四自由度機(jī)械手的設(shè)計(jì)

劉東

摘? 要：隨著社會的不斷發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，用機(jī)器取代人力，將是社會不斷發(fā)展的趨勢。通過對四自由度機(jī)械臂的機(jī)械和電氣特性進(jìn)行闡釋，說明了機(jī)器人機(jī)械手的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：四自由度;機(jī)械手;驅(qū)動系統(tǒng);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP241? ????????????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? ????????????文章編號：2095-6835（2014）23-0014-02

近年來，機(jī)器人的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應(yīng)用范疇也十分廣泛。在工業(yè)中，自動控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，例如數(shù)控機(jī)床、智能機(jī)器人、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、模糊控制等。而工業(yè)機(jī)器人是相對較新的電子設(shè)備，它正在改變現(xiàn)代化工業(yè)的面貌。在某些勞動環(huán)境極其惡劣的條件下，就可以使用機(jī)器人來代替人力工作。下面所介紹的機(jī)械手就是為降低工人勞動強(qiáng)度，提高勞動效率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益而設(shè)計(jì)的。四自由度的機(jī)械臂具有三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個平移關(guān)節(jié)，末端安裝有一個能夠抓取物體的電磁手爪。

1? 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)

1.1? 機(jī)械手基本形式的選擇

常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大致可分為直角坐標(biāo)型機(jī)械手、圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手、球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）型機(jī)械手和多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。其中，由于圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊，定位精度較高，占地面積小，因此，本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)。機(jī)械手搬運(yùn)物品如圖1所示。在圖1中，機(jī)械手的任務(wù)是將傳送帶A上的物品搬運(yùn)到傳送帶B.

圖1? 機(jī)械手搬運(yùn)物品示意圖

1.2? 機(jī)械手的主要部件和運(yùn)動

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，選定圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的基本方案。為了滿足設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有5個自由度，分別是手抓張合、手部回轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂回轉(zhuǎn)和手臂升降。

本設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要由4個大部件和5個液壓缸組成：①手部。采用一個直線液壓缸，通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)手抓的張合。②腕部。采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)手部108°回轉(zhuǎn)。③臂部。采用直線缸來實(shí)現(xiàn)手臂平動1.2 m。④機(jī)身。采用一個直線缸和一個回轉(zhuǎn)缸來實(shí)現(xiàn)手臂的升降和回轉(zhuǎn)。

本設(shè)計(jì)的機(jī)械手由以下幾個系統(tǒng)組成：①執(zhí)行系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人完成抓取工件由執(zhí)行系統(tǒng)來完成，應(yīng)該用氣爪、底座旋轉(zhuǎn)、手臂升降、手臂伸縮等所必需的機(jī)械部件來實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動。②驅(qū)動系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)選用機(jī)械傳動、氣壓傳動和電機(jī)驅(qū)動來為各部件提供動力，驅(qū)動動力裝置是機(jī)械手運(yùn)動的動力。③控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)發(fā)出指令控制驅(qū)動系統(tǒng)，最后由執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作。發(fā)生錯誤或故障時，控制系統(tǒng)會發(fā)出報警信息，這是機(jī)械手的核心。

2? 方案確定

該設(shè)計(jì)中的機(jī)械手為四自由度，其中，2個為旋轉(zhuǎn)，2個為平移。在四自由度機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)平臺上，可以實(shí)現(xiàn)多個物體從起始位置到不同目標(biāo)位置的搬運(yùn)和擺放。

應(yīng)用精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和良好的伺服控制驅(qū)動這兩項(xiàng)功能來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所需功能，其中，抓取和移動是兩個最主要的功能。

該設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求、工作原理、設(shè)計(jì)內(nèi)容和需求來確定機(jī)械手，機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動采用諧波齒輪傳動和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)。利用另一臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起的手臂進(jìn)行上下運(yùn)動。由于本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手工作區(qū)域較小，因此，要利用氣缸驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動。末端夾持器則選用氣爪或電磁來做夾持器。氣爪的旋轉(zhuǎn)則由與氣爪連接的擺動氣缸來實(shí)現(xiàn)，或者在末端安裝一個可以抓取物體的電磁手爪。

2.1? 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1? 機(jī)械手驅(qū)動器

機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機(jī)構(gòu)，它們常與執(zhí)行器連成一體，驅(qū)動臂、桿和載荷完成指定的運(yùn)動。常用的驅(qū)動器有電機(jī)、液壓和氣動等驅(qū)動裝置，其中，電機(jī)驅(qū)動器是最常用的驅(qū)動方式，包括直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等。本設(shè)計(jì)中底座的旋轉(zhuǎn)與手臂升降都采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動器，而手臂的伸縮則選用七缸作為驅(qū)動器，氣爪的翻轉(zhuǎn)是通過擺動氣缸來驅(qū)動的。

2.1.2? 機(jī)械手傳動機(jī)構(gòu)

手臂的升降是通過步進(jìn)電機(jī)連接聯(lián)軸器與絲桿而實(shí)現(xiàn)的。在手臂上安裝絲桿螺母副，從而驅(qū)動手臂的升降。手臂的伸縮是通過氣缸桿直接連接裝有擺動氣缸的擺動氣缸安裝板來實(shí)現(xiàn)的。氣爪的旋轉(zhuǎn)是通過擺動氣缸連接氣爪的附件來實(shí)現(xiàn)的。底座的旋轉(zhuǎn)是通過步進(jìn)電機(jī)聯(lián)接諧波齒輪直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動機(jī)座轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)的。

2.2? 各電動機(jī)的選擇

進(jìn)電動機(jī)又稱脈沖電動機(jī)，是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移的執(zhí)行電機(jī)。本文中的機(jī)械手系統(tǒng)要求的定位精度較高，而步進(jìn)電機(jī)對系統(tǒng)位置控制比較準(zhǔn)確，且易于控制，因此，本機(jī)械手選用的驅(qū)動電機(jī)都是步進(jìn)電機(jī)。

3? 結(jié)束語

本文對機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，并對機(jī)身的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。同時，還分析了升降立柱不自鎖的條件，這是機(jī)身設(shè)計(jì)中不可缺少的部分。

參考文獻(xiàn)

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[2]張鐵，謝存禧.機(jī)器人學(xué)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2004.

[3]陳統(tǒng)堅(jiān).機(jī)械工程英語[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[5]馮辛安.機(jī)械制造裝配設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[6]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊：常用工程材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

〔編輯：王霞〕

Four Degrees of Freedom Manipulator Design

Liu Dong

Abstract：?With the development of society， more and more widespread application of robots to replace human machines， will continue the trend of social development. Through the mechanical and electrical properties were four degrees of freedom manipulator explain， illustrate the design method of a robot manipulator.

Key words：?four degrees of freedom; manipulator; drive system; structural design

摘? 要：隨著社會的不斷發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，用機(jī)器取代人力，將是社會不斷發(fā)展的趨勢。通過對四自由度機(jī)械臂的機(jī)械和電氣特性進(jìn)行闡釋，說明了機(jī)器人機(jī)械手的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：四自由度;機(jī)械手;驅(qū)動系統(tǒng);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP241? ????????????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? ????????????文章編號：2095-6835（2014）23-0014-02

近年來，機(jī)器人的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應(yīng)用范疇也十分廣泛。在工業(yè)中，自動控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，例如數(shù)控機(jī)床、智能機(jī)器人、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、模糊控制等。而工業(yè)機(jī)器人是相對較新的電子設(shè)備，它正在改變現(xiàn)代化工業(yè)的面貌。在某些勞動環(huán)境極其惡劣的條件下，就可以使用機(jī)器人來代替人力工作。下面所介紹的機(jī)械手就是為降低工人勞動強(qiáng)度，提高勞動效率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益而設(shè)計(jì)的。四自由度的機(jī)械臂具有三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個平移關(guān)節(jié)，末端安裝有一個能夠抓取物體的電磁手爪。

1? 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)

1.1? 機(jī)械手基本形式的選擇

常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大致可分為直角坐標(biāo)型機(jī)械手、圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手、球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）型機(jī)械手和多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。其中，由于圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊，定位精度較高，占地面積小，因此，本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)。機(jī)械手搬運(yùn)物品如圖1所示。在圖1中，機(jī)械手的任務(wù)是將傳送帶A上的物品搬運(yùn)到傳送帶B.

圖1? 機(jī)械手搬運(yùn)物品示意圖

1.2? 機(jī)械手的主要部件和運(yùn)動

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，選定圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的基本方案。為了滿足設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有5個自由度，分別是手抓張合、手部回轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂回轉(zhuǎn)和手臂升降。

本設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要由4個大部件和5個液壓缸組成：①手部。采用一個直線液壓缸，通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)手抓的張合。②腕部。采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)手部108°回轉(zhuǎn)。③臂部。采用直線缸來實(shí)現(xiàn)手臂平動1.2 m。④機(jī)身。采用一個直線缸和一個回轉(zhuǎn)缸來實(shí)現(xiàn)手臂的升降和回轉(zhuǎn)。

本設(shè)計(jì)的機(jī)械手由以下幾個系統(tǒng)組成：①執(zhí)行系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人完成抓取工件由執(zhí)行系統(tǒng)來完成，應(yīng)該用氣爪、底座旋轉(zhuǎn)、手臂升降、手臂伸縮等所必需的機(jī)械部件來實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動。②驅(qū)動系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)選用機(jī)械傳動、氣壓傳動和電機(jī)驅(qū)動來為各部件提供動力，驅(qū)動動力裝置是機(jī)械手運(yùn)動的動力。③控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)發(fā)出指令控制驅(qū)動系統(tǒng)，最后由執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作。發(fā)生錯誤或故障時，控制系統(tǒng)會發(fā)出報警信息，這是機(jī)械手的核心。

2? 方案確定

該設(shè)計(jì)中的機(jī)械手為四自由度，其中，2個為旋轉(zhuǎn)，2個為平移。在四自由度機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)平臺上，可以實(shí)現(xiàn)多個物體從起始位置到不同目標(biāo)位置的搬運(yùn)和擺放。

應(yīng)用精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和良好的伺服控制驅(qū)動這兩項(xiàng)功能來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所需功能，其中，抓取和移動是兩個最主要的功能。

該設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求、工作原理、設(shè)計(jì)內(nèi)容和需求來確定機(jī)械手，機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動采用諧波齒輪傳動和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)。利用另一臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起的手臂進(jìn)行上下運(yùn)動。由于本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手工作區(qū)域較小，因此，要利用氣缸驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動。末端夾持器則選用氣爪或電磁來做夾持器。氣爪的旋轉(zhuǎn)則由與氣爪連接的擺動氣缸來實(shí)現(xiàn)，或者在末端安裝一個可以抓取物體的電磁手爪。

2.1? 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1? 機(jī)械手驅(qū)動器

機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機(jī)構(gòu)，它們常與執(zhí)行器連成一體，驅(qū)動臂、桿和載荷完成指定的運(yùn)動。常用的驅(qū)動器有電機(jī)、液壓和氣動等驅(qū)動裝置，其中，電機(jī)驅(qū)動器是最常用的驅(qū)動方式，包括直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等。本設(shè)計(jì)中底座的旋轉(zhuǎn)與手臂升降都采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動器，而手臂的伸縮則選用七缸作為驅(qū)動器，氣爪的翻轉(zhuǎn)是通過擺動氣缸來驅(qū)動的。

2.1.2? 機(jī)械手傳動機(jī)構(gòu)

手臂的升降是通過步進(jìn)電機(jī)連接聯(lián)軸器與絲桿而實(shí)現(xiàn)的。在手臂上安裝絲桿螺母副，從而驅(qū)動手臂的升降。手臂的伸縮是通過氣缸桿直接連接裝有擺動氣缸的擺動氣缸安裝板來實(shí)現(xiàn)的。氣爪的旋轉(zhuǎn)是通過擺動氣缸連接氣爪的附件來實(shí)現(xiàn)的。底座的旋轉(zhuǎn)是通過步進(jìn)電機(jī)聯(lián)接諧波齒輪直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動機(jī)座轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)的。

2.2? 各電動機(jī)的選擇

進(jìn)電動機(jī)又稱脈沖電動機(jī)，是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移的執(zhí)行電機(jī)。本文中的機(jī)械手系統(tǒng)要求的定位精度較高，而步進(jìn)電機(jī)對系統(tǒng)位置控制比較準(zhǔn)確，且易于控制，因此，本機(jī)械手選用的驅(qū)動電機(jī)都是步進(jìn)電機(jī)。

3? 結(jié)束語

本文對機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，并對機(jī)身的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。同時，還分析了升降立柱不自鎖的條件，這是機(jī)身設(shè)計(jì)中不可缺少的部分。

參考文獻(xiàn)

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[2]張鐵，謝存禧.機(jī)器人學(xué)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2004.

[3]陳統(tǒng)堅(jiān).機(jī)械工程英語[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[5]馮辛安.機(jī)械制造裝配設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[6]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊：常用工程材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

〔編輯：王霞〕

Four Degrees of Freedom Manipulator Design

Liu Dong

Abstract：?With the development of society， more and more widespread application of robots to replace human machines， will continue the trend of social development. Through the mechanical and electrical properties were four degrees of freedom manipulator explain， illustrate the design method of a robot manipulator.

Key words：?four degrees of freedom; manipulator; drive system; structural design

摘? 要：隨著社會的不斷發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，用機(jī)器取代人力，將是社會不斷發(fā)展的趨勢。通過對四自由度機(jī)械臂的機(jī)械和電氣特性進(jìn)行闡釋，說明了機(jī)器人機(jī)械手的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：四自由度;機(jī)械手;驅(qū)動系統(tǒng);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP241? ????????????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? ????????????文章編號：2095-6835（2014）23-0014-02

近年來，機(jī)器人的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應(yīng)用范疇也十分廣泛。在工業(yè)中，自動控制系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用，例如數(shù)控機(jī)床、智能機(jī)器人、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、模糊控制等。而工業(yè)機(jī)器人是相對較新的電子設(shè)備，它正在改變現(xiàn)代化工業(yè)的面貌。在某些勞動環(huán)境極其惡劣的條件下，就可以使用機(jī)器人來代替人力工作。下面所介紹的機(jī)械手就是為降低工人勞動強(qiáng)度，提高勞動效率、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益而設(shè)計(jì)的。四自由度的機(jī)械臂具有三個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個平移關(guān)節(jié)，末端安裝有一個能夠抓取物體的電磁手爪。

1? 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)

1.1? 機(jī)械手基本形式的選擇

常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大致可分為直角坐標(biāo)型機(jī)械手、圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手、球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）型機(jī)械手和多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。其中，由于圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊，定位精度較高，占地面積小，因此，本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)。機(jī)械手搬運(yùn)物品如圖1所示。在圖1中，機(jī)械手的任務(wù)是將傳送帶A上的物品搬運(yùn)到傳送帶B.

圖1? 機(jī)械手搬運(yùn)物品示意圖

1.2? 機(jī)械手的主要部件和運(yùn)動

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，選定圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的基本方案。為了滿足設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有5個自由度，分別是手抓張合、手部回轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂回轉(zhuǎn)和手臂升降。

本設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要由4個大部件和5個液壓缸組成：①手部。采用一個直線液壓缸，通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)手抓的張合。②腕部。采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)手部108°回轉(zhuǎn)。③臂部。采用直線缸來實(shí)現(xiàn)手臂平動1.2 m。④機(jī)身。采用一個直線缸和一個回轉(zhuǎn)缸來實(shí)現(xiàn)手臂的升降和回轉(zhuǎn)。

本設(shè)計(jì)的機(jī)械手由以下幾個系統(tǒng)組成：①執(zhí)行系統(tǒng)。工業(yè)機(jī)器人完成抓取工件由執(zhí)行系統(tǒng)來完成，應(yīng)該用氣爪、底座旋轉(zhuǎn)、手臂升降、手臂伸縮等所必需的機(jī)械部件來實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動。②驅(qū)動系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)選用機(jī)械傳動、氣壓傳動和電機(jī)驅(qū)動來為各部件提供動力，驅(qū)動動力裝置是機(jī)械手運(yùn)動的動力。③控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)發(fā)出指令控制驅(qū)動系統(tǒng)，最后由執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作。發(fā)生錯誤或故障時，控制系統(tǒng)會發(fā)出報警信息，這是機(jī)械手的核心。

2? 方案確定

該設(shè)計(jì)中的機(jī)械手為四自由度，其中，2個為旋轉(zhuǎn)，2個為平移。在四自由度機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)平臺上，可以實(shí)現(xiàn)多個物體從起始位置到不同目標(biāo)位置的搬運(yùn)和擺放。

應(yīng)用精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和良好的伺服控制驅(qū)動這兩項(xiàng)功能來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)所需功能，其中，抓取和移動是兩個最主要的功能。

該設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求、工作原理、設(shè)計(jì)內(nèi)容和需求來確定機(jī)械手，機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動采用諧波齒輪傳動和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)。利用另一臺步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起的手臂進(jìn)行上下運(yùn)動。由于本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手工作區(qū)域較小，因此，要利用氣缸驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮運(yùn)動。末端夾持器則選用氣爪或電磁來做夾持器。氣爪的旋轉(zhuǎn)則由與氣爪連接的擺動氣缸來實(shí)現(xiàn)，或者在末端安裝一個可以抓取物體的電磁手爪。

2.1? 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1? 機(jī)械手驅(qū)動器

機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)包括驅(qū)動器和傳動機(jī)構(gòu)，它們常與執(zhí)行器連成一體，驅(qū)動臂、桿和載荷完成指定的運(yùn)動。常用的驅(qū)動器有電機(jī)、液壓和氣動等驅(qū)動裝置，其中，電機(jī)驅(qū)動器是最常用的驅(qū)動方式，包括直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等。本設(shè)計(jì)中底座的旋轉(zhuǎn)與手臂升降都采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動器，而手臂的伸縮則選用七缸作為驅(qū)動器，氣爪的翻轉(zhuǎn)是通過擺動氣缸來驅(qū)動的。

2.1.2? 機(jī)械手傳動機(jī)構(gòu)

手臂的升降是通過步進(jìn)電機(jī)連接聯(lián)軸器與絲桿而實(shí)現(xiàn)的。在手臂上安裝絲桿螺母副，從而驅(qū)動手臂的升降。手臂的伸縮是通過氣缸桿直接連接裝有擺動氣缸的擺動氣缸安裝板來實(shí)現(xiàn)的。氣爪的旋轉(zhuǎn)是通過擺動氣缸連接氣爪的附件來實(shí)現(xiàn)的。底座的旋轉(zhuǎn)是通過步進(jìn)電機(jī)聯(lián)接諧波齒輪直接驅(qū)動轉(zhuǎn)動機(jī)座轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)的。

2.2? 各電動機(jī)的選擇

進(jìn)電動機(jī)又稱脈沖電動機(jī)，是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移的執(zhí)行電機(jī)。本文中的機(jī)械手系統(tǒng)要求的定位精度較高，而步進(jìn)電機(jī)對系統(tǒng)位置控制比較準(zhǔn)確，且易于控制，因此，本機(jī)械手選用的驅(qū)動電機(jī)都是步進(jìn)電機(jī)。

3? 結(jié)束語

本文對機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，并對機(jī)身的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。同時，還分析了升降立柱不自鎖的條件，這是機(jī)身設(shè)計(jì)中不可缺少的部分。

參考文獻(xiàn)

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[2]張鐵，謝存禧.機(jī)器人學(xué)[M].廣州：華南理工大學(xué)出版社，2004.

[3]陳統(tǒng)堅(jiān).機(jī)械工程英語[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[5]馮辛安.機(jī)械制造裝配設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[6]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊：常用工程材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

〔編輯：王霞〕

Four Degrees of Freedom Manipulator Design

Liu Dong

Abstract：?With the development of society， more and more widespread application of robots to replace human machines， will continue the trend of social development. Through the mechanical and electrical properties were four degrees of freedom manipulator explain， illustrate the design method of a robot manipulator.

Key words：?four degrees of freedom; manipulator; drive system; structural design