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智能机械手臂造型设计研究

摘要：随着智能机械手臂应用面的不断扩大，研究其造型设计凸显出重要意

义。本文首先介绍了智能机械手臂造型设计特点，分析了智能机械手臂设计中的

主要构成。在探讨造型设计规律分析的基础上，研究了智能机械手的应用前景。

关键词：智能机械手臂;造型设计;研究

前言

作为一种智能化程度较高的生产制作工具，智能机械手臂在近期得到了广泛

的应用和长足的发展。研究智能机械手臂的造型设计，能够更好地完善机械手臂

的外观，从而更好地与其功能相融合。本文从介绍其造型设计的特点着手研究。

1.智能机械手臂造型设计特点

1.1功能原理对造型的影响

智能机械手臂的功能依附于机构工作原理而实现。目前市场上常见的机械手

臂有多轴和三轴等，尤其以六轴机械手臂应用较为广泛。在造型设计时需先确定

机械手臂大致形态与结构比例，再考虑各个关节的连接方式、造型元素、细节形

态及图形化设计等。机械手臂造型可采用全包裹式或半包裹式，双臂式或单臂式，

都以功能需求为造型基础。产品形态是表达产品设计思想与实现产品功能的语言

和媒介。在造型创新的过程中，考虑机械手臂的关节结构及传动规律，在此基础

上进行造型设计才具有实际意义。

1.2造型特点对比分析

（1）同一品牌的产品设计具有家族化色彩偏好及造型曲线偏好，在保证功

能与审美的基础上融入产品族造型基因。产品族设计是企业竞争的有效手段，使

产品能获得统一的家族特征。

（2）轻载机械手臂与重载机械手臂的造型元素选择具有差异性，轻载机械

手臂重视灵活精确，因此多采用线元素来塑造，强调形态的轻松、灵动，采用双

臂设计将关节电机内置;重载机械手臂重视力量感与安全可靠性，造型多采用体

元素与较宽大的面元素来凸显产品厚重感。同时采用较大的基座设计，一方面符

合载重需要，另一方面使视觉重心下移，下降的视觉感官是稳定、可靠的，凸显

了造型的力量感，增加人对机械手臂载重可靠性的心理感受。

2.智能机械手臂设计中的主要构成

2.1执行机构

（1）手部：手部安装在手臂的前端。手臂的内孔中装有传动轴，可把运用

传给手腕，以转动、伸曲手腕、开闭手指。机械手手部的构造系模仿人的手指，

分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又可分为二指、三指、四指

等，其中以二指用的最多。可根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和大小的

夹头以适应操作的需要。

（2）手臂：手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需的位置

上。为了使机械手能够正确地工作，手臂的三个自由度都要精确地定位。

（3）躯干：躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。

2.2驱动机构

（1）液压驱动式：液压驱动式机械手通常由液动机、伺服阀、油泵、油箱

等组成驱动系统，由驱动机械手执行机构进行工作。通常它的具有很大的抓举能

力，其特点是结构紧凑、动作平稳、耐冲击、耐震动、防爆性好，但液压元件要

求有较高的制造精度和密封性能，否则漏油将污染环境。

（2）气压驱动式：其驱动系统通常由气缸、气阀、气罐和空压机组成，其

特点是气源方便、动作迅速、结构简单、造价较低、维修方便。但难以进行速度

控制，气压不可太高，故抓举能力较低。

（3）电气驱动式：电力驱动是机械手使用得最多的一种驱动方式。其特点

是电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传动、处理方便，并可采用多种

灵活的控制方案。

2.3控制系统

控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加

以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作程序的存储方式有分离存

储和集中存储两种。分离存储是将各种控制因素的信息分别存储于两种以上的存

储装置中，如顺序信息存储于插销板、凸轮转鼓、穿孔带内;位置信息存储于时

间继电器、定速回转鼓等;集中存储是将各种控制因素的信息全部存储于一种存

储装置内，如磁带、磁鼓等。这种方式使用于顺序、位置、时间、速度等必须同

时控制的场合，即连续控制的情况下使用。

3.造型设计规律分析

3.1形态仿生曲线运用

机械手臂形态设计要体现力量与美感的双重诉求，需从点、线、面、体等形

态元素中体现。德国KUKA公司推出的重载机械手臂承载力可达1300kg，外形

采用了仿生学设计，曲线较为平滑、舒展流畅、整体感强，充满了向上的张力。

瑞士ABB公司的重载机械手臂，最大承载力500kg，相比之下，