六自由度機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)①

邸韜

[摘 要] 機(jī)械手也被稱為自動(dòng)手，能模仿人手臂的某些動(dòng)作功能。隨著我國《中國制造2025》的制定與實(shí)施，我國機(jī)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(jī)器人的發(fā)展重點(diǎn)又是機(jī)械手的研制與控制系統(tǒng)，在研究手運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出六自由度機(jī)械手包括六關(guān)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的機(jī)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(yùn)動(dòng)。

[關(guān) 鍵 詞] 六自由度；機(jī)械手；開鏈結(jié)構(gòu)

[中圖分類號(hào)] TP241 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2018）11-0040-01

從機(jī)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(jì)思路與理念引入機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)中，能夠充分發(fā)揮其靈活、可拆分、可組合的特點(diǎn)，并將其應(yīng)用于更多的場合，包括服務(wù)機(jī)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(jī)械臂設(shè)計(jì)的模塊化理念，著重對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)，包括旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、傳動(dòng)系統(tǒng)、減速系統(tǒng)，具有比較好的理論價(jià)值與實(shí)踐意義。

一、國內(nèi)外發(fā)展綜述

中國要從一個(gè)制造業(yè)大國轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞓I(yè)強(qiáng)國，要實(shí)現(xiàn)制造業(yè)自動(dòng)化必然缺不了機(jī)械手的應(yīng)用，這樣就需要擁有多自由度的機(jī)械手來滿足在不同工作環(huán)境和特點(diǎn)下多方位的工作需求。我國的機(jī)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(jī)械手，而在國內(nèi)六自由度機(jī)械手的研制與應(yīng)用尚處于剛興起階段。

二、六自由度機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（一）機(jī)械手基本形式的選擇

串聯(lián)式機(jī)械手具有空間大、運(yùn)動(dòng)分析容易、無驅(qū)動(dòng)軸間的耦合效應(yīng)的特點(diǎn)；并聯(lián)式機(jī)械手則具有運(yùn)動(dòng)慣性小、結(jié)構(gòu)緊湊、無動(dòng)態(tài)誤差等優(yōu)點(diǎn)。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(jī)構(gòu)則是正解困難、反解容易。本文設(shè)計(jì)為六自由度串聯(lián)式機(jī)械手。主要由機(jī)身結(jié)構(gòu)、手臂、手腕和手部構(gòu)成，自由度共有6個(gè)，其中各個(gè)關(guān)節(jié)都是由相應(yīng)的舵機(jī)來進(jìn)行控制。

（二）機(jī)身結(jié)構(gòu)

六自由度機(jī)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(yùn)動(dòng)，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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)圓盤做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)機(jī)械臂進(jìn)行360°無死角轉(zhuǎn)動(dòng)，完成1軸運(yùn)動(dòng)功能，具有足夠的剛度、強(qiáng)度，運(yùn)動(dòng)較為靈活，結(jié)構(gòu)合理的特點(diǎn)。

（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(jī)、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(dòng)系統(tǒng)，以二級(jí)減速傳動(dòng)作為傳動(dòng)模式，即齒輪減速傳動(dòng)與諧波減速傳動(dòng)，這種傳動(dòng)模式可以支持手臂關(guān)節(jié)自由度之內(nèi)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成2軸、3軸和4軸運(yùn)動(dòng)。大臂通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)及聯(lián)軸器將動(dòng)力傳遞到驅(qū)動(dòng)軸，驅(qū)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)與其固連的大臂及其上的部件作繞垂直水平面旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而完成2軸運(yùn)動(dòng)。小臂通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)及聯(lián)軸器帶動(dòng)小臂及其上的部件作繞垂直大臂軸線的水平旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而完成3軸運(yùn)動(dòng)。

（四）腕關(guān)節(jié)模塊

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

（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(jì)時(shí)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(dú)立性差、造價(jià)較低、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，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(dòng)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(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)單個(gè)點(diǎn)擊驅(qū)動(dòng)多個(gè)關(guān)節(jié)，且自適應(yīng)物體形狀。

三、結(jié)論

六自由度機(jī)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(xiǎn)環(huán)境中進(jìn)行工作。機(jī)械手設(shè)計(jì)與開發(fā)屬于機(jī)電一體化領(lǐng)域的課題，考慮到機(jī)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(jì)方案充分顧及了模塊設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)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(jī)械手在實(shí)際應(yīng)用中滿足用戶的要求，能夠降低勞動(dòng)者勞動(dòng)強(qiáng)度和用工成本，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的工作流程，為“中國制造2025”規(guī)劃貢獻(xiàn)一份自己的力量。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬江.六自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)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(jī)械臂控制系統(tǒng)探究[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2016（8）.