機(jī)械手臂

機(jī)械手臂簡(jiǎn)介

　　機(jī)械手臂是機(jī)械人技術(shù)領(lǐng)域中得到最廣泛實(shí)際應(yīng)用的自動(dòng)化機(jī)械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂(lè)服務(wù)、軍事、半導(dǎo)體制造以及太空探索等領(lǐng)域都能見(jiàn)到它的身影。盡管它們的形態(tài)各有不同，但它們都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是能夠接受指令，精確地定位到三維（或二維）空間上的某一點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)。

　　類型

　　機(jī)械手臂根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同分為多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂，直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂，球坐標(biāo)系機(jī)械手臂，極坐標(biāo)機(jī)械手臂，柱坐標(biāo)機(jī)械手臂等。右圖為常見(jiàn)的六自由度機(jī)械手臂。他有X移動(dòng)，Y移動(dòng)，Z移動(dòng)，X轉(zhuǎn)動(dòng)，Y轉(zhuǎn)動(dòng)，Z轉(zhuǎn)動(dòng)六個(gè)自由度組成。

機(jī)械手臂百科

　　機(jī)械手臂是機(jī)械人技術(shù)領(lǐng)域中得到最廣泛實(shí)際應(yīng)用的自動(dòng)化機(jī)械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂(lè)服務(wù)、軍事、半導(dǎo)體制造以及太空探索等領(lǐng)域都能見(jiàn)到它的身影。盡管它們的形態(tài)各有不同，但它們都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是能夠接受指令，精確地定位到三維（或二維）空間上的某一點(diǎn)進(jìn)行作業(yè)。

　　類型

　　機(jī)械手臂根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同分為多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂，直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂，球坐標(biāo)系機(jī)械手臂，極坐標(biāo)機(jī)械手臂，柱坐標(biāo)機(jī)械手臂等。右圖為常見(jiàn)的六自由度機(jī)械手臂。他有X移動(dòng)，Y移動(dòng)，Z移動(dòng)，X轉(zhuǎn)動(dòng)，Y轉(zhuǎn)動(dòng)，Z轉(zhuǎn)動(dòng)六個(gè)自由度組成。

　　結(jié)構(gòu)形式

　　水平多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂一般有三個(gè)主自由度，Z1轉(zhuǎn)動(dòng)，Z2轉(zhuǎn)動(dòng)，Z移動(dòng)。通過(guò)在執(zhí)行終端加裝X轉(zhuǎn)動(dòng)，Y轉(zhuǎn)動(dòng)可以到達(dá)空間內(nèi)的任何坐標(biāo)點(diǎn)。直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂有三個(gè)主自由度。X移動(dòng)，Y移動(dòng)，Z移動(dòng)組成，通過(guò)在執(zhí)行終端加裝X轉(zhuǎn)動(dòng)，Y轉(zhuǎn)動(dòng)，Z轉(zhuǎn)動(dòng)可以到達(dá)空間內(nèi)的任何坐標(biāo)點(diǎn)。右圖即為常見(jiàn)的構(gòu)造形式之一，對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，有時(shí)并不需要機(jī)械手臂具有完整的六個(gè)自由度，而只需其中的一個(gè)或幾個(gè)自由度。直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂可以由單軸機(jī)械手臂組合而成。單軸機(jī)械手臂作為一個(gè)組件在工業(yè)中應(yīng)用廣泛。下圖為單軸機(jī)械手臂。單軸機(jī)械手臂的組件化大大降低了工業(yè)設(shè)計(jì)的成本，因?qū)I(yè)制造商擁有良好的質(zhì)量保證和批量生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，使用組件比自行設(shè)計(jì)機(jī)械手臂更具優(yōu)勢(shì)。常見(jiàn)的直交機(jī)械手組合有懸臂式，龍門式，直立式，橫立式等樣式?！?duì)于半導(dǎo)體制造應(yīng)用來(lái)說(shuō)，常用的機(jī)械手臂是用來(lái)搬送晶片，比如下圖雙臂型的機(jī)械手

　　作用組成

　　作用手臂一般有3個(gè)運(yùn)動(dòng)：伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降。實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、升降運(yùn)動(dòng)是由橫臂和產(chǎn)柱去完成。手臂的基本作用是將手爪移動(dòng)到所需位置和承受爪抓取工件的最大重量，以及手臂本身的重量等。

　　組成手臂由以下幾部分組成：（1）運(yùn)動(dòng)元件。如油缸、氣缸、齒條、凸輪等是驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件。（2）導(dǎo)向裝置。是保證手臂的正確方向及承受由于工件的重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)的力矩。（3）手臂。起著連接和承受外力的作用。手臂上的零部件，如油缸、導(dǎo)向桿、控制件等都安裝在手臂上。此外，根據(jù)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)和工作的要求，如管路、冷卻裝置、行程定位裝置和自動(dòng)檢測(cè)裝置等，一般也都裝在手臂上。所以手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、承載能力和動(dòng)作精度都直接影響機(jī)械手的工作性能。

　　設(shè)計(jì)要求

　　1、手臂應(yīng)承載能力大、剛性好、自重輕手臂的剛性直接影響到手臂抓取工件時(shí)動(dòng)作的平穩(wěn)性、運(yùn)動(dòng)的速度和定位精度。如剛性差則會(huì)引起手臂在垂直平面內(nèi)的彎曲變形和水平面內(nèi)側(cè)向扭轉(zhuǎn)變形，手臂就要產(chǎn)生振動(dòng)，或動(dòng)作時(shí)工件卡死無(wú)法工作。為此，手臂一般都采用剛性較好的導(dǎo)向桿來(lái)加大手臂的剛度，各支承、連接件的剛性也要有一定的要求，以保證能承受所需要的驅(qū)動(dòng)力。2、手臂的運(yùn)動(dòng)速度要適當(dāng)，慣性要小機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度一般是根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍要求來(lái)決定的，但不宜盲目追求高速度。手臂由靜止?fàn)顟B(tài)達(dá)到正常的運(yùn)動(dòng)速度為啟動(dòng)，由常速減到停止不動(dòng)為制動(dòng)，速度的變化過(guò)程為速度特性曲線。手臂自重輕，其啟動(dòng)和停止的平穩(wěn)性就好。3、手臂動(dòng)作要靈活手臂的結(jié)構(gòu)要緊湊小巧，才能做手臂運(yùn)動(dòng)輕快、靈活。在運(yùn)動(dòng)臂上加裝滾動(dòng)軸承或采用滾珠導(dǎo)軌也能使手臂運(yùn)動(dòng)輕快、平穩(wěn)。此外，對(duì)了懸臂式的機(jī)械手，還要考慮零件在手臂上布置，就是要計(jì)算手臂移動(dòng)零件時(shí)的重量對(duì)回轉(zhuǎn)、升降、支撐中心的偏重力矩。偏重力矩對(duì)手臂運(yùn)動(dòng)很不利，偏重力矩過(guò)大，會(huì)引起手臂的振動(dòng)，在升降時(shí)還會(huì)發(fā)生一種沉頭現(xiàn)象，還會(huì)影響運(yùn)動(dòng)的靈活性，嚴(yán)重時(shí)手臂與立柱會(huì)卡死。所以在設(shè)計(jì)手臂時(shí)要盡量使手臂重心通過(guò)回轉(zhuǎn)中心，或離回轉(zhuǎn)中心要盡量接近，以減少偏力矩。對(duì)于雙臂同時(shí)操作的機(jī)械手，則應(yīng)使兩臂的布置盡量對(duì)稱于中心，以達(dá)到平衡。4、位置精度高機(jī)械手要獲得較高的位置精度，除采用先進(jìn)的控制方法外，在結(jié)構(gòu)上還注意以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）機(jī)械手的剛度、偏重力矩、慣性力及緩沖效果都直接影響手臂的位置精度。（2）加設(shè)定位裝置和行程檢測(cè)機(jī)構(gòu)。（3）合理選擇機(jī)械手的坐標(biāo)形式。直角坐標(biāo)式機(jī)械手的位置精度較高，其結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)都比較簡(jiǎn)單、誤差也小。而回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的誤差是放大時(shí)的尺寸誤差，當(dāng)轉(zhuǎn)角位置一定時(shí)，手臂伸出越長(zhǎng)，其誤差越大；關(guān)節(jié)式機(jī)械手因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，手端的定位由各部關(guān)節(jié)相互轉(zhuǎn)角來(lái)確定，其誤差是積累誤差，因而精度較差，其位置精度也更難保證。5、通用性強(qiáng)，能適應(yīng)多種作業(yè)；工藝性好，便于維修調(diào)整以上這幾項(xiàng)要求，有時(shí)往往相互矛盾，剛性好、載重大，結(jié)構(gòu)往往粗大、導(dǎo)向桿也多，增加手臂自重；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加，沖擊力就大，位置精度就低。因此，在設(shè)計(jì)手臂時(shí)，須根據(jù)機(jī)械手抓取重量、自由度數(shù)、工作范圍、運(yùn)動(dòng)速度及機(jī)械手的整體布局和工作條件等各種因素綜合考慮，以達(dá)到動(dòng)作準(zhǔn)確、可靠、靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、剛度大、自重小，從而保證一定的位置精度和適應(yīng)快速動(dòng)作。此外，對(duì)于熱加工的機(jī)械手，還要考慮熱輻射，手臂要較長(zhǎng)，以遠(yuǎn)離熱源，并須裝有冷卻裝置。對(duì)于粉塵作業(yè)的機(jī)械手還要添裝防塵設(shè)施。

　　工程應(yīng)用

　　大腦控制手臂該機(jī)械臂由用戶的頭腦完全控制，靈巧到足以拿起一個(gè)玻璃杯，在沒(méi)有其他人幫助的情況下喝掉一杯飲料。這個(gè)機(jī)械臂的創(chuàng)造者一個(gè)研究小組，成員來(lái)自于加州理工學(xué)院等機(jī)構(gòu)，其中，神經(jīng)芯片被植入Sorto的大腦后頂葉皮層（PPC）。該機(jī)器臂控制芯片植入位置與之前其他癱瘓用戶控制機(jī)械臂的植入位置不同，通常情況下，這種控制芯片植入位置是控制肌肉的大腦區(qū)域，而PPC是控制我們行動(dòng)意圖的區(qū)域，移動(dòng)，并讓Erik Sorto控制的機(jī)械臂更加流暢和自然地運(yùn)動(dòng)。Erik Sorto要做的就是思考他打算做什么，并通過(guò)大量的練習(xí)，能夠使機(jī)械臂進(jìn)行他正在考慮的任務(wù)。［2］

　　橡膠機(jī)器手臂科學(xué)家已經(jīng)研制出了橡膠機(jī)器手臂，可以抓起螞蟻而不是捏死。目前這種機(jī)械手臂還處于研發(fā)階段，科學(xué)家把電線浸入液體硅橡膠中，待凝固后抽出電線，得到一個(gè)長(zhǎng)5-8mm，頭發(fā)絲細(xì)的觸手。觸手內(nèi)部分為許多小格子，通過(guò)壓縮空氣流動(dòng)來(lái)做出各種動(dòng)作，可以毫無(wú)傷害的握起螞蟻的腰部。科學(xué)家認(rèn)為這種觸手將來(lái)會(huì)大有用武之地，當(dāng)然不是抓螞蟻玩兒，而是進(jìn)行諸如精密的心臟及胚胎血管手術(shù)。

　　人的手臂相當(dāng)于幾軸的機(jī)械手

　　人的手臂可以拆分來(lái)看，主要有以下幾個(gè)關(guān)節(jié)：肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、手指（不細(xì)分）。

　　人身體上的每一個(gè)關(guān)節(jié)，都可以抽象為機(jī)械上常說(shuō)的連接副（運(yùn)動(dòng)副）。連接副可以細(xì)分為很多種，百度百科上有說(shuō)明：運(yùn)動(dòng)副_百度百科也可以參考這個(gè)頁(yè)面運(yùn)動(dòng)副及其分類。涉及到人體的關(guān)節(jié)，大概只需要了解轉(zhuǎn)動(dòng)副。畢竟我們?nèi)馍聿荒馨l(fā)生相對(duì)分離（滑移）。

　　轉(zhuǎn)動(dòng)副可以分為面內(nèi)和空間兩種： 1、面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)副只有一個(gè)自由度（比如電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸或者門軸，只能有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，正反轉(zhuǎn)屬于一個(gè)自由度，而不是兩個(gè)。）

　　2、空間轉(zhuǎn)動(dòng)副有三個(gè)自由度（比如常見(jiàn)的球鉸，老式的電視機(jī)天線就是使用球鉸來(lái)實(shí)現(xiàn)空間各個(gè)姿態(tài)位置的轉(zhuǎn)動(dòng)，但是其實(shí)只用到了兩個(gè)方向的自由度）

　　上面說(shuō)了那么多，無(wú)非就是想要說(shuō)明連接的自由度。下面言歸正傳來(lái)數(shù)一下我們的手臂有幾個(gè)自由度：

　　肩關(guān)節(jié)：其實(shí)肩關(guān)節(jié)有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，只不過(guò)每個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)幅度收到限制且不一致?？梢詤⒖家韵碌腦片，真的是球鉸鏈接。

　　肘關(guān)節(jié)：肘關(guān)節(jié)其實(shí)只有兩個(gè)自由度，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)上其實(shí)限制了一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。因?yàn)橹怅P(guān)節(jié)不像肩關(guān)節(jié)一樣是一個(gè)球鉸，肘關(guān)節(jié)其實(shí)可以看成兩個(gè)并聯(lián)的球鉸。

　　腕關(guān)節(jié)：兩個(gè)自由度。將手掌平放在桌面上，我們其實(shí)是可以在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以垂直于桌面上下轉(zhuǎn)動(dòng)的。手腕上關(guān)節(jié)特別多，用紅線標(biāo)出。

　　這樣一來(lái)，僅僅是肩關(guān)節(jié)+肘關(guān)節(jié)+腕關(guān)節(jié)，我們手臂已經(jīng)有了7個(gè)自由度了。

　　再說(shuō)手指，其實(shí)將每個(gè)關(guān)節(jié)只算做一個(gè)自由度（部分手指關(guān)節(jié)有兩個(gè)自由度），我們?nèi)祟惖氖直燮鋵?shí)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了空間上的六個(gè)自由度了。那為什么工業(yè)上常見(jiàn)的機(jī)械臂只有六個(gè)自由度呢？

　　這是因?yàn)楣I(yè)上實(shí)現(xiàn)每一個(gè)自由度都需要有基本的運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)構(gòu)造和驅(qū)動(dòng)器件，再加上控制邏輯和算法，每次增加一個(gè)自由度往往是增加了幾倍的難度與成本。而我們實(shí)際的三維空間有六個(gè)自由度就能夠達(dá)到三維空間的任何一個(gè)點(diǎn)（工作范圍內(nèi)）了。

　　那么，增加自由度有什么意義呢（人手）？當(dāng)然很有意義。比如我們手捧一杯水的時(shí)候，我們可以在保持水杯不傾倒的同時(shí)，可以調(diào)整肘關(guān)節(jié)的高度和姿態(tài)，畢竟你還可以可以在肘關(guān)節(jié)上放一個(gè)盤子的嘛。

　　機(jī)械手工作原理是什么？怎樣控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)的

　　機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。

　　手部是用來(lái)抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。

　　運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。

　　運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個(gè)自由度。自由度是機(jī) 械手設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。

　　控制系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度的電機(jī)的控制，來(lái)完成特定動(dòng)作。同時(shí)接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制。控制系統(tǒng)的核心通常是由單片機(jī)或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過(guò)對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)所要功能。