在現在，機械臂有很多現成廠家的產品，但是實際需求往往比較復雜，不是簡單買一套來就能用上，因此存在一個設計過程。就好比裝修房子，市場上有很多家具可以買，但是還是要設計好，再購買，才能確保符合需要[1]。實(shi)際運(yun)用(yong)中，機(ji)(ji)械臂的(de)(de)(de)設計工作還涉及(ji)到生(sheng)產動(dong)作的(de)(de)(de)編(bian)程(cheng)，有(you)的(de)(de)(de)還涉及(ji)到機(ji)(ji)械臂的(de)(de)(de)某些關(guan)節、特別是末端(duan)抓取(qu)裝置(zhi)的(de)(de)(de)設計；有(you)的(de)(de)(de)還要采用(yong)相應的(de)(de)(de)傳感器，確保運(yun)動(dong)動(dong)作的(de)(de)(de)精準。這(zhe)樣，設計出來的(de)(de)(de)機(ji)(ji)械臂才能(neng)滿足人(ren)們(men)工作、生(sheng)活的(de)(de)(de)需要，讓人(ren)們(men)的(de)(de)(de)生(sheng)活變得更加的(de)(de)(de)智能(neng)。
機械臂能模仿人們的動作，代替人們完成工作的好幫手。它的運行需要輸入固定的程序，才能使機械臂完成抓取、搬運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境下完成工作，極大限度的保護了人們的生命安全，被人們廣泛應用在各個領域。機械手的研究工作開始于20世紀中期，隨著計算機技術及自動化技術的快速發展，特別是計算機技術的快速發展，為機械臂的研究工作奠定了堅實的基礎。機械臂首先是美國開始研發，1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手鉚接機器人，1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”作為機器人產品最早的實用機型。這些工業機械臂代替了人們繁重的工作，為人們減輕了工作上的壓力，保護了人們的人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門[2]。
機械臂(bei)(bei)(bei)設(she)計包含以下(xia)一些考(kao)慮(lv)要(yao)點：①載重。要(yao)考(kao)慮(lv)機械臂(bei)(bei)(bei)的(de)(de)載重要(yao)求，這樣就可以大(da)致知道用多(duo)大(da)的(de)(de)機械臂(bei)(bei)(bei)；②自由(you)度(du)(du)(du)。考(kao)慮(lv)機械臂(bei)(bei)(bei)動作(zuo)要(yao)求的(de)(de)自由(you)度(du)(du)(du)有多(duo)高，是(shi)(shi)一維(wei)的(de)(de)直線運動，還(huan)是(shi)(shi)多(duo)維(wei)的(de)(de)復雜(za)動作(zuo)；③精(jing)度(du)(du)(du)。要(yao)考(kao)慮(lv)的(de)(de)是(shi)(shi)機械臂(bei)(bei)(bei)的(de)(de)精(jing)度(du)(du)(du)，對操作(zuo)對象的(de)(de)取放的(de)(de)位置精(jing)度(du)(du)(du)、力(li)量控制精(jing)度(du)(du)(du)等；④速(su)度(du)(du)(du)。考(kao)慮(lv)速(su)度(du)(du)(du)，就是(shi)(shi)效(xiao)率。
關節和臂桿等結構、機構部件組成機械臂，它是一個在空間環境中進行工作的動力系統。作為機械臂的核心，就是關節了，關節在機械臂運行中起到非常重要的作用，尤其在關于機械臂的設計工作中，需著重考慮關節在機械臂中的合理設計和應用。設計人員需準確了解關節的動力學特性，從而才能建立起精確的關節動力學模型。關節的動力學特性還作為機械臂設計、模擬分析的重要基礎[3]。
機械臂模型如圖1所示，機械臂的大臂利用虎克鉸與底座相連接；兩個電動推桿利用球鉸與機架相連接，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動副連接來實現的；而兩個電動推桿的兩端與大臂和小臂之間的連接也是通過轉動副連接來實現的。在這種混聯式機械臂的下半部分，采用了并聯的形式相連接，這樣的做法使得該機械臂的機械結構具有良好的剛性，而又不乏運動的靈活性。在該機械臂的上半部分則采用了串聯的形式相連接，使得該機械臂擁有比較大的工作空間[4]。
該機(ji)械(xie)臂(bei)(bei)的(de)(de)機(ji)械(xie)結構可以得到確定(ding)的(de)(de)運動(dong)狀(zhuang)態，是(shi)(shi)因為(wei)(wei)該種(zhong)機(ji)械(xie)臂(bei)(bei)的(de)(de)三個電動(dong)推桿(gan)作(zuo)為(wei)(wei)機(ji)構的(de)(de)原(yuan)動(dong)件(jian)，從而(er)使得原(yuan)動(dong)件(jian)的(de)(de)數目與機(ji)械(xie)結構的(de)(de)自由度相等，從而(er)使得該機(ji)械(xie)臂(bei)(bei)可以得到穩(wen)定(ding)而(er)確定(ding)的(de)(de)運動(dong)。手腕1是(shi)(shi)用來調整(zheng)或改變(bian)工件(jian)的(de)(de)方位的(de)(de)部(bu)件(jian)，還能(neng)用來連接末(mo)端操作(zuo)器和(he)手臂(bei)(bei)，由于(yu)它有三個自由度，因此可以作(zuo)為(wei)(wei)夾(jia)鉗式或吸附式這類型的(de)(de)工作(zuo)。本設(she)計還可以根據工作(zuo)的(de)(de)不同，而(er)配置不同的(de)(de)末(mo)端操作(zuo)器。
圖1 機械臂模型圖
3.1 仿真模型(xing)的(de)建立
機械臂的設計完成，需要對機械臂的工作性能進行仿真測試，主要應用了Pro/E和ADAMS軟件對機械臂的工作性能進行仿真實驗。文章主要對3自由度混聯式機械臂的工作性能進行仿真實驗，一般的仿真實驗往往采用ADAMS軟件對機械臂的工作性能進行運動學仿真實驗，雖然ADAMS軟件為我們提供了建模的功能，但該軟件與專業的建模仿真分析軟件相比，其性能就相對比較弱一點，因此本位采用Pro/E軟件進行實體建模[5]，將建模后(hou)的模型格(ge)式輸入到ADAMS軟(ruan)件(jian)中去，在該軟(ruan)件(jian)的工作環境下進行仿真(zhen)分析(xi)實(shi)驗。
3.2 運動學仿真
進行運動學仿真前，需要在三個移動副上添加上相應的運動函數，在進行運動學仿真實驗，在小臂末端添加marker點，仿真得出機構末端的工作空間為環球體的一部分。可以根據機構末端軌跡點從而繪制出的三維工作空間運動軌跡。該機械臂的機械性能的一項重要指標還需要機械結構末端的運動特性來衡量。而末端的運動特性可通過末端的速度與加速度變化曲線來描述[6]。
機(ji)械(xie)臂(bei)的(de)設計(ji)和動力學(xue)仿(fang)真建(jian)模與(yu)控制(zhi)問題是當前(qian)控制(zhi)界研究(jiu)的(de)熱點之(zhi)一，近年來受到廣泛關注。機(ji)械(xie)臂(bei)的(de)設計(ji)及(ji)其(qi)動力學(xue)研究(jiu)相(xiang)當復雜，因此(ci)從(cong)事機(ji)械(xie)臂(bei)的(de)研究(jiu)需(xu)(xu)要進行大量的(de)實驗與(yu)仿(fang)真模擬(ni)，深入到所涉及(ji)的(de)每個學(xue)科(ke)，根據工作環境、空(kong)間(jian)的(de)不(bu)同(tong)需(xu)(xu)求(qiu)，需(xu)(xu)要設計(ji)不(bu)同(tong)的(de)機(ji)械(xie)臂(bei)滿(man)足人們的(de)需(xu)(xu)要，從(cong)而(er)使得機(ji)械(xie)臂(bei)充分發(fa)揮其(qi)功(gong)效，為經濟的(de)發(fa)展帶來積極作用。