機械手臂簡介

　　機械手臂是機械人技術(shù)領域中得到最廣泛實際應用的自動化機械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學治療、娛樂服務、軍事、半導體制造以及太空探索等領域都能見到它的身影。盡管它們的形態(tài)各有不同，但它們都有一個共同的特點，就是能夠接受指令，精確地定位到三維（或二維）空間上的某一點進行作業(yè)。

　　類型

　　機械手臂根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同分為多關節(jié)機械手臂，直角坐標系機械手臂，球坐標系機械手臂，極坐標機械手臂，柱坐標機械手臂等。右圖為常見的六自由度機械手臂。他有X移動，Y移動，Z移動，X轉(zhuǎn)動，Y轉(zhuǎn)動，Z轉(zhuǎn)動六個自由度組成。

機械手臂百科

　　機械手臂是機械人技術(shù)領域中得到最廣泛實際應用的自動化機械裝置，在工業(yè)制造、醫(yī)學治療、娛樂服務、軍事、半導體制造以及太空探索等領域都能見到它的身影。盡管它們的形態(tài)各有不同，但它們都有一個共同的特點，就是能夠接受指令，精確地定位到三維（或二維）空間上的某一點進行作業(yè)。

　　類型

　　機械手臂根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同分為多關節(jié)機械手臂，直角坐標系機械手臂，球坐標系機械手臂，極坐標機械手臂，柱坐標機械手臂等。右圖為常見的六自由度機械手臂。他有X移動，Y移動，Z移動，X轉(zhuǎn)動，Y轉(zhuǎn)動，Z轉(zhuǎn)動六個自由度組成。

　　結(jié)構(gòu)形式

　　水平多關節(jié)機械手臂一般有三個主自由度，Z1轉(zhuǎn)動，Z2轉(zhuǎn)動，Z移動。通過在執(zhí)行終端加裝X轉(zhuǎn)動，Y轉(zhuǎn)動可以到達空間內(nèi)的任何坐標點。直角坐標系機械手臂有三個主自由度。X移動，Y移動，Z移動組成，通過在執(zhí)行終端加裝X轉(zhuǎn)動，Y轉(zhuǎn)動，Z轉(zhuǎn)動可以到達空間內(nèi)的任何坐標點。右圖即為常見的構(gòu)造形式之一，對于工業(yè)應用來說，有時并不需要機械手臂具有完整的六個自由度，而只需其中的一個或幾個自由度。直角坐標系機械手臂可以由單軸機械手臂組合而成。單軸機械手臂作為一個組件在工業(yè)中應用廣泛。下圖為單軸機械手臂。單軸機械手臂的組件化大大降低了工業(yè)設計的成本，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，使用組件比自行設計機械手臂更具優(yōu)勢。常見的直交機械手組合有懸臂式，龍門式，直立式，橫立式等樣式。　對于半導體制造應用來說，常用的機械手臂是用來搬送晶片，比如下圖雙臂型的機械手

　　作用組成

　　作用手臂一般有3個運動：伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降。實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、升降運動是由橫臂和產(chǎn)柱去完成。手臂的基本作用是將手爪移動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）運動元件。如油缸、氣缸、齒條、凸輪等是驅(qū)動手臂運動的部件。（2）導向裝置。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、導向桿、控制件等都安裝在手臂上。此外，根據(jù)機械手運動和工作的要求，如管路、冷卻裝置、行程定位裝置和自動檢測裝置等，一般也都裝在手臂上。所以手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、承載能力和動作精度都直接影響機械手的工作性能。

　　設計要求

　　1、手臂應承載能力大、剛性好、自重輕手臂的剛性直接影響到手臂抓取工件時動作的平穩(wěn)性、運動的速度和定位精度。如剛性差則會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，或動作時工件卡死無法工作。為此，手臂一般都采用剛性較好的導向桿來加大手臂的剛度，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)動力。2、手臂的運動速度要適當，慣性要小機械手的運動速度一般是根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍要求來決定的，但不宜盲目追求高速度。手臂由靜止狀態(tài)達到正常的運動速度為啟動，由常速減到停止不動為制動，速度的變化過程為速度特性曲線。手臂自重輕，其啟動和停止的平穩(wěn)性就好。3、手臂動作要靈活手臂的結(jié)構(gòu)要緊湊小巧，才能做手臂運動輕快、靈活。在運動臂上加裝滾動軸承或采用滾珠導軌也能使手臂運動輕快、平穩(wěn)。此外，對了懸臂式的機械手，還要考慮零件在手臂上布置，就是要計算手臂移動零件時的重量對回轉(zhuǎn)、升降、支撐中心的偏重力矩。偏重力矩對手臂運動很不利，偏重力矩過大，會引起手臂的振動，在升降時還會發(fā)生一種沉頭現(xiàn)象，還會影響運動的靈活性，嚴重時手臂與立柱會卡死。所以在設計手臂時要盡量使手臂重心通過回轉(zhuǎn)中心，或離回轉(zhuǎn)中心要盡量接近，以減少偏力矩。對于雙臂同時操作的機械手，則應使兩臂的布置盡量對稱于中心，以達到平衡。4、位置精度高機械手要獲得較高的位置精度，除采用先進的控制方法外，在結(jié)構(gòu)上還注意以下幾個問題：（1）機械手的剛度、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）加設定位裝置和行程檢測機構(gòu)。（3）合理選擇機械手的坐標形式。直角坐標式機械手的位置精度較高，其結(jié)構(gòu)和運動都比較簡單、誤差也小。而回轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生的誤差是放大時的尺寸誤差，當轉(zhuǎn)角位置一定時，手臂伸出越長，其誤差越大；關節(jié)式機械手因其結(jié)構(gòu)復雜，手端的定位由各部關節(jié)相互轉(zhuǎn)角來確定，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，能適應多種作業(yè)；工藝性好，便于維修調(diào)整以上這幾項要求，有時往往相互矛盾，剛性好、載重大，結(jié)構(gòu)往往粗大、導向桿也多，增加手臂自重；轉(zhuǎn)動慣量增加，沖擊力就大，位置精度就低。因此，在設計手臂時，須根據(jù)機械手抓取重量、自由度數(shù)、工作范圍、運動速度及機械手的整體布局和工作條件等各種因素綜合考慮，以達到動作準確、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快速動作。此外，對于熱加工的機械手，還要考慮熱輻射，手臂要較長，以遠離熱源，并須裝有冷卻裝置。對于粉塵作業(yè)的機械手還要添裝防塵設施。

　　工程應用

　　大腦控制手臂該機械臂由用戶的頭腦完全控制，靈巧到足以拿起一個玻璃杯，在沒有其他人幫助的情況下喝掉一杯飲料。這個機械臂的創(chuàng)造者一個研究小組，成員來自于加州理工學院等機構(gòu)，其中，神經(jīng)芯片被植入Sorto的大腦后頂葉皮層（PPC）。該機器臂控制芯片植入位置與之前其他癱瘓用戶控制機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是控制我們行動意圖的區(qū)域，移動，并讓Erik Sorto控制的機械臂更加流暢和自然地運動。Erik Sorto要做的就是思考他打算做什么，并通過大量的練習，能夠使機械臂進行他正在考慮的任務。［2］

　　橡膠機器手臂科學家已經(jīng)研制出了橡膠機器手臂，可以抓起螞蟻而不是捏死。目前這種機械手臂還處于研發(fā)階段，科學家把電線浸入液體硅橡膠中，待凝固后抽出電線，得到一個長5-8mm，頭發(fā)絲細的觸手。觸手內(nèi)部分為許多小格子，通過壓縮空氣流動來做出各種動作，可以毫無傷害的握起螞蟻的腰部。科學家認為這種觸手將來會大有用武之地，當然不是抓螞蟻玩兒，而是進行諸如精密的心臟及胚胎血管手術(shù)。

　　人的手臂相當于幾軸的機械手

　　人的手臂可以拆分來看，主要有以下幾個關節(jié)：肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)、手指（不細分）。

　　人身體上的每一個關節(jié)，都可以抽象為機械上常說的連接副（運動副）。連接副可以細分為很多種，百度百科上有說明：運動副_百度百科也可以參考這個頁面運動副及其分類。涉及到人體的關節(jié)，大概只需要了解轉(zhuǎn)動副。畢竟我們?nèi)馍聿荒馨l(fā)生相對分離（滑移）。

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

　　2、空間轉(zhuǎn)動副有三個自由度（比如常見的球鉸，老式的電視機天線就是使用球鉸來實現(xiàn)空間各個姿態(tài)位置的轉(zhuǎn)動，但是其實只用到了兩個方向的自由度）

　　上面說了那么多，無非就是想要說明連接的自由度。下面言歸正傳來數(shù)一下我們的手臂有幾個自由度：

　　肩關節(jié)：其實肩關節(jié)有三個轉(zhuǎn)動自由度，只不過每個方向的運動幅度收到限制且不一致。可以參考以下的X片，真的是球鉸鏈接。

　　肘關節(jié)：肘關節(jié)其實只有兩個自由度，因為結(jié)構(gòu)上其實限制了一個轉(zhuǎn)動自由度。因為肘關節(jié)不像肩關節(jié)一樣是一個球鉸，肘關節(jié)其實可以看成兩個并聯(lián)的球鉸。

　　腕關節(jié)：兩個自由度。將手掌平放在桌面上，我們其實是可以在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，也可以垂直于桌面上下轉(zhuǎn)動的。手腕上關節(jié)特別多，用紅線標出。

　　這樣一來，僅僅是肩關節(jié)+肘關節(jié)+腕關節(jié)，我們手臂已經(jīng)有了7個自由度了。

　　再說手指，其實將每個關節(jié)只算做一個自由度（部分手指關節(jié)有兩個自由度），我們?nèi)祟惖氖直燮鋵嵰呀?jīng)遠遠超過了空間上的六個自由度了。那為什么工業(yè)上常見的機械臂只有六個自由度呢？

　　這是因為工業(yè)上實現(xiàn)每一個自由度都需要有基本的運動副結(jié)構(gòu)構(gòu)造和驅(qū)動器件，再加上控制邏輯和算法，每次增加一個自由度往往是增加了幾倍的難度與成本。而我們實際的三維空間有六個自由度就能夠達到三維空間的任何一個點（工作范圍內(nèi)）了。

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

　　機械手工作原理是什么？怎樣控制機械手的運動的

　　機械手主要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。

　　手部是用來抓持工件（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。

　　運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。

　　運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機 械手設計的關 鍵參數(shù)。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。

　　控制系統(tǒng)是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來完成特定動作。同時接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機或dsp等微控制芯片構(gòu)成，通過對其編程實現(xiàn)所要功能。