《六自由度搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(共16頁(yè))》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《六自由度搬運(yùn)機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(共16頁(yè))（16頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 2. 六自由度搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)機(jī)械手的基本要求能快速、準(zhǔn)確地拾起-放下搬運(yùn)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(dòng)定位等特征。設(shè)計(jì)原則是：充分分析作業(yè)對(duì)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(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)該機(jī)械手結(jié)構(gòu)和運(yùn)行控制的要求；盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)接和編程控制。本課題設(shè)計(jì)的是一種小型的多關(guān)節(jié)式

2、六自由度機(jī)械手，能夠滿足相應(yīng)的動(dòng)作要求，并對(duì)一些小質(zhì)量工件實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)等一些列動(dòng)作。 2.1 六自由度搬運(yùn)機(jī)械手的功能分析 該機(jī)械手系統(tǒng)共有6個(gè)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(jìn)行360度的回轉(zhuǎn)；與肩相連接的大臂可以進(jìn)行-90～+90度曲擺，與大臂相連接的小臂可以進(jìn)行-90～+90度曲擺，大臂和小臂動(dòng)作幅度較大，可以滿足俯仰要求。手腕可以進(jìn)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(duì)齒輪的嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)，及其四桿機(jī)構(gòu)完成手爪的開合

3、，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(jī)內(nèi)，從而使該六自由度搬運(yùn)機(jī)械手能獨(dú)立的完成一套指定的搬運(yùn)動(dòng)作，并一直重復(fù)進(jìn)行下去！ 2.2 六自由度搬運(yùn)機(jī)械手的坐標(biāo)形式和自由度 2.2.1 六自由度搬運(yùn)機(jī)械手的坐標(biāo)形式 按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)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(jī)械手 直角坐標(biāo)式機(jī)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(jī)械手。它的手臂可以伸縮，左右和上下移動(dòng)，按照直角坐標(biāo)形式x、y、z三個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)，其工作范圍可以是1個(gè)直線運(yùn)動(dòng)、2個(gè)直線運(yùn)動(dòng)或3個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。如在x、y、z三個(gè)直線運(yùn)

4、動(dòng)方向上各有A、B、C 3個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即構(gòu)成了6個(gè)自由度。如圖2-1所示，直角式坐標(biāo)機(jī)械手具有以下優(yōu)點(diǎn)： ①產(chǎn)量大、節(jié)拍短，能滿足高速的要求。 ②容易與生產(chǎn)線上的傳送帶和加工裝配機(jī)械相配合。 ③適于裝箱類、多工序復(fù)雜的工作，定位容易改變。 ④定位精度高，可以達(dá)到0.5mm以下，載重變化時(shí)不會(huì)影響精度。 ⑤易于實(shí)行數(shù)控，可于開環(huán)或閉環(huán)數(shù)控機(jī)械配合使用。 但是，直角坐標(biāo)式機(jī)械手也有自身的缺點(diǎn)，這種機(jī)械手作業(yè)范圍較小 圖2-1 直角式坐標(biāo)機(jī)械手 （2）圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手是應(yīng)用最多的一種形式，它適用于搬運(yùn)和測(cè)量工件。具有直觀性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、本體占

5、用空間較小的特點(diǎn)。其動(dòng)作范圍可以分為：一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)加一個(gè)不在直線運(yùn)動(dòng)所在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如上圖2-2所示： 圖2-2 圓柱直角坐標(biāo)式機(jī)械手 ① 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的基本動(dòng)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(yùn)動(dòng)。 E. 手爪夾緊動(dòng)作。 ② 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的特征 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的特征是垂直導(dǎo)柱上裝有滑動(dòng)套筒，手臂裝在滑動(dòng)套筒上，手臂可以做上下直線運(yùn)動(dòng)（z）和水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動(dòng)（Φ）。 （3）球坐標(biāo)式機(jī)械手 球坐標(biāo)式機(jī)械手是一種自由度較多、用途較廣的機(jī)械手。它是由x、θ、Φ3個(gè)

6、方面的運(yùn)動(dòng)組成，如下圖2-3所示： 圖2-3 球坐標(biāo)式機(jī)械手 圖中：X—手臂伸縮 θ—上下俯仰 Φ—水平旋轉(zhuǎn) θ1—手腕擺動(dòng) ω—手腕旋轉(zhuǎn) 球坐標(biāo)式機(jī)械手的工作范圍包括一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。 ① 球坐標(biāo)式機(jī)械手的基本動(dòng)作 A.手臂上下運(yùn)動(dòng)，即俯仰運(yùn)動(dòng)。 B.手臂左右運(yùn)動(dòng)，即回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 C.手臂前后運(yùn)動(dòng)，即伸縮運(yùn)動(dòng)。 D.手腕上下彎曲。 E.手腕左右擺動(dòng)。 F.手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 G.手爪夾緊運(yùn)動(dòng)。 H.機(jī)械手整體移動(dòng)。 ② 球坐標(biāo)機(jī)械手的特點(diǎn) 球坐標(biāo)機(jī)械手的特點(diǎn)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

7、下俯仰運(yùn)動(dòng)，它的臂可以伸縮，橫向水平擺動(dòng)，還可以上下擺動(dòng)，工作范圍和人手的動(dòng)作相似。它的特點(diǎn)是能自動(dòng)選擇最合理的動(dòng)作線路，所以工效高。另外，由于上下擺動(dòng)，它的相對(duì)體積小。而動(dòng)作范圍大。以行程為203mm的工作油缸為例，其手臂的上下移動(dòng)距離就能達(dá)到2450mm。若采用圓柱坐標(biāo)式則其高度就要達(dá)到2450mm。球坐標(biāo)式機(jī)械手作業(yè)范圍可以達(dá)到9m3，較其他形式約大3～5倍。 （4）關(guān)節(jié)式機(jī)械手 關(guān)節(jié)式機(jī)械手是一種適合于靠近機(jī)體操作的傳動(dòng)形式。它像人手一樣有關(guān)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度，動(dòng)作比較靈活，適合于窄空間工作。早在20實(shí)際40年代，關(guān)節(jié)式機(jī)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

8、定的發(fā)展前途。 關(guān)節(jié)式機(jī)械手有大臂和小臂的擺動(dòng)，以及肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，見下圖2-4所示： 圖2-4 關(guān)節(jié)式機(jī)械手 關(guān)節(jié)式機(jī)械手具有上肢結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)近似人手操作的機(jī)能，表2-1為關(guān)節(jié)式機(jī)械手與人體上肢動(dòng)作角度對(duì)比： 表2-1： 關(guān)節(jié)式機(jī)械手與人體上肢動(dòng)作角度對(duì)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 800 900 0～-1300 -450～+650 -600～+900 -600～+900 — 關(guān)節(jié)式機(jī)械手 1800 900 900 1800 80

9、0 — 1800 為具有人手操作的機(jī)能，需要研制最合適的結(jié)構(gòu)。關(guān)節(jié)式機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪式、齒條式和擺動(dòng)式。其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用哪一種形式，主要根據(jù)工件的輕重來(lái)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(duì)肩部影響很大。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在承受負(fù)荷的同時(shí)必須承受自重，因此要合理進(jìn)行其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 通常把傳送機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)稱為傳送機(jī)構(gòu)的自由度。人從手指到肩部共有27個(gè)自由度。而如將機(jī)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(gè)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(jī)構(gòu)應(yīng)具有6個(gè)自由度，三個(gè)沿x、y、z坐標(biāo)軸的移動(dòng)和三個(gè)沿x、y、z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。

10、2.2.2 六自由度搬運(yùn)機(jī)械手的自由度 自由度是指機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)部件在三維空間坐標(biāo)軸上說(shuō)具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)數(shù)。它的構(gòu)成和工作范圍概括如下： （1）一個(gè)自由度 A.一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成直線。 B.一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成曲線。 （2）兩個(gè)自由度 A.兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成平面。 B.一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)加一個(gè)在直線運(yùn)動(dòng)所在平面的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成平面。 C.一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)加一個(gè)不在直線運(yùn)動(dòng)所在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成圓柱曲面。 （3）三個(gè)自由度 A.三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成立方體。 B.兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成圓柱體。 C.一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成球體。 D.三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成球體。 有上述可

11、見，要達(dá)到空間任意一點(diǎn)，原則上需要3個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，而把一件工具送到相應(yīng)工件的一定位置時(shí)又需要3個(gè)運(yùn)動(dòng)軸。因此，一臺(tái)通用機(jī)械手能夠達(dá)到空間任意點(diǎn)，并將工具送到相對(duì)于工件的任意位置，最低限度需要6個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，其中位置自由度為3個(gè)，姿態(tài)自由度為3個(gè)。 綜合考慮，本課題設(shè)計(jì)采用多自由度關(guān)節(jié)式形式。相應(yīng)的機(jī)械手具有6個(gè)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(jiǎn)圖，如下圖2-5所示： 圖2-5 關(guān)節(jié)式機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 2.3 六自由度搬運(yùn)機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.3.1 六自由度搬運(yùn)機(jī)械手的手臂作用 手臂一般有三個(gè)運(yùn)動(dòng)

12、，包括伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、升降運(yùn)動(dòng)主要由橫臂和立柱完成。手臂的基本作用是將手爪移動(dòng)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 六自由度搬運(yùn)機(jī)械手的手臂組成 （1）運(yùn)動(dòng)元件，如：油缸、氣缸、齒條、凸輪等是驅(qū)動(dòng)手臂的主要運(yùn)動(dòng)部件。 （2）導(dǎo)向裝置，是保證手臂運(yùn)動(dòng)的正確方向及承受由于工件的重量說(shuō)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(yùn)機(jī)械手的手臂設(shè)計(jì)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

13、，運(yùn)動(dòng)的速度和定位精度。如果剛性差，則會(huì)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(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，或工作時(shí)工件卡死無(wú)法工作。因此，手臂一般都采用硬度高的材質(zhì)來(lái)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(dòng)力。 （2）手臂的運(yùn)動(dòng)速度要適當(dāng)，慣性要小 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)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(dá)正常運(yùn)動(dòng)速度稱為啟動(dòng)，由常速到停止不動(dòng)為制動(dòng)，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(dòng)和停止的平穩(wěn)性就好。 （3）手臂動(dòng)作要靈活 手臂的結(jié)構(gòu)要緊湊小巧，才能使手臂運(yùn)動(dòng)輕快、靈活。此外，對(duì)

14、于懸臂式的機(jī)械手，還要考慮零件在手臂的布置，就是要計(jì)算手臂移動(dòng)零件時(shí)的重量對(duì)回轉(zhuǎn)、升降和支撐中心的偏重力矩。偏重力矩對(duì)對(duì)手臂的運(yùn)動(dòng)不利，偏重力矩過大，會(huì)引起手臂的震動(dòng)，在升降時(shí)還會(huì)發(fā)生一種沉頭現(xiàn)象，會(huì)影響運(yùn)動(dòng)的靈活性，嚴(yán)重時(shí)手臂與立柱會(huì)卡死。所以在設(shè)計(jì)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(duì)于雙臂同時(shí)操作的機(jī)械，則應(yīng)使兩臂的分布盡量對(duì)稱于中心，以達(dá)平衡。 （4）通用性強(qiáng)，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(shí)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(dòng)慣量增加，沖擊力就大，位置精度就越低。因此，設(shè)計(jì)手臂時(shí)，需要根據(jù)

15、機(jī)械手抓取速度、自身重量、抓取重量、自由度、工作范圍及機(jī)械手的整體布局和工作條件等各種因素考慮，以達(dá)到動(dòng)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(dòng)作。此外，對(duì)于熱加工的機(jī)械手，還要考慮熱輻射、手臂要較長(zhǎng)，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(jī)械手大臂（左），小臂（右）三維模型圖（附舵機(jī)） 2.4 六自由度搬運(yùn)機(jī)械手的手腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.4.1 六自由度搬運(yùn)機(jī)械手的腕部作用 工業(yè)機(jī)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(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴(kuò)大機(jī)

16、械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。 工業(yè)機(jī)械手是否設(shè)置腕部，需要根據(jù)具體情況而定。對(duì)于那些動(dòng)作較簡(jiǎn)單的專用機(jī)械手，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)置腕部，而直接由臂部的運(yùn)動(dòng)驅(qū)使手部實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)工件或操作工具。但有時(shí)單靠臂部運(yùn)動(dòng)往往行動(dòng)不便，或者顯得很不經(jīng)濟(jì)，這就有必要設(shè)置腕部。尤其在運(yùn)動(dòng)空間受控制，不可能由臂部運(yùn)動(dòng)來(lái)完成動(dòng)作要求的情況下，更有必要設(shè)置腕部。顯然，對(duì)于課題所研究的通用機(jī)械手來(lái)說(shuō)，要求動(dòng)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(yùn)機(jī)械手的腕部設(shè)計(jì)要點(diǎn) （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(dòng)載荷均由臂部承受。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重

17、量和動(dòng)力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，對(duì)于六自由度機(jī)械手系統(tǒng)中，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)、重量輕。從現(xiàn)有的腕部結(jié)構(gòu)看來(lái)，用機(jī)械傳動(dòng)的腕部，已有三個(gè)活動(dòng)度，腕部的旋轉(zhuǎn)和其他部件的運(yùn)動(dòng)配合，可以完成整個(gè)機(jī)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(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)著連接和支撐作用。不僅要保證力和運(yùn)動(dòng)的要求，而且要具有足夠的強(qiáng)度和剛度。 （3）必須考慮工作條件 對(duì)于高溫作業(yè)和在腐蝕介質(zhì)中工作的機(jī)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(jì)時(shí)應(yīng)充分估算對(duì)機(jī)械手腕部的不良影響（如：熱膨

18、脹、壓力油的燃點(diǎn)及其粘度、有關(guān)材料及電控電測(cè)元件的耐熱性能等），采取相應(yīng)的措施，保證機(jī)械手腕部仍有良好的工作性能和較長(zhǎng)的使用壽命。由于本課題研究的機(jī)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(yùn)機(jī)械手的腕部運(yùn)動(dòng)選擇 多關(guān)節(jié)型機(jī)械手腕部工作的情況和直線型機(jī)械手不完全相同。如果沒有腕部的運(yùn)動(dòng)，手部在提取水平安放的工件后做水平回轉(zhuǎn)時(shí)，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(dòng)這一自由度。這樣，從表面上看，似乎腕部的擺動(dòng)和臂部的水平回轉(zhuǎn)動(dòng)作重復(fù)了，而實(shí)際上臂部的水平回轉(zhuǎn)主要是實(shí)現(xiàn)工件的移位

19、，腕部的曲擺是為了實(shí)現(xiàn)工件在水平面內(nèi)不同位置時(shí)的定向運(yùn)動(dòng)，不能互相替代。 如果要將水平放置的工件改變?yōu)榇怪狈胖?，必須要有腕部繞自身軸軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才能實(shí)現(xiàn)（轉(zhuǎn)90度）。也就是說(shuō)有了腕部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)工件的調(diào)頭和翻身。如果腕部同時(shí)具有旋轉(zhuǎn)和曲擺這兩個(gè)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(gè)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)是使手部繞本身軸線的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（簡(jiǎn)稱自轉(zhuǎn)）；另一個(gè)是使手部繞ζ軸軸線的擺動(dòng)（簡(jiǎn)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(jī)械手腕部三維模型圖（

20、附電機(jī)） 2.5 六自由度搬運(yùn)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.5.1 機(jī)械手手部概述 工業(yè)機(jī)械手的手部（亦稱抓取機(jī)構(gòu)）是用來(lái)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(jī)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(jì)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(lái)，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(jī)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： （a） 夾持式手部

21、 （b） 移動(dòng)式手部 （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，此外還有鉤托式和彈簧式，夾持類手部按照其手指夾持工件時(shí)的運(yùn)動(dòng)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(jī)械手部中最常見的一種。它的動(dòng)作與鋼絲鉗或臺(tái)虎鉗相似。 夾鉗式手部一般由以下幾個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)的。一般情況下，機(jī)械手手部只用兩個(gè)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(dòng)機(jī)構(gòu)

22、 它是向手指?jìng)鬟f運(yùn)動(dòng)和力，以實(shí)現(xiàn)夾緊和松開動(dòng)作的機(jī)構(gòu)。 （3）驅(qū)動(dòng)裝置 它是向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力的裝置，按照驅(qū)動(dòng)方式的不同，有液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械之分。 此外，尚有連接與支撐元件，將上述有關(guān)部分連成一個(gè)整體，使手部與機(jī)械手的腕部（或臂部）連接。 由于夾持式手部適應(yīng)性強(qiáng)，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(jiǎn)單、動(dòng)作靈活、制造容易等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)上應(yīng)用比平移型手部多。而且通常以雙支點(diǎn)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(jì)主要參考回轉(zhuǎn)形外夾式夾鉗手部，通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸桿的旋轉(zhuǎn)，使之相嚙合的蝸輪運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)連桿、手指運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)工件的抓取任務(wù)。其模型如下圖2-9所示：

23、 圖2-9 機(jī)械手手部平面模型圖（附電機(jī)） 2.5.3 夾鉗式手部設(shè)計(jì)要點(diǎn) （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(shí)，每個(gè)手指的變動(dòng)量。顯然，為了讓手指閉合時(shí)能夠夾緊工件，張開時(shí)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(shí)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(shí)際情況進(jìn)行分析后加以確定。一般來(lái)說(shuō)，如果工作環(huán)境允許，采用較大的開閉范圍，可以降低對(duì)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(huì)增大驅(qū)動(dòng)裝置的行程

24、和結(jié)構(gòu)尺寸，增加手指開閉時(shí)間，所以手指開閉范圍不宜設(shè)計(jì)過大。 （2）應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力 為了使手指能夾緊工件，并保證在運(yùn)動(dòng)過程中不脫落，因此要求手指在夾緊工件時(shí)應(yīng)有足夠的夾緊力，而對(duì)手部的驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)說(shuō)，就應(yīng)該具有足夠的驅(qū)動(dòng)力。應(yīng)當(dāng)指出，在保證一定的夾緊力條件下，采用不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，其所需驅(qū)動(dòng)力的大小是不同的。 除此之外，考慮夾緊力時(shí)，還應(yīng)注意工件在運(yùn)動(dòng)過程中由于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變所產(chǎn)生的慣性力矩的影響，特別在運(yùn)動(dòng)速度變化較大的情況下，尤應(yīng)如此。以免在慣性力作用下，因夾緊力不足而松動(dòng)或甩脫。當(dāng)然，過大的夾緊力是沒有必要的，尤其對(duì)于那些精密的或易碎、易變形、易損壞的工作，過大的夾緊力不但

25、應(yīng)該避免，而且尚應(yīng)采取適當(dāng)措施，以保護(hù)工件表面不受損傷。 （3）要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高 手部處于腕部和臂部的最前端，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變。其結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力負(fù)荷直接影響到腕部和臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此在手部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高。 2.6 六自由度搬運(yùn)機(jī)械手的材質(zhì)選擇 綜合考慮，機(jī)械手的手臂、手腕以及手部一般都采用硬度高的材質(zhì)來(lái)加大其剛度，適當(dāng)?shù)奶砑有┲?，整個(gè)機(jī)械手自身重量要輕，其慣性矩也很小，手臂在旋轉(zhuǎn)或曲擺的時(shí)候也便于控制，能夠精確、平穩(wěn)定位。 因此，基于綜合考慮，機(jī)械手選用高強(qiáng)度45號(hào)鋼厚度小，總體重量輕，能夠滿足以上各設(shè)計(jì)需求。 2.7 六自由度搬運(yùn)機(jī)械手的連接設(shè)計(jì) 連接套模型示意圖如下圖2-11所示： 圖2-11 機(jī)械手連接套模型 機(jī)械手整體連接主要是各個(gè)關(guān)節(jié)處的連接，考慮到鈑金件薄，如果旋轉(zhuǎn)或曲擺關(guān)節(jié)處直接與電機(jī)的連接，其電機(jī)軸不好定位，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力不能有效地通過軸傳遞到各機(jī)械手關(guān)節(jié)來(lái)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)或曲擺。 因此，在電機(jī)軸與機(jī)械手關(guān)節(jié)處通過連接套進(jìn)行連接，驅(qū)動(dòng)力通過連接套間接地將力有效傳遞給各關(guān)節(jié)，再順利地通過電路控制各電機(jī)，完成機(jī)械手各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)和曲擺。 專心---專注---專業(yè)