在現(xiàn)在，機械臂有很多現(xiàn)成廠家的產(chǎn)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]。實際運用中，機械臂的設計工作還涉及到生產(chǎn)動作的編程，有的還涉及到機械臂的某些關節(jié)、特別是末端抓取裝置的設計；有的還要采用相應的傳感器，確保運動動作的精準。這樣，設計出來的機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(huán)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(fā)展，特別是計算機技術的快速發(fā)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(fā)，1958年美國聯(lián)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(chǎn)品最早的實用機型。這些工業(yè)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]。
機械臂設計包含以下一些考慮要點：①載重。要考慮機械臂的載重要求，這樣就可以大致知道用多大的機械臂；②自由度?？紤]機械臂動作要求的自由度有多高，是一維的直線運動，還是多維的復雜動作；③精度。要考慮的是機械臂的精度，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。
關節(jié)和臂桿等結構、機構部件組成機械臂，它是一個在空間環(huán)境中進行工作的動力系統(tǒng)。作為機械臂的核心，就是關節(jié)了，關節(jié)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(jié)在機械臂中的合理設計和應用。設計人員需準確了解關節(jié)的動力學特性，從而才能建立起精確的關節(jié)動力學模型。關節(jié)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(xiàn)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(xiàn)的。在這種混聯(lián)式機械臂的下半部分，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(lián)的形式相連接，使得該機械臂擁有比較大的工作空間[4]。
該機械臂的機械結構可以得到確定的運動狀態(tài)，是因為該種機械臂的三個電動推桿作為機構的原動件，從而使得原動件的數(shù)目與機械結構的自由度相等，從而使得該機械臂可以得到穩(wěn)定而確定的運動。手腕1是用來調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，由于它有三個自由度，因此可以作為夾鉗式或吸附式這類型的工作。本設計還可以根據(jù)工作的不同，而配置不同的末端操作器。
圖1 機械臂模型圖
3.1 仿真模型的建立
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(lián)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(yè)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)境下進行仿真分析實驗。
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(shù)，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(huán)球體的一部分。可以根據(jù)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]。
機械臂的設計和動力學仿真建模與控制問題是當前控制界研究的熱點之一，近年來受到廣泛關注。機械臂的設計及其動力學研究相當復雜，因此從事機械臂的研究需要進行大量的實驗與仿真模擬，深入到所涉及的每個學科，根據(jù)工作環(huán)境、空間的不同需求，需要設計不同的機械臂滿足人們的需要，從而使得機械臂充分發(fā)揮其功效，為經(jīng)濟的發(fā)展帶來積極作用。