2. 六自由度搬运机械手的构造设计依据机械手的根本要求能快速、准确地捡起-放下搬运物件，这就要求它们具有高精度、快速反响、确定的承载力气、足够的工作空间和灵敏的自由度及在任一位置都能自动定位等特征设计原则是：充分分析作业对象〔工件〕的作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺、并满足系统功能要求和环境条件；明确工件的外形和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对该机械手构造和运行把握的要求；尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转接和编程把握本课题设计的是一种小型的多关节式六自由度机械手，能够满足相应的动作要求，并对一些小质量工件实现抓取、搬运等一些列动作2.1 六自由度搬运机械手的功能分析该机械手系统共有 6 个自由度，分别为肩的回转与曲摆，大臂的曲摆，小臂的曲摆，手腕的曲摆与回转，以及手抓的回转该系统中基座固定，与基座相连的肩可以进展 360 度的回转；与肩相连接的大臂可以进展-90～+90 度曲摆，与大臂相连接的小臂可以进展-90～+90 度曲摆， 大臂和小臂动作幅度较大，可以满足俯仰要求手腕可以进展 360 度的旋转，手腕也可以完成-90～+90 度的曲摆，末端的手爪局部可以-90～+90 度夹持，手爪局部通过一对齿轮的啮合转动，及其四杆机构完成手爪的开合，可以满足夹持工件的要求。
通过预先编好的程序，下载到单片机内，从而使该六自由度搬运机械手能独立的完成一套指定的搬运动作，并始终重复进展下去！2.2 六自由度搬运机械手的坐标形式和自由度2.2.1 六自由度搬运机械手的坐标形式按机械手手臂的不同运动形式及组合状况，其坐标形式可以分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式1） 直角坐标式机械手直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或传送带协作使用的一种机械手它的手臂可以伸缩，左右和上下移动，依据直角坐标形式x、y、z 三个方向的直线运动，其工作范围可以是 1 个直线运动、2 个直线运动或 3 个直线运动如在 x、y、z 三个直线运动方向上各有 A、B、C 3 个回转运动，即构成了 6 个自由度如图 2-1 所示，直角式坐标机械手具有以下优点：①产量大、节拍短，能满足高速的要求②简洁与生产线上的传送带和加工装配机械相协作③适于装箱类、多工序简洁的工作，定位简洁转变④定位精度高，可以到达±0.5mm 以下，载重变化时不会影响精度⑤易于实行数控，可于开环或闭环数控机械协作使用但是，直角坐标式机械手也有自身的缺点，这种机械手作业范围较小图 2-1 直角式坐标机械手（2） 圆柱坐标式机械手圆柱坐标式机械手是应用最多的一种形式，它适用于搬运和测量工件。
具有直观性好、构造简洁、本体占用空间较小的特点其动作范围可以分为：一个旋转运动、一个直线运动加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动，如上图 2-2 所示：图 2-2 圆柱直角坐标式机械手① 圆柱坐标式机械手的根本动作A. 手臂水平回转B. 手臂伸缩C. 手臂上下D. 手臂回转运动E. 手爪夹紧动作② 圆柱坐标式机械手的特征圆柱坐标式机械手的特征是垂直导柱上装有滑动套筒，手臂装在滑动套筒上， 手臂可以做上下直线运动〔z〕和水平面内做圆弧状的左右摇摆〔Φ〕3） 球坐标式机械手球坐标式机械手是一种自由度较多、用途较广的机械手它是由 x、θ、Φ3 个方面的运动组成，如以以以下图 2-3 所示：图 2-3 球坐标式机械手图中：X—手臂伸缩 θ—上下俯仰 Φ—水平旋转 θ1—手腕摇摆ω—手腕旋转球坐标式机械手的工作范围包括一个旋转运动、两个旋转运动、两个旋转运动加一个直线运动① 球坐标式机械手的根本动作A.手臂上下运动，即俯仰运动B.手臂左右运动，即回转运动C.手臂前后运动，即伸缩运动D.手腕上下弯曲E.手腕左右摇摆 F.手腕旋转运动 G.手爪夹紧运动 H.机械手整体移动② 球坐标机械手的特点球坐标机械手的特点是将手臂装在枢轴上，枢轴又装在叉形架上，能在垂直面内做圆弧上下俯仰运动，它的臂可以伸缩，横向水平摇摆，还可以上下摇摆， 工作范围和人手的动作相像。
它的特点是能自动选择最合理的动作线路，所以工效高另外，由于上下摇摆，它的相对体积小而动作范围大以行程为 203mm 的工作油缸为例，其手臂的上下移动距离就能到达2450mm假设承受圆柱坐标式则其高度就要到达 2450mm球坐标式机械手作业范围可以到达 9m3，较其他形式约大 3～5 倍4） 关节式机械手关节式机械手是一种适合于靠近机体操作的传动形式它像人手一样有关节， 可以实现多个自由度，动作比较灵敏，适合于窄空间工作早在 20 实际 40 年月， 关节式机械手就在原子能工业中得到应用，随后又应用于海洋开发，有确定的发 展前途关节式机械手有大臂和小臂的摇摆，以及肘关节和肩关节的运动，见以以以下图2-4 所示：图 2-4 关节式机械手关节式机械手具有上肢构造，可以实现近似人手操作的机能，表2-1 为关节式机械手与人体上肢动作角度比照：表 2-1：关节式机械手与人体上肢动作角度比照肩旋转上臂曲摆下臂曲摆 下臂旋转 手腕曲摆手臂曲摆手旋转人体上肢±800±9000～-1300 -450～+650 -600～+900-600～+900—关节式机械手±1800±900±900 ±1800 ±800—±1800为具有人手操作的机能，需要研制最适宜的构造。
关节式机械手的传动机构承受齿轮式、齿条式和摇摆式其传动机构承受哪一种形式，主要依据工件的轻重来打算特别是靠近关节式前端的关节部位的重量对肩部影响很大传动机构在承受负荷的同时必需承受自重，因此要合理进展其构造设计通常把传送机构的运动称为传送机构的自由度人从手指到肩部共有 27 个自由度而如将机械手的手臂也制成这样多的自由度，既有困难又不必要从力学的角度分析，物件在空间只有 6 个自由度因此为抓取和传送在空间不同位置和方位的物件，传送机构应具有6 个自由度，三个沿x、y、z 坐标轴的移动和三个沿 x、y、z 轴的转动2.2.2 六自由度搬运机械手的自由度自由度是指机械手各运动部件在三维空间坐标轴上说具有的独立运动数它的构成和工作范围概括如下：（1） 一个自由度A.一个直线运动，构成直线B.一个旋转运动，构成曲线2） 两个自由度A. 两个直线运动，构成平面B. 一个直线运动加一个在直线运动所在平面的旋转运动，构成平面C. 一个直线运动加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动，构成圆柱曲面3） 三个自由度A. 三个直线运动，构成立方体B. 两个直线运动和一个旋转运动，构成圆柱体C.一个直线运动和两个旋转运动构成球体。
D.三个旋转运动，构成球体有上述可见，要到达空间任意一点，原则上需要 3 个运动轴，而把一件工具送到相应工件确实定位置时又需要 3 个运动轴因此，一台通用机械手能够到达空间任意点，并将工具送到相对于工件的任意位置，最低限度需要 6 个运动轴， 其中位置自由度为 3 个，姿势自由度为 3 个综合考虑，本课题设计承受多自由度关节式形式相应的机械手具有 6 个自由度，包括：1.肩的旋转 2.大臂的曲摆 3.小臂的曲摆 4.手腕的曲摆 5.手腕的旋转 6.手部的夹持其整体构造简图，如以以以下图 2-5 所示：图 2-5 关节式机械手构造简图2.3 六自由度搬运机械手的手臂构造设计2.3.1 六自由度搬运机械手的手臂作用手臂一般有三个运动，包括伸缩、旋转和升降，实现旋转、升降运动主要由横臂和立柱完成手臂的根本作用是将手爪移动到所需位置和承受手爪抓取工件的最大重量，以及手臂自身的重量2.3.2 六自由度搬运机械手的手臂组成（1） 运动元件，如：油缸、气缸、齿条、凸轮等是驱动手臂的主要运动部件2） 导向装置，是保证手臂运动的正确方向及承受由于工件的重量说产生的弯矩和扭矩的力矩3） 手臂，起着承接外力和连接的作用，手臂上的零部件，如：油缸、导向杆、把握件都安装在手臂上。
2.3.3 六自由度搬运机械手的手臂设计要求（1） 该系统中手臂应承受力气较大，刚性好，自重轻手臂的刚性直接影响到手臂抓取工件的平稳性，运动的速度和定位精度假设刚性差，则会引起手臂在垂直平面内弯曲变形或水平面内的扭转变形，手臂就会产生振动，或工作时工件卡死无法工作因此，手臂一般都承受硬度高的材质来加大手臂的刚度，各支撑、连接件的刚性也有确定的要求，以保证能承受所需的驱动力2） 手臂的运动速度要适当，惯性要小机械手的运动速度一般是依据产品的生产节拍要打算的，但是不要盲目追求高速手臂由静止状态到达正常运动速度称为启动，由常速到停顿不动为制动， 其速度变化过程为速度特征曲线手臂要满足自重轻，自身的惯性矩小，其启动和停顿的平稳性就好3） 手臂动作要灵敏手臂的构造要紧凑小巧，才能使手臂运动轻快、灵敏此外，对于悬臂式的机械手，还要考虑零件在手臂的布置，就是要计算手臂移动零件时的重量对回转、升降和支撑中心的偏重力矩偏重力矩对对手臂的运动不利，偏重力矩过大，会引起手臂的震惊，在升降时还会发生一种沉头现象，会影响运动的灵敏性，严峻时手臂与立柱会卡死所以在设计中要尽量使手臂重心通过回转中心，或者离回转中心尽量接近，以减小偏重力矩。
对于双臂同时操作的机械，则应使两臂的分布尽量对称于中心，以达平衡4） 通用性强，能够适应多种作业；工艺性好，便于修理调整以上的种种要求，有时往往相互冲突，刚性好、载重大，构造往往粗大，增加手臂自重；转动惯量增加，冲击力就大，位置精度就越低因此，设计手臂时， 需要依据机械手抓取速度、自身重量、抓取重量、自由度、工作范围及机械手的整体布局和工作条件等各种因素考虑，以到达动作精准、牢靠、灵敏、构造紧凑、刚度大、自重小，从而保证确定的位置精度和适应快速动作此外，对于热加工的机械手，还要考虑热辐射、手臂要较长，远离热源，并须装冷却装置综合考虑，确定其大臂和小臂三维模型如以以以下图 2-6 所示：图 2-6 机械手大臂〔左〕，小臂〔右〕三维模型图〔附舵机〕2.4 六自由度搬运机械手的手腕部构造设计2.4.1 六自由度搬运机械手的腕部作用工业机械手的手腕部件设置于手部和手臂之间，它的作用主要是在臂部运动的根底上进一步转变或调整手部在空间的方位，以扩大机械手的动作范围，并使机械手变得更灵敏，适应性更强工业机械手是否设置腕部，需要依据具体状况而定对于那些动作较简洁的专用机械手，为简化构造，可以不设置腕部，而直接由臂部的运动驱使手部实现搬运工件或操作工具。
但有时单靠臂部运动往往行动不便，或者显得很不经济， 这就有必要设置腕部尤其在运动空间受把握。