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南昌航空大學(xué)科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)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(guó)卡爾斯魯厄開(kāi)展的“人形機(jī)器人”特別研究，是為了開(kāi)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(dòng)的機(jī)器人系統(tǒng)。設(shè)計(jì)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(shí)，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(guò)一個(gè)適應(yīng)性極強(qiáng)的機(jī)械人手抓系統(tǒng)來(lái)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(xiàng)目，就是要制造一個(gè)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(gè)新手將由兩個(gè)機(jī)構(gòu)合作制造，它們是卡爾斯魯厄大學(xué)的IPR（過(guò)程控制和機(jī)器人技術(shù)研究院）和c（計(jì)算機(jī)應(yīng)用科學(xué)研究院）。這兩個(gè)組織都有制造此種系統(tǒng)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，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(gè)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(kāi)發(fā)的流體手 2. 機(jī)器人手的一般結(jié)構(gòu) 一個(gè)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(jì)、驅(qū)動(dòng)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(duì)這兩大子系統(tǒng)的問(wèn)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(gè)手看起來(lái)如何以及由什么元件組成。它決定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、手指的數(shù)量及使用的材料。此外，還確定驅(qū)動(dòng)器（如電動(dòng)機(jī)）、傳感器（如位置編碼器）的位置。 3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將對(duì)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(duì)被抓物體進(jìn)行何種操作。設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人手的時(shí)候，必須確定三個(gè)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(gè)自由度（3個(gè)平移和3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度），每個(gè)手指必須具備3個(gè)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(guò)。但是，為了能夠重抓一個(gè)物件而無(wú)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(gè)手指不同的尺寸和不對(duì)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?yàn)槊總€(gè)手指都必須分別加以控制。對(duì)于相同手指的對(duì)稱布置，常采用非擬人化方法。因?yàn)橹恍杓庸ず蜆?gòu)建單一的“手指模塊”，因此可減少加工費(fèi)用，同時(shí)也可是控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化。 3.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 指關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器對(duì)手的靈活度也有很大的影響，因?yàn)樗鼪Q定潛在的力量、精度及關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的速度。機(jī)械運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)方面需加以考慮：運(yùn)動(dòng)來(lái)源和運(yùn)動(dòng)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(shuō)可由液壓缸或氣壓缸產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，或者，正如大部分情況一樣使用電動(dòng)機(jī)。在多數(shù)情況下，運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(gè)運(yùn)動(dòng)必須由驅(qū)動(dòng)器（一般位于機(jī)器臂最后的連接點(diǎn)處）轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)。有幾種不同的方法可實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動(dòng)方式，如使用鍵、傳動(dòng)帶以及活動(dòng)軸。使用這種間接驅(qū)動(dòng)指關(guān)節(jié)的方法，或多或少地降低了整個(gè)系統(tǒng)的強(qiáng)度和精度，同時(shí)也使控制系統(tǒng)復(fù)雜化，因?yàn)槊扛种傅牟煌P(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(dòng)驅(qū)動(dòng)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(duì)手指或被抓物體建立一個(gè)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(huì)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(jué)信息可在抓取過(guò)程中及時(shí)確定與物體第一次接觸的位置點(diǎn)，同時(shí)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(jué)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(cè)是否滑落。 根據(jù)不同的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有關(guān)指關(guān)節(jié)位置的幾何信息可以在運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器或直接在關(guān)節(jié)處出測(cè)量。例如，如在電動(dòng)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(gè)角度編碼器（在齒輪前或齒輪后）來(lái)測(cè)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(gè)相互獨(dú)立的關(guān)節(jié)組成。設(shè)計(jì)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(gè)相同手指，將它們作對(duì)稱、非擬人化配置，且每個(gè)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(jì)中得到的經(jīng)驗(yàn)，比如因傳動(dòng)帶而導(dǎo)致的機(jī)械問(wèn)題以及較大摩擦因數(shù)導(dǎo)致的控制問(wèn)題，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ采用了一些不同的設(shè)計(jì)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(dòng)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(shí)可作為一個(gè)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(gè)六維力扭矩傳感器（圖6所示）。這個(gè)傳感器可當(dāng)作手指末端肢體使用，且配有一個(gè)球形指尖。它可以抓取較輕的物體，同時(shí)也能抓取3-5kg相近的較重物體。此傳感器能測(cè)量X、Y和Z方向的力及繞相關(guān)軸的力矩。另外，3個(gè)共線的激光三角測(cè)量傳感器被安置在KDHⅡ的手掌上（圖5所示）。因?yàn)橛?個(gè)這樣的傳感器，因此不僅可以測(cè)量3單點(diǎn)之間的距離，如果知道物體的形狀，還能測(cè)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(cè)和避免物體的滑落。 圖5. KDHⅡ的側(cè)視圖 圖6. 帶應(yīng)變計(jì)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(jì)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(gè)的條件： 1. 必須要有足夠的輸入輸出端口。例如，一具有9個(gè)自由度的低級(jí)手，其驅(qū)動(dòng)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(gè)手指上的力傳感器、觸覺(jué)傳感器及物體狀態(tài)傳感器的話，則端口數(shù)量將增加號(hào)幾倍。 2. 需具備對(duì)外部事件快速實(shí)時(shí)反應(yīng)的能力。例如，當(dāng)檢測(cè)到物體滑落時(shí)，能立即采取相應(yīng)的措施。 3. 需具備較高的計(jì)算能力以應(yīng)對(duì)一些不同的任務(wù)。如可以對(duì)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(dòng)器及傳感器之間必須要電氣短接。特別是對(duì)傳感器來(lái)說(shuō)，若沒(méi)有的話，很多的干擾信號(hào)將會(huì)干擾傳感器信號(hào)。 4.1 控制硬件 為了應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的要求，控制硬件一般分布在幾個(gè)專門(mén)的處理器中。如可通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)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(jì)算能力，且需要一個(gè)靈活實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持。這可以通過(guò)PC機(jī)輕易地解決。 因此，控制硬件常由一個(gè)非均勻的分布式計(jì)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(gè)功能強(qiáng)大的處理器。不同的計(jì)算單元?jiǎng)t通過(guò)一個(gè)通信系統(tǒng)連接起來(lái)，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(duì)要對(duì)手指進(jìn)行實(shí)時(shí)及平行控制，同時(shí)還要計(jì)劃手指和物體的新的軌跡。因此，為了減少問(wèn)題的復(fù)雜性，就有必要將此問(wèn)題分成幾個(gè)子問(wèn)題來(lái)處理。 另一方面涉及軟件的開(kāi)發(fā)。機(jī)器人手其實(shí)是一個(gè)研究項(xiàng)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(gè)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(guò)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(shuō)，對(duì)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(gè)微控制器分別控制一個(gè)手指的驅(qū)動(dòng)器和傳感器，另外一個(gè)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(dòng)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(jì)算機(jī)連在一起的。這個(gè)主控計(jì)算機(jī)（圖7、圖8中的灰色方塊）是由六臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)組成的一個(gè)并行計(jì)算機(jī)。這些電腦都被排列在一個(gè)二維平面。相鄰電腦模塊（一臺(tái)電腦最多有8個(gè)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(tái)電腦用于控制一個(gè)手指。另一臺(tái)用于控制物體狀態(tài)傳感器及計(jì)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?chē)?。這些電腦用于協(xié)調(diào)整個(gè)控制系統(tǒng)?？刂栖浖慕Y(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(jì)算機(jī) 一個(gè)關(guān)于此手控制系統(tǒng)的三個(gè)最高層次的網(wǎng)上計(jì)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(dòng)計(jì)劃，就可以由手指路徑規(guī)劃得出每個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)軌跡，并傳遞給系統(tǒng)的實(shí)時(shí)能力部分。如果一個(gè)物體被抓取了，那么其手指的運(yùn)動(dòng)路徑就傳遞給了物體的狀態(tài)控制器。這個(gè)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(gè)手指沒(méi)有跟物體接觸，那么它的移動(dòng)路徑將會(huì)直接傳遞給手控制器。這個(gè)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(dòng)。這些在手指?jìng)鞲衅鞯膸椭掠址催^(guò)來(lái)驅(qū)動(dòng)手指驅(qū)動(dòng)器。 圖9. KDHⅡ的手部控制系統(tǒng) 5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 為了驗(yàn)證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的能力，我們選擇了兩個(gè)要求操作問(wèn)題。一個(gè)問(wèn)題是在網(wǎng)上對(duì)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(gè)問(wèn)題是被抓物體必須能夠繞任意角度旋轉(zhuǎn)，這只能通過(guò)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(gè)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(shí)條件通過(guò)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(dòng)過(guò)程中，球形指尖在被抓物體上的滾動(dòng)。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(dòng)和傾斜。這些錯(cuò)誤的物體姿勢(shì)很難預(yù)先估計(jì)。因此，物體狀態(tài)傳感器的輸入必須要修改這些錯(cuò)誤。對(duì)于卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ來(lái)說(shuō)，其上的三個(gè)激光三角傳感器就是用來(lái)糾正此種錯(cuò)誤的。圖12定量地說(shuō)明了圖9中物體在沒(méi)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(shí)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?yàn)閱⒂昧宋矬w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(dòng)產(chǎn)生的額外位移 圖12.沒(méi)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(dòng)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(duì)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(cè)出物體的滑落并迅速采取行動(dòng)以穩(wěn)定物體的狀態(tài)。 為了驗(yàn)證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ控制系統(tǒng)對(duì)這種干擾情況的處理能力，我們做了以下的實(shí)驗(yàn)：物件被抓后，將手指的接觸力恒定減少直至物體開(kāi)始滑落。在激光三角傳感器檢測(cè)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(yàn)的一個(gè)例子。尤其是圖14，它顯示出物體滑落啟動(dòng)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(cè)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(kāi)始的期望值很快地相符。 圖14.滑落實(shí)驗(yàn)：X方向的實(shí)際物體 圖15.滑落實(shí)驗(yàn)：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(gè)理想的對(duì)象操縱。這源于這樣一個(gè)事實(shí)：手指相對(duì)于正常的工業(yè)機(jī)器人來(lái)說(shuō)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(zhǎng)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(gè)叫做重抓的操作就必須執(zhí)行。即當(dāng)一個(gè)接觸點(diǎn)到達(dá)了相聯(lián)手指的限制區(qū)域時(shí)，這個(gè)手指就必須從物體上脫離，并移到一個(gè)新的接觸位置。這必須是多于3個(gè)手指的手才能使操作可靠。周期性的移動(dòng)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(gè)例子，就是在大角度旋轉(zhuǎn)被抓物體時(shí)，此時(shí)重抓動(dòng)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(gè)螺帽狀物體時(shí)的一系列圖片。這個(gè)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(gè)手指相互協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)才使物體旋轉(zhuǎn)。圖d到圖f顯示了一個(gè)手指的的重抓動(dòng)作。在d圖中這個(gè)手指已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到其工作范圍的極限位置，這時(shí)所有手指的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)也被終止。左前方的手指脫離物體并單獨(dú)移動(dòng)到另一個(gè)接觸點(diǎn)。在圖f中這個(gè)手指重新跟物體接觸，另一個(gè)手指此時(shí)可以重新定位（沒(méi)有顯示）。所有的手指重新定位之后，協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(shí)進(jìn)行幾個(gè)手指的重抓動(dòng)作。這可以加速重抓過(guò)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(shuō)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€(gè)木柱從一個(gè)平方的基座孔內(nèi)拉出來(lái)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(shí)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(gè)木柱被拉出，從而可進(jìn)行進(jìn)一步的操作（沒(méi)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(shuō)。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(gè)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(gè)控制軟件的主要結(jié)構(gòu)可經(jīng)過(guò)相應(yīng)修改而為此種小型機(jī)械手所用。 10 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文翻譯 題目 平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真 專 業(yè) 名 稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 078105107 學(xué) 生 姓 名 季壯壯 指 導(dǎo) 教 師 許瑛 填 表 日 期 2011 年 3 月 1 日 江西農(nóng)業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 設(shè)計(jì) 課題名稱 油茶采摘機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 繆偉 院（系） 工學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師 饒洪輝 職 稱 講師 學(xué) 歷 博士 畢業(yè)設(shè)計(jì)要求： 要求其總體長(zhǎng)度、高度均不超過(guò)1.2米；熟練掌握AutoCAD和Pro/E繪圖，對(duì)機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)及機(jī)電一體化有一定的理解和認(rèn)識(shí)；完成一份4000字以上的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)和達(dá)到1.5倍A0圖紙量。 畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容與技術(shù)參數(shù)： 本課題運(yùn)用制圖軟件對(duì)機(jī)械手采摘油茶進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。包括：旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，蝸輪蝸桿減速裝置，直齒減速裝置；升降機(jī)構(gòu)，氣壓缸升降裝置；擺臂機(jī)構(gòu)，氣壓裝置和四桿裝置；手抓機(jī)構(gòu)，滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)裝置，手抓抓緊放開(kāi)裝置，手抓自轉(zhuǎn)裝置；PLC程控系統(tǒng)，繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，主電路，PLC外部接線，梯形圖，指令語(yǔ)句表。用AutoCAD繪制機(jī)構(gòu)的二維圖形，用Pro/E繪制機(jī)構(gòu)的三維造型。 畢業(yè)設(shè)計(jì)工作計(jì)劃： 2009-01-15—2009-03-15：課題準(zhǔn)備階段，了解課題的內(nèi)容，初步定出解決方案； 2009-03-16—2009-03-31：熟悉系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件，及機(jī)械手采摘油茶的設(shè)計(jì)原理； 2009-04-15—2009-04-30：用AutoCAD設(shè)計(jì)機(jī)械手采摘油茶的機(jī)構(gòu)圖； 2009-05-01—2009-05-15：用Pro/E進(jìn)行機(jī)構(gòu)的三維造型； 2009-05-16—2009-05-15：撰寫(xiě)畢業(yè)論文； 2009-05-15—2009-05-22：制作PPT文檔，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。 接受任務(wù)日期 年 月 日 要求完成日期 年 月 日 學(xué) 生 簽 名 年 月 日 指導(dǎo)教師簽名 年 月 日 院長(zhǎng)（主任）簽名 年 月 日 油茶采摘機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué)校代碼：10410 序 號(hào)：20050386 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題目： 油茶采摘機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 工學(xué)院 姓 名： 繆偉 學(xué) 號(hào)： 20050386 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 年 級(jí)： 機(jī)制051 指導(dǎo)教師： 饒洪輝 二00九 年 五 月 油茶采摘機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘 要 本課題運(yùn)用制圖軟件對(duì)機(jī)械手采摘油茶進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。包括：旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，蝸輪蝸桿減速裝置，直齒減速裝置；升降機(jī)構(gòu)，氣壓缸升降裝置；擺臂機(jī)構(gòu)，氣壓裝置和四桿裝置；手抓機(jī)構(gòu)，滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)裝置，手抓抓緊放開(kāi)裝置，手抓自轉(zhuǎn)裝置；PLC程控系統(tǒng)，繼電器-接觸器控制系統(tǒng)，主電路，PLC外部接線，梯形圖，指令語(yǔ)句表。用AutoCAD繪制機(jī)構(gòu)的二維圖形，用Pro/E繪制機(jī)構(gòu)的三維造型。熟練掌握AutoCAD和Pro/E繪圖，對(duì)機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)及機(jī)電一體化有較深入的理解和認(rèn)識(shí)。 關(guān)鍵詞：油茶采摘、機(jī)械手、PLC程序控制系統(tǒng) Abstract This subject uses the software of making maps to pluck the tea-oil camellia and design the organization to the manipulator. Including the rotate organization, the worm gear worm decelerating device,the spur gear decelerating device;the hoist or lower organization, the barometric pressure cylinder hoists or lower device; the wave arm organization, atmospheric pressure device and four device ,the skids screw gearing,the hold organization , the slip spiral transmission device, the holding and unlock device, hold the rotation device ; PLC programme-controlled system, the relay - contact device control system.Main circuit, PLC exterior wiring, trapezoidal chart, instruction sentence table.Draw the two-dimentional figures of the organization with AutoCAD, draw the three-dimensional model of the organization with Pro/E. Grasp AutoCAD and Pro/E drawing skillfully, integrate deeper understanding and know to mechanism, machine design and integration of machinery. Key words:The tea-oil tree picks, the manipulator, the PLC procedure control system 目 錄 摘 要 Abstract 一、前 言 １ 二、油茶采摘機(jī)械手原理圖 ２ 三、油茶采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)與選型 ４ 3.1、電動(dòng)機(jī)的選型 ４ 3.2、旋 轉(zhuǎn) 減 速 機(jī) 構(gòu) ５ 3.2.1、第一級(jí)蝸輪蝸桿減速裝置 ５ 3.2.2、第二級(jí)蝸輪蝸桿減速裝置 ７ 3.2.3、直齒減速裝置 ８ 3.2.4、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速 ９ 3.3、氣 壓 升 降、擺 臂 機(jī) 構(gòu) ９ 3.3.1氣壓升降裝置 １０ 3.3.2氣壓擺臂裝置 １０ 3.4、手 抓 機(jī) 構(gòu) １０ 3.4.1、滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)裝置 １０ 3.4.2、手抓工作裝置 １１ 四、油茶采摘機(jī)械手的PLC程序控制系統(tǒng) １２ 4.1、主電路 １２ 4.2、PLC外部接線 １３ 4.3、梯形圖 １４ 4.4、指令語(yǔ)句表 １５ 參 考 文 獻(xiàn) １６ 致 謝 １７ 一、前 言 1.1、油茶采摘機(jī)械手的作用 采用人工油茶采摘，消耗的人力、時(shí)間比較大，采摘效率低，并且某些油茶難以采摘或采摘不到，對(duì)人體安全具有一定的威脅。采用油茶采摘機(jī)械手，可通過(guò)智能移動(dòng)平臺(tái)，通過(guò)攝像頭、傳感器捕捉油茶，可實(shí)現(xiàn)持續(xù)的、高效率的、安全的作業(yè)。 1.2、機(jī)器人技術(shù) 機(jī)器人技術(shù)是集計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制工程、人工智能、傳感器技術(shù)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械工程學(xué)等學(xué)科為一體的一門(mén)綜合技術(shù)。機(jī)器人是一種知識(shí)密集、技術(shù)密集的機(jī)電一體化的高技術(shù)產(chǎn)品。機(jī)器人在生產(chǎn)中的應(yīng)用，對(duì)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、提高產(chǎn)品質(zhì)量、改善勞動(dòng)條件、提高企業(yè)的應(yīng)變能力、促進(jìn)新產(chǎn)業(yè)的建立和發(fā)展、改變勞動(dòng)結(jié)構(gòu)以及促進(jìn)相關(guān)學(xué)科的技術(shù)進(jìn)步，均發(fā)揮了重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。因此世界各國(guó)都很重視機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展和機(jī)器人在生產(chǎn)中的運(yùn)用。 1.3、機(jī)械手的廣泛應(yīng)用 機(jī)床加工工件的裝卸，特別是在自動(dòng)化車(chē)床、組合機(jī)床上使用較為普遍；在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來(lái)裝配印制電路板，在機(jī)械行業(yè)中它可以用來(lái)組裝零部件；可在勞動(dòng)條件差，單調(diào)重復(fù)易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動(dòng)；可在危險(xiǎn)場(chǎng)合下工作，如軍工品的裝卸、危險(xiǎn)品及有害物的搬運(yùn)等；宇宙及海洋的開(kāi)發(fā)，軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗(yàn)。 二、油茶采摘機(jī)械手原理圖 本機(jī)械手工作原理：底盤(pán)通過(guò)蝸輪蝸桿二級(jí)減速、圓柱直齒減速獲得轉(zhuǎn)速為4.35o/s，運(yùn)用兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)控制機(jī)械手左右擺動(dòng)120o的扇形區(qū)域內(nèi)；手臂升降通過(guò)氣缸行程為374mm，經(jīng)滑塊導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)；擺臂通過(guò)氣缸行程為128mm，經(jīng)過(guò)四桿裝置實(shí)現(xiàn)沿水平上下擺幅為30o的運(yùn)動(dòng)；手抓抓緊、放開(kāi)通過(guò)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)間為t=4s，經(jīng)滑動(dòng)螺母實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的夾緊、放松，并通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)內(nèi)手抓自轉(zhuǎn)達(dá)到脫落目標(biāo)的目的。 機(jī)械手總裝 機(jī)器人末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)器人手腕上用于進(jìn)行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機(jī)器人末端執(zhí)行器種類很多，以適應(yīng)機(jī)器人的不同作業(yè)及操作要求。 機(jī)器人可通過(guò)PLC可編程的控制去完成某些操作和移動(dòng)作業(yè)的機(jī)器人。人們力圖把這種機(jī)器人設(shè)計(jì)成具有仿人或動(dòng)物的某些局部功能，并使這些功能擴(kuò)大和延伸以代替人去工作。 本手抓機(jī)構(gòu)采用概念設(shè)計(jì)方式，其經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、可行性有待進(jìn)一步優(yōu)化、改進(jìn)設(shè)計(jì)。手抓夾緊裝置可運(yùn)用現(xiàn)在傳感器技術(shù)，對(duì)目標(biāo)實(shí)施的夾緊力控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，使夾緊力既不過(guò)小而不能起到夾緊的作用，也不過(guò)大而破壞目標(biāo)的不良結(jié)果。 三、油茶采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)與選型 3.1、電動(dòng)機(jī)的選型 SL系列交流伺服電動(dòng)機(jī)型號(hào)和主要技術(shù)數(shù)據(jù) 型號(hào) 勵(lì)磁電壓V 控制電壓V 頻率 Hz 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩N·m 空載轉(zhuǎn)速r/min 輸出功率W 機(jī)電時(shí)間常數(shù)m·s 外形尺寸 mm 總長(zhǎng) 機(jī)殼外徑 軸徑 36SL5E2 36 36/18 50 110 2700 1 8 62 36 4 90SL55 220 220 50 3000 2700 25 30 140 90 14 3.1.1、36SL5E2伺服電動(dòng)機(jī) 3.1.2、90SL55伺服電動(dòng)機(jī) 交流伺服電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是非線性的；不需要電刷和換向器，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、沒(méi)有無(wú)線電干擾等優(yōu)點(diǎn)。 SL系列交流伺服電動(dòng)機(jī)是由籠子轉(zhuǎn)子和隱極式定子兩部分組成。定子槽內(nèi)嵌以二相繞組，一相為勵(lì)磁繞組，一相為控制繞組，控制繞組分為兩半，分別引出四根線，可接成串聯(lián)或并聯(lián)，以適用于兩種電壓。 BF系列反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)和主要技術(shù)數(shù)據(jù) 型號(hào) 相數(shù) 步距 （o） 電壓 V 靜態(tài) 電流 A 額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩μN(yùn)·m 靜態(tài)力矩μN(yùn)·m 空載起動(dòng)頻率步/s 額定負(fù)載起動(dòng)頻率 步/s 外形尺寸 mm 總長(zhǎng) 機(jī)殼外徑 軸徑 70BF1-3 3 3/1.5 27 3 1000 --- --- 1000 112 70 8 3.1.3、70BF1-3步進(jìn)電動(dòng)機(jī) BF系列步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它是將脈沖指令轉(zhuǎn)換為角位移或轉(zhuǎn)速的控制電動(dòng)機(jī)，其角位移與脈沖數(shù)量嚴(yán)格成正比，改變脈沖頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)速。它具有定位精度高，同步運(yùn)行特性好，調(diào)速范圍寬、能快速起動(dòng)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)等特點(diǎn)。廣泛用于開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)作執(zhí)行元件和驅(qū)動(dòng)元件。 3.2、旋 轉(zhuǎn) 減 速 機(jī) 構(gòu) 蝸桿傳動(dòng)用于交錯(cuò)軸間傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力。通常，交錯(cuò)角Σ=90o.它的主要優(yōu)點(diǎn)：傳動(dòng)比大，工作較平穩(wěn)，噪音低，結(jié)構(gòu)緊湊，可以自鎖。主要缺點(diǎn)：少頭數(shù)的蝸桿傳動(dòng)效率較低，常需要貴重的減摩性有色金屬。 根據(jù)課題需要選擇傳動(dòng)比較大的蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)比大時(shí)及要求自鎖的傳動(dòng)，取z=1。蝸輪的齒數(shù)z一般取z=27～80。過(guò)少的z蝸輪齒將產(chǎn)生根切；z>80時(shí)，會(huì)導(dǎo)致模數(shù)過(guò)小而削弱輪齒的彎曲強(qiáng)度或使蝸桿軸剛度降低。 阿基米德圓柱蝸桿加工方便，應(yīng)用較廣泛，但導(dǎo)程角γ大時(shí)加工困難。傳動(dòng)效率較低（η=0.5～0.8），齒面磨損較快。因此，一般用于頭數(shù)較少，載荷較小，低速或不太重要的傳動(dòng)。 3.2.1、第一級(jí)蝸輪蝸桿減速裝置： 表—普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的參數(shù)匹配 公稱傳動(dòng)比 參數(shù) 中心距 a mm 40 40 z/z 38/1 m 1.6 d 20 x -0.25 50 z/z 49/1 m 1.25 d 20 x -0.5 第一級(jí)蝸輪蝸桿公稱傳動(dòng)比取40，蝸桿頭數(shù)取z=1,中心距a取a=40mm。由表—普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的參數(shù)匹配，有z/z=38/1,蝸輪齒數(shù)z=38,模數(shù)m=1.6,蝸桿分度圓直徑d=20mm,蝸輪變位系數(shù)x=-0.25 在蝸桿的軸平面內(nèi)基準(zhǔn)齒廓、齒形角的尺寸參數(shù)為： 齒頂高 h=m=1.6mm, 工作齒高 h=2m=2×1.6=3.2mm, 軸向齒距 p=πm=3.14×1.6=5.024mm, 頂隙 c=0.2m=0.2×1.6=0.32mm, 齒根圓角 p=0.3m=0.3×1.6=0.48mm, 阿基米德蝸桿，軸向齒形角a=20o， 傳動(dòng)系統(tǒng)中，取γ=25o， 蝸桿齒頂圓直徑 d=d+2hm=20+2×1×1.6=23.2mm, 蝸桿齒根圓直徑 d=d－2m(h+c)=20－2×1.6×(1+0.2)=16.16mm, 蝸桿寬度 b(11+0.06z)m=(11+0.06×38)×1.6=21.248mm,取b=22mm, 蝸輪分度圓直徑 d=mz=1.6×38=60.8mm, 蝸輪喉圓直徑 d=d+2h=d+2m(h+x)=60.8+2×1.6×(1－0.25)=63.2mm, 蝸輪齒根圓直徑 d=d－2h=d－2m(h－x+c) =60.8－2×1.6×(1+0.25+0.2)=56.16mm, 蝸輪外圓直徑 dd+2m=63.2+2×1.6=66.4mm,取d=66mm, 蝸輪寬度 b0.75d=0.75×23.2=17.4mm,取b=17mm, 蝸輪齒頂圓弧半徑 R=0.5d－m=0.5×20－1.6=8.4mm, 蝸輪齒根圓弧半徑 R=0.5d+cm=0.5×23.2+0.2×1.6=11.92mm。 3.2.1、第一級(jí)蝸輪蝸桿減速裝置 3.2.2、第二級(jí)蝸輪蝸桿減速裝置 3.2.2、第二級(jí)蝸輪蝸桿減速裝置 第二級(jí)蝸輪蝸桿公稱傳動(dòng)比取50，蝸桿頭數(shù)取z=1,中心距a取a=40mm。由表—普通圓柱蝸桿傳動(dòng)的參數(shù)匹配，有z/z=49/1,蝸輪齒數(shù)z=49,模數(shù)m=1.25,蝸桿分度圓直徑d=20mm,蝸輪變位系數(shù)x=-0.5 在蝸桿的軸平面內(nèi)基準(zhǔn)齒廓、齒形角的尺寸參數(shù)為： 齒頂高 h=m=1.25mm, 工作齒高 h=2m=2×1.25=2.5mm, 軸向齒距 p=πm=3.14×1.25=3.925mm, 頂隙 c=0.2m=0.2×1.25=0.25mm, 齒根圓角 p=0.3m=0.3×1.25=0.375mm, 阿基米德蝸桿，軸向齒形角a=20o， 傳動(dòng)系統(tǒng)中，取γ=25o， 蝸桿齒頂圓直徑 d=d+2hm=20+2×1×1.25=22.5mm, 蝸桿齒根圓直徑 d=d－2m(h+c)=20－2×1.25×(1+0.2)=17mm, 蝸桿寬度 b(8+0.06z)m=(8+0.06×49)×1.25=13.675mm,取b=14mm, 蝸輪分度圓直徑 d=mz=1.25×49=61.25mm, 蝸輪喉圓直徑 d=d+2h=d+2m(h+x)=61.25+2×1.25×(1－0.5)=62.5mm, 蝸輪齒根圓直徑 d=d－2h=d－2m(h－x+c) =61.25－2×1.25×(1+0.5+0.2)=57mm, 蝸輪外圓直徑 dd+2m=62.5+2×1.25=65mm,取d=65mm, 蝸輪寬度 b0.75d=0.75×22.5=16.875mm,取b=16.5mm, 蝸輪齒頂圓弧半徑 R=0.5d－m=0.5×20－1.25=8.75mm, 蝸輪齒根圓弧半徑 R=0.5d+cm=0.5×22.5+0.2×1.25=11.5mm。 3.2.3、直齒減速裝置 3.2.3、直齒減速裝置 主動(dòng)直齒輪寬度 b=16mm, 從動(dòng)直齒輪寬度 b=16mm, 主動(dòng)直齒輪齒數(shù) z=36, 從動(dòng)直齒輪齒數(shù) z=72, 主動(dòng)直齒輪分度圓直徑 d=20mm, 從動(dòng)直齒輪分度圓直徑 d=40mm. 3.2.4、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速 旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速n=n·λ·λ·λ=n··· =2700××360×××=4.35o/s 3.2.4、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)部裝 3.3、氣 壓 升 降、擺 臂 機(jī) 構(gòu) 氣動(dòng)系統(tǒng)由氣壓發(fā)生裝置、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件四部分組成。 氣壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：以空氣為工作介質(zhì)，工作介質(zhì)獲得比較容易，用后的空氣排到大氣中，處理方便；便于集中供氣、遠(yuǎn)距離輸送；動(dòng)作迅速、反應(yīng)快、維護(hù)簡(jiǎn)單、工作介質(zhì)清潔，不存在介質(zhì)變質(zhì)等問(wèn)題；工作環(huán)境適應(yīng)性好；成本低、過(guò)載能自動(dòng)保護(hù)。 氣缸是執(zhí)行元件之一。氣缸是將壓縮空氣的能量轉(zhuǎn)換成直線往返運(yùn)動(dòng)形式機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置。 3.3、氣缸裝置 3.3.1氣壓升降裝置 氣壓升降裝置氣缸的行程s=374mm,通過(guò)滑塊固定導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的升降運(yùn)動(dòng)3.3.2氣壓擺臂裝置 氣壓擺臂裝置通過(guò)氣缸行程為s=128mm,實(shí)現(xiàn)手臂沿水平線上下擺動(dòng)30o的運(yùn)動(dòng)。 3.4、手 抓 機(jī) 構(gòu) 3.4.1、滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)裝置 3.4.1、滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)裝置 螺旋傳動(dòng)主要是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)進(jìn)行能量和力的傳遞，或者調(diào)整零件的相互位置。也有將直線運(yùn)動(dòng)變成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的。 根據(jù)手抓機(jī)構(gòu)要求，運(yùn)用傳力螺旋和傳動(dòng)螺旋的梯形螺紋。梯形螺紋牙形角a=30o,螺紋副的大經(jīng)和小徑處有相等的徑向間隙。牙根強(qiáng)度高，螺紋的工藝性好（可以用高生產(chǎn)率的方法制造）；內(nèi)外螺紋以錐面貼合，對(duì)中性好，不易松動(dòng)；采用剖分式螺母，可以調(diào)整和消除間隙；但其效率較低。 螺紋中經(jīng) d=14.4mm, 螺紋外徑 d=16mm, 牙形角 a=30o, 螺距 p=3.2mm, 螺紋的工作高度 h=0.5p=0.5×3.2=1.6mm, 螺紋牙低寬度 b=0.65p=0.65×3.2=2.08mm, 整體式螺母的高度 H=ψ·d=2.5×14.4=36mm, 由驗(yàn)算 z===11.2510～12 符合要求。 選取步進(jìn)電機(jī)70BF1-3步距為1.5o， 初選螺母滑塊移動(dòng)距離 s=54mm,則手抓鎖緊、放開(kāi)時(shí)間 t=××=4.05s 最后選取手抓鎖緊、放開(kāi)時(shí)間t=4s,則螺母滑塊移動(dòng)距離s=53.3mm. 3.4.2、手抓工作裝置 手抓工作原理步驟：起動(dòng)70BF1-3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，滑塊在絲桿經(jīng)導(dǎo)桿自由滑動(dòng)；內(nèi)手抓鈑金片通過(guò)滑塊圓柱臺(tái)階推動(dòng)快速夾緊油茶，隨后外手抓鈑金片通過(guò)滑塊錐形軌跡夾緊油茶枝條，通過(guò)時(shí)間繼電器經(jīng)過(guò)t=4s步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停止；夾緊后內(nèi)手抓裝置通過(guò)36SL5E2伺服電動(dòng)機(jī)自轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)在油茶枝條固定的同時(shí)油茶自轉(zhuǎn)脫落的功能。 3.4.2、手抓結(jié)構(gòu)裝置 四、油茶采摘機(jī)械手的PLC程序控制系統(tǒng) 可編程序控制器PC（Programmable Controller）又稱可編程邏輯控制器。 PLC（Programmable Logical Controller),是微機(jī)技術(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是在順序控制器和微機(jī)控制器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型控制器，是一種以微機(jī)處理器為核心用作數(shù)字控制的專用計(jì)算機(jī)。 4.1、主電路 PLC現(xiàn)已成為現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT)之一，以其可靠性高、邏輯功能強(qiáng)、體積小、可在線修改控制程序、具有遠(yuǎn)程通信聯(lián)網(wǎng)功能、易于與計(jì)算機(jī)接口、能對(duì)模擬量進(jìn)行控制、具備高速計(jì)數(shù)與位控等高性能模塊等優(yōu)異性能，日益取代由大量中間繼電器、時(shí)間繼電器、計(jì)數(shù)繼電器等組成的傳統(tǒng)繼電-接觸控制系統(tǒng)，在機(jī)械、化工、石油、冶金、電力、輕工、電子、紡織、食品、交通等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。PLC的應(yīng)用深度和廣度已經(jīng)成為一個(gè)國(guó)家工業(yè)先進(jìn)水平的重要標(biāo)志之一。 4.2、PLC外部接線 4.3、梯形圖 4.4、指令語(yǔ)句表 參 考 文 獻(xiàn) 【1】、徐灝主編，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992 【2】、楊明忠、朱家誠(chéng)主編，機(jī)械設(shè)計(jì)，武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2001 【3】、曾志新、呂明主編，機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)，武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2004 【4】、陳奎生主編，液壓與氣壓傳動(dòng)，武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2001 【5】、鄭文緯、吳克堅(jiān)主編，機(jī)械原理，北京：高等教育出版社，1997 【6】、劉鴻文主編，材料力學(xué)，北京：高等教育出版社，2004 【7】、哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室編，理論力學(xué)，北京：高等教育出版社，2008 【8】、秦曾煌主編，電工學(xué)，北京，高等教育出版社，2004 【9】、曾光奇、胡均安主編，工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)，武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002 【10】、楊叔子、楊克沖等編著，機(jī)械工程控制基礎(chǔ)，武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002 【11】、鄧星鐘主編，機(jī)電傳動(dòng)控制，武漢：華中科技大學(xué)出版社，2000 【12】、丁玉蘭主編，人機(jī)工程學(xué)，北京：北京理工大學(xué)出版社，2007 【13】、陳立德主編，機(jī)械專業(yè)英語(yǔ)，上海：上海交通大學(xué)出版社，2001 【14】、于永泗、齊民主編，機(jī)械工程材料，大連：大連理工大學(xué)出版社，2007 【15】、余桂英、郭紀(jì)林主編，AutoCAD2006中文版實(shí)用教程，大連：大連理工大學(xué)出版社，2006 【16】、邵立新、夏素民、孫江宏等編著，Pro/ENGINEER Wildfire 3.0中文版標(biāo)準(zhǔn)教程，北京：清華大學(xué)出版社，2007 致 謝 　 轉(zhuǎn)眼間，我已經(jīng)在美麗的江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院度過(guò)了四個(gè)年頭。四年，這是我人生中非常重要的四年。給我留下了大學(xué)生活的美好回憶，留下了一筆無(wú)形的巨大的知識(shí)財(cái)富。這必將對(duì)我今后的學(xué)習(xí)、工作、生活產(chǎn)生積極、長(zhǎng)足的幫助。感謝江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院四年來(lái)的培養(yǎng)，在此，我真誠(chéng)地向我尊敬的老師們和母校表達(dá)我深深的謝意！ 畢業(yè)設(shè)計(jì)是在我的導(dǎo)師饒洪輝老師的多次指導(dǎo)下完成的。從畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題、構(gòu)思、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到論文寫(xiě)作的過(guò)程中，饒洪輝老師多次與我深入細(xì)致地探討，并給我提出切實(shí)可行的指導(dǎo)性建議。饒老師的高深精湛的造詣與嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)精神將永遠(yuǎn)激勵(lì)著我。在此，請(qǐng)?jiān)试S我向尊敬的饒洪輝老師表示真摯的謝意！ 在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，也得到了許多同學(xué)的寶貴建議，同時(shí)還得到許多社會(huì)人士的支持和幫助，在此一并致以誠(chéng)摯的謝意。 最后，向在百忙中抽出時(shí)間對(duì)此畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)審并提出寶貴意見(jiàn)的各位老師表示衷心地感謝！ 衷心祝愿母校江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院的明天更加美好！自 畢業(yè)論文 １８