凸輪機(jī)械手的設(shè)計（PLC和液壓）【基于PLC控制的三自由度機(jī)械手設(shè)計】【凸輪軸加工自動線機(jī)械手】【直角,基于PLC控制的三自由度機(jī)械手設(shè)計,凸輪軸加工自動線機(jī)械手,凸輪機(jī)械手的設(shè)計（PLC和液壓）【基于PLC控制的三自由度機(jī)械手設(shè)計】【凸輪軸加工自動線機(jī)械手】【直角,凸輪,機(jī)械手,設(shè)計,plc,以及,液壓 常州工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 系：機(jī)電工程系 專業(yè)：數(shù)控技術(shù) 班級：2005級 學(xué)生姓名 周星 指導(dǎo)教師 戴芳 職稱 講師 課題名稱 機(jī)械手設(shè)計 課 題 工 作 內(nèi) 容 主要是對凸輪機(jī)械手的簡單原理和結(jié)構(gòu)的設(shè)計 指 標(biāo) ︵ 目 標(biāo) ︶ 要 求 對凸輪機(jī)械手進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，擬訂工藝路線，計算各工序內(nèi)容，繪制出圖紙（不少于兩張A0紙），完成設(shè)計說明書。 進(jìn) 程 安 排 2月28日到3月7日了解設(shè)計目的，對所加工的零件進(jìn)行工藝分析 3月8日到3月12日擬定工藝路線及確定工序內(nèi)容 3月13日到4月9日完成說明書和圖紙 4月10日給老師檢查，修改 4月25日把所有的設(shè)計交給老師 4月29日答辯 主 要 參 與 文 獻(xiàn) 1.《機(jī)械設(shè)計手冊》第三版第1～4卷 化學(xué)工業(yè)出版社 2.《機(jī)械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊》第2卷 機(jī)械工業(yè)出版社 3.《畫法幾何及機(jī)械制圖》第四版 高等教育出版社 4.《液氣壓傳動》 機(jī)械工業(yè)出版社 5.《可編程控制器應(yīng)用技術(shù)》 高等教育出版社 地 點(diǎn) 無錫技師學(xué)院 起止 日期 2007年2月28日至2007年4月25日 系主任： 指導(dǎo)教師： 年 月 日 年 月 日 常州工學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 題 目 凸 輪 機(jī) 械 手 的 設(shè) 計 副標(biāo)題 性 質(zhì)： 畢業(yè)設(shè)計 畢業(yè)論文 學(xué)生姓名 周 星 年 級 2005級 教 學(xué) 點(diǎn) 無錫技師學(xué)院 專 業(yè) 數(shù)控技術(shù) 指導(dǎo)教師 戴 芳 評定成績 優(yōu) 良 中 及格 不及格 凸輪機(jī)械手的設(shè)計 摘 要 隨著社會的進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)已經(jīng)越來越重要了，而且數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心，是人類進(jìn)步的一個很重要的階梯。機(jī)械手是模仿人手的動作，生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高自動化水平和勞動生產(chǎn)率，可以減輕勞動強(qiáng)度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，尤其在惡劣的勞動條件下，它代替人作業(yè)的意義更加重大。因此，在機(jī)械加工中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 機(jī)械手是利用PLC控制整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動的自動化控制，且能用于教學(xué)演示。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手，加工工藝，液壓系統(tǒng) 目 錄 第一章 前 言 5 1.1 機(jī)械手的用途說明 5 1.2 機(jī)械手的目的、意義 5 1.3 設(shè)計的指導(dǎo)思想，應(yīng)達(dá)到的技術(shù)性能要求 5 第二章 設(shè)計方案論證 7 2.1 機(jī)械手設(shè)計的原始數(shù)據(jù) 7 2.1.1 組成結(jié)構(gòu) 7 2.1.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 7 2.1.3 驅(qū)動機(jī)構(gòu) 7 2.1.4 控制系統(tǒng) 7 2.1.5 位置檢測裝置 8 2.2 機(jī)械手的運(yùn)動方案論證 8 2.2.1 機(jī)械手的運(yùn)動形式（坐標(biāo)形式）確定 8 第三章 機(jī)械手各組成部件設(shè)計計算 10 3.1 抓取機(jī)械設(shè)計 10 3.1.1 抓取機(jī)械機(jī)構(gòu)的基本要求 10 3.1.2 手爪夾緊力的計算 12 3.1.3 手爪的驅(qū)動裝置的選擇與驅(qū)動力計算 13 3.2 手腕機(jī)構(gòu) 13 3.2.1 手腕的作用和動作 13 3.3 手臂設(shè)計 14 3.3.1 機(jī)械手手臂應(yīng)滿足的基本要求： 14 3.3.2 為滿足基本要求而采取的機(jī)構(gòu)、工藝性措施 14 3.3.3 手臂伸縮運(yùn)動的結(jié)構(gòu)設(shè)計 15 3.3.4 手臂升降運(yùn)動的結(jié)構(gòu)設(shè)計 17 3.3.5 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動的結(jié)構(gòu)設(shè)計 19 3.4 緩沖裝置設(shè)計 20 3.4.1 緩沖方式的確定 20 3.5 定位機(jī)構(gòu)設(shè)計 21 3.5.1 定位方式的選擇確定 21 3.6 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)選擇 22 3.6.1 驅(qū)動方式的選擇 22 3.6.2 下面是液動與氣動方式特點(diǎn)的比較 22 第四章 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計 23 4.1 機(jī)械手的控制方式的選擇 23 4.2 本控制方式的特點(diǎn) 23 設(shè)計總結(jié) 24 第一章 前 言 1.1 機(jī)械手的用途說明 機(jī)械手是模仿人手工作的機(jī)械設(shè)備。實(shí)驗用機(jī)械手的設(shè)計，是指機(jī)械手臂在一定范圍內(nèi)的擺動，手臂的垂直方向的上下移動及手爪的伸縮運(yùn)動組成。由啟動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各運(yùn)動的驅(qū)動。它的主要作用是將工件按預(yù)定的程序自動地搬運(yùn)到需要的位置，或者保持工具進(jìn)行工作。機(jī)械手是利用PLC控制整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動的自動化控制，且能用于教學(xué)演示。 1.2 機(jī)械手的目的、意義 機(jī)械手是模仿人手的動作，生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高自動化水平和勞動生產(chǎn)率，可以減輕勞動強(qiáng)度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，尤其在惡劣的勞動條件下，它代替人作業(yè)的意義更加重大。因此，在機(jī)械加工中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 目的是，我們對機(jī)械手的設(shè)計步驟有一定的平衡了解；也能基本掌握機(jī)械設(shè)計的方法；綜合運(yùn)用學(xué)過的理論知識；全面復(fù)習(xí)繪圖技巧，并較好的運(yùn)用于畢業(yè)設(shè)計繪圖上。通過這次設(shè)計，使我了解到，自動控制的對象主要是單機(jī)或某個生產(chǎn)過程，智能控制則包括控制對象及整個工作環(huán)境或整個生產(chǎn)過程；自動控制的目標(biāo)是使在系統(tǒng)控制的某個狀態(tài)下，盡量消除環(huán)境對系統(tǒng)的影響，智能控制關(guān)心的使最終狀態(tài)或現(xiàn)行狀態(tài)是否合乎要求。因此，要充分考慮環(huán)境的影響；自動控制的學(xué)習(xí)來源重要是對象的狀態(tài)的反饋，所以智能控制需要一個龐大的數(shù)據(jù)庫；自動控制理論著重描述對象的數(shù)學(xué)模型，然后，通過各種控制算法進(jìn)行控制，以達(dá)到目的，智能控制著重直接控制經(jīng)驗。 1.3 設(shè)計的指導(dǎo)思想，應(yīng)達(dá)到的技術(shù)性能要求 結(jié)構(gòu)簡單：設(shè)計為三自由度的機(jī)械手臂，運(yùn)動形式簡單，可以把手臂設(shè)計成為沿導(dǎo)向裝置運(yùn)動，直接選用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的液壓缸和內(nèi)脹式機(jī)械手爪，無須另行設(shè)計。 外觀不要有手臂堵塞外形：設(shè)計盡量要求安裝方便，各非標(biāo)準(zhǔn)件加工方便。因此，不必設(shè)計成套形式，管道也不必安排在手臂內(nèi)部，可以采用軟管直接連接。 本次設(shè)計的手臂不要光用于工業(yè)生產(chǎn)，因此，對各部件的加工精度及安裝要求不高，可以在通用機(jī)床上加工完成。 第二章 設(shè)計方案論證 2.1 機(jī)械手設(shè)計的原始數(shù)據(jù) 2.1.1 組成結(jié)構(gòu) 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)以及位置檢測等裝置組成。各系統(tǒng)的關(guān)系如圖： 控制系統(tǒng) → 驅(qū)動系統(tǒng) → 執(zhí)行系統(tǒng) → 抓取工件 ‖ —— 位置檢測 —— ‖ 2.1.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括手臂、手腕、手部和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。 手部：即與物體接觸的部件，由物體接觸的形式又可分為夾持式和吸附式手部。 手腕：是連接手腕和手臂的比肩，起改變工件的空間位置的作用。 手臂：支撐手腕和手臂的部件以改變工件的空間位置。 立柱：支撐手臂的部件，手臂的各部分運(yùn)動均與立柱有密切的關(guān)系。 行走機(jī)構(gòu)：為完成遠(yuǎn)距離的操作和擴(kuò)大使用范圍，可增設(shè)滾輪行走機(jī)構(gòu)。 機(jī)座：它是機(jī)械手的基礎(chǔ)部件，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部分和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝在機(jī)座上，起支撐和聯(lián)結(jié)作用。 2.1.3 驅(qū)動機(jī)構(gòu) 機(jī)械手臂的驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的出動裝置，常用的有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機(jī)械傳動。 2.1.4 控制系統(tǒng) 有電力控制和射流控制兩種，一般常見的為電力控制，這是機(jī)械手的重要組成部分，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息，同時按其控制系統(tǒng)的信息，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時，對機(jī)械手的動作進(jìn)行控制，當(dāng)動作有錯誤時，發(fā)出警報信號。 2.1.5 位置檢測裝置 控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)械的運(yùn)動位置并隨時將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置比較，然后控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)一定的精度達(dá)到預(yù)定位置。 2.2 機(jī)械手的運(yùn)動方案論證 2.2.1 機(jī)械手的運(yùn)動形式（坐標(biāo)形式）確定 按機(jī)械手的運(yùn)動坐標(biāo)型可分：直角坐標(biāo)系式機(jī)械手、圓柱坐標(biāo)系式機(jī)械手、極坐標(biāo)式機(jī)械手、關(guān)節(jié)式機(jī)械手。 直角坐標(biāo)式機(jī)械手：臂部可以沿直角坐標(biāo)軸X、Y、Z三個方向移動，亦臂部可以前后伸縮，左右移動，上下升降。采用此種坐標(biāo)形工作范圍小，占地空間大，定位精度好，應(yīng)用較多，適用于空間布置或與自動線配合。 極坐標(biāo)式機(jī)械手：手臂可以沿直角坐標(biāo)軸的X方向運(yùn)動，還可以繞Y軸和Z軸轉(zhuǎn)動，亦手臂可前后伸縮，上下擺動，左右移動。采用此種坐標(biāo)形式工作范圍大，占地空間小，定位精度差，應(yīng)用少。 關(guān)節(jié)式機(jī)械手：這種機(jī)械手的臂部可分為大臂和小臂，其中大臂和小臂的連接以及大臂和機(jī)體的連接均為關(guān)節(jié)式連接，亦小臂對大臂可繞肘部上下擺動一定角度，大臂可繞肩部擺動一定角度，手臂可以左右轉(zhuǎn)動一定角度。采用此種坐標(biāo)形式工作范圍大，占地空間小，定位精度差，應(yīng)用較小。 圓柱坐標(biāo)戲式機(jī)械手：這種機(jī)械手的運(yùn)動由兩個直線運(yùn)動和一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動組合而成，手臂沿X、Z方向的移動，還有手臂的水平回轉(zhuǎn)。此種機(jī)械手工作范圍教大，靈活程度教高，占地面積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，定位進(jìn)度高，應(yīng)用比較廣泛，多為通用型。 因此本次設(shè)計我選用直角坐標(biāo)系機(jī)械手。 機(jī)械手方案簡圖如下： 運(yùn)動符號： 第三章 機(jī)械手各組成部件設(shè)計計算 3.1 抓取機(jī)械設(shè)計 3.1.1 抓取機(jī)械機(jī)構(gòu)的基本要求 要有足夠的夾緊力，在確定手指的握力時，除考慮工件的重量外還應(yīng)考慮在傳送或操作中所產(chǎn)生的慣性和震動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落；要有足夠的開合度，手指的開合度應(yīng)保證工件能順利的進(jìn)入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮；要保證工件在手爪中的準(zhǔn)確位置，為使手指和被夾持的工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響要求是有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，但盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的重心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。保證結(jié)構(gòu)緊湊，重量要輕，便于更換；應(yīng)考慮手指的多用性，為適應(yīng)小批量多品種工件的不同形狀和尺寸的要求可制成組合式手指。 手爪的類型可分成指爪式和吸盤式；手爪式又分外夾式和內(nèi)脹式。 手爪：即與物體接觸的部分，由于與物體接觸的形式分為夾持式和吸附式手部。鉗式手部結(jié)構(gòu)由手指傳力。機(jī)構(gòu)所組成其傳力形式比較多，如滑槽杠桿式、連杠桿式、斜契杠桿式、彈簧杠桿式等結(jié)構(gòu)形式；按手指夾持工件的部分又可以分為內(nèi)卡式和外卡式；模仿人手指的動作，手指可以分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型、二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動型，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為例，而二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無窮小時，就變成一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指。同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變?yōu)闊o窮長時，就變?yōu)橐苿有??；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛，移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，但移動型手指夾持變化的零件時不影響其軸心的位置，其使用于不同直徑的工件。 手爪的定位誤差分析如圖所示： β為偏轉(zhuǎn)角，當(dāng)滿足上式β角時，△誤差最小。 3.1.2 手爪夾緊力的計算 本次設(shè)計中采用外夾式手爪，如下圖所示： 手爪夾緊力的計算： 作用在單個手指上的作用力1.732G/F根據(jù)抓重大小來安排裝配手指的方法。 計算式： G——抓重 Kg ——夾緊方位系數(shù) ——慣性力影響系數(shù) ——安全系數(shù)取1.5～2 a——加速度（工件隨手爪運(yùn)動時產(chǎn)生） g——重力加速度 取10m/s^2 平鉗口 水平位置放，水平位置夾時 V鉗口 水平位置放，水平位置夾時 平鉗口 垂直放，水平夾時 水平放，垂直位置夾時 V鉗口 水平放，垂直位置夾時 平鉗口 垂直夾，垂直放時 水平位置夾懸臂工件 3.1.3 手爪的驅(qū)動裝置的選擇與驅(qū)動力計算 目前機(jī)械手常用的驅(qū)動方式如前所述，也有其他特殊的驅(qū)動方式，如：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、直線電機(jī)驅(qū)動，但應(yīng)用不多。所有方式中，最常用的為液壓、氣動驅(qū)動方式，下面僅對這兩種方式進(jìn)行比較選擇。 液壓驅(qū)動：液壓驅(qū)動的主要優(yōu)點(diǎn)是功率大，結(jié)構(gòu)簡單，可省去減速裝置，能直接與被動的桿件相連，，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高的精度，目前多用于機(jī)器人系統(tǒng)。 氣壓驅(qū)動：氣壓驅(qū)動的能源、結(jié)構(gòu)都比較簡單，但與液壓驅(qū)動相比，同體積條件下，功率較小（固壓底），且速度不易控制。 由于該裝置的實(shí)驗?zāi)Ｐ?，環(huán)境要求無污染，材料經(jīng)費(fèi)相對短缺，精度和穩(wěn)定性要求不是很高，啟動力矩小，慣性小，尺寸小，只許點(diǎn)位控制且功率小，終上所述，所以選用液壓驅(qū)動。 3.2 手腕機(jī)構(gòu) 3.2.1 手腕的作用和動作 手腕是連接手部和手臂的部件，手腕的作用是：控制手爪的抓緊方向，以便能從任意角度抓取工件。因而它具有獨(dú)立的自由度以便機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求，手腕運(yùn)動有力軸轉(zhuǎn)動稱為回轉(zhuǎn)運(yùn)動。繞Y軸轉(zhuǎn)動稱為上下擺動，繞Z軸轉(zhuǎn)動它稱為左右擺動。 手腕的基本運(yùn)動是回轉(zhuǎn)運(yùn)動和直線運(yùn)動。目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的是回轉(zhuǎn)氣缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，回轉(zhuǎn)角度小于36度并且要求嚴(yán)格的密封。設(shè)計時除應(yīng)滿足啟動和傳遞過程中所需的傳動力矩外，還要求手腕的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、輕巧。另外，通過手腕氣缸的管道盡量從手臂的內(nèi)部通過，以便手腕轉(zhuǎn)動時管道不扭轉(zhuǎn)、不外露、使外型整齊。而考慮到本次設(shè)計對手腕的外觀要求不高，回轉(zhuǎn)角度比較小的實(shí)際情況下，可以把氣缸管道安排在外部。 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算： （Kg·cm） ——驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩 ——慣性力矩 ——手腕轉(zhuǎn)動軸與支撐孔處的摩擦阻力矩 ——參與轉(zhuǎn)動的部件的重量對軸線產(chǎn)生的偏重力矩 （1）手腕加速度運(yùn)動時所產(chǎn)生的慣性力矩M慣，手腕轉(zhuǎn)動時的角度W，啟動過程的時間t。 ——手爪、手腕的轉(zhuǎn)動慣量 ——工件對轉(zhuǎn)軸中心的轉(zhuǎn)動慣量 ——手腕回轉(zhuǎn)角速度變動量（可取最大值） ——變動時間1～5s （2）手腕轉(zhuǎn)動工件時工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線的偏重力矩M偏 G——手腕抓重的重量 E——工件中心到手腕回轉(zhuǎn)中心的偏心矩 （3）手腕轉(zhuǎn)動在軸頸處的摩擦阻力矩 （Kg·cm） ——軸承處的約束反力 ——軸承直徑，滑動軸承為軸頸直徑，滾動軸承為滾子中心直徑 本次設(shè)計沒有采用手腕部分，此舉僅供參考。 3.3 手臂設(shè)計 3.3.1 機(jī)械手手臂應(yīng)滿足的基本要求： 力學(xué)方面要有足夠的剛度，重量要輕，運(yùn)動要穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)要美觀，使用安全，維護(hù)方便，造價經(jīng)濟(jì)。 3.3.2 為滿足基本要求而采取的機(jī)構(gòu)、工藝性措施 手臂是機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的重要部件，它的作用是將被抓取的工件傳送到給定的位置和方位上，因而一般機(jī)械手臂有三個自由度，即手指伸縮、手臂的左右回轉(zhuǎn)和上下運(yùn)動。手臂的各種運(yùn)動通常由驅(qū)動機(jī)構(gòu)和各種傳動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。因此它不僅要承受被抓取工件的重量，而且要承受手指和手臂自身的重量，手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓、重大小和定位精度等都直接影響機(jī)械手的工作性能。所以必須根據(jù)機(jī)械手的抓取重量，運(yùn)動形式，運(yùn)動速度及定位精度的要求來設(shè)計手臂的機(jī)構(gòu)形式。 3.3.3 手臂伸縮運(yùn)動的結(jié)構(gòu)設(shè)計 （1）伸縮運(yùn)動驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計 按手臂的結(jié)構(gòu)形式分：單臂、雙臂及懸掛式。按手臂的運(yùn)動分：手臂有直線運(yùn)動的，如：手臂的左右回轉(zhuǎn)，上下擺動；有復(fù)合運(yùn)動，如：直線運(yùn)動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動組合，兩直線運(yùn)動組合，兩回轉(zhuǎn)運(yùn)動組合。 a.驅(qū)動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式如下圖： b.驅(qū)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)計算 f——摩擦系數(shù) Y型密封f=0.1 K=0.3 V型密封f=1 K=1.6 O型密封=0.3P h——有效密封寬度（密封件接觸長度之和） d——活塞桿直徑 D——活塞直徑 p——工作壓力（N/mm）Map △V——速度變化值（選最大值） △t——變化時間0.1～0.5 （2）伸縮運(yùn)動導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的形式與結(jié)構(gòu)： 液壓驅(qū)動的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，一增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂的結(jié)構(gòu)時，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置，它根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取等重要因素加以確定；同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上，應(yīng)盡量減少運(yùn)動部件上的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。 單導(dǎo)向桿： 采用單導(dǎo)向桿的結(jié)構(gòu)通常比較簡單，另外增加手臂的剛性和導(dǎo)向性，但由于要考慮結(jié)構(gòu)的對稱性，否則手臂會在運(yùn)動是發(fā)生轉(zhuǎn)動，造成手臂的轉(zhuǎn)位誤差，由于本次設(shè)計對手臂周向回轉(zhuǎn)有一定的要求，因此單導(dǎo)向的導(dǎo)向裝置不宜采用。 雙導(dǎo)向桿： 為了手臂受力均衡，往往采用雙導(dǎo)向桿，它可以配置在手臂伸縮的液壓缸兩側(cè)，并兼顧手部和油路的管道外形比較整齊，對伸縮行程大的手臂，為了防止導(dǎo)向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導(dǎo)向桿尾部增設(shè)輔助支撐架，以提高導(dǎo)向桿的剛性。在本次結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對機(jī)械手的外形要求比較低。因此，采用雙導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。為了加工方便且不影響機(jī)械手的使用要求，把導(dǎo)向桿設(shè)置為外置式。 四導(dǎo)向桿： 對抓取較大的手臂采用四導(dǎo)向桿，以加強(qiáng)剛性，在本次設(shè)計中，由于機(jī)械手臂的質(zhì)量中心不于幾何中心重合，易發(fā)生翻轉(zhuǎn)變形，影響機(jī)械手的正常工作，考慮到傳動的平穩(wěn)性，但由于為實(shí)驗裝置且四導(dǎo)向桿質(zhì)量太大，所以不宜采用。 其他形式的導(dǎo)向裝置： 除上述幾種的導(dǎo)向裝置外，還有的機(jī)械手根據(jù)工作條件和實(shí)際可能，選用燕尾型的滑枕進(jìn)行導(dǎo)向，導(dǎo)向性好，工作平穩(wěn)。此外，也采用花鍵軸，導(dǎo)向套大直徑套筒加導(dǎo)向鍵導(dǎo)向，以及帶“V”型槽的框形導(dǎo)向結(jié)構(gòu)等形式的導(dǎo)向方式。在此設(shè)計中，由于要求結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，故均不予考慮。 （3）導(dǎo)向桿機(jī)構(gòu)動力管路設(shè)計 a.管路的類型 管路的類型可分為活動軟管、伸縮油管等。 b.管路類型的特點(diǎn)及說明 活動軟管的特點(diǎn)是：裝拆方便、維修方便、抗震性好。使用上要用管夾，占據(jù)空間尺寸大，外觀差，不安全。 伸縮油管的特點(diǎn)是：安全性好、外觀整齊、但工藝性差。 （4）手臂伸縮驅(qū)動力的計算 f——摩擦系數(shù) Y型密封f=0.1 K=0.3 V型密封f=1 K=1.6 O型密封=0.3P h——有效密封寬度（密封件接觸長度之和） d——活塞桿直徑 D——活塞直徑 p——工作壓力（N/mm）Map △V——速度變化值（選最大值） △t——變化時間0.1～0.5 （5）伸縮機(jī)構(gòu)主要構(gòu)件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算 3.3.4 手臂升降運(yùn)動的結(jié)構(gòu)設(shè)計 （1）升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式 機(jī)械手手臂的升降運(yùn)動屬于直線運(yùn)動，而實(shí)現(xiàn)手臂的往復(fù)直線運(yùn)動的機(jī)構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油缸或氣缸，活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)，絲桿螺母機(jī)構(gòu)以及活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)。 a.液壓缸（油缸） 實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動可采用液壓式或氣壓式驅(qū)動的活塞油缸，由于活塞油缸的體積小，重量輕，因而在機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。本次設(shè)計采用活塞氣缸推動一塊能沿導(dǎo)向桿移動，此結(jié)構(gòu)簡單，受力也簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)。 b.活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu) 在手臂的升降運(yùn)動中，為了使手臂移動的距離和速度有定值的增加，可以采用齒輪齒條傳動的倍增機(jī)構(gòu)，在要求工作行程大，運(yùn)動速度快的沖壓機(jī)械手上常用此機(jī)械手作為手臂升降運(yùn)動機(jī)構(gòu)。在本設(shè)計中不予考慮。 c.絲桿螺母機(jī)構(gòu) 絲桿螺母傳動其位移具有較高的準(zhǔn)確性，由于絲桿螺母機(jī)構(gòu)是連續(xù)的面接觸，傳動中不會產(chǎn)生沖擊，傳動平穩(wěn)，無噪聲，并能自鎖，因為絲桿螺母螺旋升角較小，所以用較小的驅(qū)動力矩，可以獲得較大的牽引力。此外，絲桿螺母的螺旋面之間的摩擦為滑動摩擦，故傳動效率低，如果采用滾珠絲桿可提高效率，而且傳動精度和定位精度均提高，在傳動時靈敏讀和平穩(wěn)性也很好，由于磨損小，使用壽命較長，但絲桿螺母的材料、熱處理和加工工藝要求很高，故成本很高。在本設(shè)計中不予考慮。 d.活塞桿和連桿機(jī)構(gòu) 由活塞桿驅(qū)動連桿機(jī)構(gòu)，使手臂實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動，并可以獲得較大的行程。 綜上所述，本設(shè)計中選取液壓缸。 液壓缸的選用：要考慮到壓力、流量、活塞的運(yùn)動速度，活塞的最大允許行程和液壓缸的總效率。 油液作用在單位面積上的壓強(qiáng)p=P/A 最高允許壓力，也是動態(tài)實(shí)驗壓力，是液壓缸在瞬間所能承受的極限壓力。各國規(guī)范通常規(guī)定為≤1.5PN MPa 液壓缸的壓力等級分為：低壓，壓力范圍0～2.5MPa 中壓，壓力范圍2.5～8MPa 中高壓，壓力范圍8～16MPa 高壓，壓力范圍16～32MPa 液壓缸的流量為Q=V/t L/min 液壓缸的活塞運(yùn)動速度v=Q/A m/min 液壓缸的重要部件就是缸筒，它的要求如下： 1.有足夠的強(qiáng)度，能長期承受最高工作壓力及短期動態(tài)實(shí)驗壓力而不致產(chǎn)生永久變形。 2.有足夠的剛度，能承受活塞側(cè)向力和安裝的反作用力而不致產(chǎn)生彎曲。 3.內(nèi)表面與活塞密封件及導(dǎo)向環(huán)的摩擦力作用下，能長期工作而磨損小，尺寸公差等級和形位公差等級足以保證活塞密封件的密封性。液壓缸的密封元件材料一般選用氟碳橡膠。 液壓缸的工作介質(zhì)在常溫下一般采用石油型液壓油。在高溫下采用難燃液及特殊結(jié)構(gòu)液壓缸。 （2）升降運(yùn)動驅(qū)動力的計算 f——摩擦系數(shù) Y型密封f=0.1 K=0.3 V型密封f=1 K=1.6 O型密封=0.3P h——有效密封寬度（密封件接觸長度之和） d——活塞桿直徑 D——活塞直徑 p——工作壓力（N/mm）Map △V——速度變化值（選最大值） △t——變化時間0.1～0.5 （3）手臂機(jī)構(gòu)主要構(gòu)件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算 W——手臂重力，下降為主動力用“-”上升為阻力用“+” 3.3.5 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動的結(jié)構(gòu)設(shè)計 （1）回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式 回轉(zhuǎn)運(yùn)動的結(jié)構(gòu)形式分為：葉片式擺缸直接驅(qū)動、擺缸與行星齒輪的驅(qū)動方式、齒輪齒條的驅(qū)動方式和直缸直接推動的驅(qū)動方式。 它們的優(yōu)點(diǎn)是：葉片式擺缸直接驅(qū)動優(yōu)點(diǎn)是機(jī)構(gòu)緊湊、速度調(diào)整方便；缺點(diǎn)是回轉(zhuǎn)角度小于360°，內(nèi)泄漏大。擺缸和行星齒輪驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是傳動平穩(wěn)，齒輪齒條驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是回轉(zhuǎn)角度大、驅(qū)動力大；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)尺寸大。 （2）回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動力矩及其回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要零部件力學(xué)計算 a. （N·M） G——手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動件的總重量Kg g——重力加速度≈10m/s p——回轉(zhuǎn)半徑（重心到回轉(zhuǎn)軸的距離） w——起動后手臂回轉(zhuǎn)最大角速度△t=0.1～0.5s 手臂回轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量為： Jc≈md/4 M——質(zhì)量 D——回轉(zhuǎn)直徑 b. f=0.1（滑動） ΣN——兩支點(diǎn)上反力總和 ——摩擦點(diǎn)到回轉(zhuǎn)中心的距離 G×p=N×H 6.手臂設(shè)計的綜合評價 從手臂的結(jié)構(gòu)形式、動力裝置、外形尺寸、工藝性、經(jīng)濟(jì)性、標(biāo)準(zhǔn)化等諸方面分析，突出重點(diǎn)。 從手臂的結(jié)構(gòu)形式來分可分為：手爪、手臂、手腕、立柱、行走機(jī)構(gòu)等。手臂的動力裝置為液壓驅(qū)動，它的外形尺寸不大，占地空間小，工作范圍也小。工藝性好，材料便宜，經(jīng)濟(jì)合理，零件加工方便。 3.4 緩沖裝置設(shè)計 3.4.1 緩沖方式的確定 了解彈性元件緩沖；缸體內(nèi)部結(jié)構(gòu)緩沖；節(jié)流回路緩沖、油壓緩沖器緩沖等。 a.彈性元件緩沖： 元件：彈簧、橡膠墊、波紋管 基本原理：通過吸收動能實(shí)現(xiàn)緩沖 回轉(zhuǎn)物件： 移動物件： 彈性能： ：彈性最大工作載荷 ：最大變形 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，但緩沖行程小，定位不準(zhǔn)，職能用于輔助裝置。 b.油缸端部節(jié)流緩沖 它的原理圖如下： 它的設(shè)計要求： 緩沖腔內(nèi)油液要能吸收運(yùn)動部件的全部能量；緩沖腔內(nèi)沖擊壓力小于油缸的壓力；緩沖腔內(nèi)減加速度要符合機(jī)械手對運(yùn)動的要求。 設(shè)計步驟 確定減加速度：高速輕負(fù)荷小于0.9m/s 低速重負(fù)荷小于0.2m/s 計算緩沖時間：應(yīng)滿足于生產(chǎn)節(jié)拍的要求。 緩沖行程： 確定緩沖柱塞面積 ：回游腔壓力 作用在活塞上的液壓能。 ：活塞有效作用面積 G(Kg) g=9.8m/s^2 V(m/s) 緩沖前進(jìn)速度 （N·M） 向上負(fù)，向下正 求緩沖油腔內(nèi)的 備件：小于[P] [P]=2×[σ]×δ/D δ：為體臂厚 [σ]=σs/5 σs：屈服極限 5：安全系數(shù) 節(jié)流口面積 F=V××10^3/u×√2gγ× c.油缸端部節(jié)流緩沖 d.氣動節(jié)流緩沖類的液壓 e.緩沖回路緩沖 f.使用液壓緩沖器 3.5 定位機(jī)構(gòu)設(shè)計 3.5.1 定位方式的選擇確定 定位機(jī)構(gòu)分機(jī)械擋塊定位、行程開關(guān)定位、伺服裝置定位等。定位精度要求：要有足夠的剛度，可調(diào)節(jié)定位，定位前實(shí)施緩沖，使速度趨于零，實(shí)現(xiàn)無沖擊定位。 定位的精度為：定位精度最高為±0.02mm，一般可為±0.5mm。 3.6 機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)選擇 3.6.1 驅(qū)動方式的選擇 驅(qū)動方式可分為：電動、液動、氣動、機(jī)械聯(lián)動等。 3.6.2 下面是液動與氣動方式特點(diǎn)的比較 液壓驅(qū)動：液壓驅(qū)動的主要優(yōu)點(diǎn)是功率大，結(jié)構(gòu)簡單，可省去減速裝置，能直接與被動的桿件相連，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高的精度，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)不緊湊，出力小，噪音大。適用于沖壓加工，單機(jī)自動化機(jī)械。 氣動驅(qū)動：氣壓驅(qū)動的能源、結(jié)構(gòu)都比較簡單，但與液壓驅(qū)動驅(qū)動相比，同體積條件下，功率較?。ü虊旱祝?，且速度不易控制。 第四章 機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計 4.1 機(jī)械手的控制方式的選擇 機(jī)械手的控制方法分：數(shù)控、程控、電控、液控等。 4.2 本控制方式的特點(diǎn) 簡易工業(yè)機(jī)械手選用的控制方式為電控，它的特點(diǎn)是運(yùn)動速度快，穩(wěn)定性好，成本底，便于維修。 設(shè)計總結(jié) 經(jīng)過半年多的畢業(yè)設(shè)計工作，設(shè)計期間，指導(dǎo)老師教會了我該如何設(shè)計圖紙，當(dāng)中包括元件的選用，圖紙的設(shè)計步驟。機(jī)械手中的各結(jié)構(gòu)的用處和選用此結(jié)構(gòu)的優(yōu)、缺點(diǎn)，使我受益匪淺。 設(shè)計中，我查閱了許多資料，從中查出了許多數(shù)據(jù)，為我的圖紙設(shè)計打下了基礎(chǔ)，通過資料，讓我發(fā)現(xiàn)設(shè)計圖紙不可以隨心所欲，必須根據(jù)國家、國際標(biāo)準(zhǔn)，否則設(shè)計的圖紙就會有錯誤。 通過這次設(shè)計，使我了解到，自動控制的對象主要是單機(jī)或某個生產(chǎn)過程；自動控制的目標(biāo)是使在系統(tǒng)控制的某個狀態(tài)下，盡量消除環(huán)境對系統(tǒng)的影響，職能控制關(guān)心的是最終狀態(tài)或現(xiàn)行狀態(tài)是否合乎要求。 此次設(shè)計中的優(yōu)點(diǎn)是手臂可以沿直角坐標(biāo)的X、Z方向移動，有可以繞Z軸轉(zhuǎn)動，亦手臂可以前后伸縮，上下升降和左右移動。采用此種坐標(biāo)形式工作方位較小，占地空間較小，定位精度好，應(yīng)用廣泛。在力學(xué)方面講它有足夠的剛度，重量要輕。運(yùn)動要穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)要美觀，使用安全，維修方便，造價經(jīng)濟(jì)。 本次設(shè)計的機(jī)械手是模仿人手的動作，生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高自動化水平和勞動生產(chǎn)率，可以減輕勞動強(qiáng)度，保證生產(chǎn)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，尤其在惡劣的勞動條件下，它代替人作業(yè)的意義更加重大，因此，將在機(jī)械加工中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 參考文獻(xiàn) 1.《機(jī)械設(shè)計手冊》第三版第1～4卷 化學(xué)工業(yè)出版社 2.《機(jī)械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊》第2卷 機(jī)械工業(yè)出版社 3.《畫法幾何及機(jī)械制圖》第四版 高等教育出版社 4.《液氣壓傳動》 機(jī)械工業(yè)出版社 5.《可編程控制器應(yīng)用技術(shù)》 高等教育出版社 23 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計外文翻譯 機(jī)械手的機(jī)械和控制系統(tǒng) 1. 引言 2001年6月在德國卡爾斯魯厄開展的“人形機(jī)器人”特別研究，是為了開發(fā)在正常環(huán)境（如廚房或客廳）下能夠和人類合作和互動的機(jī)器人系統(tǒng)。設(shè)計這些機(jī)器人系統(tǒng)是為了能夠在非專業(yè)、非工業(yè)的條件下（如身處多物之中），幫我們抓取不同尺寸、形狀和重量的物體。同時，它們必須能夠很好的操縱被抓物體。這種極強(qiáng)的靈活性只能通過一個適應(yīng)性極強(qiáng)的機(jī)械人手抓系統(tǒng)來獲得，即所謂的多指機(jī)械手或機(jī)器人手。 上文提到的研究項目，就是要制造一個人形機(jī)器人，此機(jī)器人將裝備這種機(jī)器人手系統(tǒng)。這個新手將由兩個機(jī)構(gòu)合作制造，它們是卡爾斯魯厄大學(xué)的IPR（過程控制和機(jī)器人技術(shù)研究院）和c（計算機(jī)應(yīng)用科學(xué)研究院）。這兩個組織都有制造此種系統(tǒng)的相關(guān)經(jīng)驗，但是稍有不同的觀點(diǎn)。 IPR制造的卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（如圖1所示），是一個四指相互獨(dú)立的手爪，我們將在此文中詳細(xì)介紹。IAI制造的手（如圖17所示）是作為殘疾人的假肢。 圖1.IPR的卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ 圖2. IAI開發(fā)的流體手 2. 機(jī)器人手的一般結(jié)構(gòu) 一個機(jī)器人手可以分成兩大主要子系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。 機(jī)械系統(tǒng)又可分為結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)，我們將在第三部分作進(jìn)一步介紹。在第四部分介紹的控制系統(tǒng)至少由控制硬件和控制軟件組成。 我們將對這兩大子系統(tǒng)的問題作一番基本介紹，然后用卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ演示一下。 3. 機(jī)械系統(tǒng) 機(jī)械系統(tǒng)將描述這個手看起來如何以及由什么元件組成。它決定結(jié)構(gòu)設(shè)計、手指的數(shù)量及使用的材料。此外，還確定驅(qū)動器（如電動機(jī)）、傳感器（如位置編碼器）的位置。 3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計 結(jié)構(gòu)設(shè)計將對機(jī)械手的靈活度起很大的作用，即它能抓取何種類型的物體以及能對被抓物體進(jìn)行何種操作。設(shè)計一個機(jī)器人手的時候，必須確定三個基本要素：手指的數(shù)量、手指的關(guān)節(jié)數(shù)量以及手指的尺寸和安置位置。 為了能夠在機(jī)械手的工作范圍內(nèi)安全的抓取和操作物件，至少需要三根手指。為了能夠?qū)Ρ蛔ノ矬w的操作獲得6個自由度（3個平移和3個旋轉(zhuǎn)自由度），每個手指必須具備3個獨(dú)立的關(guān)節(jié)。這種方法在第一代卡爾斯魯厄靈巧手上被采用過。但是，為了能夠重抓一個物件而無需將它先釋放再拾取的話，至少需要4根手指。 要確定手指的尺寸和安置位置，可以采用兩種方法：擬人化和非擬人化。然后將取決與被操作的物體以及選擇何種期望的操作類型。擬人化的安置方式很容易從人手到機(jī)器人手轉(zhuǎn)移抓取意圖。但是每個手指不同的尺寸和不對稱的安置位置將增加加工費(fèi)用，并且是其控制系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，因為每個手指都必須分別加以控制。對于相同手指的對稱布置，常采用非擬人化方法。因為只需加工和構(gòu)建單一的“手指模塊”，因此可減少加工費(fèi)用，同時也可是控制系統(tǒng)簡化。 3.2 驅(qū)動系統(tǒng) 指關(guān)節(jié)的驅(qū)動器對手的靈活度也有很大的影響，因為它決定潛在的力量、精度及關(guān)節(jié)運(yùn)動的速度。機(jī)械運(yùn)動的兩個方面需加以考慮：運(yùn)動來源和運(yùn)動方向。在這方面，文獻(xiàn)里描述了有幾種不同的方法，如文獻(xiàn)[3]中說可由液壓缸或氣壓缸產(chǎn)生運(yùn)動，或者，正如大部分情況一樣使用電動機(jī)。在多數(shù)情況下，運(yùn)動驅(qū)動器（如電機(jī)）太大而不能直接與相應(yīng)的指關(guān)節(jié)結(jié)合在一起，因此，這個運(yùn)動必須由驅(qū)動器（一般位于機(jī)器臂最后的連接點(diǎn)處）轉(zhuǎn)移過來。有幾種不同的方法可實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動方式，如使用鍵、傳動帶以及活動軸。使用這種間接驅(qū)動指關(guān)節(jié)的方法，或多或少地降低了整個系統(tǒng)的強(qiáng)度和精度，同時也使控制系統(tǒng)復(fù)雜化，因為每根手指的不同關(guān)節(jié)常常是機(jī)械地連在一起，但是在控制系統(tǒng)的軟件里卻要將它們分別獨(dú)立控制。由于具有這些缺點(diǎn)，因此小型化的運(yùn)動驅(qū)動器與指關(guān)節(jié)的直接融合就顯得相當(dāng)必要。 3.3 傳感系統(tǒng) 機(jī)器手的傳感系統(tǒng)可將反饋信息從硬件傳給控制軟件。對手指或被抓物體建立一個閉環(huán)控制是很必要的。在機(jī)器手中使用了3種類型的傳感器： 1. 手爪狀態(tài)傳感器確定指關(guān)節(jié)和指尖的位置以及手指上的作用力情況。知道了指尖的精確位置將使精確控制變得可能。另外，知道手指作用在被抓物體上的力，就可以抓取易碎物件而不會打破它。 2. 抓取狀態(tài)傳感器提供手指與被抓物體之間的接觸狀態(tài)信息。這種觸覺信息可在抓取過程中及時確定與物體第一次接觸的位置點(diǎn)，同時也可避免不正確的抓取，如抓到物體的邊緣和尖端。另外還能察覺到已抓物體是否滑落，從而避免物體因跌落而損壞。 3. 物體狀態(tài)或姿態(tài)傳感器用于確定手指內(nèi)物體的形狀、位置和方向。如果在抓取物體之前并不清楚這些信息的情況下，這種傳感器是非常必要的。如果此傳感器還能作用于已抓物體上的話，它也能控制物體的姿態(tài)（位置和方向），從而監(jiān)測是否滑落。 根據(jù)不同的驅(qū)動系統(tǒng)，有關(guān)指關(guān)節(jié)位置的幾何信息可以在運(yùn)動驅(qū)動器或直接在關(guān)節(jié)處出測量。例如，如在電動機(jī)和指關(guān)節(jié)之間有一剛性聯(lián)軸器，那么就可以用電機(jī)軸上的一個角度編碼器（在齒輪前或齒輪后）來測量關(guān)節(jié)的位置。但是如果此聯(lián)軸器剛度不夠或著要獲得很高的精度的話，就不能用這種方法。 3.4卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的機(jī)械系統(tǒng) 為了能夠獲得如重抓等更加復(fù)雜的操作，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（KDHⅡ）由4根手指組成，且每根手指由3個相互獨(dú)立的關(guān)節(jié)組成。設(shè)計該手是為了能夠在工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用（圖3所示）和操縱箱、缸及螺釘螺帽等物體。因此，我們選用四個相同手指，將它們作對稱、非擬人化配置，且每個手指都能旋轉(zhuǎn)90°（圖4所示）。 鑒于從第一代卡爾斯魯厄靈巧手設(shè)計中得到的經(jīng)驗，比如因傳動帶而導(dǎo)致的機(jī)械問題以及較大摩擦因數(shù)導(dǎo)致的控制問題，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ采用了一些不同的設(shè)計決策。每根手指的關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3之間的直流電機(jī)被整合到手指前部肢體中（圖5所示）。這種布置可使用很硬的球軸齒輪將運(yùn)動傳遞到手指的關(guān)節(jié)處。處在電機(jī)軸上的角度編碼器（在齒輪前）此時可作為一個精度很高的位置狀態(tài)傳感器。 圖3.工業(yè)機(jī)器人上的KDHⅡ 為了感知作用在物體上的手指力量，我們發(fā)明了一個六維力扭矩傳感器（圖6所示）。這個傳感器可當(dāng)作手指末端肢體使用，且配有一個球形指尖。它可以抓取較輕的物體，同時也能抓取3-5kg相近的較重物體。此傳感器能測量X、Y和Z方向的力及繞相關(guān)軸的力矩。另外，3個共線的激光三角測量傳感器被安置在KDHⅡ的手掌上（圖5所示）。因為有3個這樣的傳感器，因此不僅可以測量3單點(diǎn)之間的距離，如果知道物體的形狀，還能測出被抓物體表面之間的距離和方向。物體狀態(tài)傳感器的工作頻率為1kHz，它能檢測和避免物體的滑落。 圖5. KDHⅡ的側(cè)視圖 圖6. 帶應(yīng)變計量傳感器的六自由度扭轉(zhuǎn)傳感器 4. 控制系統(tǒng) 機(jī)器人手的控制系統(tǒng)決定哪些潛在的靈巧技能能夠被實(shí)際利用，這些技能都是由機(jī)械系統(tǒng)所提供的。如前所述，控制系統(tǒng)可分為控制計算機(jī)即硬件和控制算法即軟件。 控制系統(tǒng)必須滿足以下幾個的條件： 1. 必須要有足夠的輸入輸出端口。例如，一具有9個自由度的低級手，其驅(qū)動器至少需要9路模擬輸出端口，且要有9路從角度編碼器的輸入端口。如再加上每個手指上的力傳感器、觸覺傳感器及物體狀態(tài)傳感器的話，則端口數(shù)量將增加號幾倍。 2. 需具備對外部事件快速實(shí)時反應(yīng)的能力。例如，當(dāng)檢測到物體滑落時，能立即采取相應(yīng)的措施。 3. 需具備較高的計算能力以應(yīng)對一些不同的任務(wù)。如可以對多指及物體并行執(zhí)行路徑規(guī)劃、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換及閉環(huán)控制等任務(wù)。 4. 控制系統(tǒng)的體積要小，以便能夠?qū)⑵渲苯蛹傻讲僮飨到y(tǒng)當(dāng)中。 5. 在控制系統(tǒng)與驅(qū)動器及傳感器之間必須要電氣短接。特別是對傳感器來說，若沒有的話，很多的干擾信號將會干擾傳感器信號。 4.1 控制硬件 為了應(yīng)對系統(tǒng)的要求，控制硬件一般分布在幾個專門的處理器中。如可通過一個簡單的微控制器處理很低端的輸入輸出接口（馬達(dá)和傳感器），因此控制器尺寸很小，能輕易地集成到操縱系統(tǒng)中。但是較高水平的控制端口則需要較高的計算能力，且需要一個靈活實(shí)時操作系統(tǒng)的支持。這可以通過PC機(jī)輕易地解決。 因此，控制硬件常由一個非均勻的分布式計算機(jī)系統(tǒng)組成，它的一端是微控制器，而另一端則是一個功能強(qiáng)大的處理器。不同的計算單元則通過一個通信系統(tǒng)連接起來，比如總線系統(tǒng)。 4.2 控制軟件 機(jī)器人手的控制軟件是相當(dāng)復(fù)雜的。必須對要對手指進(jìn)行實(shí)時及平行控制，同時還要計劃手指和物體的新的軌跡。因此，為了減少問題的復(fù)雜性，就有必要將此問題分成幾個子問題來處理。 另一方面涉及軟件的開發(fā)。機(jī)器人手其實(shí)是一個研究項目，它的編程環(huán)境如用戶界面，編程工具和調(diào)試設(shè)施都必須十分強(qiáng)大和靈活。這些只能使用一個標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)才能得到滿足。在機(jī)械人中普遍使用的分層控制系統(tǒng)方法都經(jīng)過了修剪，以滿足機(jī)械手的特殊控制要求。 4.3卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的控制系統(tǒng) 如在4.1節(jié)中所說，對于卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的控制硬件，采用了一種分布式方法（圖7所示）。一個微控制器分別控制一個手指的驅(qū)動器和傳感器，另外一個微控制器用于控制物體狀態(tài)傳感器（激光三角傳感器）。這些微控制器（圖7左側(cè)和右側(cè)的外箱）直接安裝在手上，所以可以保證和驅(qū)動器及傳感器之間較短的電氣連接。這些微控制器都是使用串行總線系統(tǒng)和主控計算機(jī)連在一起的。這個主控計算機(jī)（圖7、圖8中的灰色方塊）是由六臺工業(yè)計算機(jī)組成的一個并行計算機(jī)。這些電腦都被排列在一個二維平面。相鄰電腦模塊（一臺電腦最多有8個相鄰模塊）使用雙端口RAM進(jìn)行快速通信（圖7中暗灰色方塊所示）。一臺電腦用于控制一個手指。另一臺用于控制物體狀態(tài)傳感器及計算物體之間的位置。其余的電腦被安在前面提到的電腦的周圍。這些電腦用于協(xié)調(diào)整個控制系統(tǒng)。控制軟件的結(jié)構(gòu)反映了控制硬件的架構(gòu)。如圖9所示。 圖7. KDH II的控制硬件構(gòu)架 圖8.控制KDH II的平行主計算機(jī) 一個關(guān)于此手控制系統(tǒng)的三個最高層次的網(wǎng)上計劃正在規(guī)劃。理想的物體位移命令可由優(yōu)越的機(jī)器人控制系統(tǒng)得到，并可用作物體路徑的精確規(guī)劃。根據(jù)已產(chǎn)生的目標(biāo)路徑就可規(guī)劃可行的抓取行為（手指作用在物體上的可行抓取位置點(diǎn)）?，F(xiàn)在知道了物體的運(yùn)動計劃，就可以由手指路徑規(guī)劃得出每個手指的運(yùn)動軌跡，并傳遞給系統(tǒng)的實(shí)時能力部分。如果一個物體被抓取了，那么其手指的運(yùn)動路徑就傳遞給了物體的狀態(tài)控制器。這個控制器控制物體的姿態(tài)，它由手指和物體狀態(tài)傳感器所決定，用以獲得所需的物體姿態(tài)。如果一個手指沒有跟物體接觸，那么它的移動路徑將會直接傳遞給手控制器。這個手控制器將相關(guān)的預(yù)期手指位置傳遞給所有的手指控制器，以協(xié)調(diào)所有手指的運(yùn)動。這些在手指傳感器的幫助下又反過來驅(qū)動手指驅(qū)動器。 圖9. KDHⅡ的手部控制系統(tǒng) 5. 實(shí)驗結(jié)果 為了驗證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的能力，我們選擇了兩個要求操作問題。一個問題是在網(wǎng)上對處于外部影響下的被抓物體姿態(tài)（位置和方向）的控制。另一個問題是被抓物體必須能夠繞任意角度旋轉(zhuǎn)，這只能通過重抓才能實(shí)現(xiàn)。這可以反映卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ?qū)?fù)雜任務(wù)的操作能力。 5.1 物體姿態(tài)控制 這個物體姿態(tài)控制器的目的是為了確定好被抓物體的位置和方向以適合給定的軌跡。此任務(wù)必須在實(shí)時條件通過在線獲得，盡管有內(nèi)部變化及外部干擾的存在。內(nèi)部變化比如在物體移動過程中，球形指尖在被抓物體上的滾動。這種狀況如圖10、圖11所示。這將導(dǎo)致物體的不必要的額外移動和傾斜。這些錯誤的物體姿勢很難預(yù)先估計。因此，物體狀態(tài)傳感器的輸入必須要修改這些錯誤。對于卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ來說，其上的三個激光三角傳感器就是用來糾正此種錯誤的。圖12定量地說明了圖9中物體在沒有姿態(tài)控制情況下的傾斜情況。下圖顯示了在X方向上隨時間推移的預(yù)期軌跡，而上圖顯示了物體實(shí)際的旋轉(zhuǎn)（傾斜）結(jié)果情況。因為啟用了物體狀態(tài)控制，圖13中的物體傾斜得到了很大的減少。上圖物體的旋轉(zhuǎn)保持基本恒定，這和期望的一樣。 圖10.因滾動產(chǎn)生的額外位移 圖12.沒有狀態(tài)控制的物體傾斜 圖11.因球形指尖在物體上的滾動而產(chǎn)生 圖13.物體狀態(tài)控制下減少的物體 額外的不期望傾斜情況 傾斜情況 物體狀態(tài)控制器對補(bǔ)償外界干擾也是十分必要的。比如，機(jī)器人（手臂、手或手指）或被抓物體與外界的碰撞可能導(dǎo)致物體的滑落。這更有可能導(dǎo)致被抓物體的損耗，這是不能出現(xiàn)的情況。為了能夠避免物體在這種情況下的損失，就必須檢測出物體的滑落并迅速采取行動以穩(wěn)定物體的狀態(tài)。 為了驗證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ控制系統(tǒng)對這種干擾情況的處理能力，我們做了以下的實(shí)驗：物件被抓后，將手指的接觸力恒定減少直至物體開始滑落。在激光三角傳感器檢測滑落后，物體狀態(tài)控制器采取措施將物體重新調(diào)控到所期望的位置。圖14和圖15展示了此種實(shí)驗的一個例子。尤其是圖14，它顯示出物體滑落啟動的相當(dāng)突然且相當(dāng)快。但是物體狀態(tài)控制器也能夠足夠快地檢測和補(bǔ)償滑落，這樣物體的位置（這里：特別是X方向，就是滑落的方向）和物體的方向能夠與最開始的期望值很快地相符。 圖14.滑落實(shí)驗：X方向的實(shí)際物體 圖15.滑落實(shí)驗：關(guān)于Z軸的實(shí)際 位置 物體方向 5.2 重抓 雖然卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ非常的靈活，但是它不能在第一次操作中就能得到每一個理想的對象操縱。這源于這樣一個事實(shí)：手指相對于正常的工業(yè)機(jī)器人來說是十分小的，因此所具備的工作范圍也是很有限的。如果物體被手指抓住，那么它第一次只能在所有手指的剩余空間內(nèi)被操縱?？尚胁僮鞯臈l件是所有的接觸點(diǎn)必須長期地處在相聯(lián)手指的工作范圍內(nèi)。這很大地限制了操作的可行性。為了能夠克服此種限制，一個叫做重抓的操作就必須執(zhí)行。即當(dāng)一個接觸點(diǎn)到達(dá)了相聯(lián)手指的限制區(qū)域時，這個手指就必須從物體上脫離，并移到一個新的接觸位置。這必須是多于3個手指的手才能使操作可靠。周期性的移動這些手指，就能使任意的操作變得可行。關(guān)于此種操作有一個例子，就是在大角度旋轉(zhuǎn)被抓物體時，此時重抓動作很有必要。圖16顯示了卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ在旋轉(zhuǎn)一個螺帽狀物體時的一系列圖片。這個物體是繞它的垂直軸旋轉(zhuǎn)的。在a到c圖中所有的手指都跟物體接觸，并且四個手指相互協(xié)調(diào)運(yùn)動才使物體旋轉(zhuǎn)。圖d到圖f顯示了一個手指的的重抓動作。在d圖中這個手指已經(jīng)運(yùn)動到其工作范圍的極限位置，這時所有手指的協(xié)調(diào)運(yùn)動也被終止。左前方的手指脫離物體并單獨(dú)移動到另一個接觸點(diǎn)。在圖f中這個手指重新跟物體接觸，另一個手指此時可以重新定位（沒有顯示）。所有的手指重新定位之后，協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動繼續(xù)進(jìn)行。視具體情況而定，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ也可以同時進(jìn)行幾個手指的重抓動作。這可以加速重抓過程，但是只能是被抓物體與外界接觸的條件下才有可能。比如說螺絲釘上的螺帽或孔里的一掛鉤。圖17顯示了卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ?qū)⒁粋€木柱從一個平方的基座孔內(nèi)拉出來的一系列圖片。圖a到圖b顯示木柱被拉出一半，然后左手指和右手指在同一時刻脫離物體并重新定位（圖c到圖e）。那之后，前面與后面的手指也重新定位（圖f）。那之后，整個木柱被拉出，從而可進(jìn)行進(jìn)一步的操作（沒有顯示）。 圖16.利用重抓旋轉(zhuǎn)螺帽狀物體 圖17.利用重抓從孔中拉出木柱 6.結(jié)論 為了使機(jī)械手能夠完成靈活精確的操作，一合適的機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是必需的。這些介紹的標(biāo)準(zhǔn)是必需加以考慮的，正如文中所說。卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ表現(xiàn)的非常成功。這種機(jī)械手能夠抓取很大范圍的不同形狀、尺寸和重量的物體。被抓物體的姿態(tài)也能可靠地加以控制，即使在外部干擾的情況下。此外，由于此系統(tǒng)，復(fù)雜的精細(xì)操作（如重抓）也能實(shí)現(xiàn)。在人行機(jī)器人的特殊研究領(lǐng)域，基于一個不同的概念叫做流體化（圖2所示）的基礎(chǔ)上，小型機(jī)械手也具有擬人化和機(jī)械化。這概念是由卡爾斯魯厄研究中心的IAI所提出的。但是，這個控制軟件的主要結(jié)構(gòu)可經(jīng)過相應(yīng)修改而為此種小型機(jī)械手所用。 10