(guān)節(jié)機械結(jié)構(gòu)，設(shè)計的機械手關(guān)節(jié)為連桿系的開鏈結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)人手臂的重要運動。

[關(guān) 鍵 詞] 六自由度；機械手；開鏈結(jié)構(gòu)

[中圖分類號] TP241 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）11-0040-01

從機械手臂投入商用起，已經(jīng)有了幾十年的應(yīng)用和發(fā)展歷史。將模塊化的設(shè)計思路與理念引入機械手臂的設(shè)計中，能夠充分發(fā)揮其靈活、可拆分、可組合的特點，并將其應(yīng)用于更多的場合，包括服務(wù)機器人，工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域等。本文結(jié)合機械臂設(shè)計的模塊化理念，著重對其進行系統(tǒng)分析和設(shè)計，包括旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、傳動系統(tǒng)、減速系統(tǒng)，具有比較好的理論價值與實踐意義。

一、國內(nèi)外發(fā)展綜述

中國要從一個制造業(yè)大國轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞓I(yè)強國，要實現(xiàn)制造業(yè)自動化必然缺不了機械手的應(yīng)用，這樣就需要擁有多自由度的機械手來滿足在不同工作環(huán)境和特點下多方位的工作需求。我國的機械手臂研究與制造已經(jīng)有了幾十年發(fā)展，現(xiàn)在較成熟及應(yīng)用的有三自由度、四自由度及五自由度機械手，而在國內(nèi)六自由度機械手的研制與應(yīng)用尚處于剛興起階段。

二、六自由度機械手機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

（一）機械手基本形式的選擇

串聯(lián)式機械手具有空間大、運動分析容易、無驅(qū)動軸間的耦合效應(yīng)的特點；并聯(lián)式機械手則具有運動慣性小、結(jié)構(gòu)緊湊、無動態(tài)誤差等優(yōu)點。在位置求解中，串聯(lián)結(jié)構(gòu)正解容易、反解較為困難，而并聯(lián)機構(gòu)則是正解困難、反解容易。本文設(shè)計為六自由度串聯(lián)式機械手。主要由機身結(jié)構(gòu)、手臂、手腕和手部構(gòu)成，自由度共有6個，其中各個關(guān)節(jié)都是由相應(yīng)的舵機來進行控制。

（二）機身結(jié)構(gòu)

六自由度機械手底部是由圓盤狀做成，通過與手臂連接起到支撐的作用，其中底部只有旋轉(zhuǎn)運動，主要結(jié)構(gòu)由圓盤、連接法蘭、軸承座（包括軸承、軸承端蓋、軸承座殼體、軸套、鎖緊螺母等）組成，電機通過聯(lián)軸器與底部主軸相聯(lián)，主軸與底部圓盤通過鍵連接，電機轉(zhuǎn)動帶動圓盤做旋轉(zhuǎn)運動，進而帶動機械臂進行360°無死角轉(zhuǎn)動，完成1軸運動功能，具有足夠的剛度、強度，運動較為靈活，結(jié)構(gòu)合理的特點。

（三）手臂關(guān)節(jié)模塊

手臂主要由小臂和大臂兩部分組成，手臂關(guān)節(jié)模塊包含了許多零部件，主要有旋轉(zhuǎn)電機、減速器和反饋單元等。在手臂關(guān)節(jié)的內(nèi)部固定了控制單元和傳動系統(tǒng)，以二級減速傳動作為傳動模式，即齒輪減速傳動與諧波減速傳動，這種傳動模式可以支持手臂關(guān)節(jié)自由度之內(nèi)的回轉(zhuǎn)運動，完成2軸、3軸和4軸運動。大臂通過驅(qū)動電機及聯(lián)軸器將動力傳遞到驅(qū)動軸，驅(qū)動軸的旋轉(zhuǎn)帶動與其固連的大臂及其上的部件作繞垂直水平面旋轉(zhuǎn)，進而完成2軸運動。小臂通過驅(qū)動電機及聯(lián)軸器帶動小臂及其上的部件作繞垂直大臂軸線的水平旋轉(zhuǎn)，進而完成3軸運動。

（四）腕關(guān)節(jié)模塊

腕部是連接手部及手臂的機械部件，由一個B關(guān)節(jié)和一個R關(guān)節(jié)構(gòu)成BR的二自由度手腕。腕關(guān)節(jié)模塊主要包括腕旋轉(zhuǎn)機構(gòu)（4軸）及垂直小臂軸線的水平旋轉(zhuǎn)機構(gòu)兩部分。腕關(guān)節(jié)通過連接圓盤與小臂進行形影機構(gòu)連接（主要包括軸及軸承座等），腕旋轉(zhuǎn)電機通過聯(lián)軸器帶動腕部連接機構(gòu)做相對小臂的旋轉(zhuǎn)運動，腕部前部與腕部旋轉(zhuǎn)盤之間進行支架和軸連接，通過電機及聯(lián)軸器使腕部進行垂直小臂軸線的水平旋轉(zhuǎn)，完成5軸運動。這種結(jié)構(gòu)能有效仿照人手腕部進行相應(yīng)的回轉(zhuǎn)及前后運動。

（五）手抓單元模塊

手部則是起到人手抓握物品的作用，在設(shè)計時需要依據(jù)物品的種類來考慮手部的結(jié)構(gòu)，具有通用性差、與腕部連接處可拆卸、獨立性差、造價較低、結(jié)構(gòu)簡單的特點，這適用于一般場合的物品夾緊或放松。手抓單元模塊采用欠驅(qū)動自適應(yīng)抓取原理，末端接觸物體后觸發(fā)上一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)單個點擊驅(qū)動多個關(guān)節(jié)，且自適應(yīng)物體形狀。

三、結(jié)論

六自由度機械手在工業(yè)生產(chǎn)中有著極其廣泛的應(yīng)用，能夠部分替代人力在危險環(huán)境中進行工作。機械手設(shè)計與開發(fā)屬于機電一體化領(lǐng)域的課題，考慮到機械臂的結(jié)構(gòu)具有比較高的復(fù)雜性，本文闡述的設(shè)計方案充分顧及了模塊設(shè)計的標準化與產(chǎn)品的通用性，從而能夠良好地滿足模塊之間的替代性特征需求，因而也能夠保障機械手在實際應(yīng)用中滿足用戶的要求，能夠降低勞動者勞動強度和用工成本，實現(xiàn)自動化的工作流程，為“中國制造2025”規(guī)劃貢獻一份自己的力量。

參考文獻：

[1]馬江.六自由度機械臂控制系統(tǒng)設(shè)計與運動學(xué)仿真[D].北京工業(yè)大學(xué)，2009（5）.

[2]屈曉莉.基于PLC的六自由度機械臂控制系統(tǒng)探究[J].自動化與儀器儀表，2016（8）.