(完整版)六自由度搬運機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、2. 六自由度搬運機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)機械手的基本要求能快速、準(zhǔn)確地拾起 - 放下搬運物件，這就要求它們 具有高精度、 快速反應(yīng)、 一定的承載能力、 足夠的工作空間和靈活的自由度及在 任一位置都能自動定位等特征。設(shè)計原則是：充分分析作業(yè)對象（工件）的作業(yè) 技術(shù)要求， 擬定最合理的作業(yè)工序和工藝、 并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件； 明 確工件的形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì) 量參數(shù)等， 從而進一步確定對該機械手結(jié)構(gòu)和運行控制的要求； 盡量選用定型的 標(biāo)準(zhǔn)組件， 簡化設(shè)計制造過程， 兼顧通用性和專用性， 并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)接和編程 控制。本課題設(shè)計的是一種小型的多關(guān)節(jié)式六

2、自由度機械手， 能夠滿足相應(yīng)的動 作要求，并對一些小質(zhì)量工件實現(xiàn)抓取、搬運等一些列動作。2.1 六自由度搬運機械手的功能分析該機械手系統(tǒng)共有 6 個自由度， 分別為肩的回轉(zhuǎn)與曲擺， 大臂的曲擺， 小臂 的曲擺，手腕的曲擺與回轉(zhuǎn)，以及手抓的回轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)中基座固定， 與基座相連的肩可以進行 360 度的回轉(zhuǎn)；與肩相連接的 大臂可以進行-90+90度曲擺，與大臂相連接的小臂可以進行-90+90度曲擺， 大臂和小臂動作幅度較大， 可以滿足俯仰要求。 手腕可以進行 360 度的旋轉(zhuǎn)， 手 腕也可以完成 -90 +90 度的曲擺，末端的手爪部分可以 -90+90 度夾持，手爪 部分通過一對齒輪的嚙合轉(zhuǎn)動，

3、 及其四桿機構(gòu)完成手爪的開合， 可以滿足夾持工 件的要求。通過預(yù)先編好的程序， 下載到單片機內(nèi)， 從而使該六自由度搬運機械手能獨 立的完成一套指定的搬運動作，并一直重復(fù)進行下去！2.2 六自由度搬運機械手的坐標(biāo)形式和自由度2.2.1 六自由度搬運機械手的坐標(biāo)形式按機械手手臂的不同運動形式及組合情況， 其坐標(biāo)形式可以分為直角坐標(biāo)式、 圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。（1）直角坐標(biāo)式機械手 直角坐標(biāo)式機械手是適合于工作位置成行排列或傳送帶配合使用的一種機械手。它的手臂可以伸縮，左右和上下移動，按照直角坐標(biāo)形式 x、y、z 三個方 向的直線運動，其工作范圍可以是1個直線運動、2個直線運動或3個直線運動

4、。 如在x、y、z三個直線運動方向上各有 A、B、C 3個回轉(zhuǎn)運動，即構(gòu)成了 6個 自由度。如圖2-1所示，直角式坐標(biāo)機械手具有以下優(yōu)點： 產(chǎn)量大、節(jié)拍短，能滿足高速的要求。 容易與生產(chǎn)線上的傳送帶和加工裝配機械相配合。 適于裝箱類、多工序復(fù)雜的工作，定位容易改變。 定位精度高，可以達到±）.5mm以下，載重變化時不會影響精度。 易于實行數(shù)控，可于開環(huán)或閉環(huán)數(shù)控機械配合使用。但是，直角坐標(biāo)式機械手也有自身的缺點，這種機械手作業(yè)范圍較小圖2-1直角式坐標(biāo)機械手（2）圓柱坐標(biāo)式機械手圓柱坐標(biāo)式機械手是應(yīng)用最多的一種形式，它適用于搬運和測量工件。具有 直觀性好、結(jié)構(gòu)簡單、本體占用空間較小的

5、特點。其動作范圍可以分為：一個旋 轉(zhuǎn)運動、一個直線運動加一個不在直線運動所在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動，如上圖2-2所示：圖2-2圓柱直角坐標(biāo)式機械手 圓柱坐標(biāo)式機械手的基本動作A. 手臂水平回轉(zhuǎn)。B. 手臂伸縮。C. 手臂上下。D. 手臂回轉(zhuǎn)運動。E. 手爪夾緊動作。 圓柱坐標(biāo)式機械手的特征圓柱坐標(biāo)式機械手的特征是垂直導(dǎo)柱上裝有滑動套筒，手臂裝在滑動套筒上,手臂可以做上下直線運動（z）和水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動（）。（3）球坐標(biāo)式機械手球坐標(biāo)式機械手是一種自由度較多、用途較廣的機械手。它是由x、從 3個方面的運動組成，如下圖2-3所示：圖2-3球坐標(biāo)式機械手圖中：X手臂伸縮上下俯仰一水平旋轉(zhuǎn) 倉一手

6、腕擺動3手腕旋轉(zhuǎn)球坐標(biāo)式機械手的工作范圍包括一個旋轉(zhuǎn)運動、兩個旋轉(zhuǎn)運動、兩個旋轉(zhuǎn)運動加一個直線運動。球坐標(biāo)式機械手的基本動作A. 手臂上下運動，即俯仰運動。B. 手臂左右運動，即回轉(zhuǎn)運動。C. 手臂前后運動，即伸縮運動。D. 手腕上下彎曲。E. 手腕左右擺動。F. 手腕旋轉(zhuǎn)運動。G. 手爪夾緊運動。H. 機械手整體移動。 球坐標(biāo)機械手的特點球坐標(biāo)機械手的特點是將手臂裝在樞軸上， 樞軸又裝在叉形架上， 能在垂直 面內(nèi)做圓弧上下俯仰運動，它的臂可以伸縮，橫向水平擺動，還可以上下擺動， 工作范圍和人手的動作相似。 它的特點是能自動選擇最合理的動作線路， 所以工 效高。另外，由于上下擺動， 它的相對體

7、積小。 而動作范圍大。 以行程為 203mm 的工作油缸為例，其手臂的上下移動距離就能達到 2450m m。若采用圓柱坐標(biāo)式 則其高度就要達到2450mm。球坐標(biāo)式機械手作業(yè)范圍可以達到 9m3,較其他形 式約大35倍。（4）關(guān)節(jié)式機械手關(guān)節(jié)式機械手是一種適合于靠近機體操作的傳動形式。 它像人手一樣有關(guān)節(jié)， 可以實現(xiàn)多個自由度， 動作比較靈活，適合于窄空間工作。 早在20實際 40年代， 關(guān)節(jié)式機械手就在原子能工業(yè)中得到應(yīng)用， 隨后又應(yīng)用于海洋開發(fā)， 有一定的發(fā) 展前途。關(guān)節(jié)式機械手有大臂和小臂的擺動，以及肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的運動，見下圖2-4 所示：圖2-4關(guān)節(jié)式機械手關(guān)節(jié)式機械手具有上肢結(jié)構(gòu)，

8、可以實現(xiàn)近似人手操作的機能，表2-1為關(guān)節(jié)式機械手與人體上肢動作角度對比：表2-1：關(guān)節(jié)式機械手與人體上肢動作角度對比肩旋轉(zhuǎn)上臂曲擺下臂曲擺下臂旋轉(zhuǎn)手腕曲擺手臂曲擺手旋轉(zhuǎn)人體上肢拐00±90°0 -130°-45°+65°-60° +90°-60°+90°一關(guān)節(jié)式機械手±80°±90°±90°±180°±80°一±180°為具有人手操作的機能，需要研制最合適的結(jié)構(gòu)。關(guān)節(jié)式機械手的傳動機構(gòu)

9、 采用齒輪式、齒條式和擺動式。其傳動機構(gòu)采用哪一種形式，主要根據(jù)工件的輕 重來決定。特別是靠近關(guān)節(jié)式前端的關(guān)節(jié)部位的重量對肩部影響很大。 傳動機構(gòu) 在承受負(fù)荷的同時必須承受自重，因此要合理進行其結(jié)構(gòu)設(shè)計。通常把傳送機構(gòu)的運動稱為傳送機構(gòu)的自由度。人從手指到肩部共有27個自由度。而如將機械手的手臂也制成這樣多的自由度，既有困難又不必要。從力學(xué)的角度分析，物件在空間只有6個自由度。因此為抓取和傳送在空間不同位置 和方位的物件，傳送機構(gòu)應(yīng)具有 6個自由度，三個沿x、y、z坐標(biāo)軸的移動和三 個沿x、y、z軸的轉(zhuǎn)動。222六自由度搬運機械手的自由度自由度是指機械手各運動部件在三維空間坐標(biāo)軸上說具有的獨立

10、運動數(shù)。它的構(gòu)成和工作范圍概括如下:（1）一個自由度A. 個直線運動，構(gòu)成直線。B. 一個旋轉(zhuǎn)運動，構(gòu)成曲線。（2）兩個自由度A. 兩個直線運動，構(gòu)成平面。B. 一個直線運動加一個在直線運動所在平面的旋轉(zhuǎn)運動，構(gòu)成平面。C. 一個直線運動加一個不在直線運動所在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動， 構(gòu)成圓柱曲面（3）三個自由度A. 三個直線運動，構(gòu)成立方體。B. 兩個直線運動和一個旋轉(zhuǎn)運動，構(gòu)成圓柱體。C. 一個直線運動和兩個旋轉(zhuǎn)運動構(gòu)成球體。D. 三個旋轉(zhuǎn)運動，構(gòu)成球體。有上述可見， 要達到空間任意一點， 原則上需要 3 個運動軸， 而把一件工具 送到相應(yīng)工件的一定位置時又需要 3 個運動軸。 因此，一臺通用機

11、械手能夠達到 空間任意點，并將工具送到相對于工件的任意位置，最低限度需要 6 個運動軸， 其中位置自由度為 3 個，姿態(tài)自由度為 3 個。綜合考慮，本課題設(shè)計采用多自由度關(guān)節(jié)式形式。 相應(yīng)的機械手具有 6 個自 由度，包括：1. 肩的旋轉(zhuǎn) 2. 大臂的曲擺 3. 小臂的曲擺 4. 手腕的曲擺 5. 手腕的 旋轉(zhuǎn) 6. 手部的夾持。其整體結(jié)構(gòu)簡圖，如下圖 2-5 所示：圖2-5關(guān)節(jié)式機械手結(jié)構(gòu)簡圖2.3六自由度搬運機械手的手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計2.3.1六自由度搬運機械手的手臂作用手臂一般有三個運動，包括伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、升降運動主要由 橫臂和立柱完成。手臂的基本作用是將手爪移動到所需位置和承受

12、手爪抓取工件 的最大重量，以及手臂自身的重量。2.3.2六自由度搬運機械手的手臂組成（1）運動元件，如：油缸、氣缸、齒條、凸輪等是驅(qū)動手臂的主要運動部 件。（2）導(dǎo)向裝置，是保證手臂運動的正確方向及承受由于工件的重量說產(chǎn)生 的彎矩和扭矩的力矩。（3）手臂，起著承接外力和連接的作用，手臂上的零部件，如：油缸、導(dǎo) 向桿、控制件都安裝在手臂上。2.3.3 六自由度搬運機械手的手臂設(shè)計要求（1）該系統(tǒng)中手臂應(yīng)承受能力較大，剛性好，自重輕 手臂的剛性直接影響到手臂抓取工件的平穩(wěn)性， 運動的速度和定位精度。 如 果剛性差， 則會引起手臂在垂直平面內(nèi)彎曲變形或水平面內(nèi)的扭轉(zhuǎn)變形， 手臂就 會產(chǎn)生振動， 或工

13、作時工件卡死無法工作。 因此，手臂一般都采用硬度高的材質(zhì) 來加大手臂的剛度， 各支撐、 連接件的剛性也有一定的要求， 以保證能承受所需 的驅(qū)動力。（2）手臂的運動速度要適當(dāng)，慣性要小 機械手的運動速度一般是根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍要決定的， 但是不要盲目追求 高速。手臂由靜止?fàn)顟B(tài)到達正常運動速度稱為啟動，由常速到停止不動為制動， 其速度變化過程為速度特征曲線。 手臂要滿足自重輕， 自身的慣性矩小， 其啟動 和停止的平穩(wěn)性就好。（3）手臂動作要靈活 手臂的結(jié)構(gòu)要緊湊小巧，才能使手臂運動輕快、靈活。此外，對于懸臂式的 機械手，還要考慮零件在手臂的布置， 就是要計算手臂移動零件時的重量對回轉(zhuǎn)、 升降和支撐

14、中心的偏重力矩。 偏重力矩對對手臂的運動不利， 偏重力矩過大， 會 引起手臂的震動， 在升降時還會發(fā)生一種沉頭現(xiàn)象， 會影響運動的靈活性， 嚴(yán)重 時手臂與立柱會卡死。 所以在設(shè)計中要盡量使手臂重心通過回轉(zhuǎn)中心， 或者離回 轉(zhuǎn)中心盡量接近， 以減小偏重力矩。 對于雙臂同時操作的機械， 則應(yīng)使兩臂的分 布盡量對稱于中心，以達平衡。（4）通用性強，能夠適應(yīng)多種作業(yè)；工藝性好，便于維修調(diào)整 以上的種種要求，有時往往相互矛盾，剛性好、載重大，結(jié)構(gòu)往往粗大，增 加手臂自重；轉(zhuǎn)動慣量增加，沖擊力就大，位置精度就越低。 因此，設(shè)計手臂時， 需要根據(jù)機械手抓取速度、自身重量、抓取重量、自由度、工作范圍及機械手的

15、 整體布局和工作條件等各種因素考慮， 以達到動作精準(zhǔn)、 可靠、靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、 剛度大、自重小，從而保證一定的位置精度和適應(yīng)快速動作。此外，對于熱加工 的機械手，還要考慮熱輻射、手臂要較長，遠(yuǎn)離熱源，并須裝冷卻裝置。綜合考慮，確定其大臂和小臂三維模型如下圖 2-6 所示：圖2-6機械手大臂（左），小臂（右）三維模型圖（附舵機）2.4六自由度搬運機械手的手腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計2.4.1六自由度搬運機械手的腕部作用工業(yè)機械手的手腕部件設(shè)置于手部和手臂之間，它的作用主要是在臂部運動 的基礎(chǔ)上進一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使 機械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強。工業(yè)機械手是否設(shè)置腕部，

16、需要根據(jù)具體情況而定。對于那些動作較簡單的 專用機械手，為簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)置腕部，而直接由臂部的運動驅(qū)使手部實現(xiàn) 搬運工件或操作工具。但有時單靠臂部運動往往行動不便，或者顯得很不經(jīng)濟， 這就有必要設(shè)置腕部。尤其在運動空間受控制，不可能由臂部運動來完成動作要 求的情況下，更有必要設(shè)置腕部。顯然，對于課題所研究的通用機械手來說，要 求動作的適應(yīng)性較廣，是有必要設(shè)置腕部的。2.4.2 六自由度搬運機械手的腕部設(shè)計要點（1）力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕 腕部處于臂部的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承受。顯然，腕 部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運轉(zhuǎn)性能。因此， 對于六自由度機械

17、手系統(tǒng)中，在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)、重量輕。從現(xiàn)有的 腕部結(jié)構(gòu)看來， 用機械傳動的腕部， 已有三個活動度， 腕部的旋轉(zhuǎn)和其他部件的 運動配合，可以完成整個機械手的多方位工作，完成其操作任務(wù)。（2）綜合考慮，合理布局 腕部作為機械手的執(zhí)行機構(gòu)， 又承擔(dān)著連接和支撐作用。 不僅要保證力和運 動的要求，而且要具有足夠的強度和剛度。（3）必須考慮工作條件 對于高溫作業(yè)和在腐蝕介質(zhì)中工作的機械手， 其腕部與手部經(jīng)常在高溫區(qū)域 或腐蝕介質(zhì)中停留與作業(yè)， 直接受高溫輻射的影響或易于腐蝕。 因此，在設(shè)計時 應(yīng)充分估算對機械手腕部的不良影響（如：熱膨脹、壓力油的燃點及其粘度、有 關(guān)材料及電控電測元件的耐熱性能

18、等） ，采取相應(yīng)的措施，保證機械手腕部仍有 良好的工作性能和較長的使用壽命。由于本課題研究的機械手屬于教學(xué)演示型， 工作條件可以不予考慮。2.4.3 六自由度搬運機械手的腕部運動選擇 多關(guān)節(jié)型機械手腕部工作的情況和直線型機械手不完全相同。 如果沒有腕部 的運動，手部在提取水平安放的工件后做水平回轉(zhuǎn)時， 工件的軸線方向每一瞬間 都在改變（沿著手臂回轉(zhuǎn)的圓周切線方向） 。如果在臂部水平回轉(zhuǎn)的情況下能夠 根據(jù)要求改變工件方向，必須增加腕部擺動這一自由度。這樣，從表面上看，似 乎腕部的擺動和臂部的水平回轉(zhuǎn)動作重復(fù)了， 而實際上臂部的水平回轉(zhuǎn)主要是實 現(xiàn)工件的移位，腕部的曲擺是為了實現(xiàn)工件在水平面內(nèi)不同

19、位置時的定向運動， 不能互相替代。如果要將水平放置的工件改變?yōu)榇怪狈胖茫?必須要有腕部繞自身軸軸的旋轉(zhuǎn) 運動才能實現(xiàn)（轉(zhuǎn) 90度）。也就是說有了腕部的旋轉(zhuǎn)運動， 就可以實現(xiàn)工件的調(diào) 頭和翻身。 如果腕部同時具有旋轉(zhuǎn)和曲擺這兩個自由度， 那么手部既可以水平提 取工件，也可以垂直提取工件。因此，通過軟件SolidWorks三維建模，得到如下手腕的結(jié)構(gòu)模型，如圖 2-7 所示：此模型中腕部具有兩個運動，一個是使手部繞本身軸線的自轉(zhuǎn)運動 （簡稱 自轉(zhuǎn)）；另一個是使手部繞Z軸軸線的擺動 （簡稱腕部的曲擺），這樣也就可以滿 足工件水平和垂直的抓取。圖2-7機械手腕部三維模型圖（附電機）2.5六自由度搬運機

20、械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計2.5.1機械手手部概述工業(yè)機械手的手部（亦稱抓取機構(gòu)）是用來直接握持工件的部件。由于被握 持工件的形狀、尺寸大小、輕重和材料性能，表面狀況等的不同，所以工業(yè)機械 手的手部結(jié)構(gòu)都是根據(jù)特定的工件要求專門設(shè)計的。各種手部的結(jié)構(gòu)，不僅結(jié)構(gòu) 形式不完全相同，而且他們的工作原理也并不一樣。歸納起來，常用的手部，按 照其握持工件的原理，大致可以分為夾持式和吸附式兩大類。本課題的關(guān)節(jié)式機械手根據(jù)抓取工件形狀，采用夾持式手部，在此，主要介紹夾持式手部的幾種主要形式。如下圖 2-8所示:(c)回轉(zhuǎn)型外夾式圖2-8手部的種類2.5.2夾鉗式手部夾持式中最常見的主要形式有夾鉗式， 此外還有鉤托式

21、和彈簧式，夾持類手部按照其手指夾持工件時的運動不同，又可分為手指回轉(zhuǎn)型和手指平移型兩種。如上圖中所示。夾鉗式手部是夾持類機械手部中最常見的一種。 它的動作與鋼絲鉗或臺虎鉗相似。夾鉗式手部一般由以下幾個部分組成：（1）手指它是直接與工件接觸的構(gòu)件。 手部松開和夾緊工件就是通過手指的張開和閉 合來實現(xiàn)的。一般情況下，機械手手部只用兩個手指。很少為三指或多指。它們 的結(jié)構(gòu)形式常取決于被夾持工件的形狀和特性。（2）傳動機構(gòu)它是向手指傳遞運動和力，以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機構(gòu)。（3）驅(qū)動裝置 它是向傳動機構(gòu)提供動力的裝置，按照驅(qū)動方式的不同，有液壓、氣動、電 動和機械之分。此外，尚有連接與支撐元件， 將上

22、述有關(guān)部分連成一個整體， 使手部與機械 手的腕部（或臂部）連接。由于夾持式手部適應(yīng)性強， 故在生產(chǎn)中應(yīng)用最多。 其中回轉(zhuǎn)型手部一般都具 有結(jié)構(gòu)簡單、動作靈活、制造容易等優(yōu)點，在生產(chǎn)上應(yīng)用比平移型手部多。而且 通常以雙支點回轉(zhuǎn)型作為夾鉗式手部的基本形式。本課題的手部設(shè)計主要參考回轉(zhuǎn)形外夾式夾鉗手部， 通過步進電機帶動蝸桿 的旋轉(zhuǎn)，使之相嚙合的蝸輪運動， 帶動連桿、手指運動，完成對工件的抓取任務(wù)。 其模型如下圖 2-9 所示：圖2-9機械手手部平面模型圖（附電機）2.5.3夾鉗式手部設(shè)計要點（1）手指應(yīng)具有一定的開閉范圍夾持式手部的手指開閉范圍就是從張開到閉合（夾緊）時，每個手指的變動 量。顯然，為了讓手指閉合時能夠夾緊工件，張開時能使手指順利的接近工件， 而不和其他設(shè)備等相碰，手指必須具有一定的開閉范圍，其大小直接與工件和手 指的形狀、尺寸、及手部如何接近工件的路線等有關(guān)， 同時還要注意經(jīng)過路線的 周圍環(huán)境。手指的開閉范圍，應(yīng)根據(jù)實際情況進行分析后加以確定。 一般來說，如果工 作環(huán)境允許，采用較大的開閉范圍，可以降低對工件的尺寸公差、 位置精度的要 求，且有利于手部順利地夾持工件，但會增大驅(qū)動裝置的行程和結(jié)構(gòu)尺寸， 增加 手指開閉時間，所以手指開閉范圍不宜設(shè)計過大。（2）應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A