六自由度机械手机械结构设计①

邸韬

[摘 要] 机械手也被称为自动手，能模仿人手臂的某些动作功能。随着我国《中国制造2025》的制定与实施，我国机器人的研制与发展也列为今后发展的重要方向，而作为机器人的发展重点又是机械手的研制与控制系统，在研究手运动的基础上，设计出六自由度机械手包括六关节机械结构，设计的机械手关节为连杆系的开链结构，能够实现人手臂的重要运动。

[关 键 词] 六自由度；机械手；开链结构

[中图分类号] TP241 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）11-0040-01

从机械手臂投入商用起，已经有了几十年的应用和发展历史。将模块化的设计思路与理念引入机械手臂的设计中，能够充分发挥其灵活、可拆分、可组合的特点，并将其应用于更多的场合，包括服务机器人，工业生产制造领域、医疗领域等。本文结合机械臂设计的模块化理念，着重对其进行系统分析和设计，包括旋转关节、传动系统、减速系统，具有比较好的理论价值与实践意义。

一、国内外发展综述

中国要从一个制造业大国转变为制造业强国，要实现制造业自动化必然缺不了机械手的应用，这样就需要拥有多自由度的机械手来满足在不同工作环境和特点下多方位的工作需求。我国的机械手臂研究与制造已经有了几十年发展，现在较成熟及应用的有三自由度、四自由度及五自由度机械手，而在国内六自由度机械手的研制与应用尚处于刚兴起阶段。

二、六自由度机械手机械结构设计

（一）机械手基本形式的选择

串联式机械手具有空间大、运动分析容易、无驱动轴间的耦合效应的特点；并联式机械手则具有运动惯性小、结构紧凑、无动态误差等优点。在位置求解中，串聯结构正解容易、反解较为困难，而并联机构则是正解困难、反解容易。本文设计为六自由度串联式机械手。主要由机身结构、手臂、手腕和手部构成，自由度共有6个，其中各个关节都是由相应的舵机来进行控制。

（二）机身结构

六自由度机械手底部是由圆盘状做成，通过与手臂连接起到支撑的作用，其中底部只有旋转运动，主要结构由圆盘、连接法兰、轴承座（包括轴承、轴承端盖、轴承座壳体、轴套、锁紧螺母等）组成，电机通过联轴器与底部主轴相联，主轴与底部圆盘通过键连接，电机转动带动圆盘做旋转运动，进而带动机械臂进行360°无死角转动，完成1轴运动功能，具有足够的刚度、强度，运动较为灵活，结构合理的特点。

（三）手臂关节模块

手臂主要由小臂和大臂两部分组成，手臂关节模块包含了许多零部件，主要有旋转电机、减速器和反馈单元等。在手臂关节的内部固定了控制单元和传动系统，以二级减速传动作为传动模式，即齿轮减速传动与谐波减速传动，这种传动模式可以支持手臂关节自由度之内的回转运动，完成2轴、3轴和4轴运动。大臂通过驱动电机及联轴器将动力传递到驱动轴，驱动轴的旋转带动与其固连的大臂及其上的部件作绕垂直水平面旋转，进而完成2轴运动。小臂通过驱动电机及联轴器带动小臂及其上的部件作绕垂直大臂轴线的水平旋转，进而完成3轴运动。

（四）腕关节模块

腕部是连接手部及手臂的机械部件，由一个B关节和一个R关节构成BR的二自由度手腕。腕关节模块主要包括腕旋转机构（4轴）及垂直小臂轴线的水平旋转机构两部分。腕关节通过连接圆盘与小臂进行形影机构连接（主要包括轴及轴承座等），腕旋转电机通过联轴器带动腕部连接机构做相对小臂的旋转运动，腕部前部与腕部旋转盘之间进行支架和轴连接，通过电机及联轴器使腕部进行垂直小臂轴线的水平旋转，完成5轴运动。这种结构能有效仿照人手腕部进行相应的回转及前后运动。

（五）手抓单元模块

手部则是起到人手抓握物品的作用，在设计时需要依据物品的种类来考虑手部的结构，具有通用性差、与腕部连接处可拆卸、独立性差、造价较低、结构简单的特点，这适用于一般场合的物品夹紧或放松。手抓单元模块采用欠驱动自适应抓取原理，末端接触物体后触发上一关节转动，从而实现单个点击驱动多个关节，且自适应物体形状。

三、结论

六自由度机械手在工业生产中有着极其广泛的应用，能够部分替代人力在危险环境中进行工作。机械手设计与开发属于机电一体化领域的课题，考虑到机械臂的结构具有比较高的复杂性，本文阐述的设计方案充分顾及了模块设计的标准化与产品的通用性，从而能够良好地满足模块之间的替代性特征需求，因而也能够保障机械手在实际应用中满足用户的要求，能够降低劳动者劳动强度和用工成本，实现自动化的工作流程，为“中国制造2025”规划贡献一份自己的力量。

参考文献：

[1]马江.六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真[D].北京工业大学，2009（5）.

[2]屈晓莉.基于PLC的六自由度机械臂控制系统探究[J].自动化与仪器仪表，2016（8）.