机械臂结构设计包括机械结构设计和驱动结构设计两大部分，这些都是制造一个合理的机械臂必不可缺的，设计结构好坏对机械臂功能和寿命起到非常关键作用。

一、机械臂的机械结构设计

工业机器人的结构系统设计是机器人整体设计中一个重点且难点，设计结果好坏会直接对机械臂功能和性能产生重要影响。工业机器人的机械臂进行仿人作业，是可以实现自动控制、重复编程等功能的机电一体化的装备。它能够有效提高生产质量、生产速率与加速商品推陈出新速率。工业机器人不只是单纯的取代人力去进行工作，它还结合了人的特点和机械的特点。所以机器人既像人一样有超强的反应和适应性，又有机械的工作时间长、完成任务精细和能适应各种环境的特点，是当今高端制造行业必不可少的设备。机器人在完成某项任务的时候，是通过其合理的机械结构运动来达到速度、精度和可靠性的要求。

六自由度机械臂是由：基座、机身、大臂、小臂、手腕和末端操作器（手抓）六部分组

成的，见 3-1 所示。每一个部分都有其特定的功能。现在分别讲解每个组成作用和功能。

1  机身结构

机身在机械臂中起着重要的支撑作用，它和基座连成一个整体。其上面是和机械臂的大臂部分连接，起到支撑的作用。一般的功能是达到升降、回转和俯仰的目的，它由 1 到 3 个自由度组成。机器人的大体设计决定了机身构造，如球面机器人的机械臂就可以做到里外伸缩、在平面上旋转两种不同的运动方式；圆柱坐标型机器人可以在一个圆柱的区间内运动，有升降和旋转两种运动方式；直角机器人只有升降或移动两种中一种移动方式；关节机器人只有回转这种单一运动方法。本系统机身的设计类型为关节坐标型，回转自由度的活动范围是 0°~180°。

在机械臂的机械结构中，机身的运动方式分为升降、俯仰和回转三种方式，每种方式的作用不同，每种作用的实现方法也不相同。本机械臂设计的机身回转和俯仰运动均是用辉盛MG945 的舵机进行驱动，它的驱动力矩是由部件的摩擦总力矩和机身上面的所有物体的总惯性力矩Mg组成的，其公式为，其中M为总摩擦力矩(N·m)； 为总惯性力矩(N·m)。

公式中是角速度增量(rad/s)；是变速的时间(s)；是机械臂上面全部回转物体产生的惯量，单位是(Kg·m²)。

六自由度机械臂就是人们制造出来为了实现某些指定的任务，例如装配、焊接和喷漆等，机身对一个机械臂能否安全、稳定的工作起着非常关键的作用。因此，在我们对机械臂的机身进行设计制作的时候，我们首先要考虑机身的材质，必须选择强度和硬度都高的，齐次是要减少机械臂的颤动现象，最后要合理的布线，方便检查与维修。只有这样才能够保证机械臂工作的准确性与稳定性。

2  臂部结构

工业机械臂的臂部通常可以分为大臂和小臂两部分，是完成任务的关键，它的功能是用于支撑在其上方的手关节和腕关节，并且能够根据自身移动的来改变机械臂手抓的位姿。一般机械臂的臂部都很重，所承受的力的结构也非常复杂，在运动过程中，臂部必须承担很大的重量，特别是在其运动速度较快的时候，这就需要鼻部的材料和结构要非常的合理，才能够承受非常大的转动惯性，满足生产工业的需求。为了让机械臂能够更高效、高质量的运作，这就要求我们不断改进其使用材料。在应用机械臂工作的同时，我们还要特别注意机械臂运动的准确性，所以，我们在设计机械臂臂部的时候，也要特别注意机械臂的稳定性和其精确程度。

机械臂能够稳定与准确的运动，是衡量一个机械臂好坏所必须的判断依据，可以对这两个依据造成改变的的原因有：材料强度、系统稳定性和定位准确性等。这些原因我们在设计制作机械臂的过程当中都可以尽量去避免。所以，我们在对一个机械臂的臂部系统进行设计的时候，要尽量选取可承受力大的材料，同时还要减轻机械臂自身的重量，同时，尽最大的努力使臂部的机械结构严密合理，最好还能够增加一些类似弹簧等可以减少冲击力的设备，确保机械臂工作的安全与可靠。

3  腕部结构

机械臂的腕部就是通常被用来指连接末端操作器与臂部，能够有效地拖住手部，方便机械臂的末端操作器更灵活的工作。为了使机械臂的末端操作器可以更加灵活自主的运动，完成更多的操作，腕部必须要做到可以围绕着空间 x, y,z的 3 个坐标轴方向分别进行传动，通常由 2 到 3 个自由度所组成，有回转、俯仰和偏转。本实验设计采用的是 2 个自由度，分别作旋转与回转运动。这两个关节都使用的是辉盛 MG945 舵机来充当动力装备，每个关节舵机的运动区间都在 0°~180°之间。

4  手部结构

本设计当中采用的末端操作器见图 3-2，这是实验当中所使用的手抓。在当今工业生产装配过程中所使用的手抓大部分都是安装在工业机器人的手腕上面，来完成抓取目标物或完成其他任务。工业机器人的末端操作器通常又被称做手部，它可以完场不同的任务，就好像人一样拥有多个移动自如的手抓、一个球形的万能手和专业的特殊工具等。正是因为机械臂的结构简单，工作灵活，所以被广大生产厂家所广泛应用。

工业机械臂的手抓通常具有如下一些特点：

1.  相连接的地方比较容易拆卸；

2.  通用性能普遍不高；

3.  手部是非常灵活的部分；

二、驱动系统设计

驱动机构也是在机械臂结构设计当中的重要组成部分，它的功能就是指能够有效地把系统当中每个关节所需要的运动方式传送到机器人相对应的位置。机械臂每个关节运动都可以由不一样驱动过程来完成，通常使用的驱动方法大体分为液压、气压和电气三大类。工业机器人最早普遍使用液压驱动和气压驱动方式，20 世纪 90 年代后，随着机器人系统的要求不断升高和其发展越来越快，电气驱动方法逐渐取代了液压和气压，在机器人的驱动方式当中被应用的越来越广泛了。

1  液压驱动

液压驱动的优点是推动力大、体积较小、调速比较方便等，但是它的成本较高、可靠性能差、维修保压比较麻烦，通常主要被应用在功率比较大的生产设备里面。

2  气压驱动

气压驱动的优点是成本较低、动作可靠、不发热、无污染、对外界环境要求不高。但存在速度不易控制、推力较小、不能实现精确的中间位置调节，普遍适用于两个极限位置之间。

3  电气驱动

电气驱动的优点是成本低廉、易于控制，具有良好的效率特性，调节角度精确，可适应各种环境，修理容易，工作的时候产生的噪音小等，普遍的应用在现代机器人生产当中。电气驱动可分为直流伺服电动机驱动、交流伺服电动机驱动和步进电机驱动三大类。步进电机通常是将电脉冲信号转换成为角位移的开环控制步进电机，这种控制与其它两种相比比较简单方便，但是电机的功率不能太大，普遍应用于低精度、小功率的机器人系统上面；直流伺服电机结构简单、响应快、转动平滑，但是对环境的要求比较高，因此通常被用于普通的工业和民用场合；交流伺服电机的功率范围大、工作状态稳定，因此被普遍用于低速平稳运动当中。根据上面对三种不同电机的描述，所以选用交流伺服电机已经成为当代工业机器人驱动方式的首要选择。

三、 舵机的工作原理

按照控制方法划分，舵机就是是微型伺服马达。以前是大部分是使用在模型上面，主要用来控制模型的舵面，所以俗称舵机。舵机接受到简单的命令就能够自主的旋转到相当精准的位置，所以特别适合应用在关节型的机器人上面。仿人型机器人就是舵机运用的最好证明。

本机械臂设计使用辉盛系列 MG945 舵机来进行动力驱动。MG945 舵机内部的齿轮全部是由金属构成的它具有很大的扭矩，如图 3-3 所示，舵机的主要参数如表 3-1 所示。在系统中，舵机的驱动装置我们采用了 6 个相同的辉盛 MG945 舵机，舵机的安放位置以及所起作用，如图 3-4 所示。

舵机有电源线(VCC)、地线(GND)与脉冲信号线 3 条线。本设计应用的为 5V 开关电源来为其提供能源，FPGA 发出六路 PWM 脉冲信号来充当舵机的控制信号，同时舵机根据 PWM脉冲信号占空比的改变，来转动相应的角度，实现对舵机位姿调整变换。本设计所使用的舵机具有结构简单、工作稳定、相应速度快和成本较低、控制电路集成于内部等优点，所以在遥控车模型、小型起重机模型等领域得到了一致的认可。

舵机的内部构造其实很简单，主要就是由直流电机、电机控制器、金属齿轮和一个比例电位器组成，并且将这些封装在一个方便安装外壳里面，它里面结构就如图 3-5。辉盛 MG945舵机的工作原理也非常的简单方便，外 FPGA 发出的控制信号，舵机接收到这个指令之后，其内部的电路对收到的脉冲信号进行分析与处理，然后把得到的电压信号和内部比例电位器的电压信号重复的来比较，把比较产生的电压差传输给控制电机转动的直流驱动电路，来控制电机正向转动或者反向转动。舵机通过内部的比例电位器的不断调节，当其内部的电压差为零的时候，电机就会停止转动，此时舵机应该刚好转动到系统需要的位置。

给舵机一个 PWM 脉冲信号，舵机可以通过这个信号转动相应的度数到达预定的位置，

如图 3-6 所示。FPGA 每输出一组 PWM 脉冲信号，舵机就会转到与信号相对应的位置，只要舵机接收到来自 FPGA 控制器的 PWM 脉冲信号，舵机就会非常迅速的转动系统规定的角度，当舵机转动结束之后，舵机会自动的维持现在的角度不再进行转动。这时只有再次给舵机施加一个控制信号，它才会从新开始转动，于此同时位置也会立刻做出与之相对应的改变。舵机转动过程中所消耗的能量和舵机转动的角度位置之间是成正比的。当系统需要舵机旋转一个很大角度时，电机就能够高速旋转；当系统需要舵机只转动一个很小的角度时，那么电机就会以较低的速度进行转动。舵机旋转多少度是由 FPGA 控制器所决定的，FPGA 所发出的信号必须严格遵照着舵机的控制要求来写，即 20ms 为一个周期的方波脉冲信号，高电平是在 0.5ms~2.5ms 之间变化，也就是占空比在 2.5%~12.5%变化。

四、总结

文章主要阐述说明了机械臂结构设计当中存在的一些问题。机械臂结构设计大体有机械结构设计和驱动方式设计两大部分。机械结构划分为机身、大臂、小臂、手腕和末端操作器机械臂的结构设计 （手抓）等五部分，又分别阐述了每个部分的结构、作用以及设计过程中的需要注意的要点。然后介绍了机械臂常用的三种常用驱动方式，最后详细地介绍了舵机的工作原理。