六自由度简易机械手臂

附件1：

序号： 编码：

第十三届“挑战杯”黑龙江省大学生课外学术科技作

品竞赛

作品申报书

作品名称： 六自由度简易机械手臂

学校全称： 佳木斯大学

申报者姓名

（集体名称）： 创新之旅团队

类别：

□ 自然科学类学术论文

□ 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 □ 科技发明制作A类 科技发明制作B类

说 明

1．申报者应在认真阅读此说明各项内容后按要求详细填写。 2．申报者在填写申报作品情况时只需根据个人项目或集体项目填写A1或A2表，根据作品类别（自然科学类学术论文、哲学社会科学类社会调查报告和学术论文、科技发明制作）分别填写B1、B2或B3表。所有申报者可根据情况填写C表。

3．表内项目填写时一律用钢笔或打印，字迹要端正、清楚，此申报书可复制。

4．“学校学籍管理部门意见”、序号、编码由校团委填写。 5．学术论文、社会调查报告及所附的有关材料必须是中文（若是外文，请附中文本），请以4号楷体打印在A4纸上，附于申报书后，字数在8000字左右（文章版面尺寸14.5×22cm左右）。

A2申报者情况（集体项目）

说明：

1．必须由申报者本人按要求填写；

2. 申报者代表必须是所有作者中学历最高者，其余作者填写按学历由高到低排列；

B3．申报作品情况（科技发明制作）

说明：1.必须由申报者本人填写;

2.本部分中的科研管理部门签章视为对申报者所填内容的确认;

3.本表必须附有研究报告,并提供图表、曲线、试验数据、原理结构图、外观图（照片），也可附鉴定证书和应用证书；

操作与运动方式，采用更多的关节则可以做到足够多的自由度以实现更 加细腻灵活的运动，在机械手臂动力源的选取上，决定放弃使用电动机， 因为作为示教类小型机械手臂，如果在关节上加入过多的电动机将会因 为机械手臂本身的重量而严重影响灵活性，过多的电动机还将会在控制 上带来很多的难题，从而间接影响机械手臂操作的准确性，同时，基于 节能环保、减少电能损失的考虑，在不影响机械手臂示教功能的前提下， 利用人体天然的双手作为动力源，这样不仅可以实现人体本身的体验性 操作，让操作者本身身临其境，体会机械手臂的操作，而且控制起来十 分方便，便于操作掌控，这样才能使多自由度所带来的应用自由流畅变 得更具实际意义，此外使用人手操作不必浪费过多的资源，节能环保。 在机械手臂的传动方式上， 主要采用齿轮传动和柔性钢线传动两种方式， 齿轮传动应用于对机械臂的控制， 齿轮传动最主要的特点就是传动平稳、 准确，可以在很大的一段范围内实现传动比的变化，基于这些优点我们 选择齿轮作为控制系统的主要传动方式，也就是机械臂的抬起、下降、 前伸、收起。利用机械手臂主体和底座之间的腰部连接能够实现手臂主 体与底座之间相对的自由旋转，这样更加有利于操作者的灵活操作和准 确定位。对于机械手的控制我们采取柔性钢线传动的方式，柔性传

动可 以避免许多在装配设计方面所产生的零件空间重叠问题，机构简单，直 接作用于机械手，中间不需要任何复杂的零件组成，此外它还不会受机 械臂在运动中所产生的影响。机械手方面为了实现多种状态多种功能的 抓取，放弃了最原始的二指机构，在保证机构足够简洁的基础上采取三 指机构，这样在抓取普通块状物体时采取二指抓取的方式，而在抓取一

些不易抓取物体，例如，球体时，采取柔性传动三指并用的方式解决， 这样既实现了功能的最大化，又节约了材料降低了成本。大化又大大的 降低了成本。

创新点：(1) 在机械手的控制方法上采用最直接也是非常简单易行的柔性钢 线传动，充分利用柔性传动的优势，使得对机械手的控制更加易行、到 位。 (2)执行机构采用改进的三指机构，可以实现二指与三指的灵活切 换，在抓取普通比较规则的块状物体时采取二指抓取的方式，而在抓取 一些不易抓取的物体，例如，球体时，则采取柔性传动三指并用的方式 进行抓取移动。

技术关键：柔性钢线传动、三指、二指可切换抓取机构。

主要技术指标：整体尺寸长约 120 厘米、高约 65 厘米、宽 40 厘米左右。 臂长约 80 厘米。 工作半径约 100 厘米。 最大抓取质量约 1.5 千克

图 1 简易机械手臂建模仿真照片

图 2 简易机械手臂工作实物照片

图 3 简易机械手臂静止实物照片

(2)科学性与先进性：

作品的科学性 先进性(必须 说明与现有技 术相比、该作 品是否具有突 出的实质性技

目前现状：目前，随着人们的生产需要，机械手臂的应用已经渗透 到各行各业，但是大多数对于机械臂的研究都是把机构学、控制学、电 脑编程、以及复杂的数学计算结合在一起 ，这样就给机械臂披上了一[1]

层神秘的外衣，使得很多初学者，特别是大学生等知识水平有限的群体 望而却步。

术特点和显著 (2)现有技术： 进步。请提供 技术性分析说 明和参考文献 资料)

现在的机械手臂大多数都是少自由度而且都是采用电机、液压等输

出动力机构与各手指放在一块，而且移动角度受限，这样无形中加重了 手臂的负担， 限制了自由度的个数、 抓取物品的质量和抓取物品的区域， 而且操作起来比较复杂

(3)实质性技术特点和显著进步:1)把操作杆与三个爪通过齿轮传动[2]、柔性钢线连接进行肩、肘、 腕、爪的复合运动，简单手工操作就能够对物品进行准确有力的抓取。 利用齿轮的平稳传动和柔性钢线通过对人们常用的自行车闸线进行改 造、设计，运用增大力矩装置增大闸线的伸缩量，利用双线单闸控制装 置，简单、巧妙地实现一手闸

两线两爪控制，而且整体操作简单、结构 巧妙，便于控制。 2)利用柔性钢线的伸缩传递力进而把动力输入部分与执行部分进 行有效地分离[3],并且实现 360°自由旋转的底盘(腰部) 。这样就大大 的减轻了手臂的本身负载，使得该手臂可以实现多自由度较大圆环区域 空间内精确抓取较重物品的功能。 3)两爪抓取和三抓爪取的互换。针对不同的物品能够灵活的进行 两爪抓取和三抓爪取的互换，扩大了抓取物品的种类和形状。

参考文献[1] 蔡自兴.机器人学[M].北京：清华大学出版社，2000. [2] 孙恒,机械原理[M] 陕西，高等教育出版社，2011 [3] 孙恒,机械设计[M] 陕西，高等教育出版社，2011

作品在何时、 何地、何种机 构举行的评 审、鉴定、评 无 比、展示等活 动中获奖及鉴 定结果 作品所处 阶 段 (A)A 实验室阶段 D B 中试阶段 C 生产阶段

(自填)

技术转让方式 非专利技术转让

作品可展示的 形 式 示

实物、 产品 图片

□模型

图纸

磁盘

现场演

录像

□样品

使用说明：六自由度简易机械手臂使用简单、易于操作。左手操作左操作杆通 过齿轮传动带动肘关节上下摆动，右手操作右操作杆通过另一齿轮组传 动带动肩关节的上下摆动，另外左操作杆上安装一个手动控制闸通过控 制闸线的伸缩量进行腕关节摆动实现三爪和两爪的灵活转换，右操作杆 上安装两个手动控制闸分别控制两水平爪和第三个爪的加紧和松开，底 部利用径向轴承和轴向推力轴承配合使用实现 360°旋转，进而实现两

使用说明及该 作品的技术特 点和优势， 提供 该作品的适应 范围及推广前 景的技术性说 明及市场分析 和经济效益预 测

手操控该装置的腰、肩、肘、腕、爪 协调运动。

技术特点和优势：该机械手臂采用人力为直接动力，操作精确到位，简单易行，在普 通的机械臂的基础上增加一个肘关节，使得自由度增多，从而拥有六个 自由度，同时各自由度之间相互联系且独立，动作时互不干涉。机身采 用大量木制材料，节能环保，便于取材，减轻机身重量。整个机械臂安 装在一个回转支座上，回转角度范围可以达到 360 度。该机构是一个六 自由度的机械手，能完成夹紧、旋转、俯仰、机构简便、效率高，可控 范围大，承重量大，基座运用齿轮传动，效率高，强度高，大臂可做升 降运动，与基座相连的俯仰机构可进行俯仰动作，可以实现大范围内运 动。在机械臂的控制方面，采取大量齿轮传动，传动平稳，精确到位。 机械手的运动充分利用柔性传动的优势，避免了远距离传送动力时零件 之间发生的干涉，此外为了能让机械手在不同状

态下实现相应功能的抓 取工作，考虑到普通机械手臂的二指抓取机构功能过于单一，而四指抓

取机构又过于庞杂不易加工、操作，在此基础上采用了三指抓取机构， 不同于普通三指机构的是，在抓取普通相对规则的块状物体时可以简单 地采取二指抓取的方式，而在抓取一些形状比较复杂的物体时，例如， 球体，则采取柔性传动三指并用的方式进行抓取，这样机构紧凑，使用 合理。

适应范围：该作品结构简单、设计巧妙、运用基本的原理和方法实现六自由度 灵活准确抓取物品，具有一定的示教意义，而且对于初学机械臂的人具 有很大的启蒙教育。当然还可以作为教具也不失为一种很好的创意性演 示平台。

推广前景：针对本团队设计的六自由度简易机械手臂的自身特点，调查分析发 现，本作品可以作为机械学科教学教具与儿童开发益智玩具。

市场分析：在现今教学机械类教学中，灌输给学生的多为概念性知识，学生对 于实际机械类原件或标准件的理解甚少，同时由于各高校教学方式设 置，学生缺少实践环节，更加加深了对机械实质感知力。因此，对于本 团队设计的六自由度简易机械手臂，可以让机械类学生在学习专业基础 知识时结合本作品，加深对机械的理解与认知。同时本作品中设计的机 械类知识有：齿轮的模数、齿数计算与选择，自由度的计算，轴承的使 用，计算机三维建模与仿真，手闸的握力与夹力计算。

本作品还可做成儿童益智类组装玩具，儿童在组装机械手臂时可以 增强儿童的动手能力、开发儿童的智力与创新力，在童年期间加入儿童 对机械知识的认知。 故本作品可以作为机械类教具与儿童智力开发组装玩具。

□提出专利申报 申报号 申报日期 年 月 日

专利申报情况 □已获专利权批准 批准号 批准日期 未提出专利申请 年 月 日

科研管理部门 签 章 年 月 日

C.当前国内外同类课题研究水平概述

说明：1.申报者可根据作品类别和情况填写； 2.填写此栏有助于评审。

图 1 德国 KUKA Roboter 公司-KR 6 R900 sixx 机械臂

产品参数：最大负载能力： 6 kg; 作用半径：约 901 mm; 轴数：6; 重复精确度：<± 0.03 mm; 重量：52kg; 安装位置：地面； 控制系统：KR C4 compact; 防护等级：IP 54。

适用领域：搬运与装卸、包装及拣选、金属压铸机、铸造设备、金属压铸机、铸造设备、涂胶 水和密封材料、成型加工机床、测量、检测或检验、装货盘、金属切削机床等。

(2)瑞士 Staubli 的机械臂史陶比尔将其在机械运动控制方面的经验和优势应用在工业机器人上。先成功开 发并生产了以坚固、可靠和修正尺寸而著称的 TX、RX 系列机器人手臂后，又拥有了高 速、精确、安全的新一代 SCARARS 系列工业机器人。史陶比尔现在的工业机器人与过 去相比，具有更快的速度，更高的精度，更好的灵活性和更友好的用户环境。史陶比尔

采用了创造性的专利技术，集成了无间隙的齿轮减速系统，结合了高性能的控制器，从 而保证了精确的轨迹控制和最佳的过程参数管理。根据各行业的需求而设计出一系列不 同应用范围的专业机器人，可以直接集成到各个生产设备中，其主要应用领域包括： 镭射和水注入切割，抛光打磨，装配搬运，喷涂，精加工等。图 2 为瑞士 Staubli 公司-RX160 六轴工业机械臂。

图 2 瑞士 Staubli 公司-RX160 六轴工业机械臂

产品参数：自由度：6; 额定负载：20kg; 最大负载：30kg; 工作行程：1710mm; 可重复精度：± 0.05 mm; 保护等级: IP65 (*IP67); 安装方式：置地式或置顶式； 史陶比尔 cs8 系列控制器：CS8C。

产品优点与作用:1、封闭式结构，清洁简单，使用方便，适用于洁净或严苛的环境。 2、结构坚固，动态性能更佳。 3、多种安装方式，具备适应性和柔性，适用于工作单元。 4、史陶比尔专利的减速齿轮系统，无可匹敌的精确度，灵活性和速度， 减少了维护。 5、大工作范围，优化工作区域的利用。 由以上资料可知，国外机械臂具有 高速度

、高精度、超大工作范围、高可 靠性和灵活性等优点。

国内研究现状：国内机械臂行业起步晚，但经过不断的努力追赶，也出现了一些小有名气 的机械臂生产公司，如首钢莫托曼机器人有限公司、中国新松机器自动化股份 有限公司等。下面是上述两个公司生产的产品。

(1)首钢莫托曼机器人有限公司机械臂首钢莫托曼机器人有限公司由中国首钢总公司、日本株式会社安川电机和 日本岩谷产业株式会社共同投资组建， 三方出资比例分别为 45%、 43%和 12%, 引 进 日 本 株 式 会 社 安 川 电 机 最 新 UP 系 列 机 器 人 生 产 技 术 生 产 “SG-MOTOMAN”机器人，并设计制造应用于汽车、摩托车、工程机械、化 工等行业的焊接、喷漆、装配、研磨、切割和搬运等领域的机器人、机器人工 作站等。是目前国内最大、最先进的机器人生产基地，年生产能力为 800 台。 图 3 为其生产的 MPL 码垛专用机械臂。