機械手的自由度數

曉昀

       機械手自由度是機械手設計的主要參數，毎一個構件(即運動件)相對固定座標系所具有的獨立運動稱為自由度。毎一個構件相對固定座標系最多可有六個自由度即沿X、YZ三個方向獨立的往復移動和繞X、Y、Z軸的三個獨立的回轉運動。兩個構件組成相對運動的聯接稱為運動副，對相對運動加以限制的條件即為約束條件。因為，組成運動副的各構件的運動是受到約束的，不能任意運動，必須按照人們預定的規律運動。分析機械手的手臂、手腕、手指等部件本身和它們之間的關系，不外乎是由一組相互聯系著的構件和運動副所組成，這些運動副又可分為只有一個自由度的回轉副(圖1的a和e)和移動副(圖1的b和c)或有三個自由度的球面副(圖1的d)。

圖1 機械手運動副形式

機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、手臂由十九個關節所組成，并具有27個自由度，而實際中的機械手不需要這么多自由度。

下面按機械手所具有的主運動和輔助運動來分析其自由度。手臂和立柱的運動稱為主運動，因為它們能改變被抓取工件在空間的位置，手腕和手指的運動稱為輔助運動，因為手腕的運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，故它不計為自由度數，其它運動均計為自由度數。

圖2  機械手的運動示意圖

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

上述各種運動可根據機械手的需要來選擇，設計機械手時首先要確定被抓取工件所在空間的位置，及將工件搬運到規定的位置時所需要的運動(不包括手指開閉動作)，在大多數情況下是少于六個自由度的，如專用機械手只有2～4個自由度，通用機被手是3～6個自由度。

圖3  機械手的自由度數統計表

    圖3所示為對115臺機械手的自由度的統計圖。由圖可知，具有四個自由度的機械手為數最多，共中大部分是手臂主運動的自由度，而手腕的自由度僅是為配合手臂完成工件的預定方位要求加以增設的，常用的手腕運動是一個回轉運動，只有通用性較強的機被手才設有較多的手腕運動。

    自由度數多少是衡量機械手技術水平的指標之一，自由度數越多，可以完成的動作越復雜，通用性越強，應用范圍也越廣，但是，相應的技術難度會增加很多，，控制系統和機械結構也越復雜，機械手本身的體積和重量也會增加，成本高，維修困難。自由度數少，通用性差，但是，技術上容易達到，結構簡單，使用和維修均方便。因此，應該根據實際生產工藝的要求確定機械手的自由度數，而不能盲目追求、增加不必要的自由度，減少投資和技術復雜性，也就是自由度數夠用就行。