机械手的机构设计

机械手的机构设计
机械手通常是由一系列连杆和相应运动副组成的空间开式链，机构选型要考虑如下原则：
（1）选择模拟人手臂工作特性的机械手，使其满足作业要求并具有良好的仿生性能。

机械手设计之前，必须了解工作环境和工作方式，分析人类工作特点，尽可能使机械手具有接近于或优越于人类的工作方式。

人的手臂具有 7 个自由度，肩部和腕部都是球面副，各具有 3 个自由度，肘部是具有一个自由度的转动副，整个手臂可以绕连接两个球面副的直线自转动，而不改变手部的位置和方向，利用这种特性可以方便的避开一些障碍物和消除手腕和肩部奇异位形的
出现。

作为机器人的手臂，如果能设计的像人的手臂一样，无疑会具有很高的机能。

（2）具有最优的工作空间。

工作空间越大，工作范围越广，通用性也就越好。

选择关节配置时，当移动关节与转动关节混合存在时，尽量把转动关节放在离本体较近的地方，有利于扩大作业区域。

（3）具有较好的避障能力，采用冗余度机械手是提高避障性能的重要途径之一。

（4）机构设计合理。

这涉及到运动副型式的合理选择与配置，驱动运动的最佳传递方式和路线，驱动装置的最佳配比和空间配置等。

若机构设计不合理，可能会出现臂杆运动干涉或驱动装置无法设置，机构不能运动等问题。

在满足要求的前提下，为简化运动学和动力学分析，降低控制的复杂性，尽量采用特殊结构的机械手机构，使相邻运动副的轴线相互平行或正交。

（5）消除工作空间的奇异位形，在奇异位形处，机械手丧失一个或多个操作自由度，即工作空间内出现非工作区的情况，机器人不能正常工作。

对于非冗余度机器人，一般通过增加自由度使其具有冗余度，以解决机械手机构的奇异问题。

但冗余度机械手逆运动学解不唯一，因此会增加机构复杂性和控制难度，因此尽量采用冗余度少，机构简单的形式。

（6）采用尽量少的自由度。

一般来讲，自由度越多，灵活性越好，避障和避奇异功能越强，可操作性越好，但随之将出现机器人机械手的复杂化、刚度消弱、控制难度等问题，因此，在能满足上述
选型原则的基础上，自由度尽量少。

综上可知，机械手的机构设计首先从仿生学角度出发，遵循选型原则，根据具体作业要求，分析
动作的实现方法，将机械手分成手臂和手腕两部分，参照工业机械手设计中一些关节的配置形式，选择具有最优工作空间、可操作度和避障空间的关节类型与配置
机械手的自由度是指在确定机械手所有构件位置时所必须给定
的独立运动参数数目。

从理论上讲，6 个自由度的机械手可以到达三维空间的任意位置，但是由于奇异性的存在，一些关节运动到相应位置时，会使机械手的自由度退化（当机器人失去一个自由度，并因此不按所期望的状态运动时，即称机器人发生了退化），失去一个或者几个自由度；此外，工作过程中具有特殊的姿态要求，比如增加灵活性和躲避障碍物等，则需要多于 6 个自由度的冗余机械手，自由度越多，灵活性越好，避障和避奇异功能也就越强，可操作性也就越好，但是随之而来的是机器人机械手的复杂化、刚度削弱、控制困难等各种问题。

因此，在满足功能结构要求的基础上，自由度的选择应该权衡多方面因素，为使驱动容易实现，一般机械手关节选择单自由度的。

通常机械手在空间的位置和运动范围主要取决于手臂部的自由度，为了使机械手能够达到空间任意指定位置，空间机械手的手臂应至少具有 3 个自由度，少数专用的工业机器人手臂自由度少于三个。

腕部自由度主要是用来调整末端执行器在空间的姿态，为了使手部在空间取得任意要求的姿态，在理论上手腕关节应该具有三个自由度，绕三轴转动的球面副最为理想，但球面副无法实现单轴转动的驱动，因此实际上是采用三个转动副，即三个转动关节的运动链来代替，这三个转动关节可以交于一点，也有不交于一点的形式。

但对于实际不同的工作类型和工作要求，自由度可以适当降低，一般为 0-3 个。

机械手的手臂是执行机构中的主要运动部件，用来支撑腕关节和末端执行器，决定末端执行器的位置，并使它们能在空间运动，对物体的姿态也有一定的影响。

手臂通常由前三个杆件和关节组成手臂，从机构学的观点来看，它的结构形式由转动副 R 和移动副 P 构成，
常用的构形如图所示。

手臂结构型式的设计，取决于机器人的工作范围、灵活性、位置精度、负荷能力和控制的难易等因素和要求，可以选择两种基本型式组合而成，或其它能满足要求的型式。

工业机器人通常由 3 部分组成，即机械系统、控制系统、智能系统。

机械系统又分为执行机构和驱动机构，前者一般由手臂（包括基座、
腰部、大臂、小臂）和手腕（包括腕部和末端执行器）组成。

臂和腰
的作用是使手部在空间取任意位置，故又称为定位机构。

按配置特点，
定位机构可分为直角坐标型、圆柱坐标型、极坐标型和关节型手臂四
大类，表示为 3P、RPP、RRP、3R，按照以上顺序排列，四种基本形
式机械手手臂的活动范围和灵活性由小到大，控制难易程度由易到
难，位置精度由高到低，负荷能力由大到小。

综合各种机器人的特点，
在同样的体积条件下，关节型机器人比其他种类机器人有大得多的相
对空间和绝对工作空间，结构也更加紧凑，动作和轨迹更加灵活，能
达到功能要求。

要求机器人手臂能达到工作空间的任意位置，同时要结构简单，容易控制。

由于在同样的体积条件下，关节型机器人比非关节型机器人有大得多的相对空间(手腕可达到的最大空间体积与机器人本体外壳体积之比)和绝对工作空间，结构紧凑，同时关节型机器人的动作和轨迹更灵活，因此 HEBUT-Ⅱ移动机械手采用关节型机器人的结构，即手臂采用三个旋转关节 3R 的结构。

机械手的手腕结构包括腕部和末端执行器，其中腕关节结构有如下两种形式
B 为弯曲式，指组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程中相互间角度有变化。

R 转动式，指组成腕关节的相邻运动构件的轴线在工作过程中相互间角度不变。

三自由度腕关节通常有下面的组合形式：BBR、BRR、RBR、RRR。

BBR 结构由于采用了两个弯曲结构增加了结构尺寸，扩大了机械手的操作空间，但形成复杂，负荷小，不易控制； RRR 结构与前者正相反，结构过于紧凑，机械手活动空间变小；RBR 与 BRR 结构相似，活动空间适当，机械手活动灵巧，便于控制。

另外，在满足功能结构要求的基础上，手臂结构决定机械手末端执行器在空间的运动位置，而手腕自由度主要是用来调整末端执行器在空间的姿态，为了使手部在空间取得任意要求的姿态，又便于控制，手腕的自由度数目越少越好，由机械手的用途可以知道，机械手末端执行器的任务要求是跟踪并接触到运动目标即可，设计时，末端执行器是关于轴对称的结构，要求腕部旋转关节处于任何姿态都对末端执行器的姿态没有影响，因此本课题中手腕采用两个旋转关节 RB 结构就可以满足机械手的姿态要求，并且使机械结构更加简单，减轻了整体重量。

机械手固定在移动车体上，要求其动作灵活，工作范围大，能完成项目规定的动作，自由度在 5-6个，结构紧凑，重量轻。

从机械手的用途分析可知，机械手应满足以下要求：
（1）动作灵活。

（2）具有良好的工作空间。

（3）工作范围大，能完成规定动作。

（4）具有合适的自由度。

根据以上对手臂和手腕的选型阐述，最终HEBUT-Ⅱ型移动机械手的机械手部分的机构设计方案为:手臂部分采用 3R 结构的关节型手臂，即使用 3 个旋转自由度结构；手腕部分按照作业任务要求和降低自由度的原则采用 RB 的结构，即使用 2 个旋转自由度结构；由于机械手与移动小车配合使用，小车具有 2 个自由度，即车体左右轮旋转角度。

因此综合考虑，整体移动机械手为具有 7 个自由度的冗余自由度结构，其中，机械手部分具有五个自由度，包括手臂的三个自由度确定机械手的位置和手腕的两个自由度确定机械手的姿态，结构如图所示。

根据解剖学的知识可知，人手臂的前臂和后臂长度分别是人身高的 0.206 倍和 0.22 倍，即前臂和后臂的比例系数为 1.1 左右，又根据机械手的任务要求，及所处环境限制，最终确定机械手机构尺寸结构参数为：
腰部回转长度 a1：64mm
大臂长 a2：400mm
小臂长 d4：350mm
综上所述，机械手有五个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰，结合工作需要，定出各关节运动范围，如表所示。