機(jī)械手的自由度數(shù)

曉昀

       機(jī)械手自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的主要參數(shù),，毎一個(gè)構(gòu)件(即運(yùn)動(dòng)件)相對(duì)固定座標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)稱為自由度,。毎一個(gè)構(gòu)件相對(duì)固定座標(biāo)系最多可有六個(gè)自由度即沿X,、YZ三個(gè)方向獨(dú)立的往復(fù)移動(dòng)和繞X,、Y,、Z軸的三個(gè)獨(dú)立的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),。兩個(gè)構(gòu)件組成相對(duì)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)接稱為運(yùn)動(dòng)副,，對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)加以限制的條件即為約束條件,。因?yàn)椋�組成運(yùn)動(dòng)副的各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)是受到約束的,，不能任意運(yùn)動(dòng),，必須按照人們預(yù)定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)。分析機(jī)械手的手臂,、手腕,、手指等部件本身和它們之間的關(guān)系,，不外乎是由一組相互聯(lián)系著的構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副所組成，這些運(yùn)動(dòng)副又可分為只有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)副(圖1的a和e)和移動(dòng)副(圖1的b和c)或有三個(gè)自由度的球面副(圖1的d),。

圖1 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)副形式

機(jī)械手要象人的手一樣完成各種動(dòng)作比較困難,。因入的手指、手掌,、手腕,、手臂由十九個(gè)關(guān)節(jié)所組成，并具有27個(gè)自由度,，而實(shí)際中的機(jī)械手不需要這么多自由度,。

下面按機(jī)械手所具有的主運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)來(lái)分析其自由度。手臂和立柱的運(yùn)動(dòng)稱為主運(yùn)動(dòng),，因?yàn)樗鼈兡芨淖儽蛔ト」ぜ�在空間的位置,，手腕和手指的運(yùn)動(dòng)稱為輔助運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槭滞蟮倪\(yùn)動(dòng)只能改變被抓取工件的方位(即姿勢(shì)),，而手指的夾放動(dòng)作不能改變工件的位置和方位,，故它不計(jì)為自由度數(shù)，其它運(yùn)動(dòng)均計(jì)為自由度數(shù),。

圖2  機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖

    手指可作開(kāi)閉(即夾緊和放松)運(yùn)動(dòng),；手腕可作回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)等運(yùn)動(dòng),；手臂可作前后伸縮,、升降(或上下擺動(dòng)即俯仰)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；立柱橫向移動(dòng),。也有的機(jī)械手整機(jī)具有行走機(jī)構(gòu),。

上述各種運(yùn)動(dòng)可根據(jù)機(jī)械手的需要來(lái)選擇，設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)首先要確定被抓取工件所在空間的位置,，及將工件搬運(yùn)到規(guī)定的位置時(shí)所需要的運(yùn)動(dòng)(不包括手指開(kāi)閉動(dòng)作),，在大多數(shù)情況下是少于六個(gè)自由度的，如專用機(jī)械手只有2～4個(gè)自由度,，通用機(jī)被手是3～6個(gè)自由度,。

圖3  機(jī)械手的自由度數(shù)統(tǒng)計(jì)表

    圖3所示為對(duì)115臺(tái)機(jī)械手的自由度的統(tǒng)計(jì)圖。由圖可知,，具有四個(gè)自由度的機(jī)械手為數(shù)最多,，共中大部分是手臂主運(yùn)動(dòng)的自由度，而手腕的自由度僅是為配合手臂完成工件的預(yù)定方位要求加以增設(shè)的,，常用的手腕運(yùn)動(dòng)是一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),，只有通用性較強(qiáng)的機(jī)被手才設(shè)有較多的手腕運(yùn)動(dòng)。

    自由度數(shù)多少是衡量機(jī)械手技術(shù)水平的指標(biāo)之一,，自由度數(shù)越多,，可以完成的動(dòng)作越復(fù)雜,，通用性越強(qiáng)，應(yīng)用范圍也越廣,，但是,，相應(yīng)的技術(shù)難度會(huì)增加很多，,，控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜,，機(jī)械手本身的體積和重量也會(huì)增加，成本高,，維修困難,。自由度數(shù)少，通用性差,，但是,，技術(shù)上容易達(dá)到，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，使用和維修均方便,。因此，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)工藝的要求確定機(jī)械手的自由度數(shù),，而不能盲目追求,、增加不必要的自由度，減少投資和技術(shù)復(fù)雜性,，也就是自由度數(shù)夠用就行,。