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)動件)相對固定座標(biāo)系所具有的獨(dú)立運(yùn)動稱為自由度。毎一個(gè)構(gòu)件相對固定座標(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)移動和繞X、Y、Z軸的三個(gè)獨(dú)立的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。兩個(gè)構(gòu)件組成相對運(yùn)動的聯(lián)接稱為運(yùn)動副，對相對運(yùn)動加以限制的條件即為約束條件。因?yàn)椋M成運(yùn)動副的各構(gòu)件的運(yùn)動是受到約束的，不能任意運(yùn)動，必須按照人們預(yù)定的規(guī)律運(yùn)動。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)動副所組成，這些運(yùn)動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)動副形式

機(jī)械手要象人的手一樣完成各種動作比較困難。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)動和輔助運(yùn)動來分析其自由度。手臂和立柱的運(yùn)動稱為主運(yùn)動，因?yàn)樗鼈兡芨淖儽蛔ト」ぜ诳臻g的位置，手腕和手指的運(yùn)動稱為輔助運(yùn)動，因?yàn)槭滞蟮倪\(yùn)動只能改變被抓取工件的方位(即姿勢)，而手指的夾放動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)動均計(jì)為自由度數(shù)。

圖2  機(jī)械手的運(yùn)動示意圖

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

上述各種運(yùn)動可根據(jù)機(jī)械手的需要來選擇，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(不包括手指開閉動作)，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115臺機(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)動是一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動，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。

    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。