四自由度機械手的設計

劉東

摘? 要：隨著社會的不斷發展，機器人的應用越來越廣泛，用機器取代人力，將是社會不斷發展的趨勢。通過對四自由度機械臂的機械和電氣特性進行闡釋，說明了機器人機械手的設計方法。

關鍵詞：四自由度;機械手;驅動系統;結構設計

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

近年來，機器人的開發不僅越來越優化，而且涵蓋了許多領域，應用范疇也十分廣泛。在工業中，自動控制系統有著廣泛的應用，例如數控機床、智能機器人、計算機系統、模糊控制等。而工業機器人是相對較新的電子設備，它正在改變現代化工業的面貌。在某些勞動環境極其惡劣的條件下，就可以使用機器人來代替人力工作。下面所介紹的機械手就是為降低工人勞動強度，提高勞動效率、產品質量和經濟效益而設計的。四自由度的機械臂具有三個旋轉關節和一個平移關節，末端安裝有一個能夠抓取物體的電磁手爪。

1? 機械手的總體設計

1.1? 機械手基本形式的選擇

常見的工業機械手根據手臂的動作形態，按坐標形式大致可分為直角坐標型機械手、圓柱坐標型機械手、球坐標（極坐標）型機械手和多關節型機機械手。其中，由于圓柱坐標型機械手結構簡單緊湊，定位精度較高，占地面積小，因此，本設計采用圓柱坐標。機械手搬運物品如圖1所示。在圖1中，機械手的任務是將傳送帶A上的物品搬運到傳送帶B.

圖1? 機械手搬運物品示意圖

1.2? 機械手的主要部件和運動

根據設計任務，選定圓柱坐標式機械手的基本方案。為了滿足設計要求，本設計的機械手具有5個自由度，分別是手抓張合、手部回轉、手臂伸縮、手臂回轉和手臂升降。

本設計的機械手主要由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，通過機構運動實現手抓的張合。②腕部。采用一個回轉液壓缸實現手部108°回轉。③臂部。采用直線缸來實現手臂平動1.2 m。④機身。采用一個直線缸和一個回轉缸來實現手臂的升降和回轉。

本設計的機械手由以下幾個系統組成：①執行系統。工業機器人完成抓取工件由執行系統來完成，應該用氣爪、底座旋轉、手臂升降、手臂伸縮等所必需的機械部件來實現各種運動。②驅動系統。本設計選用機械傳動、氣壓傳動和電機驅動來為各部件提供動力，驅動動力裝置是機械手運動的動力。③控制系統。控制系統發出指令控制驅動系統，最后由執行系統按照規定的要求進行工作。發生錯誤或故障時，控制系統會發出報警信息，這是機械手的核心。

2? 方案確定

該設計中的機械手為四自由度，其中，2個為旋轉，2個為平移。在四自由度機械臂實驗平臺上，可以實現多個物體從起始位置到不同目標位置的搬運和擺放。

應用精巧的機械結構設計和良好的伺服控制驅動這兩項功能來實現設計所需功能，其中，抓取和移動是兩個最主要的功能。

該設計根據設計要求、工作原理、設計內容和需求來確定機械手，機器人的旋轉運動采用諧波齒輪傳動和步進電機驅動來實現。利用另一臺步進電機驅動滾珠絲杠旋轉，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起的手臂進行上下運動。由于本設計中的機械手工作區域較小，因此，要利用氣缸驅動來實現手臂的伸縮運動。末端夾持器則選用氣爪或電磁來做夾持器。氣爪的旋轉則由與氣爪連接的擺動氣缸來實現，或者在末端安裝一個可以抓取物體的電磁手爪。

2.1? 機械手驅動系統設計

2.1.1? 機械手驅動器

機械手驅動系統包括驅動器和傳動機構，它們常與執行器連成一體，驅動臂、桿和載荷完成指定的運動。常用的驅動器有電機、液壓和氣動等驅動裝置，其中，電機驅動器是最常用的驅動方式，包括直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機等。本設計中底座的旋轉與手臂升降都采用步進電機作為驅動器，而手臂的伸縮則選用七缸作為驅動器，氣爪的翻轉是通過擺動氣缸來驅動的。

2.1.2? 機械手傳動機構

手臂的升降是通過步進電機連接聯軸器與絲桿而實現的。在手臂上安裝絲桿螺母副，從而驅動手臂的升降。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現的。氣爪的旋轉是通過擺動氣缸連接氣爪的附件來實現的。底座的旋轉是通過步進電機聯接諧波齒輪直接驅動轉動機座轉動來實現的。

2.2? 各電動機的選擇

進電動機又稱脈沖電動機，是一種把電脈沖信號轉換成與脈沖數成正比的角位移或直線位移的執行電機。本文中的機械手系統要求的定位精度較高，而步進電機對系統位置控制比較準確，且易于控制，因此，本機械手選用的驅動電機都是步進電機。

3? 結束語

本文對機械手的整體設計進行了分析，并對機身的回轉機構和升降機構進行設計計算。同時，還分析了升降立柱不自鎖的條件，這是機身設計中不可缺少的部分。

參考文獻

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2001.

[2]張鐵，謝存禧.機器人學[M].廣州：華南理工大學出版社，2004.

[3]陳統堅.機械工程英語[M].北京：機械工業出版社，1996.

[5]馮辛安.機械制造裝配設計[M].北京：機械工業出版社，2004.

[6]成大先.機械設計手冊：常用工程材料[M].北京：化學工業出版社，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：隨著社會的不斷發展，機器人的應用越來越廣泛，用機器取代人力，將是社會不斷發展的趨勢。通過對四自由度機械臂的機械和電氣特性進行闡釋，說明了機器人機械手的設計方法。

關鍵詞：四自由度;機械手;驅動系統;結構設計

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

近年來，機器人的開發不僅越來越優化，而且涵蓋了許多領域，應用范疇也十分廣泛。在工業中，自動控制系統有著廣泛的應用，例如數控機床、智能機器人、計算機系統、模糊控制等。而工業機器人是相對較新的電子設備，它正在改變現代化工業的面貌。在某些勞動環境極其惡劣的條件下，就可以使用機器人來代替人力工作。下面所介紹的機械手就是為降低工人勞動強度，提高勞動效率、產品質量和經濟效益而設計的。四自由度的機械臂具有三個旋轉關節和一個平移關節，末端安裝有一個能夠抓取物體的電磁手爪。

1? 機械手的總體設計

1.1? 機械手基本形式的選擇

常見的工業機械手根據手臂的動作形態，按坐標形式大致可分為直角坐標型機械手、圓柱坐標型機械手、球坐標（極坐標）型機械手和多關節型機機械手。其中，由于圓柱坐標型機械手結構簡單緊湊，定位精度較高，占地面積小，因此，本設計采用圓柱坐標。機械手搬運物品如圖1所示。在圖1中，機械手的任務是將傳送帶A上的物品搬運到傳送帶B.

圖1? 機械手搬運物品示意圖

1.2? 機械手的主要部件和運動

根據設計任務，選定圓柱坐標式機械手的基本方案。為了滿足設計要求，本設計的機械手具有5個自由度，分別是手抓張合、手部回轉、手臂伸縮、手臂回轉和手臂升降。

本設計的機械手主要由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，通過機構運動實現手抓的張合。②腕部。采用一個回轉液壓缸實現手部108°回轉。③臂部。采用直線缸來實現手臂平動1.2 m。④機身。采用一個直線缸和一個回轉缸來實現手臂的升降和回轉。

本設計的機械手由以下幾個系統組成：①執行系統。工業機器人完成抓取工件由執行系統來完成，應該用氣爪、底座旋轉、手臂升降、手臂伸縮等所必需的機械部件來實現各種運動。②驅動系統。本設計選用機械傳動、氣壓傳動和電機驅動來為各部件提供動力，驅動動力裝置是機械手運動的動力。③控制系統。控制系統發出指令控制驅動系統，最后由執行系統按照規定的要求進行工作。發生錯誤或故障時，控制系統會發出報警信息，這是機械手的核心。

2? 方案確定

該設計中的機械手為四自由度，其中，2個為旋轉，2個為平移。在四自由度機械臂實驗平臺上，可以實現多個物體從起始位置到不同目標位置的搬運和擺放。

應用精巧的機械結構設計和良好的伺服控制驅動這兩項功能來實現設計所需功能，其中，抓取和移動是兩個最主要的功能。

該設計根據設計要求、工作原理、設計內容和需求來確定機械手，機器人的旋轉運動采用諧波齒輪傳動和步進電機驅動來實現。利用另一臺步進電機驅動滾珠絲杠旋轉，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起的手臂進行上下運動。由于本設計中的機械手工作區域較小，因此，要利用氣缸驅動來實現手臂的伸縮運動。末端夾持器則選用氣爪或電磁來做夾持器。氣爪的旋轉則由與氣爪連接的擺動氣缸來實現，或者在末端安裝一個可以抓取物體的電磁手爪。

2.1? 機械手驅動系統設計

2.1.1? 機械手驅動器

機械手驅動系統包括驅動器和傳動機構，它們常與執行器連成一體，驅動臂、桿和載荷完成指定的運動。常用的驅動器有電機、液壓和氣動等驅動裝置，其中，電機驅動器是最常用的驅動方式，包括直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機等。本設計中底座的旋轉與手臂升降都采用步進電機作為驅動器，而手臂的伸縮則選用七缸作為驅動器，氣爪的翻轉是通過擺動氣缸來驅動的。

2.1.2? 機械手傳動機構

手臂的升降是通過步進電機連接聯軸器與絲桿而實現的。在手臂上安裝絲桿螺母副，從而驅動手臂的升降。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現的。氣爪的旋轉是通過擺動氣缸連接氣爪的附件來實現的。底座的旋轉是通過步進電機聯接諧波齒輪直接驅動轉動機座轉動來實現的。

2.2? 各電動機的選擇

進電動機又稱脈沖電動機，是一種把電脈沖信號轉換成與脈沖數成正比的角位移或直線位移的執行電機。本文中的機械手系統要求的定位精度較高，而步進電機對系統位置控制比較準確，且易于控制，因此，本機械手選用的驅動電機都是步進電機。

3? 結束語

本文對機械手的整體設計進行了分析，并對機身的回轉機構和升降機構進行設計計算。同時，還分析了升降立柱不自鎖的條件，這是機身設計中不可缺少的部分。

參考文獻

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2001.

[2]張鐵，謝存禧.機器人學[M].廣州：華南理工大學出版社，2004.

[3]陳統堅.機械工程英語[M].北京：機械工業出版社，1996.

[5]馮辛安.機械制造裝配設計[M].北京：機械工業出版社，2004.

[6]成大先.機械設計手冊：常用工程材料[M].北京：化學工業出版社，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：隨著社會的不斷發展，機器人的應用越來越廣泛，用機器取代人力，將是社會不斷發展的趨勢。通過對四自由度機械臂的機械和電氣特性進行闡釋，說明了機器人機械手的設計方法。

關鍵詞：四自由度;機械手;驅動系統;結構設計

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

近年來，機器人的開發不僅越來越優化，而且涵蓋了許多領域，應用范疇也十分廣泛。在工業中，自動控制系統有著廣泛的應用，例如數控機床、智能機器人、計算機系統、模糊控制等。而工業機器人是相對較新的電子設備，它正在改變現代化工業的面貌。在某些勞動環境極其惡劣的條件下，就可以使用機器人來代替人力工作。下面所介紹的機械手就是為降低工人勞動強度，提高勞動效率、產品質量和經濟效益而設計的。四自由度的機械臂具有三個旋轉關節和一個平移關節，末端安裝有一個能夠抓取物體的電磁手爪。

1? 機械手的總體設計

1.1? 機械手基本形式的選擇

常見的工業機械手根據手臂的動作形態，按坐標形式大致可分為直角坐標型機械手、圓柱坐標型機械手、球坐標（極坐標）型機械手和多關節型機機械手。其中，由于圓柱坐標型機械手結構簡單緊湊，定位精度較高，占地面積小，因此，本設計采用圓柱坐標。機械手搬運物品如圖1所示。在圖1中，機械手的任務是將傳送帶A上的物品搬運到傳送帶B.

圖1? 機械手搬運物品示意圖

1.2? 機械手的主要部件和運動

根據設計任務，選定圓柱坐標式機械手的基本方案。為了滿足設計要求，本設計的機械手具有5個自由度，分別是手抓張合、手部回轉、手臂伸縮、手臂回轉和手臂升降。

本設計的機械手主要由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，通過機構運動實現手抓的張合。②腕部。采用一個回轉液壓缸實現手部108°回轉。③臂部。采用直線缸來實現手臂平動1.2 m。④機身。采用一個直線缸和一個回轉缸來實現手臂的升降和回轉。

本設計的機械手由以下幾個系統組成：①執行系統。工業機器人完成抓取工件由執行系統來完成，應該用氣爪、底座旋轉、手臂升降、手臂伸縮等所必需的機械部件來實現各種運動。②驅動系統。本設計選用機械傳動、氣壓傳動和電機驅動來為各部件提供動力，驅動動力裝置是機械手運動的動力。③控制系統。控制系統發出指令控制驅動系統，最后由執行系統按照規定的要求進行工作。發生錯誤或故障時，控制系統會發出報警信息，這是機械手的核心。

2? 方案確定

該設計中的機械手為四自由度，其中，2個為旋轉，2個為平移。在四自由度機械臂實驗平臺上，可以實現多個物體從起始位置到不同目標位置的搬運和擺放。

應用精巧的機械結構設計和良好的伺服控制驅動這兩項功能來實現設計所需功能，其中，抓取和移動是兩個最主要的功能。

該設計根據設計要求、工作原理、設計內容和需求來確定機械手，機器人的旋轉運動采用諧波齒輪傳動和步進電機驅動來實現。利用另一臺步進電機驅動滾珠絲杠旋轉，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起的手臂進行上下運動。由于本設計中的機械手工作區域較小，因此，要利用氣缸驅動來實現手臂的伸縮運動。末端夾持器則選用氣爪或電磁來做夾持器。氣爪的旋轉則由與氣爪連接的擺動氣缸來實現，或者在末端安裝一個可以抓取物體的電磁手爪。

2.1? 機械手驅動系統設計

2.1.1? 機械手驅動器

機械手驅動系統包括驅動器和傳動機構，它們常與執行器連成一體，驅動臂、桿和載荷完成指定的運動。常用的驅動器有電機、液壓和氣動等驅動裝置，其中，電機驅動器是最常用的驅動方式，包括直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機等。本設計中底座的旋轉與手臂升降都采用步進電機作為驅動器，而手臂的伸縮則選用七缸作為驅動器，氣爪的翻轉是通過擺動氣缸來驅動的。

2.1.2? 機械手傳動機構

手臂的升降是通過步進電機連接聯軸器與絲桿而實現的。在手臂上安裝絲桿螺母副，從而驅動手臂的升降。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現的。氣爪的旋轉是通過擺動氣缸連接氣爪的附件來實現的。底座的旋轉是通過步進電機聯接諧波齒輪直接驅動轉動機座轉動來實現的。

2.2? 各電動機的選擇

進電動機又稱脈沖電動機，是一種把電脈沖信號轉換成與脈沖數成正比的角位移或直線位移的執行電機。本文中的機械手系統要求的定位精度較高，而步進電機對系統位置控制比較準確，且易于控制，因此，本機械手選用的驅動電機都是步進電機。

3? 結束語

本文對機械手的整體設計進行了分析，并對機身的回轉機構和升降機構進行設計計算。同時，還分析了升降立柱不自鎖的條件，這是機身設計中不可缺少的部分。

參考文獻

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2001.

[2]張鐵，謝存禧.機器人學[M].廣州：華南理工大學出版社，2004.

[3]陳統堅.機械工程英語[M].北京：機械工業出版社，1996.

[5]馮辛安.機械制造裝配設計[M].北京：機械工業出版社，2004.

[6]成大先.機械設計手冊：常用工程材料[M].北京：化學工業出版社，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