多自由度夹取式机器人结构设计

多自由度夹取式机器人结构设计

韩继浩  申世英

山东协和学院山东济南邮编250107

摘要：设计一种多自由度夹取式机器人的结构，以满足对复杂环境中物体夹取的需求。对夹取式机器人的发展历史和研究现状进行了综述，指出了目前存在的挑战和不足。提出了一种基于多自由度机构的夹取式机器人设计方案，通过增加自由度和灵活性来提高夹取效率和适应性。设计方案采用了柔性材料和传感技术，使机器人能够对不规则形状和不同材质的物体进行准确夹取。结果表明，所设计的多自由度夹取式机器人具有较高的夹取成功率和稳定性，能够在各种复杂环境下有效夹取目标物体。展望未来，进一步提升机器人的智能化和自适应能力，以及应用于工业生产和服务领域的潜在应用价值。

关键词：多自由度；夹取式；机器人

一、前言

机器人技术已渗透至日常生活的诸多方面，既是孩童的娱乐同伴，也是工业生产中不可或缺的自动化组成部分。机械臂、工业机器人及机器人等术语虽在通常使用中界限模糊，且在概念上相互交织，但实际上它们指代着各自独特的技术实体及其应用范畴。目前，这些术语的全球性定义尚未达成共识，我们主要参考的是国际标准化组织及各国行业协会所提出的定义。根据国际标准化组织的解释：工业机器人指的是能够自动执行任务、具备操作和移动能力的可编程操作装置。根据机器人工业协会的描述，机器人被界定为一种具备编程功能的多用途机械装置，旨在执行物体的搬运和特定制造任务。然而，这个定义虽然在实际应用中相当有效，但仍然不足以涵盖机器人技术的全部可能性和复杂性。至于我国机器人的定义，蒋新松院士曾建议将机器人定义为“具有人类功能的机械电子装置”。工业机器人与机械手的主要区别在于，工业机器人拥有独立的控制系统，可以通过编程改变动作；而机械手通常只能执行固定程序，如搬运、抓取和上下料，常作为自动化设备的附属装置。尽管机器人的定义在不同权威机构之间各有细微差别，我们仍能从中抽象出一个共识：机器人是一种融合了众多学科技术的复合型自动化机械设备。这一泛化的定义揭示了机器人作为跨学科集成产物的本质特征。

二、工作原理

在本设计中，机器人采用了铰接式的结构方案。铰接式的主要优势在于它具有传动原理清晰、结构紧凑、占用空间小而工作范围广的特点，允许机器人轻松绕过基座周边的障碍物。设计中特别在机器人的腕部和腰部加入了关节，这增强了其在进行精细作业、精确定位以及快速简洁操作方面的能力，适用于完成一系列复杂而微妙的任务。

三、执行机构

执行机构是机械手中枢纽部分的组件，主要包括手臂和手指。机械手的设计灵感源于人类的手臂，但它的构造远非简单的铁条。机械手臂内部设有穿孔空间，其中安装传动轴，这些轴负责传递动力，以实现手腕的旋转和伸缩等运动。手腕部分负责调节手指的张合与夹紧动作。手指设计模拟了人手的结构，通过固定型、活动型和自由型关节来执行复杂动作。与人手不同，机械手指的个数和关节配置可以根据具体需求进行调整。这种设计使得执行机构在抓握和操作物体时，具备高度的适应性和灵活性。手指的种类根据数量不同，可分为双指、三指、四指等多种形式，其中双指应用最为普遍。所谓无手指的手部，通常指的是真空吸盘或磁性吸盘等设备。

为了让手指能准确地抓住工件并完成所需的运动轨迹，依靠手指本身是无法实现如此复杂的动作的，这时装有传动轴的手臂便起到了关键作用。由于机器人手臂在完成运动轨迹时需要确保误差不能过大，因此机械手臂必须具备高精度的定位能力，以避免产生较大的偏差。如果追本逐源，人体躯干则扮演着机架的功能，在机械设备中为安装手臂、动力源等各工作机构提出了正确与合理的空间布局。

四、驱动机构

在当代工业中，我们常见的驱动技术主要分为四种类别：气动、液压、电力和机械。液压和电动驱动技术由于其应用广泛，特别是在大型机械手臂中，液压驱动被频繁使用。液压驱动系统通常由液压马达、油缸、电机、伺服阀、油箱和油泵等构件组成，它们因能提供较大的承载力以及良好的抗震和抗冲击能力，而在重型装备中得到了广泛应用。

电动驱动以其电机为动力来源，被认为是现阶段机器人领域应用最广、技术最成熟的驱动模式。通常电机转速偏高，这要求在采用电动驱动的情况下，必须搭配合适的减速器来满足使用需求。随着技术的进步，新型变频电机的出现，使得可以直接输出更低的转速，未来这可能进一步简化电动驱动系统，减少结构复杂性，提升机器人的效率和便捷性。

五、传动、驱动方式的分析与选择

驱动源与传动设备及关节元件的配合形态及其激活策略的选取，共同决定了传动模式的选择。

驱动源大致分为四种基本类型：气压驱动、液压驱动、直流电机驱动和步进电机驱动。另外，交流电机驱动是最近发展起来的一种新驱动方式。

经过深入分析四种驱动方式的优劣，并对系统的总体性能做出平衡考虑后，决定为该机械臂设计远程联动的传动方式以及间接驱动机制。优先选择步进电机和液压缸作为动力源，并使用齿轮装置来实现力的传递。机械臂的设计将采用以下传动方式对每个活动关节进行设计：

1.通过步进电机实现车架腰部关节的旋转，该电机能将垂直转动转换为水平旋转。

2.机械臂的大臂俯仰在肩部位置，则是由关节装置直接驱动。

3.机构小臂俯仰的肘部位：与大臂俯仰传动方式相同。

4.对于机械臂的手腕摆动关节部分，同样采用电动机作为驱动力源。通过齿轮组传递，电机的旋转被转化为机器人手腕的扭动。这一机构能够精确控制手腕的旋转角度及速度，从而实现精细的操作任务。

此外，DC电机直接与液压缸相连，驱动抓手旋转，抓手的开合由液压缸实现。

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[4]王伟,谢明红,周国义.6-D工业机器人逆解优化及其工作空间的研究[J].《机械与电子》,2011,08:27-32.

作者简介：

韩继浩，男，汉族，2000年5月，学士，研究方向：机械设计。

依托2024届毕业设计项目

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