六自由度搬运机械手结构设计

2. 六自由度搬运机械手的结构设计

根据机械手的基本要求能快速、准确地拾起-放下搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任一位置都能自动定位等特征。设计原则是：充分分析作业对象（工件）的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺、并满足系统功能要求和环境条件；明确工件的形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对该机械手结构和运行控制的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转接和编程控制。本课题设计的是一种小型的多关节式六自由度机械手，能够满足相应的动作要求，并对一些小质量工件实现抓取、搬运等一些列动作。

2.1 六自由度搬运机械手的功能分析

该机械手系统共有6个自由度，分别为肩的回转与曲摆，大臂的曲摆，小臂的曲摆，手腕的曲摆与回转，以及手抓的回转。

该系统中基座固定，与基座相连的肩可以进行360度的回转；与肩相连接的大臂可以进行-90～+90度曲摆，与大臂相连接的小臂可以进行-90～+90度曲摆，大臂和小臂动作幅度较大，可以满足俯仰要求。手腕可以进行360度的旋转，手腕也可以完成-90～+90度的曲摆，末端的手爪部分可以-90～+90度夹持，手爪部分通过一对齿轮的啮合转动，及其四杆机构完成手爪的开合，可以满足夹持工件的要求。

通过预先编好的程序，下载到单片机内，从而使该六自由度搬运机械手能独立的完成一套指定的搬运动作，并一直重复进行下去！

2.2 六自由度搬运机械手的坐标形式和自由度

2.2.1 六自由度搬运机械手的坐标形式

按机械手手臂的不同运动形式及组合情况，其坐标形式可以分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。

（1）直角坐标式机械手

直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或传送带配合使用的一种机械手。它的手臂可以伸缩，左右和上下移动，按照直角坐标形式x、y、z三个方

向的直线运动，其工作范围可以是1个直线运动、2个直线运动或3个直线运动。如在x、y、z三个直线运动方向上各有A、B、C 3个回转运动，即构成了6个自由度。如图2-1所示，直角式坐标机械手具有以下优点：

①产量大、节拍短，能满足高速的要求。

②容易与生产线上的传送带和加工装配机械相配合。 ③适于装箱类、多工序复杂的工作，定位容易改变。

④定位精度高，可以达到±0.5mm以下，载重变化时不会影响精度。 ⑤易于实行数控，可于开环或闭环数控机械配合使用。

但是，直角坐标式机械手也有自身的缺点，这种机械手作业范围较小

图2-1 直角式坐标机械手

（2）圆柱坐标式机械手

圆柱坐标式机械手是应用最多的一种形式，它适用于搬运和测量工件。具有直观性好、结构简单、本体占用空间较小的特点。其动作范围可以分为：一个旋转运动、一个直线运动加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动，如上图2-2所示：

图2-2 圆柱直角坐标式机械手 ① 圆柱坐标式机械手的基本动作 A. 手臂水平回转。 B. 手臂伸缩。 C. 手臂上下。 D. 手臂回转运动。 E. 手爪夹紧动作。 ② 圆柱坐标式机械手的特征

圆柱坐标式机械手的特征是垂直导柱上装有滑动套筒，手臂装在滑动套筒上，手臂可以做上下直线运动（z）和水平面内做圆弧状的左右摆动（Φ）。

（3）球坐标式机械手

球坐标式机械手是一种自由度较多、用途较广的机械手。它是由x、θ、Φ3个方面的运动组成，如下图2-3所示：

图2-3 球坐标式机械手

图中：X—手臂伸缩 θ—上下俯仰 Φ—水平旋转 θ1—手腕摆动

ω—手腕旋转

球坐标式机械手的工作范围包括一个旋转运动、两个旋转运动、两个旋转运动加一个直线运动。

① 球坐标式机械手的基本动作

A.手臂上下运动，即俯仰运动。 B.手臂左右运动，即回转运动。 C.手臂前后运动，即伸缩运动。 D.手腕上下弯曲。 E.手腕左右摆动。 F.手腕旋转运动。 G.手爪夹紧运动。 H.机械手整体移动。 ② 球坐标机械手的特点

球坐标机械手的特点是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内做圆弧上下俯仰运动，它的臂可以伸缩，横向水平摆动，还可以上下摆动，工作范围和人手的动作相似。它的特点是能自动选择最合理的动作线路，所以工效高。另外，由于上下摆动，它的相对体积小。而动作范围大。以行程为203mm的工作油缸为例，其手臂的上下移动距离就能达到2450mm。若采用圆柱坐标式则其高度就要达到2450mm。球坐标式机械手作业范围可以达到9m3，较其他形式约大3～5倍。

（4）关节式机械手

关节式机械手是一种适合于靠近机体操作的传动形式。它像人手一样有关节，可以实现多个自由度，动作比较灵活，适合于窄空间工作。早在20实际40年代，关节式机械手就在原子能工业中得到应用，随后又应用于海洋开发，有一定的发展前途。

关节式机械手有大臂和小臂的摆动，以及肘关节和肩关节的运动，见下图2-4所示：

图2-4 关节式机械手

关节式机械手具有上肢结构，可以实现近似人手操作的机能，表2-1为关节式机械手与人体上肢动作角度对比：

表2-1： 关节式机械手与人体上肢动作角度对比

人体上肢 关节式机械手 肩旋转 ±800 ±1800 上臂曲摆 ±900 ±900 下臂曲摆 0～-1300 ±900 下臂旋转 -450～+650 ±1800 手腕曲摆 -600～+900 ±800 手臂曲摆 -600～+900 — 手旋转 — ±1800 为具有人手操作的机能，需要研制最合适的结构。关节式机械手的传动机构采用齿轮式、齿条式和摆动式。其传动机构采用哪一种形式，主要根据工件的轻重来决定。特别是靠近关节式前端的关节部位的重量对肩部影响很大。传动机构在承受负荷的同时必须承受自重，因此要合理进行其结构设计。

通常把传送机构的运动称为传送机构的自由度。人从手指到肩部共有27个自由度。而如将机械手的手臂也制成这样多的自由度，既有困难又不必要。从力学的角度分析，物件在空间只有6个自由度。因此为抓取和传送在空间不同位置和方位的物件，传送机构应具有6个自由度，三个沿x、y、z坐标轴的移动和三个沿x、y、z轴的转动。

2.2.2 六自由度搬运机械手的自由度

自由度是指机械手各运动部件在三维空间坐标轴上说具有的独立运动数。它的构成和工作范围概括如下：

（1）一个自由度

A.一个直线运动，构成直线。 B.一个旋转运动，构成曲线。 （2）两个自由度

A.两个直线运动，构成平面。

B.一个直线运动加一个在直线运动所在平面的旋转运动，构成平面。 C.一个直线运动加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动，构成圆柱曲面。 （3）三个自由度

A.三个直线运动，构成立方体。

B.两个直线运动和一个旋转运动，构成圆柱体。 C.一个直线运动和两个旋转运动构成球体。 D.三个旋转运动，构成球体。

有上述可见，要达到空间任意一点，原则上需要3个运动轴，而把一件工具送到相应工件的一定位置时又需要3个运动轴。因此，一台通用机械手能够达到空间任意点，并将工具送到相对于工件的任意位置，最低限度需要6个运动轴，其中位置自由度为3个，姿态自由度为3个。

综合考虑，本课题设计采用多自由度关节式形式。相应的机械手具有6个自由度，包括：1.肩的旋转 2.大臂的曲摆 3.小臂的曲摆 4.手腕的曲摆 5.手腕的旋转 6.手部的夹持。其整体结构简图，如下图2-5所示：

图2-5 关节式机械手结构简图

2.3 六自由度搬运机械手的手臂结构设计

2.3.1 六自由度搬运机械手的手臂作用

手臂一般有三个运动，包括伸缩、旋转和升降，实现旋转、升降运动主要由横臂和立柱完成。手臂的基本作用是将手爪移动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。

2.3.2 六自由度搬运机械手的手臂组成

（1）运动元件，如：油缸、气缸、齿条、凸轮等是驱动手臂的主要运动部件。

（2）导向装置，是保证手臂运动的正确方向及承受由于工件的重量说产生的弯矩和扭矩的力矩。

（3）手臂，起着承接外力和连接的作用，手臂上的零部件，如：油缸、导

向杆、控制件都安装在手臂上。

2.3.3 六自由度搬运机械手的手臂设计要求

（1）该系统中手臂应承受能力较大，刚性好，自重轻

手臂的刚性直接影响到手臂抓取工件的平稳性，运动的速度和定位精度。如果刚性差，则会引起手臂在垂直平面内弯曲变形或水平面内的扭转变形，手臂就会产生振动，或工作时工件卡死无法工作。因此，手臂一般都采用硬度高的材质来加大手臂的刚度，各支撑、连接件的刚性也有一定的要求，以保证能承受所需的驱动力。

（2）手臂的运动速度要适当，惯性要小

机械手的运动速度一般是根据产品的生产节拍要决定的，但是不要盲目追求高速。手臂由静止状态到达正常运动速度称为启动，由常速到停止不动为制动，其速度变化过程为速度特征曲线。手臂要满足自重轻，自身的惯性矩小，其启动和停止的平稳性就好。

（3）手臂动作要灵活

手臂的结构要紧凑小巧，才能使手臂运动轻快、灵活。此外，对于悬臂式的机械手，还要考虑零件在手臂的布置，就是要计算手臂移动零件时的重量对回转、升降和支撑中心的偏重力矩。偏重力矩对对手臂的运动不利，偏重力矩过大，会引起手臂的震动，在升降时还会发生一种沉头现象，会影响运动的灵活性，严重时手臂与立柱会卡死。所以在设计中要尽量使手臂重心通过回转中心，或者离回转中心尽量接近，以减小偏重力矩。对于双臂同时操作的机械，则应使两臂的分布尽量对称于中心，以达平衡。

（4）通用性强，能够适应多种作业；工艺性好，便于维修调整

以上的种种要求，有时往往相互矛盾，刚性好、载重大，结构往往粗大，增加手臂自重；转动惯量增加，冲击力就大，位置精度就越低。因此，设计手臂时，需要根据机械手抓取速度、自身重量、抓取重量、自由度、工作范围及机械手的整体布局和工作条件等各种因素考虑，以达到动作精准、可靠、灵活、结构紧凑、刚度大、自重小，从而保证一定的位置精度和适应快速动作。此外，对于热加工的机械手，还要考虑热辐射、手臂要较长，远离热源，并须装冷却装置。

综合考虑，确定其大臂和小臂三维模型如下图2-6所示：

图2-6 机械手大臂（左），小臂（右）三维模型图（附舵机）

2.4 六自由度搬运机械手的手腕部结构设计

2.4.1 六自由度搬运机械手的腕部作用

工业机械手的手腕部件设置于手部和手臂之间，它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵巧，适应性更强。

工业机械手是否设置腕部，需要根据具体情况而定。对于那些动作较简单的专用机械手，为简化结构，可以不设置腕部，而直接由臂部的运动驱使手部实现搬运工件或操作工具。但有时单靠臂部运动往往行动不便，或者显得很不经济，这就有必要设置腕部。尤其在运动空间受控制，不可能由臂部运动来完成动作要求的情况下，更有必要设置腕部。显然，对于课题所研究的通用机械手来说，要求动作的适应性较广，是有必要设置腕部的。

2.4.2 六自由度搬运机械手的腕部设计要点

（1）力求结构紧凑、重量轻

腕部处于臂部的最前端，它连同手部的静、动载荷均由臂部承受。显然，腕部的结构、重量和动力载荷，直接影响着臂部的结构、重量和运转性能。因此，对于六自由度机械手系统中，在腕部设计时，必须力求结构、重量轻。从现有的腕部结构看来，用机械传动的腕部，已有三个活动度，腕部的旋转和其他部件的运动配合，可以完成整个机械手的多方位工作，完成其操作任务。

（2）综合考虑，合理布局

腕部作为机械手的执行机构，又承担着连接和支撑作用。不仅要保证力和运动的要求，而且要具有足够的强度和刚度。

（3）必须考虑工作条件

对于高温作业和在腐蚀介质中工作的机械手，其腕部与手部经常在高温区域或腐蚀介质中停留与作业，直接受高温辐射的影响或易于腐蚀。因此，在设计时应充分估算对机械手腕部的不良影响（如：热膨胀、压力油的燃点及其粘度、有关材料及电控电测元件的耐热性能等），采取相应的措施，保证机械手腕部仍有良好的工作性能和较长的使用寿命。由于本课题研究的机械手属于教学演示型，工作条件可以不予考虑。

2.4.3 六自由度搬运机械手的腕部运动选择

多关节型机械手腕部工作的情况和直线型机械手不完全相同。如果没有腕部的运动，手部在提取水平安放的工件后做水平回转时，工件的轴线方向每一瞬间都在改变（沿着手臂回转的圆周切线方向）。如果在臂部水平回转的情况下能够根据要求改变工件方向，必须增加腕部摆动这一自由度。这样，从表面上看，似乎腕部的摆动和臂部的水平回转动作重复了，而实际上臂部的水平回转主要是实现工件的移位，腕部的曲摆是为了实现工件在水平面内不同位置时的定向运动，不能互相替代。

如果要将水平放置的工件改变为垂直放置，必须要有腕部绕自身轴轴的旋转运动才能实现（转90度）。也就是说有了腕部的旋转运动，就可以实现工件的调头和翻身。如果腕部同时具有旋转和曲摆这两个自由度，那么手部既可以水平提取工件，也可以垂直提取工件。

因此，通过软件SolidWorks三维建模，得到如下手腕的结构模型，如图2-7所示：此模型中腕部具有两个运动，一个是使手部绕本身轴线的自转运动（简称自转）；另一个是使手部绕ζ轴轴线的摆动（简称腕部的曲摆），这样也就可以满足工件水平和垂直的抓取。

图2-7 机械手腕部三维模型图（附电机）

2.5 六自由度搬运机械手的手部结构设计

2.5.1 机械手手部概述

工业机械手的手部（亦称抓取机构）是用来直接握持工件的部件。由于被握持工件的形状、尺寸大小、轻重和材料性能，表面状况等的不同，所以工业机械手的手部结构都是根据特定的工件要求专门设计的。各种手部的结构，不仅结构形式不完全相同，而且他们的工作原理也并不一样。归纳起来，常用的手部，按照其握持工件的原理，大致可以分为夹持式和吸附式两大类。

本课题的关节式机械手根据抓取工件形状，采用夹持式手部，在此，主要介绍夹持式手部的几种主要形式。如下图2-8所示：

（a） 夹持式手部

（b） 移动式手部

（c） 回转型外夹式 图2-8 手部的种类

2.5.2 夹钳式手部

夹持式中最常见的主要形式有夹钳式，此外还有钩托式和弹簧式，夹持类手部按照其手指夹持工件时的运动不同，又可分为手指回转型和手指平移型两种。如上图中所示。

夹钳式手部是夹持类机械手部中最常见的一种。它的动作与钢丝钳或台虎钳相似。

夹钳式手部一般由以下几个部分组成： （1）手指

它是直接与工件接触的构件。手部松开和夹紧工件就是通过手指的张开和闭合来实现的。一般情况下，机械手手部只用两个手指。很少为三指或多指。它们的结构形式常取决于被夹持工件的形状和特性。

（2）传动机构

它是向手指传递运动和力，以实现夹紧和松开动作的机构。 （3）驱动装置

它是向传动机构提供动力的装置，按照驱动方式的不同，有液压、气动、电动和机械之分。

此外，尚有连接与支撑元件，将上述有关部分连成一个整体，使手部与机械手的腕部（或臂部）连接。

由于夹持式手部适应性强，故在生产中应用最多。其中回转型手部一般都具有结构简单、动作灵活、制造容易等优点，在生产上应用比平移型手部多。而且通常以双支点回转型作为夹钳式手部的基本形式。

本课题的手部设计主要参考回转形外夹式夹钳手部，通过步进电机带动蜗杆的旋转，使之相啮合的蜗轮运动，带动连杆、手指运动，完成对工件的抓取任务。其模型如下图2-9所示：

图2-9 机械手手部平面模型图（附电机）

2.5.3 夹钳式手部设计要点

（1）手指应具有一定的开闭范围

夹持式手部的手指开闭范围就是从张开到闭合（夹紧）时，每个手指的变动量。显然，为了让手指闭合时能够夹紧工件，张开时能使手指顺利的接近工件，而不和其他设备等相碰，手指必须具有一定的开闭范围，其大小直接与工件和手指的形状、尺寸、及手部如何接近工件的路线等有关，同时还要注意经过路线的周围环境。

手指的开闭范围，应根据实际情况进行分析后加以确定。一般来说，如果工作环境允许，采用较大的开闭范围，可以降低对工件的尺寸公差、位置精度的要求，且有利于手部顺利地夹持工件，但会增大驱动装置的行程和结构尺寸，增加手指开闭时间，所以手指开闭范围不宜设计过大。

（2）应具有适当的夹紧力和驱动力

为了使手指能夹紧工件，并保证在运动过程中不脱落，因此要求手指在夹紧工件时应有足够的夹紧力，而对手部的驱动装置来说，就应该具有足够的驱动力。应当指出，在保证一定的夹紧力条件下，采用不同的传动机构，其所需驱动力的大小是不同的。

除此之外，考虑夹紧力时，还应注意工件在运动过程中由于运动状态的改变所产生的惯性力矩的影响，特别在运动速度变化较大的情况下，尤应如此。以免

在惯性力作用下，因夹紧力不足而松动或甩脱。当然，过大的夹紧力是没有必要的，尤其对于那些精密的或易碎、易变形、易损坏的工作，过大的夹紧力不但应该避免，而且尚应采取适当措施，以保护工件表面不受损伤。

（3）要求结构紧凑、重量轻、效率高

手部处于腕部和臂部的最前端，运动状态多变。其结构、重量和动力负荷直接影响到腕部和臂部的结构、重量和运转性能。因此在手部设计时，必须力求结构紧凑、重量轻、效率高。

2.6 六自由度搬运机械手的材质选择

综合考虑，机械手的手臂、手腕以及手部一般都采用硬度高的材质来加大其刚度，适当的添加些支撑，整个机械手自身重量要轻，其惯性矩也很小，手臂在旋转或曲摆的时候也便于控制，能够精确、平稳定位。

因此，基于综合考虑，机械手选用高强度45号钢厚度小，总体重量轻，能够满足以上各设计需求。

2.7 六自由度搬运机械手的连接设计

连接套模型示意图如下图2-11所示：

图2-11 机械手连接套模型

机械手整体连接主要是各个关节处的连接，考虑到钣金件薄，如果旋转或曲摆关节处直接与电机的连接，其电机轴不好定位，电机的驱动力不能有效地通过轴传递到各机械手关节来带动其旋转或曲摆。

因此，在电机轴与机械手关节处通过连接套进行连接，驱动力通过连接套间接地

将力有效传递给各关节，再顺利地通过电路控制各电机，完成机械手各关节的旋转和曲摆。

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