智能機械手臂造型設計研究

楊志龍

摘要：隨著智能機械手臂應用面的不斷擴大，研究其造型設計凸顯出重要意義。本文首先介紹了智能機械手臂造型設計特點，分析了智能機械手臂設計中的主要構成。在探討造型設計規律分析的基礎上，研究了智能機械手的應用前景。

關鍵詞：智能機械手臂;造型設計;研究

前言

作為一種智能化程度較高的生產制作工具，智能機械手臂在近期得到了廣泛的應用和長足的發展。研究智能機械手臂的造型設計，能夠更好地完善機械手臂的外觀，從而更好地與其功能相融合。本文從介紹其造型設計的特點著手研究。

1.智能機械手臂造型設計特點

1.1功能原理對造型的影響

智能機械手臂的功能依附于機構工作原理而實現。目前市場上常見的機械手臂有多軸和三軸等，尤其以六軸機械手臂應用較為廣泛。在造型設計時需先確定機械手臂大致形態與結構比例，再考慮各個關節的連接方式、造型元素、細節形態及圖形化設計等。機械手臂造型可采用全包裹式或半包裹式，雙臂式或單臂式，都以功能需求為造型基礎。產品形態是表達產品設計思想與實現產品功能的語言和媒介。在造型創新的過程中，考慮機械手臂的關節結構及傳動規律，在此基礎上進行造型設計才具有實際意義。

1.2造型特點對比分析

（1）同一品牌的產品設計具有家族化色彩偏好及造型曲線偏好，在保證功能與審美的基礎上融入產品族造型基因。產品族設計是企業競爭的有效手段，使產品能獲得統一的家族特征。

（2）輕載機械手臂與重載機械手臂的造型元素選擇具有差異性，輕載機械手臂重視靈活精確，因此多采用線元素來塑造，強調形態的輕松、靈動，采用雙臂設計將關節電機內置;重載機械手臂重視力量感與安全可靠性，造型多采用體元素與較寬大的面元素來凸顯產品厚重感。同時采用較大的基座設計，一方面符合載重需要，另一方面使視覺重心下移，下降的視覺感官是穩定、可靠的，凸顯了造型的力量感，增加人對機械手臂載重可靠性的心理感受。

2.智能機械手臂設計中的主要構成

2.1執行機構

（1）手部：手部安裝在手臂的前端。手臂的內孔中裝有傳動軸，可把運用傳給手腕，以轉動、伸曲手腕、開閉手指。機械手手部的構造系模仿人的手指，分為無關節、固定關節和自由關節三種。手指的數量又可分為二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。可根據夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和大小的夾頭以適應操作的需要。

（2）手臂：手臂的作用是引導手指準確地抓住工件，并運送到所需的位置上。為了使機械手能夠正確地工作，手臂的三個自由度都要精確地定位。

（3）軀干：軀干是安裝手臂、動力源和各種執行機構的支架。

2.2驅動機構

（1）液壓驅動式：液壓驅動式機械手通常由液動機、伺服閥、油泵、油箱等組成驅動系統，由驅動機械手執行機構進行工作。通常它的具有很大的抓舉能力，其特點是結構緊湊、動作平穩、耐沖擊、耐震動、防爆性好，但液壓元件要求有較高的制造精度和密封性能，否則漏油將污染環境。

（2）氣壓驅動式：其驅動系統通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機組成，其特點是氣源方便、動作迅速、結構簡單、造價較低、維修方便。但難以進行速度控制，氣壓不可太高，故抓舉能力較低。

（3）電氣驅動式：電力驅動是機械手使用得最多的一種驅動方式。其特點是電源方便，響應快，驅動力較大，信號檢測、傳動、處理方便，并可采用多種靈活的控制方案。

2.3控制系統

控制系統可根據動作的要求，設計采用數字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據規定的程序，控制機械手進行工作程序的存儲方式有分離存儲和集中存儲兩種。分離存儲是將各種控制因素的信息分別存儲于兩種以上的存儲裝置中，如順序信息存儲于插銷板、凸輪轉鼓、穿孔帶內;位置信息存儲于時間繼電器、定速回轉鼓等;集中存儲是將各種控制因素的信息全部存儲于一種存儲裝置內，如磁帶、磁鼓等。這種方式使用于順序、位置、時間、速度等必須同時控制的場合，即連續控制的情況下使用。

3.造型設計規律分析

3.1形態仿生曲線運用

機械手臂形態設計要體現力量與美感的雙重訴求，需從點、線、面、體等形態元素中體現。德國KUKA公司推出的重載機械手臂承載力可達1300kg，外形采用了仿生學設計，曲線較為平滑、舒展流暢、整體感強，充滿了向上的張力。瑞士ABB公司的重載機械手臂，最大承載力500kg，相比之下，該形態曲線轉折較多，大量折線的運用使機體輪廓線較為瑣碎，削弱了機體線條的流暢性。

3.2色彩運用

色彩依附于產品形態而存在，人對造型設計的第一印象來自其色彩。機械手臂一般采用具有一定辨識度的色彩作為產品主色調，增強品牌的識別度。意大利COMAU公司生產的機械手臂，選用紅色作為主色調，體現了意大利文化中的奔放、熱情;德國KUKA公司生產的輕載機械手臂，選用淺色為主色調，表達質輕、高效、靈動的特征，同時可緩和視覺緊張感，局部采用高純度亮色作為點綴，強化視覺中心，增強產品的色彩節奏感。產品色彩的選擇需考慮與環境色的搭配，可使場景功能區分明確，色彩對比分明，營造嚴謹的工作環境。

3.3材料與質感的運用

機械手臂的外殼材料需保證一定的強度要求，并體現材質感。德國KUKA公司生產的工業機械手臂，采用新型碳纖維加強材料，機身質量較輕但強度卻很高，同時能保持具有一定光澤度的質感。日本YASKAWA公司仿生家用雙臂機器手，機身采用啞光淺色塑料，手臂采用高光澤度亮色塑料，給人輕巧、親和的感覺。

4.結束語

通過對智能機械手臂造型設計的相關研究，我們可以發現，作為一種實際應用效果良好的人工替代工具，智能機械手臂的造型可以進行更深度的優化。有關人員應該根據智能機械手臂的實際應用環境，研究制定最優化的造型設計方案。

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