四自由度机械手的设计

刘东

摘  要：随着社会的不断发展，机器人的应用越来越广泛，用机器取代人力，将是社会不断发展的趋势。通过对四自由度机械臂的机械和电气特性进行阐释，说明了机器人机械手的设计方法。

关键词：四自由度;机械手;驱动系统;结构设计

中图分类号：TP241              文献标识码：A               文章编号：2095-6835（2014）23-0014-02

近年来，机器人的开发不仅越来越优化，而且涵盖了许多领域，应用范畴也十分广泛。在工业中，自动控制系统有着广泛的应用，例如数控机床、智能机器人、计算机系统、模糊控制等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正在改变现代化工业的面貌。在某些劳动环境极其恶劣的条件下，就可以使用机器人来代替人力工作。下面所介绍的机械手就是为降低工人劳动强度，提高劳动效率、产品质量和经济效益而设计的。四自由度的机械臂具有三个旋转关节和一个平移关节，末端安装有一个能够抓取物体的电磁手爪。

1  机械手的总体设计

1.1  机械手基本形式的选择

常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可分为直角坐标型机械手、圆柱坐标型机械手、球坐标（极坐标）型机械手和多关节型机机械手。其中，由于圆柱坐标型机械手结构简单紧凑，定位精度较高，占地面积小，因此，本设计采用圆柱坐标。机械手搬运物品如图1所示。在图1中，机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B.

图1  机械手搬运物品示意图

1.2  机械手的主要部件和运动

根据设计任务，选定圆柱坐标式机械手的基本方案。为了满足设计要求，本设计的机械手具有5个自由度，分别是手抓张合、手部回转、手臂伸缩、手臂回转和手臂升降。

本设计的机械手主要由4个大部件和5个液压缸组成：①手部。采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。②腕部。采用一个回转液压缸实现手部108°回转。③臂部。采用直线缸来实现手臂平动1.2 m。④机身。采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂的升降和回转。

本设计的机械手由以下几个系统组成：①执行系统。工业机器人完成抓取工件由执行系统来完成，应该用气爪、底座旋转、手臂升降、手臂伸缩等所必需的机械部件来实现各种运动。②驱动系统。本设计选用机械传动、气压传动和电机驱动来为各部件提供动力，驱动动力装置是机械手运动的动力。③控制系统。控制系统发出指令控制驱动系统，最后由执行系统按照规定的要求进行工作。发生错误或故障时，控制系统会发出报警信息，这是机械手的核心。

2  方案确定

该设计中的机械手为四自由度，其中，2个为旋转，2个为平移。在四自由度机械臂实验平台上，可以实现多个物体从起始位置到不同目标位置的搬运和摆放。

应用精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动这两项功能来实现设计所需功能，其中，抓取和移动是两个最主要的功能。

该设计根据设计要求、工作原理、设计内容和需求来确定机械手，机器人的旋转运动采用谐波齿轮传动和步进电机驱动来实现。利用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂进行上下运动。由于本设计中的机械手工作区域较小，因此，要利用气缸驱动来实现手臂的伸缩运动。末端夹持器则选用气爪或电磁来做夹持器。气爪的旋转则由与气爪连接的摆动气缸来实现，或者在末端安装一个可以抓取物体的电磁手爪。

2.1  机械手驱动系统设计

2.1.1  机械手驱动器

机械手驱动系统包括驱动器和传动机构，它们常与执行器连成一体，驱动臂、杆和载荷完成指定的运动。常用的驱动器有电机、液压和气动等驱动装置，其中，电机驱动器是最常用的驱动方式，包括直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机等。本设计中底座的旋转与手臂升降都采用步进电机作为驱动器，而手臂的伸缩则选用七缸作为驱动器，气爪的翻转是通过摆动气缸来驱动的。

2.1.2  机械手传动机构

手臂的升降是通过步进电机连接联轴器与丝杆而实现的。在手臂上安装丝杆螺母副，从而驱动手臂的升降。手臂的伸缩是通过气缸杆直接连接装有摆动气缸的摆动气缸安装板来实现的。气爪的旋转是通过摆动气缸连接气爪的附件来实现的。底座的旋转是通过步进电机联接谐波齿轮直接驱动转动机座转动来实现的。

2.2  各电动机的选择

进电动机又称脉冲电动机，是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行电机。本文中的机械手系统要求的定位精度较高，而步进电机对系统位置控制比较准确，且易于控制，因此，本机械手选用的驱动电机都是步进电机。

3  结束语

本文对机械手的整体设计进行了分析，并对机身的回转机构和升降机构进行设计计算。同时，还分析了升降立柱不自锁的条件，这是机身设计中不可缺少的部分。

参考文献

[1]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2001.

[2]张铁，谢存禧.机器人学[M].广州：华南理工大学出版社，2004.

[3]陈统坚.机械工程英语[M].北京：机械工业出版社，1996.

[5]冯辛安.机械制造装配设计[M].北京：机械工业出版社，2004.

[6]成大先.机械设计手册：常用工程材料[M].北京：化学工业出版社，2004.

〔编辑：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：随着社会的不断发展，机器人的应用越来越广泛，用机器取代人力，将是社会不断发展的趋势。通过对四自由度机械臂的机械和电气特性进行阐释，说明了机器人机械手的设计方法。

关键词：四自由度;机械手;驱动系统;结构设计

中图分类号：TP241              文献标识码：A               文章编号：2095-6835（2014）23-0014-02

近年来，机器人的开发不仅越来越优化，而且涵盖了许多领域，应用范畴也十分广泛。在工业中，自动控制系统有着广泛的应用，例如数控机床、智能机器人、计算机系统、模糊控制等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正在改变现代化工业的面貌。在某些劳动环境极其恶劣的条件下，就可以使用机器人来代替人力工作。下面所介绍的机械手就是为降低工人劳动强度，提高劳动效率、产品质量和经济效益而设计的。四自由度的机械臂具有三个旋转关节和一个平移关节，末端安装有一个能够抓取物体的电磁手爪。

1  机械手的总体设计

1.1  机械手基本形式的选择

常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可分为直角坐标型机械手、圆柱坐标型机械手、球坐标（极坐标）型机械手和多关节型机机械手。其中，由于圆柱坐标型机械手结构简单紧凑，定位精度较高，占地面积小，因此，本设计采用圆柱坐标。机械手搬运物品如图1所示。在图1中，机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B.

图1  机械手搬运物品示意图

1.2  机械手的主要部件和运动

根据设计任务，选定圆柱坐标式机械手的基本方案。为了满足设计要求，本设计的机械手具有5个自由度，分别是手抓张合、手部回转、手臂伸缩、手臂回转和手臂升降。

本设计的机械手主要由4个大部件和5个液压缸组成：①手部。采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。②腕部。采用一个回转液压缸实现手部108°回转。③臂部。采用直线缸来实现手臂平动1.2 m。④机身。采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂的升降和回转。

本设计的机械手由以下几个系统组成：①执行系统。工业机器人完成抓取工件由执行系统来完成，应该用气爪、底座旋转、手臂升降、手臂伸缩等所必需的机械部件来实现各种运动。②驱动系统。本设计选用机械传动、气压传动和电机驱动来为各部件提供动力，驱动动力装置是机械手运动的动力。③控制系统。控制系统发出指令控制驱动系统，最后由执行系统按照规定的要求进行工作。发生错误或故障时，控制系统会发出报警信息，这是机械手的核心。

2  方案确定

该设计中的机械手为四自由度，其中，2个为旋转，2个为平移。在四自由度机械臂实验平台上，可以实现多个物体从起始位置到不同目标位置的搬运和摆放。

应用精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动这两项功能来实现设计所需功能，其中，抓取和移动是两个最主要的功能。

该设计根据设计要求、工作原理、设计内容和需求来确定机械手，机器人的旋转运动采用谐波齿轮传动和步进电机驱动来实现。利用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂进行上下运动。由于本设计中的机械手工作区域较小，因此，要利用气缸驱动来实现手臂的伸缩运动。末端夹持器则选用气爪或电磁来做夹持器。气爪的旋转则由与气爪连接的摆动气缸来实现，或者在末端安装一个可以抓取物体的电磁手爪。

2.1  机械手驱动系统设计

2.1.1  机械手驱动器

机械手驱动系统包括驱动器和传动机构，它们常与执行器连成一体，驱动臂、杆和载荷完成指定的运动。常用的驱动器有电机、液压和气动等驱动装置，其中，电机驱动器是最常用的驱动方式，包括直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机等。本设计中底座的旋转与手臂升降都采用步进电机作为驱动器，而手臂的伸缩则选用七缸作为驱动器，气爪的翻转是通过摆动气缸来驱动的。

2.1.2  机械手传动机构

手臂的升降是通过步进电机连接联轴器与丝杆而实现的。在手臂上安装丝杆螺母副，从而驱动手臂的升降。手臂的伸缩是通过气缸杆直接连接装有摆动气缸的摆动气缸安装板来实现的。气爪的旋转是通过摆动气缸连接气爪的附件来实现的。底座的旋转是通过步进电机联接谐波齿轮直接驱动转动机座转动来实现的。

2.2  各电动机的选择

进电动机又称脉冲电动机，是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行电机。本文中的机械手系统要求的定位精度较高，而步进电机对系统位置控制比较准确，且易于控制，因此，本机械手选用的驱动电机都是步进电机。

3  结束语

本文对机械手的整体设计进行了分析，并对机身的回转机构和升降机构进行设计计算。同时，还分析了升降立柱不自锁的条件，这是机身设计中不可缺少的部分。

参考文献

[1]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2001.

[2]张铁，谢存禧.机器人学[M].广州：华南理工大学出版社，2004.

[3]陈统坚.机械工程英语[M].北京：机械工业出版社，1996.

[5]冯辛安.机械制造装配设计[M].北京：机械工业出版社，2004.

[6]成大先.机械设计手册：常用工程材料[M].北京：化学工业出版社，2004.

〔编辑：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：随着社会的不断发展，机器人的应用越来越广泛，用机器取代人力，将是社会不断发展的趋势。通过对四自由度机械臂的机械和电气特性进行阐释，说明了机器人机械手的设计方法。

关键词：四自由度;机械手;驱动系统;结构设计

中图分类号：TP241              文献标识码：A               文章编号：2095-6835（2014）23-0014-02

近年来，机器人的开发不仅越来越优化，而且涵盖了许多领域，应用范畴也十分广泛。在工业中，自动控制系统有着广泛的应用，例如数控机床、智能机器人、计算机系统、模糊控制等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正在改变现代化工业的面貌。在某些劳动环境极其恶劣的条件下，就可以使用机器人来代替人力工作。下面所介绍的机械手就是为降低工人劳动强度，提高劳动效率、产品质量和经济效益而设计的。四自由度的机械臂具有三个旋转关节和一个平移关节，末端安装有一个能够抓取物体的电磁手爪。

1  机械手的总体设计

1.1  机械手基本形式的选择

常见的工业机械手根据手臂的动作形态，按坐标形式大致可分为直角坐标型机械手、圆柱坐标型机械手、球坐标（极坐标）型机械手和多关节型机机械手。其中，由于圆柱坐标型机械手结构简单紧凑，定位精度较高，占地面积小，因此，本设计采用圆柱坐标。机械手搬运物品如图1所示。在图1中，机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B.

图1  机械手搬运物品示意图

1.2  机械手的主要部件和运动

根据设计任务，选定圆柱坐标式机械手的基本方案。为了满足设计要求，本设计的机械手具有5个自由度，分别是手抓张合、手部回转、手臂伸缩、手臂回转和手臂升降。

本设计的机械手主要由4个大部件和5个液压缸组成：①手部。采用一个直线液压缸，通过机构运动实现手抓的张合。②腕部。采用一个回转液压缸实现手部108°回转。③臂部。采用直线缸来实现手臂平动1.2 m。④机身。采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂的升降和回转。

本设计的机械手由以下几个系统组成：①执行系统。工业机器人完成抓取工件由执行系统来完成，应该用气爪、底座旋转、手臂升降、手臂伸缩等所必需的机械部件来实现各种运动。②驱动系统。本设计选用机械传动、气压传动和电机驱动来为各部件提供动力，驱动动力装置是机械手运动的动力。③控制系统。控制系统发出指令控制驱动系统，最后由执行系统按照规定的要求进行工作。发生错误或故障时，控制系统会发出报警信息，这是机械手的核心。

2  方案确定

该设计中的机械手为四自由度，其中，2个为旋转，2个为平移。在四自由度机械臂实验平台上，可以实现多个物体从起始位置到不同目标位置的搬运和摆放。

应用精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动这两项功能来实现设计所需功能，其中，抓取和移动是两个最主要的功能。

该设计根据设计要求、工作原理、设计内容和需求来确定机械手，机器人的旋转运动采用谐波齿轮传动和步进电机驱动来实现。利用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂进行上下运动。由于本设计中的机械手工作区域较小，因此，要利用气缸驱动来实现手臂的伸缩运动。末端夹持器则选用气爪或电磁来做夹持器。气爪的旋转则由与气爪连接的摆动气缸来实现，或者在末端安装一个可以抓取物体的电磁手爪。

2.1  机械手驱动系统设计

2.1.1  机械手驱动器

机械手驱动系统包括驱动器和传动机构，它们常与执行器连成一体，驱动臂、杆和载荷完成指定的运动。常用的驱动器有电机、液压和气动等驱动装置，其中，电机驱动器是最常用的驱动方式，包括直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机等。本设计中底座的旋转与手臂升降都采用步进电机作为驱动器，而手臂的伸缩则选用七缸作为驱动器，气爪的翻转是通过摆动气缸来驱动的。

2.1.2  机械手传动机构

手臂的升降是通过步进电机连接联轴器与丝杆而实现的。在手臂上安装丝杆螺母副，从而驱动手臂的升降。手臂的伸缩是通过气缸杆直接连接装有摆动气缸的摆动气缸安装板来实现的。气爪的旋转是通过摆动气缸连接气爪的附件来实现的。底座的旋转是通过步进电机联接谐波齿轮直接驱动转动机座转动来实现的。

2.2  各电动机的选择

进电动机又称脉冲电动机，是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行电机。本文中的机械手系统要求的定位精度较高，而步进电机对系统位置控制比较准确，且易于控制，因此，本机械手选用的驱动电机都是步进电机。

3  结束语

本文对机械手的整体设计进行了分析，并对机身的回转机构和升降机构进行设计计算。同时，还分析了升降立柱不自锁的条件，这是机身设计中不可缺少的部分。

参考文献

[1]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2001.

[2]张铁，谢存禧.机器人学[M].广州：华南理工大学出版社，2004.

[3]陈统坚.机械工程英语[M].北京：机械工业出版社，1996.

[5]冯辛安.机械制造装配设计[M].北京：机械工业出版社，2004.

[6]成大先.机械设计手册：常用工程材料[M].北京：化学工业出版社，2004.

〔编辑：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