四自由度机械手的设计与规划

论文提要

随着大工业时代的到来，自动化设备代替人工作业成为现代化工业发展的一大趋势。机械手作为一种自动化执行设备，解放了人类的双手，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。它能模仿一些人手和手臂的动作，进行抓取、搬运或装配工作，被广泛应用在大型工厂的生产流水线上，尤其是在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，机械手的应用更加重要。随着现代科技的发展，借助计算机辅助设计系统、计算机辅助制造系统，使机械手得到了更快的发展和应用，过渡到了一个新的工业自动化阶段。本文主要是对四自由度机械手的结构设计和工作原理进行阐述和说明，并推导出了机械手的运动轨迹方程。

四自由度机械手的设计与规划

摘要：随着大工业时代的到来，自动化设备代替人工作业成为现代化工业发展的一大趋势。机械手作为一种自动化执行设备，解放了人类的双手，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率。它能模仿一些人手和手臂的动作，进行抓取、搬运或装配工作，被广泛应用在大型工厂的生产流水线上，尤其是在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，机械手的应用更加重要。随着现代科技的发展，借助计算机辅助设计系统、计算机辅助制造系统，使机械手得到了更快的发展和应用，过渡到了一个新的工业自动化阶段。本文主要是对四自由度机械手的结构设计和工作原理进行阐述和说明，并推导出了机械手的运动轨迹方程。

关键词:四自由度机械手自动化

一、什么是机械手

机械手是一种主要由机械主体、控制器、驱动系统和传感器装置等组成的,能模仿人手和臂的某些动作的运动机构。机械手的设计是模仿人的动作，所以在设计机械手时，为了使机械手能更像人手那样灵活好用，可以遵循三个设计原则：一是使机械手的覆盖范围尽可能的大；二是使机械手可以根据外界的环境改变自己的运动姿态；三是在使自身重量足够小时，承受的负载足够大。美国机器人工业协会定义了工业机械手的含义：机械手是一种可以用于移动各种生产材料零部件工具或专用设备的，并通过可编程序动作来执行各种任务的，具有编程能力的多功能自动化设备。自从机械手被发明以来，工厂生产中相应的各种难题迎刃而解。机械手被广泛应用于多品种、变批量的柔性生产中，改善了劳动条件，提高了产品质量和生产效率，在工农业生产中有着十分重要的意义。机器人技术综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多种学科知识，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。一个国家工业自动化水平的重要标志就是这个国家对机器人的应用情况。机器人是一种模拟人的电子机械装置，它综合了人的特长和机器特长，既拥有人在环境变化状态下的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，所以它并不是简单意义上的代替人工劳动，更确切的说，它是机器进化过程的产物，是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。机械手按照给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作，模仿着人手的部分动作。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。机械手在工业生产中的应用可以提高生产过程的自动化水平和劳动生产率，可以减轻工人的劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其是在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。所以它在机械加工、焊接、电镀、装配以及交通运输业等领域得到了越来越多的应用。机械手由于结构形式简单，专用型强，而成为固定机床的附加装置，为机床的上下料提供了方便。随着工业技术的发展，逐渐出现了能够独立的按照编好的程序来控制机械手以实现重复操作的通用型机械手，这种机械手适用范围比较广，在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。

二、机械手的组成

机械手主要由机构、驱动系统、控制系统等部件组成，如果用人的胳膊来比喻机械手的话，机构就相当于人的关节，驱动系统相当于人的“肌肉”，它们之间有如下关系：控制系统驱动系统机构

1.机构：机构主要由传动部件和机械构件组成，有的还有行走机构。

机械手的执行机构主要作用于操作环境中的对象，包括臂和手。臂由杆件和关节构成，关节是由内部装有电机等驱动器的运动副来实现。关结及其自由度的构成方法极大地影响着臂的运动范围和可操作性等指标，机械手自由度越多，其运动越灵活，通用性更强，但结构也更复杂，刚性差。机械手按杆件与关节连接的形式，可以分为开式链机械手和闭式链机械手。机械臂可以改变对象的位置和形态的参数，或者对对象施加力的作用。

手部是抓握对象并将机械臂的运动传递给对象的机构。如果我们能将手部设计的如同人手一样具有灵活性、通用性，使用起来就会非常理想。但是现在还存在很多困难，以致这种万能手还不具备普适性。那么我们可以把手部设计成单自由度的夹钳机构，用于简单的固定对象，抓取特定物体等固定的单一动作。

机械手固定在机座上执行各种动作，机座是机械手的基础部分，机械手机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，起到了支撑和连接的作用。

2.驱动系统：驱动系统对于机械手来说是非常重要的部分，就像人的肌肉一样，它驱动着机械手的动力装置，调节装置和附属装置。我们日常生活中常见的驱动系统主要有液压驱动、气压驱动还有电压驱动。

液压驱动系统主要由液压源、驱动器、伺服阀、控制器等构成，主要应用在重负载下具有高速和快速响应，同时要求体积小、重量轻的场合。

气压驱动系统由气压发生装置、执行元件、控制元件和辅助元件四部分组成。其优点主要是由空气的可压缩性决定的，包括体积小，成本低，安全性高，无能量消耗等，可是也降低了驱动系统的刚度。

电压驱动系统是机械手驱动系统中使用最多的一种系统，被广泛应用于工业机器人及竞技用机器人。常用的电压驱动器包括步进电机，直流伺服电机和交流伺服电机。由于一般的伺服电机的输出转速很高，输出转矩小，而关节需带动的负载的转速不高，负载力矩却不小，因此，在电机与负载之间常用一套传动装置来进行转速和转矩的匹配。

3.控制系统

各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后在每个采样周期给出。计算机通过轨迹规划，得到空间轨迹在各采样时刻的数据，通过逆运动学计算把空间数据转变为各关节的指令值。通常的机械手采用主计算机与关节计算机二级计算机控制。有时为了实现智能控制，还需对包括视觉在内的各种传感信号进行采集、处理并进行人工智能的模式识别、问题求解、任务规划、决策判断，这时须由计算机系统完成。

三、机械手的整体设计

人的手臂共有六个自由度，其中大臂和腕部能做两个方向的运动，手部可以做一个方向的运动以及局部有限的转动。自由度是机械手设计的关键参数，自由度越多，机械手越灵活，通用性越广，但是其结构也越复杂。在考虑机械手用途、成本及技术难度等问题后，本论文