郭龙川[1] 陈升[1]
1、杭州电子科技大学 机械工程学院，杭州 310032
摘要：在机器人技术教学中，以机械手的工作原理和结构特点进行分析，让学生参考仿生学的原理确定了自由度的分配。然后根据技术要求选定机械手的操作范围和抓取能力，并以性能参数为依据选择舵机作为驱动方式，结合理论教学的同时，引入特定的机械装备，有助于学生对知识点更好的融会贯通。
关键词： 机械手臂 自由度 机器人技术
1 前言
机器人技术课程是业机械设计制造及其自动化本科专业中培养学生机械设计能力和创新能力的一门专业基础课，为今后从事机器人相关技术工作，为提高机器人系统开发和创新能力打下良好基础。通过该课程学习，学生可以掌握机器人的基本机械结构、控制系统的软件及硬件结构，为从事机器人系统开发提供技术基础；掌握机器人的基本机械结构、能够根据实际应用需要，提出机器人结构合理的设计方案；了解机器人技术产生的技术及文化背景，了解机器人技术发展与工业技术进步之间的相互影响与相互促进关系；了解工业、民用、国防等不断出现的行业需求是机器人技术不断发展的推动力，树立从行业中发现新的需求并开发新的机器人系统的能动性。针对机器人技术这门课理论与工程应用的客观需求，教师在教授课堂知识之余，引入机械自由度的概念，进行教学实践，自由度概念的提出，对于机器人的通俗化理解和教学实践具有指导意义[1-2]。
2、 机械手臂实例介绍
机械手能够被自动化控制及定位，可以重复编辑程序实现操控。水下机械手是一个热门的研究方向，涉及机械、、仿生、电子、计算机、防水密封等多个领域。研究水下机械手的同时也带动了这些领域的进步与发展。机械手能够被自动化控制及定位，可以重复编辑程序实现操控。机械手可以代替人的手臂按给定的程序实现抓取物体及搬运，能够持续工作并能适应多种环境，十分高效。机械手的构成部件基本相同，分为硬件机构、驱动机构和控制系统。硬件机构是机械手的框架部分。驱动机构负责机械手的运动，常用机械手驱动形式有电机驱动、气压驱动和液压驱动。控制系统是控制机械手按给定程序实现自动抓取，通常采用可编程控制器进行控制。而简单的机械手业只使用继电器和控制阀即可执行简单的操作[3-5]。当前机械手的结构根据应用场景的不同主要研制有直角坐标结构、圆柱坐标结构、球坐标结构和铰链式结构，如图1所示。
（1）直角坐标结构。
直角坐标机器人主要用于在长方体的工作空间内组装和搬运，通过3个相互垂直的和空间坐标系一样的直线运动来运动。因为直线运动全闭回路位置容易被控制，所以直角坐标结构可以实现微米级的高位置精度。但是在相同操作空间下，直角坐标结构需要远大于其他结构的机械手的尺寸。
（2）圆柱座标结构。
圆柱坐标机器人臂的空间运动通过1个绕轴线的旋转运动和2个直线运动来实现，其操作范围是一个圆柱体。该机械手结构简单，常常用于搬运作业。
（3）球坐标结构。
球座标结构的机械手主要用于交货作业，通过1个直线运动和2个旋转运动组成球形的操作范围。 该机械手结构简单，成本低，但是精度也较低。
（4）铰链式结构。
铰链式机械手是应用最多的一种，其空间运动通过多个旋转运动实现。该结构运动灵活，结构紧凑，底座面积小，操作半径大，因此广泛应用于焊装、组装等作业[6-8]。
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3 自由度分配策略实例
根据生物动力学的理论，人的手臂关节是天然形成的，兼顾结构简单和功能多样的高效机械结构。因此，模仿人的手臂构造对机械手进行设计，根据手臂的运动对6个自由度进行分配，这样的机械手无疑是最高效，应用范围最广的。本课程的教学内容中，六自由度机械手结构简图如图2所示，6个自由度的分配为：底座的回转关节1，大臂的俯仰关节2，小臂的俯仰关节3，小臂的回转关节4，腕部的俯仰关节5，腕部的回转动关节6。机械手的整体结构模仿手臂的关节设定，但是将腕部的摆动更改为回转，使得手爪能更灵活地获得有利角度。并且其结构特点应是肩部大，手臂小，腕部短，手爪长，这样能使所需要的部位获得较好的弯曲强度和刚度，降低极限位置的附加力矩，便于灵活操纵。
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4 结语
将六自由度机械手臂案例应用于机器人技术教学过程中，对机械手的工作原理和结构特点进行分析，参考仿生学的原理确定了自由度的分配。然后根据技术要求选定机械手的操作范围和抓取能力，并以性能参数为依据选择舵机作为驱动方式，使学生不仅掌握了理论知识，还有助于提升他们的实际设计能力，更进一步可以激发学生的自主创新能力。对于课程建设，这有助于进一步完善教学资源，扩宽了现有的教学方式。
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