机械手的自由度数

晓昀

       机械手自由度是机械手设计的主要参数，毎一个构件(即运动件)相对固定座标系所具有的独立运动称为自由度。毎一个构件相对固定座标系最多可有六个自由度即沿X、YZ三个方向独立的往复移动和绕X、Y、Z轴的三个独立的回转运动。两个构件组成相对运动的联接称为运动副，对相对运动加以限制的条件即为约束条件。因为，组成运动副的各构件的运动是受到约束的，不能任意运动，必须按照人们预定的规律运动。分析机械手的手臂、手腕、手指等部件本身和它们之间的关系，不外乎是由一组相互联系着的构件和运动副所组成，这些运动副又可分为只有一个自由度的回转副(图1的a和e)和移动副(图1的b和c)或有三个自由度的球面副(图1的d)。

图1 机械手运动副形式

机械手要象人的手一样完成各种动作比较困难。因入的手指、手掌、手腕、手臂由十九个关节所组成，并具有27个自由度，而实际中的机械手不需要这么多自由度。

下面按机械手所具有的主运动和辅助运动来分析其自由度。手臂和立柱的运动称为主运动，因为它们能改变被抓取工件在空间的位置，手腕和手指的运动称为辅助运动，因为手腕的运动只能改变被抓取工件的方位(即姿势)，而手指的夹放动作不能改变工件的位置和方位，故它不计为自由度数，其它运动均计为自由度数。

图2  机械手的运动示意图

    手指可作开闭(即夹紧和放松)运动；手腕可作回转、上下和左右摆动等运动；手臂可作前后伸缩、升降(或上下摆动即俯仰)和回转运动；立柱横向移动。也有的机械手整机具有行走机构。

上述各种运动可根据机械手的需要来选择，设计机械手时首先要确定被抓取工件所在空间的位置，及将工件搬运到规定的位置时所需要的运动(不包括手指开闭动作)，在大多数情况下是少于六个自由度的，如专用机械手只有2～4个自由度，通用机被手是3～6个自由度。

图3  机械手的自由度数统计表

    图3所示为对115台机械手的自由度的统计图。由图可知，具有四个自由度的机械手为数最多，共中大部分是手臂主运动的自由度，而手腕的自由度仅是为配合手臂完成工件的预定方位要求加以增设的，常用的手腕运动是一个回转运动，只有通用性较强的机被手才设有较多的手腕运动。

    自由度数多少是衡量机械手技术水平的指标之一，自由度数越多，可以完成的动作越复杂，通用性越强，应用范围也越广，但是，相应的技术难度会增加很多，，控制系统和机械结构也越复杂，机械手本身的体积和重量也会增加，成本高，维修困难。自由度数少，通用性差，但是，技术上容易达到，结构简单，使用和维修均方便。因此，应该根据实际生产工艺的要求确定机械手的自由度数，而不能盲目追求、增加不必要的自由度，减少投资和技术复杂性，也就是自由度数够用就行。