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混合位置/力控制 SCORBOT-ER4支機(jī)械手 與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性補(bǔ)償 Piotr Gierlak 熱舒夫科技大學(xué)， 應(yīng)用力學(xué)與機(jī)器人系 8 Powsta'nc'ow Warszawy街，波蘭，35-959 Rzesz'ow pgierlak@prz.edu.pl 摘要。機(jī)械手的混合位置/力控制的問題，機(jī)械手是不平凡的，因?yàn)槭且粋€(gè)非線性的對象，其參數(shù)可能是未知的，變量和工作條件多變。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，使機(jī)械手的行為正確，即使在控制對象的數(shù)學(xué)模型是未知的。在本文中，混合位置/力控制與神經(jīng)的SCORBOT-ER4PC機(jī)器人的非線性補(bǔ)償操縱器呈現(xiàn)。所提出的控制律和自適應(yīng)律保證在意義上的實(shí)際的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定李雅普諾夫。進(jìn)行了數(shù)值模擬的結(jié)果。 關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，機(jī)器手，跟蹤控制，力控制。 1 引言 機(jī)器人找到不同的應(yīng)用在許多領(lǐng)域的設(shè)備經(jīng)濟(jì)。有關(guān)的運(yùn)動(dòng)精度和要求機(jī)械手的自主性不斷增加以及他們所執(zhí)行的任務(wù)，更多，更復(fù)雜。在當(dāng)代工業(yè)應(yīng)用中，它是所需機(jī)械手施加指定的部隊(duì)，沿著規(guī)定的路徑。機(jī)械手是對象的非線性和不確定性的動(dòng)態(tài)，未知可變參數(shù)（質(zhì)量，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，摩擦系數(shù)），在多變的條件下工作。這種復(fù)雜系統(tǒng)的控制是非常有問題的。該控制系統(tǒng)具有產(chǎn)生這種控制信號，將保證用適當(dāng)?shù)牧ρ芈窂竭\(yùn)動(dòng)的執(zhí)行和的更換操作條件下，保證所需的精度。 在控制系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)械手，計(jì)算力矩法[1,2]使用非線性補(bǔ)償。然而，這些方法需要精確的數(shù)學(xué)模型（知識結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方程的系數(shù)）的控制對象。此外，在這樣的的方法，在補(bǔ)償參數(shù)的標(biāo)稱值，由此來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的作用，沒有考慮到更換操作條件。在文獻(xiàn)算法存在著許多變化，其中參數(shù)適應(yīng)機(jī)械手的數(shù)學(xué)模型[1,2]。然而，這些方法不消除不確定性的模型與結(jié)構(gòu)問題。 與目前的困難，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)[3,4,5,6]。在這些方法中的數(shù)學(xué)模型是不必要的。這些技術(shù)用于混合位置/力控制。在作品等[7,8]控制器已提交。但是，在第一次的作品，只會(huì)迫使正常的同時(shí)考慮到接觸表面，在所述第二工作部分假設(shè)在實(shí)際應(yīng)用中難以滿足，即一些剛度矩陣其中環(huán)境和特點(diǎn)的功能，可以計(jì)算接觸力，必須是已知的。 上作者的論文，被認(rèn)為只有位置控制器。在本文混合位置/力神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器。這種方法考慮到最終作用于所有的力/力矩。這些位于端部執(zhí)行器由傳感器測量的力/力矩。 2 描述的SCORBOT-ER4PC機(jī)器人機(jī)械手 示于圖SCORBOT-ER4支機(jī)械臂。1。它的驅(qū)動(dòng)直流齒輪電機(jī)和光學(xué)編碼器。機(jī)械手有5個(gè)對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：手臂的機(jī)器人有3個(gè)自由度而夾持器有2個(gè)度。 圖。1。一）SCORBOT-ER4支機(jī)械手，B）計(jì)劃 從關(guān)節(jié)空間直角坐標(biāo)空間的變換是由以下方程： y = k(q) (1) 其中，q∈Rn為廣義坐標(biāo)（鏈接的旋轉(zhuǎn)角度）的載體，K（Q）是一個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)函數(shù)，Y∈Rm是一個(gè)的位置/方向的矢量端部執(zhí)行器（D點(diǎn)）。動(dòng)力運(yùn)動(dòng)方程的分析模型在下面的表格[7][9]： M(q)q¨+ C(q, q˙)q˙ + F(q˙) + G(q) + τd(t) = u + JTh (q)λ + τF (2) 其中M（q）∈Rnxn是慣性矩陣，C（Q，Q˙）∈Rn是一個(gè)向量的離心科氏力/力矩，F(xiàn)（˙Q）∈Rn是摩擦向量，G（Q）∈RN一個(gè)重力矢量，τd（T）∈Rn是一個(gè)向量擾動(dòng)界| |τd| | 0，U∈Rn是控制輸入向量，JH（Q）∈Rm1xn是一個(gè)雅可比矩陣與接觸面的幾何形狀相關(guān)聯(lián)的，λ∈RM1是一個(gè)向量的約束施加的力通常在接觸表面上（拉格朗日乘數(shù)），τF∈Rn是一個(gè)矢量，力/力矩的關(guān)節(jié)，來自力/力矩FE∈室施加到端部執(zhí)行器（除約束力）。的矢量τF是由下式給出： τF = JbT (q)FE （3) JB（q）的∈Rmxn在體內(nèi)是一個(gè)幾何的雅可比矩陣[2]。雅可比矩陣可以以下列方式計(jì)算Jh的（q） Jh(q) =?h(q)/?q (4) 其中，h（q）的=0是一個(gè)完整約束方程，它描述了的接觸表面。這個(gè)等式的自由度的數(shù)量減少n1的=正 - M1，因此，可以通過以下進(jìn)行說明的分析系統(tǒng)的減少位置變量θ1∈RN1[7]。變量的其余部分在下面的依賴于θ1方法： θ2 = γ(θ1) (5) θ2∈RM1，和γ產(chǎn)生的完整約束。的載體廣義坐標(biāo)可以被寫為q =[θT1θT2] T。讓我們定義擴(kuò)展雅可比矩陣[7] （6） 在那里輸入1身份矩陣∈Rn1xn1。這使得寫的關(guān)系： (7） (8) 并寫了降階動(dòng)態(tài)的θ1，如： (9) 其中預(yù)乘式（9）由 LT（），并考慮到，降階動(dòng)力學(xué) 計(jì)算公式如下： (10) 3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混合控制 一個(gè)混合位置/力控制的目的，是按照所需的軌跡運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生期望的接觸力，令吉正常表面。通過定義運(yùn)動(dòng)誤差Eθ，過濾的運(yùn)動(dòng)誤差，力的錯(cuò)誤λ和一個(gè)輔助信號υ1為： (11) (12) (13) (14) 其中，Λ是正對角設(shè)計(jì)矩陣的動(dòng)力學(xué)方程（10）可以是寫在過濾的運(yùn)動(dòng)誤差 (15) 與一個(gè)非線性函數(shù) (16) 其中。數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)混合位置/力控制器具有[7]的一種形式 (17) KD和KF為正定矩陣的位置和力的增益，ν是魯棒控制的術(shù)語中，函數(shù)f（x）近似的功能（16）。此功能可近似由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在這項(xiàng)工作中一個(gè)典型的前饋假定具有一個(gè)隱藏層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（圖2b）。隱藏層使用S形曲線的神經(jīng)元，與輸入層的連接權(quán)重收集中的矩陣D，并與輸出層的權(quán)重矩陣W中收集輸入權(quán)重隨機(jī)選擇和恒定，但輸出的權(quán)重最初是等于零，并且將適配過程期間被調(diào)諧。這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)重是線性的，并具有以下的說明中，[3,4]： (18) 與輸出從隱藏層的，其中，x是輸入向量，神經(jīng)元的激活函數(shù)是一個(gè)向量，ε是一個(gè)估計(jì)誤差界| |ε||<εN，εN=常數(shù)> 0。矩陣W是未知的，所以估計(jì)W是使用一個(gè)真正的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)描述，這近似??函數(shù)f（x）由下式給出 (19) 圖。 2。a）計(jì)劃的閉環(huán)系統(tǒng),B）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 代入方程（18），（18）和（19）代入（15），我們獲得了描述的閉環(huán)系統(tǒng)（圖2a），在過濾的運(yùn)動(dòng)誤差條款 (20) 其中 = W - 是重量估計(jì)錯(cuò)誤的。為了獲得一個(gè)適應(yīng)的權(quán)重和法律的魯棒控制長期v，Lyapunov穩(wěn)定性理論的應(yīng)用。定義Lyapunov函數(shù)候選，這是一個(gè)二次形式的經(jīng)濾波的運(yùn)動(dòng)誤差和重量估計(jì)錯(cuò)誤[4] (21) 其中ΓW是一個(gè)對角的設(shè)計(jì)矩陣，TR（）表示矩陣的痕跡。的時(shí)間 衍生物的沿的解決方案的函數(shù)V（20）是 (22) ˙M - 2V的斜對稱矩陣的屬性。定義一個(gè)自適應(yīng)律的重量估計(jì)為[7] (23) 具有k> 0，并選擇魯棒控制期限的形式 (24) 功能（22）可寫為 (25) 功能≤0，如果兩個(gè)下列條件中的至少一個(gè)將滿足 (26) (27) 其中KDmin是最小奇異值的KD，| | W| | F≤Wmax，| |，| | F表示Frobenius范數(shù)。該結(jié)果意味著，該函數(shù)˙V是負(fù)的，外一個(gè)緊湊的定義的集合（26）和（27）。根據(jù)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的Lyapunov定理擴(kuò)展[10]，既| | LS| |和| |?W| | F是一致最終有界設(shè)置ψs和ψW的實(shí)際限制，BS和BW。自適應(yīng)律（23）保證重量估計(jì)會(huì)在沒有持續(xù)性的激勵(lì)條件的約束。為了證明，武力錯(cuò)誤?λ是有限的，我們寫式（9）過濾的運(yùn)動(dòng)誤差方面，考慮到（17），（18），（19）和（24）。轉(zhuǎn)換后，我們得到 (28) 所有量的右手邊是有界的。預(yù)乘式（28）JH和計(jì)算力誤差，我們得到： (29) 在那里Jh是奇異的。這一結(jié)果意味著，力誤差是有界的，和可以減小通過增加力增益KF 4 仿真結(jié)果 為了證實(shí)所提出的混合控制系統(tǒng)的行為，模擬進(jìn)行。我們假設(shè)，在接觸表面是平坦的，粗糙和xy平面平行。端部執(zhí)行器是正常的接觸表面，移動(dòng)在該表面上的所需的圓形路徑（圖3a），并施加規(guī)定的力（圖3b）。在一個(gè)聯(lián)合的空間所需的軌跡（圖3c），得到解決的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題。 五個(gè)簡單的非線性補(bǔ)償問題已經(jīng)腐爛任務(wù)。對于每一個(gè)環(huán)節(jié)的控制，用一個(gè)單一的輸出是一個(gè)單獨(dú)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有相應(yīng)的11，10，10，12和4個(gè)輸入。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)鏈接1-4有15個(gè)神經(jīng)元，并鏈接5中隱藏的有9個(gè)神經(jīng)元層。輸入的權(quán)重是隨機(jī)選擇的范圍<-0.5，0.5>。 “設(shè)計(jì)矩陣被選擇為：λ=診斷KD一diag{1，1，1，1，1}，{1，1，1，1}，ΓW=4I，我是單位矩陣與合適的尺寸，而且KF= 3，K = 0.1。 在控制器中，只把結(jié)果為第二連桿在本文中。在開始的運(yùn)動(dòng)，代償性信號f2（×2）（圖4b）所產(chǎn)生的補(bǔ)償器是不準(zhǔn)確的，因?yàn)槌跏贾亓抗烙?jì)被設(shè)置為零。的信號UPD2（圖4b）所產(chǎn)生的SCORBOT-ER4支機(jī)械手的混合位置/力控制 圖。 3。a）該端部執(zhí)行器，b）將所需的力所需的修補(bǔ)，c）在所需的在一個(gè)共同的空間的軌跡 圖。4。控制輸入的第二個(gè)環(huán)節(jié)：一）U2 - 總量控制信號，ν2 - 魯棒控制項(xiàng)，uF2上的術(shù)語JT - 第二個(gè)元素,b) 第二元件的的PD術(shù)語KDLs，的代償性信號 PD控制器開始時(shí)，大多數(shù)的含義，進(jìn)而影響的PD信號的運(yùn)動(dòng)過程中減小，因?yàn)橹亓抗烙?jì)適應(yīng)，和補(bǔ)償?shù)男盘栐黾拥暮x。信號uF2上（圖4a），這將導(dǎo)致從“武力”控制，采取的重要組成部分。總量控制信號U2（圖4a）。魯棒控制術(shù)語ν2（圖4a）相關(guān)聯(lián)與干摩擦力的存在下，T =μλ（圖5a），其中，μ= 0.2是一個(gè)摩擦系數(shù)。一定的的力誤差（圖5b）。 在理論上的考慮，有時(shí)被忽視的摩擦力，在實(shí)際應(yīng)用中被視為干擾。但是，在這種方法中控制質(zhì)量較差。 在初始運(yùn)動(dòng)階段的運(yùn)動(dòng)誤差的最高值，所以| | LS| |（圖6a）具有最高的值。此后，它是減少在適應(yīng)的重量估計(jì)的（圖6b）。根據(jù)中提出的理論紙，重量估計(jì)有界。 圖。 5。一）施加力正常和T=切向接觸表面，b）將力誤差圖。 圖。 6。一）| | Ls的||，B）的重量估計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與第二鏈接 5 結(jié)論 在控制系統(tǒng)中的所有信號有界的，所以控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的。 此外，運(yùn)動(dòng)誤差減少在運(yùn)動(dòng)過程中。數(shù)值計(jì)算的 混合控制系統(tǒng)的質(zhì)量，我們用均方根的錯(cuò)誤， 定義為： 其中K =0.0363[rad/ s],=0.0439[rad/s]=0.0667[N]是一個(gè)數(shù)的樣品。以比較神經(jīng)元混合控制zi\\自適應(yīng)混合控制技術(shù)，控制器在相同的工作條件下進(jìn)行了測試。這樣的控制器是基于數(shù)學(xué)模型的機(jī)械手。自適應(yīng)控制器的測試在建模誤差的情況下，模型的干摩擦的關(guān)節(jié)控制器中的省略結(jié)構(gòu)。在這種情況下，我們?nèi)〉忙臩=0.0439弧度/秒]和ελ=0.0671[N]。這些指數(shù)顯示，神經(jīng)元混合控制器是更好的的自適應(yīng)混合動(dòng)力相比，控制器控制對象的模型是不為人所熟知。 致謝。這項(xiàng)研究的框架內(nèi)研究，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目編號U-8313/DS/M。 在項(xiàng)目POPW.01.03.00-18-012 /儀器/設(shè)備購買從結(jié)構(gòu)基金09，波蘭東部發(fā)展的經(jīng)營計(jì)劃共同資助由歐洲聯(lián)盟，歐洲區(qū)域發(fā)展基金。 參考文獻(xiàn) 1。 Canudas，C. de Wit的，西西里，B.，巴斯丁，G.：機(jī)器人控制理論。施普林格， 倫敦（1996） 2。 K.，Tchon，馬祖爾，A.，Duleba，I.，霍薩，R.，，R. 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The robot feeding robot, to its versatility strengthen, while the design of the robot holding hands structure and adsorption hand structure, you can replace the use of. Calculate the torque required to drive the rotation of the wrist and the drive torque of the rotary cylinder, with a hydraulic buffer identified by relative size, the design of the robotic wrist structure; design of the robotic arm junction structure; design of the telescopic arm lifting The rotary arm with hydraulic shock absorber. Keywords： feeding robot；cylinder.；manipulator 1 目 錄 1 緒論 1 1.1 工業(yè)機(jī)械手概述 1 1.1.1 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢 2 1.2 機(jī)械手的組成和分類 3 1.2.1機(jī)械手的組成 3 1.2.2 機(jī)械手的分類 5 2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 7 2.1機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度 7 2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 7 2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 7 2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 8 2.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 8 2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì) 8 2.7 機(jī)械手的主要參數(shù) 8 2.8.機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 9 3 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 3.1夾持式手部結(jié)構(gòu) 11 3.1.1手指的形狀和分類 11 3.1.2設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題 11 3.1.3手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 12 4 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16 4.1 手腕的自由度 16 4. 2手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 16 4.2.1手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩 16 4.2.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 19 5 手臂伸縮、升降、回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 21 5.1手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 21 5.1.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì) 21 5.1.2 尺寸校核 21 5.1.3.導(dǎo)向裝置 22 5.1.4 平衡裝置 22 5.2手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 22 5.2.1 尺寸設(shè)計(jì) 22 5.2.2 尺寸校核 23 5.3 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 24 5.3.1 尺寸設(shè)計(jì) 24 5.3.2 尺寸校核 24 6 結(jié)論 26 參考文獻(xiàn) 27 致 謝 28 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 29 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 30 1 緒論 1.1 工業(yè)機(jī)械手概述 本課題為封焊機(jī)的自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，其實(shí)就是設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手代替人手進(jìn)行晶體的上料?，F(xiàn)代封焊機(jī)在把晶體底座和晶體帽封焊在一起時(shí)大多采用人工上料，人工上料不但速度慢、成本高、費(fèi)工費(fèi)時(shí)、而且存在一定的安全隱患。生產(chǎn)的需要是最大的更新動(dòng)力，現(xiàn)設(shè)計(jì)一臺工業(yè)機(jī)器人機(jī)械手，不但可以提升產(chǎn)品的質(zhì)量還可以大大提升產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，改善工人的工作環(huán)境 機(jī)械手是模仿人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為工業(yè)機(jī)械手。 工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學(xué)科——機(jī)械手工程。機(jī)械手涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。 工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手也是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。他的特點(diǎn)是可以通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。 機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)的重視。 機(jī)械手是一種能自動(dòng)控制并可從新編程以變動(dòng)的多功能機(jī)器，他有多個(gè)自由度，可以搬運(yùn)物體以完成在不同環(huán)境中的工作。 1 1 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強(qiáng)。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)， 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。 1.1.1 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展趨勢 國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢: (1)工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬美元降至97年的65萬美元。 (2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。 (3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 (4)機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。 (5)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。 (6)當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。 (7)機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品，機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距等。 1.2 機(jī)械手的組成和分類 1.2.1機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。 (1)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。 1) 手部: 即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時(shí)常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 2)手腕: 腕部：是機(jī)械手中聯(lián)接手部與臂部主要用來確定手部工作時(shí)位置并擴(kuò)大臂部動(dòng)作范圍的部件?？捎脕碚{(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡單的專用機(jī)械手，為了簡化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。 目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度小（一般小于 ）,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。 3) 手臂: 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置.工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。 4) 立柱: 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立I因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。 5) 行走機(jī)構(gòu): 當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾輪式布為有軌的和無軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。 6)機(jī)座: 機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。 (2)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分，是為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力的裝置。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。 1）液壓式：其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由油缸、電磁閥、油泵和油箱等組成。其特點(diǎn)是操作力大、體積小、動(dòng)作平穩(wěn)、低速性好、耐沖擊耐振動(dòng)。但漏油對系統(tǒng)的工作性能影響大。與氣壓式相比成本較高。 2）氣壓式：其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由氣缸、氣閥、空氣壓縮機(jī)（或由氣壓站直接供給）和儲氣罐等組成。其特點(diǎn)是氣源方便、維修簡單、易于獲得高速度、成本低、防火防爆、漏氣對環(huán)境無影響。但操作力小、體積大，又由于空氣的壓縮性大、速度不易控制、響應(yīng)慢、動(dòng)作不平穩(wěn)、有沖擊，臂力一般不超過300N。 3）電氣式：其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般電電機(jī)驅(qū)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是電源方便，信號傳遞運(yùn)算容易、響應(yīng)快、驅(qū)動(dòng)力較大，適用于中小型工業(yè)機(jī)械手。但是必須使用減速機(jī)構(gòu)（如齒減速器、諧波齒輪減速器等），所需的電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、DC伺服電機(jī)和AC伺服機(jī)電等。 4）機(jī)械式：其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、凸輪、齒輪齒條、連桿等機(jī)械裝置組成，傳動(dòng)可靠，適用于專一簡單的機(jī)械手。這種方式結(jié)構(gòu)比較龐大。 號。 (2)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)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(shí)可對機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號。 1.2.2 機(jī)械手的分類 工業(yè)機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問題，目前在國內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。 (1)按用途分 機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種: 1) 專用機(jī)械手 它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對象單一、結(jié)構(gòu)簡單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)械手，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、下料機(jī)械手和加工中心。 2) 通用機(jī)械手 它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。在性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過調(diào)整可在不同場合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。通用機(jī)械手按其控制定位的方式不同可分為簡易型和伺服型兩種:簡易型以“開一關(guān)”式控制定位，只能是點(diǎn)位控制，伺服型可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類型。 (2) 按驅(qū)動(dòng)方式分 1) 液壓傳動(dòng)機(jī)械手 是以液壓的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。 2) 氣壓傳動(dòng)機(jī)械手 是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。 3) 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手 即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。 4) 電力傳動(dòng)機(jī)械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。 (3)按控制方式分 1) 點(diǎn)位控制 它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過程中幾個(gè)點(diǎn)的位置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。 2) 連續(xù)軌跡控制 它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無限的，整個(gè)移動(dòng)過程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。 30 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 對氣動(dòng)機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾-放和搬運(yùn)物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求;盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計(jì)制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是通用氣動(dòng)上下料機(jī)械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，勞動(dòng)強(qiáng)度大和操作單調(diào) 頻繁的生產(chǎn)場合。也可用于操作環(huán)境惡劣的生產(chǎn)場合。 2.1機(jī)械手的坐標(biāo)型式與自由度 按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其坐標(biāo)型式可分為直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。相應(yīng)的機(jī)械手具有三個(gè)自由度，為了彌補(bǔ)升降運(yùn)動(dòng)行程較小的缺點(diǎn)，增加手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，從而增加一個(gè)手臂上下擺動(dòng)的自由度 2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部;當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤。 2.3 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2.4 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 按照抓取工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來實(shí)現(xiàn)。 2.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì) 由于氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機(jī)械手采用氣壓傳動(dòng)方式。 2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變PLC程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。 2.7 機(jī)械手的主要參數(shù) (1)機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用氣動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)，因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)抓取的工件質(zhì)量為1公斤 (2)基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為。最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為。平均移動(dòng)速度為。平均回轉(zhuǎn)速度為。機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因?yàn)槠骄俣扰c行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運(yùn)動(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為。手臂升降行程定為。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為。 2.8.機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 一 用途: 用于封焊機(jī)的自動(dòng)上料 二 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù): 1 抓重: 2 自由度數(shù):4個(gè)自由度 3 坐標(biāo)型式:圓柱坐標(biāo) 4 最大工作半徑: 5 手臂最大中心高: 6 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù): 伸縮行程 伸縮速度 升降行程 升降速度 回轉(zhuǎn)范圍 回轉(zhuǎn)速度 7 手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù): 回轉(zhuǎn)范圍 回轉(zhuǎn)速度 8 定位方式:行程開關(guān)或可調(diào)機(jī)械擋塊等 9 定位精度: 10 驅(qū)動(dòng)方式:氣壓傳動(dòng) 11 控制方式:點(diǎn)位控制（采用PLC） 圖2.1 機(jī)械手臂剖視圖 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部:如果有實(shí)際需要，還可以換成氣壓吸盤式結(jié)構(gòu)， 3.1夾持式手部結(jié)構(gòu) 夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 3.1.1手指的形狀和分類 夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無窮小時(shí)，就變成了一支點(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成無窮長時(shí)，就成為移動(dòng)型?；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(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。 3.1.2設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題 1.具有足夠的握力(即夾緊力) 在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。 2.手指間應(yīng)具有一定的開閉角 兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(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。對于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。 3.保證工件準(zhǔn)確定位 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動(dòng)定心。 4.具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 5.考慮被抓取對象的要求 根據(jù)機(jī)械手的工作需要，通過比較，我們采用的機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點(diǎn) 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計(jì)成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示。 3.1.3手部夾緊氣缸的設(shè)計(jì) 1.手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 本課題氣動(dòng)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3.1所示， 圖3.1 齒輪齒條式手部 其工件重量G=1公斤， V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為 (1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖，其驅(qū)動(dòng)力為: (3.1) (2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式: (3.2) 所以 (3)實(shí)際驅(qū)動(dòng)力: (3.3) I,因?yàn)閭髁C(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取，并取。若被抓取工件的最大加 速度取時(shí)，則: (3.4) 所以 所以夾持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為。 2.氣缸的直徑 本氣缸屬于單向作用氣缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用氣缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時(shí)的總阻力，其公式為: (3.5) 式中: - 活塞桿上的推力，N - 彈簧反作用力，N - 氣缸工作時(shí)的總阻力，N - 氣缸工作壓力，Pa 彈簧反作用按下式計(jì)算: (3.6) (3.7) = (3.8) 式中:- 彈簧剛度，N/m - 彈簧預(yù)壓縮量，m - 活塞行程，m - 彈簧鋼絲直徑，m - 彈簧平均直徑，. - 彈簧有效圈數(shù). - 彈簧材料剪切模量，一般取 在設(shè)計(jì)中，必須考慮負(fù)載率的影響，則: (3.9) 由以上分析得單向作用氣缸的直徑: (3.10)代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得 (3.11) 所以: 查有關(guān)手冊圓整，得 由,可得活塞桿直徑: 圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式 (3.12) 有: (3.13) 其中，[]， 則: 滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。 3.缸筒壁厚的設(shè)計(jì) 缸筒直接承受壓縮空氣壓力，必須有一定厚度。一般氣缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算: (3.14) 式中:6- 缸筒壁厚，mm - 氣缸內(nèi)徑，mm - 實(shí)驗(yàn)壓力，取, Pa 材料為:ZL3,[]=3MPa 代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為: (3.15) 取，則缸筒外徑為: 4 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。 4.1 手腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。手腕自由度的選用與機(jī)械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。（1）力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕,腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動(dòng)載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。（2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。由于本機(jī)械手抓取的工件是水平放置，同時(shí)考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油(氣)缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)氣缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于，并且要求嚴(yán)格的密封。 4. 2手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 4.2.1手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩 手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.圖4-1所示為手腕受力的示意圖。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1.工件2.手部3.手腕 圖4.1手碗回轉(zhuǎn)時(shí)受力狀態(tài) 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算: (4.1) 式中: - 驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩(); - 慣性力矩(); - 參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片)對轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩()., - 手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力 矩(); 下面以圖4-1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計(jì)算: 1.手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩M悅 若手腕起動(dòng)過程按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為，起動(dòng)過程所用的時(shí)間為，則: (4.2) 式中:- 參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量; - 工件對手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量`。 若工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: (4.3) 式中: - 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量: - 工件的重量(N); - 工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm), - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度(弧度/s); - 起動(dòng)過程所需的時(shí)間(s); — 起動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。 2.手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏 + () (4.4) 式中: - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量(N); - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm) 當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合時(shí)，則. 3.手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩 () (4.5) 式中: ，- 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑(cm); - 摩擦系數(shù)，對于滾動(dòng)軸承，對于滑動(dòng)軸承; ,- 處的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解， 根據(jù),得: (4.6) (4.7) 同理，根據(jù)(F),得: (4.8) 式中:- 的重量(N) ,— 如圖4-1所示的長度尺寸(cm). 4.轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。 4.2.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 在機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的原理如圖4-2所示，定片1與缸體2固連，動(dòng)片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動(dòng)片封圈4把氣腔分隔成兩個(gè).當(dāng)壓縮氣體從孔a進(jìn)入時(shí)，推動(dòng)輸出軸作逆時(shí)4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時(shí)針方向回轉(zhuǎn)。單葉氣缸的壓力P驅(qū)動(dòng)力矩M的關(guān)系為: , 或 (4.9) 圖4.2 回轉(zhuǎn)氣缸簡圖 式中:M—回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩((N·㎝); P—回轉(zhuǎn)氣缸的工作壓力((N·㎝); R—缸體內(nèi)壁半徑(cm); r—輸出軸半徑(cm); b—?jiǎng)悠瑢挾?cm). 上述驅(qū)動(dòng)力矩和壓力的關(guān)系式是對于低壓腔背壓為零的情況下而言的。若低壓腔有一定的背壓，則上式中的P應(yīng)代以工作壓力P1與背壓P2之差。 5 手臂伸縮、升降、回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 5 手臂伸縮、升降、回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 5.1手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 5.1.1 手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì) 手臂伸縮氣缸采用標(biāo)準(zhǔn)氣缸，參看各種型號的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，氣缸用CTA型氣缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為100/63： 5.1.2 尺寸校核 1.在校核尺寸時(shí)，只需校核氣缸內(nèi)徑=63mm,半徑R=31.5mm的氣缸的尺寸滿足使用要求即可,設(shè)計(jì)使用壓強(qiáng), 則驅(qū)動(dòng)力： (5.1) 測定手腕質(zhì)量為50kg,設(shè)計(jì)加速度，則慣性力 (5.2) 2.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù), (5.3) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 總受力 所以標(biāo)準(zhǔn)CTA氣缸的尺寸符合實(shí)際使用驅(qū)動(dòng)力要求要求。 5.1.3.導(dǎo)向裝置 氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，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，以增加手臂的剛性，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)， 應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)該盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少對回轉(zhuǎn)中心的慣量。 導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計(jì)中才用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。 5.1.4 平衡裝置 在本設(shè)計(jì)中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量和氣缸的運(yùn)行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡。 5.2手臂升降氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 5.2.1 尺寸設(shè)計(jì) 氣缸運(yùn)行長度設(shè)計(jì)為=118mm,氣缸內(nèi)徑為=110mm,半徑R=55mm,氣缸運(yùn)行速度，加速度時(shí)間=0.1s,壓強(qiáng)p=0.4MPa,則驅(qū)動(dòng)力 (5.4) 5.2.2 尺寸校核 1.測定手腕質(zhì)量為80kg,則重力 (5.5) 2.設(shè)計(jì)加速度，則慣性力 (5.6) 3.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)， (5.7) 總受力 所以設(shè)計(jì)尺寸符合實(shí)際使用要求。 5.3 手臂回轉(zhuǎn)氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 5.3.1 尺寸設(shè)計(jì) 氣缸長度設(shè)計(jì)為,氣缸內(nèi)徑為,半徑R=105mm,軸徑半徑,氣缸運(yùn)行角速度=，加速度時(shí)間0.5s,壓強(qiáng), 則力矩： (5.8) 5.3.2 尺寸校核 1．測定參與手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況， 質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： (5.9) （） (5.10) 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù), (5.11) 總驅(qū)動(dòng)力矩 (5.12) 設(shè)計(jì)尺寸滿足使用要求。 6 結(jié)論 6 結(jié)論 1.采用氣壓傳動(dòng)，動(dòng)作迅速，反應(yīng)靈敏，能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動(dòng)控制。 工作環(huán)境適應(yīng)性好，不會(huì)因環(huán)境變化影響傳動(dòng)及控制性能。阻力損失和泄漏較小， 不會(huì)污染環(huán)境。同時(shí)成本低廉。 2.機(jī)械手采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點(diǎn)，無論是進(jìn) 行時(shí)間控制還是行程控制或混合控制，都可通過設(shè)定PLC程序來實(shí)現(xiàn)?？梢愿鶕?jù) 機(jī)械手的動(dòng)作順序修改程序，使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)。 參考文獻(xiàn) 參考文獻(xiàn) [1] 韓夢丹、鄒曉宇.淺談機(jī)械手及其應(yīng)用于發(fā)展前景[J]。企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2012(2):18-19 [2] 陳又堯、朱敬得、李磊.基于PLC的磁環(huán)下機(jī)械手的研制[J]。機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008 (3):119 [3] 陸祥生 ，楊繡蓮.機(jī)械手.中國鐵道出版社,1985.1 [4] 常淑鳳.自動(dòng)上料裝置的設(shè)計(jì)與研究[J].電腦知識與技術(shù)，2009(10):59-63 [5] 趙碧、巴鵬、徐英鳳。氣動(dòng)上下料機(jī)械手手部機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析[J]，沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2006 (12)：58-60 [6] 邱懷軒主編.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].第四版.北京：高等教育出版社 [7] 徐福玲主編.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].第三版.機(jī)械工業(yè)出版社 [8] 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