在現(xiàn)在，機(jī)械臂有很多現(xiàn)成廠家的產(chǎn)品，但是實(shí)際需求往往比較復(fù)雜，不是簡單買一套來就能用上，因此存在一個(gè)設(shè)計(jì)過程。就好比裝修房子，市場上有很多家具可以買，但是還是要設(shè)計(jì)好，再購買，才能確保符合需要[1]。實(shí)際運(yùn)用中，機(jī)械臂的設(shè)計(jì)工作還涉及到生產(chǎn)動作的編程，有的還涉及到機(jī)械臂的某些關(guān)節(jié)、特別是末端抓取裝置的設(shè)計(jì)；有的還要采用相應(yīng)的傳感器，確保運(yùn)動動作的精準(zhǔn)。這樣，設(shè)計(jì)出來的機(jī)械臂才能滿足人們工作、生活的需要，讓人們的生活變得更加的智能。
機(jī)械臂能模仿人們的動作，代替人們完成工作的好幫手。它的運(yùn)行需要輸入固定的程序，才能使機(jī)械臂完成抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的動作。代替人們完成繁重、臟累的工作，還能代替人們在有害環(huán)境下完成工作，極大限度的保護(hù)了人們的生命安全，被人們廣泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)械手的研究工作開始于20世紀(jì)中期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及自動化技術(shù)的快速發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，為機(jī)械臂的研究工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。機(jī)械臂首先是美國開始研發(fā)，1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)械手鉚接機(jī)器人，1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”作為機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用機(jī)型。這些工業(yè)機(jī)械臂代替了人們繁重的工作，為人們減輕了工作上的壓力，保護(hù)了人們的人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門[2]。
機(jī)械臂設(shè)計(jì)包含以下一些考慮要點(diǎn)：①載重。要考慮機(jī)械臂的載重要求，這樣就可以大致知道用多大的機(jī)械臂；②自由度。考慮機(jī)械臂動作要求的自由度有多高，是一維的直線運(yùn)動，還是多維的復(fù)雜動作；③精度。要考慮的是機(jī)械臂的精度，對操作對象的取放的位置精度、力量控制精度等；④速度。考慮速度，就是效率。
關(guān)節(jié)和臂桿等結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)部件組成機(jī)械臂，它是一個(gè)在空間環(huán)境中進(jìn)行工作的動力系統(tǒng)。作為機(jī)械臂的核心，就是關(guān)節(jié)了，關(guān)節(jié)在機(jī)械臂運(yùn)行中起到非常重要的作用，尤其在關(guān)于機(jī)械臂的設(shè)計(jì)工作中，需著重考慮關(guān)節(jié)在機(jī)械臂中的合理設(shè)計(jì)和應(yīng)用。設(shè)計(jì)人員需準(zhǔn)確了解關(guān)節(jié)的動力學(xué)特性，從而才能建立起精確的關(guān)節(jié)動力學(xué)模型。關(guān)節(jié)的動力學(xué)特性還作為機(jī)械臂設(shè)計(jì)、模擬分析的重要基礎(chǔ)[3]。
機(jī)械臂模型如圖1所示，機(jī)械臂的大臂利用虎克鉸與底座相連接；兩個(gè)電動推桿利用球鉸與機(jī)架相連接，利用虎克鉸與大臂相連接；大臂與小臂之間的連接是利用轉(zhuǎn)動副連接來實(shí)現(xiàn)的；而兩個(gè)電動推桿的兩端與大臂和小臂之間的連接也是通過轉(zhuǎn)動副連接來實(shí)現(xiàn)的。在這種混聯(lián)式機(jī)械臂的下半部分，采用了并聯(lián)的形式相連接，這樣的做法使得該機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)具有良好的剛性，而又不乏運(yùn)動的靈活性。在該機(jī)械臂的上半部分則采用了串聯(lián)的形式相連接，使得該機(jī)械臂擁有比較大的工作空間[4]。
該機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以得到確定的運(yùn)動狀態(tài)，是因?yàn)樵摲N機(jī)械臂的三個(gè)電動推桿作為機(jī)構(gòu)的原動件，從而使得原動件的數(shù)目與機(jī)械結(jié)構(gòu)的自由度相等，從而使得該機(jī)械臂可以得到穩(wěn)定而確定的運(yùn)動。手腕1是用來調(diào)整或改變工件的方位的部件，還能用來連接末端操作器和手臂，由于它有三個(gè)自由度，因此可以作為夾鉗式或吸附式這類型的工作。本設(shè)計(jì)還可以根據(jù)工作的不同，而配置不同的末端操作器。
圖1 機(jī)械臂模型圖
3.1 仿真模型的建立
機(jī)械臂的設(shè)計(jì)完成，需要對機(jī)械臂的工作性能進(jìn)行仿真測試，主要應(yīng)用了Pro/E和ADAMS軟件對機(jī)械臂的工作性能進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。文章主要對3自由度混聯(lián)式機(jī)械臂的工作性能進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，一般的仿真實(shí)驗(yàn)往往采用ADAMS軟件對機(jī)械臂的工作性能進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，雖然ADAMS軟件為我們提供了建模的功能，但該軟件與專業(yè)的建模仿真分析軟件相比，其性能就相對比較弱一點(diǎn)，因此本位采用Pro/E軟件進(jìn)行實(shí)體建模[5]，將建模后的模型格式輸入到ADAMS軟件中去，在該軟件的工作環(huán)境下進(jìn)行仿真分析實(shí)驗(yàn)。
3.2 運(yùn)動學(xué)仿真
進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真前，需要在三個(gè)移動副上添加上相應(yīng)的運(yùn)動函數(shù)，在進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)，在小臂末端添加marker點(diǎn)，仿真得出機(jī)構(gòu)末端的工作空間為環(huán)球體的一部分。可以根據(jù)機(jī)構(gòu)末端軌跡點(diǎn)從而繪制出的三維工作空間運(yùn)動軌跡。該機(jī)械臂的機(jī)械性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)還需要機(jī)械結(jié)構(gòu)末端的運(yùn)動特性來衡量。而末端的運(yùn)動特性可通過末端的速度與加速度變化曲線來描述[6]。
機(jī)械臂的設(shè)計(jì)和動力學(xué)仿真建模與控制問題是當(dāng)前控制界研究的熱點(diǎn)之一，近年來受到廣泛關(guān)注。機(jī)械臂的設(shè)計(jì)及其動力學(xué)研究相當(dāng)復(fù)雜，因此從事機(jī)械臂的研究需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)與仿真模擬，深入到所涉及的每個(gè)學(xué)科，根據(jù)工作環(huán)境、空間的不同需求，需要設(shè)計(jì)不同的機(jī)械臂滿足人們的需要，從而使得機(jī)械臂充分發(fā)揮其功效，為經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來積極作用。