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【中文6450字】
機(jī)械手的機(jī)械和控制系統(tǒng)
文章來源: Dirk Osswald, Heinz W?rn. Department of Computer Science , Institute for Process Control and Robotics (IPR).,Engler-Bunte-Ring 8 - Building 40.28.
摘要: 最近，全球內(nèi)帶有多指夾子或手的機(jī)械人系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展起來了， 多種方法應(yīng)用其上，有擬人化的和非擬人化的。不僅調(diào)查了這些系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu),而且還包括其必要的控制系統(tǒng)。如同人手一樣，這些機(jī)械人系統(tǒng)可以用它們的手去抓不同的物體，而不用改換夾子。這些機(jī)械手具備特殊的運(yùn)動能力（比如小質(zhì)量和小慣性），這使被抓物體在機(jī)械手的工作范圍內(nèi)做更復(fù)雜、更精確的操作變得可能。這些復(fù)雜的操作被抓物體繞任意角度和軸旋轉(zhuǎn)。本文概述了這種機(jī)械手的一般設(shè)計方法，同時給出了此類機(jī)械手的一個示例，如卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ。本文末介紹了一些新的構(gòu)想，如利用液體驅(qū)動器為類人型機(jī)器人設(shè)計一個全新的機(jī)械手。
關(guān)鍵詞：多指機(jī)械手；機(jī)器人手；精操作；機(jī)械系統(tǒng)；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 圖4. KDHⅡ的頂視圖
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)?？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。可行操作的條件是所有的接觸點(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。
圖17：在IAI開發(fā)的流體手
4. 致謝
本文基于在過程控制和機(jī)器人研究所完成的研究。Prof. Dr.-Ing。 H.W?rn以及應(yīng)用計算機(jī)科學(xué)研究所教授Dr.-Ing。 G. Bretthauer。
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第IV頁
遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計
裝卸工件機(jī)械手設(shè)計
摘 要
工業(yè)機(jī)器人自本世紀(jì)60年代初問世以來，已有80萬余臺用于世界各國的自動化生產(chǎn)線上，扮演著靈巧自如、不知疲倦“操作者”的角色，替代生產(chǎn)工人出色的完成極其繁重、復(fù)雜、精密或者充滿著危險的各種各樣的工作。不同用途的工業(yè)機(jī)器人正在工業(yè)生產(chǎn)中起到其它機(jī)器無法替代的作用。一般機(jī)器人由基座、腰、臂、腕和手五部分組成。腰和臂控制手的空間位置，腕控制手的空間姿態(tài)，而手則是實(shí)現(xiàn)對操作物體的抓放。本文設(shè)計的是裝卸工件機(jī)械手，根據(jù)設(shè)計要求本文制定了一個由液壓系統(tǒng)控制夾爪松開、夾緊物體的設(shè)計方案，對手部、腕部及整體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，同時對其主要零部件進(jìn)行了選擇、設(shè)計和計算，內(nèi)容包括液壓系統(tǒng)的設(shè)計計算，軸的設(shè)計和校核，對設(shè)計的液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析與編程等。通過分析計算可以得出結(jié)論，此次設(shè)計基本滿足設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞：裝卸;工業(yè)機(jī)器人；機(jī)械手
The design of the manipulator for loading and unloading workpiece
Abstract
Since the beginning of 1960s, more than 800000 industrial robots have been used on automatic production lines of many countries all over the world, playing a role dexterous and as a free “operator” who has no sense of tireness. It can also accomplish various works that are very arduous and complicated or even full of danger instead of workers. The different application of industry robots to industrial production is playing an important role of which other machines are unable to take the place. The common robot basically consists of the waist, the arm, the wrist and the hand. Waist and arm control space position, while wrist controls special attitude, and the hand is used to realize grasping or putting objects. The design of this article is the mechanical arm of loading and unloading workpiece. According to the design requirements a schematic design has been developed with a hydraulic system controlling the claws from releasing and clamping objects, also it has been carried on the design to the structure of the hand, the wrist, and the whole. The contents including the selection of prime movers, design and check of gears, belts, and axes, the economic analysis to the feasibility of design proposal. Conclusions can be drawn through the computational analysis and this design can by and large meet the needs of the design request.
Key words：load and unload；Industrial robot ;manipulator
目錄
1 緒論 1
1.1 選題的背景、目的和意義 1
1.2 機(jī)器人的發(fā)展概況 2
1.2.1 機(jī)器人的定義 2
1.2.3 國內(nèi)機(jī)器人研究狀況 4
1.2.4 國外機(jī)器人的最新發(fā)展 5
1.2.5 機(jī)器人目前研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢 6
2手指部分的設(shè)計與計算 8
2.1夾緊機(jī)構(gòu)的類型 8
2.2信息傳感器 8
2.2.1內(nèi)部信息傳感器 9
2.2.2外部信息傳感器 9
2.3液壓傳動的設(shè)計計算 10
2.3.1手爪夾緊液壓傳動的設(shè)計計算 11
2.3.2手爪回轉(zhuǎn)液壓傳動的設(shè)計計算 12
2.4夾緊力的計算 14
2.4.1液壓缸產(chǎn)生的推力及運(yùn)動速度 14
2.4.2夾緊力的計算 16
3手腕部分的設(shè)計與計算 19
3.1確定油缸的工作壓力 19
3.2確定經(jīng)油缸的流量 19
3.3確定油泵所需電機(jī)功率 19
3.4液壓缸的輸出扭矩計算 20
4手臂部分的設(shè)計與計算 22
4.1手臂的作用和組成 22
4.2對設(shè)計手臂的要求 22
4.3手臂的結(jié)構(gòu) 23
4.4手臂的設(shè)計計算 23
4.4.1確定油剛工作壓力 23
4.4.2驅(qū)動力的設(shè)計計算 24
4.4.3偏重力矩的設(shè)計計算 26
5.機(jī)身的設(shè)計與計算 29
5.1機(jī)身升降液壓轉(zhuǎn)動的設(shè)計計算 29
5.1.1確定油缸的工作壓力 29
5.1.2確定經(jīng)油缸的流量 29
5.1.3確定油泵所需電機(jī)功率 29
5.1.4液壓泵的校核 30
5.1.5活塞桿強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核 32
5.2機(jī)身回轉(zhuǎn)液壓轉(zhuǎn)動的設(shè)計計算 33
5.2.1確定油缸的工作壓力 33
5.2.2確定經(jīng)油缸的流量 33
5.2.3確定油泵所需電機(jī)功率 34
5.2.4液壓缸的扭矩計算 34
6.PLC控制 36
6.1PLC實(shí)現(xiàn)的功能 36
6.2PLC控制電路接線圖 36
6.3PLC輸入（I/O）點(diǎn)數(shù)的分配 37
6.4PLC輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的分配 38
6.5PLC控制梯形圖 38
6.5程序調(diào)試 42
6.5.1主程序調(diào)試 42
6.5.2手動操作子程序調(diào)試 42
6.5.3自動運(yùn)行子程序調(diào)試 43
結(jié)論 44
致謝 45
參考文獻(xiàn) 46
第47頁
遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計
1 緒論
1.1 選題的背景、目的和意義
現(xiàn)代機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)中期，其技術(shù)背景是計算機(jī)和自動化的發(fā)展，以及原子能的開發(fā)利用。自1946年第一臺數(shù)字電子計算機(jī)問世以來，計算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步，向高速度、大容量、低價格的方向發(fā)展。大批量生產(chǎn)的迫切需求推動了自動化技術(shù)的進(jìn)展，其結(jié)果之一便是1952年數(shù)控機(jī)床的誕生。與數(shù)控機(jī)床相關(guān)的控制、機(jī)械零件的研究又為機(jī)器人的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，原子能實(shí)驗室的惡劣環(huán)境要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國原子能委員會的阿爾貢研究所于1947年開發(fā)了遙控機(jī)械手，1948年又開發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手。
機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說是一個科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個綜合性的結(jié)果，也同時，為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個重大影響的一門科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，就加強(qiáng)了本國的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，那么人類的發(fā)展隨著人們這種社會發(fā)展的情況，人們越來越不斷探討自然過程中，在改造自然過程中，認(rèn)識自然過程中，實(shí)現(xiàn)人們對不可達(dá)世界的認(rèn)識和改造，這也是人們在科技發(fā)展過程中的一個客觀需要。而在機(jī)械手的設(shè)計計算中包含了機(jī)械設(shè)計專業(yè)所學(xué)的大部分專業(yè)課程內(nèi)容，對以往的學(xué)習(xí)起到了一個很好的鞏固和獲得新知識的作用，對以后的工作也會有很大的幫助。這也是選擇這個題目的目的。
此課題的研究在現(xiàn)實(shí)生活中具有重要的意義。有些工作會對人體造成傷害，比如噴漆、重物搬運(yùn)等；有些工作要求質(zhì)量很高，人難以長時間勝任，比如汽車焊接、精密裝配等；有些工作人無法身臨其境，比如火山探險、深海探密、空間探索等；有些工作不適合人去干，比如一些惡劣的環(huán)境、一些枯燥單調(diào)的重復(fù)性勞作等；這些都是機(jī)器人大顯身手的地方。服務(wù)機(jī)器人還可以為您治病保健、保潔保安；水下機(jī)器人可以幫助打撈沉船、鋪設(shè)電纜；工程機(jī)器人可以上山入地、開洞筑路；農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以耕耘播種、施肥除蟲；軍用機(jī)器人可以沖鋒陷陣、排雷排彈……
1.2 機(jī)器人的發(fā)展概況
1.2.1 機(jī)器人的定義
什么是機(jī)器人呢?這個問題是一個非常有意思的一個問題。但人們一般的理解，機(jī)器人是具有一些類似人的功能的機(jī)械電子裝置或者叫自動化裝置，它仍然是個機(jī)器。它有三個特點(diǎn)：一個是有類人的功能，比如說作業(yè)功能；感知功能；行走功能；還能完成各種動作，它還有一個特點(diǎn)是根據(jù)人的編程能自動的工作，這里一個顯著的特點(diǎn)，就是它可以編程，改變它的工作、動作、工作的對象和工作的一些要求。它是人造的機(jī)器或機(jī)械電子裝置，所以這個機(jī)器人仍然是個機(jī)器。但是目前還沒有一個統(tǒng)一的有關(guān)機(jī)器人定義，一般來說我們認(rèn)為機(jī)器人是計算機(jī)控制的可以編程的目前能夠完成某種工作或可以移動的自動化機(jī)械，這是美國工程師協(xié)會定的一個定義，但日本和其他國家也對機(jī)器人有不同的看法，他們認(rèn)為從完整的更為深遠(yuǎn)的機(jī)器人定義來看，應(yīng)該更強(qiáng)調(diào)機(jī)器人智能，所以人們又提出來機(jī)器人的定義是能夠感知環(huán)境，能夠有學(xué)習(xí)、情感和對外界一種邏輯判斷思維的這種機(jī)器。那么這給機(jī)器人提出來更高層次的要求，那么比方說機(jī)器人在這里邊可以代替人進(jìn)行焊接，焊接的環(huán)境是非常復(fù)雜的，可以搬運(yùn)，它在生產(chǎn)線中搬運(yùn)玻璃和各種各樣的一些零件的搬運(yùn)的工作，還可以在生產(chǎn)線中碼垛等等，這都是把人從繁重的體力勞動中解放出來的一個例子。
1.2.2 機(jī)器人的發(fā)展過程
1920年，有一個捷克斯洛伐克的一個作家叫卡佩克，他寫了一本科幻小說，叫《羅薩姆的機(jī)器人萬能公司》。這本小說中他構(gòu)思了一個和幻想了一個機(jī)器人，它的名字叫羅伯特，也就是我們英文中的Robot，它可以不吃飯，它能夠不知疲勞的，不知疲倦地進(jìn)行工作。在1920年前后，大家也知道是在第一次世界大戰(zhàn)以后，是各國工業(yè)發(fā)展比較迅速的時期，我們看到電影《摩登時代》，卓別林主演的人變成了機(jī)器人，在生產(chǎn)線中天天的進(jìn)行勞動。人們在這種煩躁的體力勞動中就幻想有一種能代替人完成這樣工作的想像、一種需要，這個小說在1924年和1927年的時候被紛紛傳到了日本、法國和歐洲國家，還變成了一種當(dāng)時的木偶劇和一些話劇，所以這樣的一個機(jī)器人的名詞就向全世界鋪展開來，當(dāng)時人們還認(rèn)為是一個科幻小說，還沒有把它跟我們?nèi)粘５膶W(xué)習(xí)工作和生產(chǎn)結(jié)合起來。但通過這樣一個小說，一個羅伯特這樣一個名詞，它體現(xiàn)了人類長期的一種愿望，這種愿望就是創(chuàng)造出一種機(jī)器，能夠代替人進(jìn)行各種工作。這種想法是機(jī)器人產(chǎn)生的一種客觀的要求，那么真正機(jī)器人的發(fā)展是在1947年，美國橡樹嶺國家實(shí)驗室在研究核燃料的時候，大家知道核燃料，它有X射線對人體是有傷害的，必須有一臺機(jī)器來完成像搬運(yùn)和核燃料的處理這樣的工作。在1947年產(chǎn)生了世界上第一臺主從遙控的機(jī)器人，那么1947年以后大家知道，是計算機(jī)電子技術(shù)發(fā)展比較迅速的時期，因此各國已經(jīng)開始利用當(dāng)時的一些現(xiàn)代的技術(shù)，進(jìn)行了機(jī)器人研究。那么在1962年美國研制成功PUMA通用示教再現(xiàn)型機(jī)器人，那么這就標(biāo)志著機(jī)器人走向成熟，應(yīng)該說第一臺可用的機(jī)器人在1947年產(chǎn)生，真正意義的機(jī)器人在1962年產(chǎn)生。那么相繼不久，在英國等國家，也相繼研究出一些機(jī)器人，那么到了20世紀(jì)60年代末，日本人將它的國民經(jīng)濟(jì)的汽車工業(yè)與機(jī)器人進(jìn)行結(jié)合，它購買了美國的專利，在日本進(jìn)行了再次開發(fā)和生產(chǎn)機(jī)器人。到20世紀(jì)70年代的時候，日本已經(jīng)將這種示教再現(xiàn)型的機(jī)器人進(jìn)行了工業(yè)化，出現(xiàn)了很多公司，現(xiàn)在的像ABB，MOTOMAN，還有安川公司，還有很多機(jī)器人公司像OTC等等公司。它們都是已經(jīng)將機(jī)器人進(jìn)行了工業(yè)化，進(jìn)行了批量生產(chǎn)，而且成功的用于了汽車工業(yè)，使機(jī)器人正式的走向應(yīng)用。在20世紀(jì)70年代到20世紀(jì)80年代初期，工業(yè)機(jī)器人變成產(chǎn)品以后，得到全世界的普遍應(yīng)用以后，那么很多研究機(jī)構(gòu)開始研究第二代具有感知功能的機(jī)器人，出現(xiàn)了瑞典的ABB公司，德國的KUKA機(jī)器人公司，日本幾家公司和日本的FUNAC公司，都在工業(yè)機(jī)器人方面都有很大的作為，同時我們也看到機(jī)器人的應(yīng)用在不斷拓寬，它已經(jīng)從工業(yè)上的一些應(yīng)用，擴(kuò)展到了服務(wù)行業(yè)，擴(kuò)展了它的作業(yè)空間，向海洋空間和服務(wù)醫(yī)療等等行業(yè)的使用。
總結(jié)一下，我們認(rèn)為，機(jī)器人有三個發(fā)展階段，那么也就是說，我們習(xí)慣于把機(jī)器人分成三類，一種是第一代機(jī)器人，那么也叫示教再現(xiàn)型機(jī)器人，它是通過一個計算機(jī)，來控制一個多自由度的一個機(jī)械，通過示教存儲程序和信息，工作時把信息讀取出來，然后發(fā)出指令，這樣的話機(jī)器人可以重復(fù)的根據(jù)人當(dāng)時示教的結(jié)果，再現(xiàn)出這種動作，比方說汽車的點(diǎn)焊機(jī)器人，它只要把這個點(diǎn)焊的過程示教完以后，它總是重復(fù)這樣一種工作，它對于外界的環(huán)境沒有感知，這個力操作力的大小，這個工件存在不存在，焊的好與壞，它并不知道，那么實(shí)際上這種從第一代機(jī)器人，也就存在它這種缺陷，因此，在20世紀(jì)70年代后期，人們開始研究第二代機(jī)器人，叫帶感覺的機(jī)器人，這種帶感覺的機(jī)器人是類似人在某種功能的感覺，比如說力覺、觸覺、滑覺、視覺、聽覺和人進(jìn)行相類比，有了各種各樣的感覺，比方說在機(jī)器人抓一個物體的時候，它實(shí)際上力的大小能感覺出來，它能夠通過視覺，能夠去感受和識別它的形狀、大小、顏色。抓一個雞蛋，它能通過一個觸覺，知道它的力的大小和滑動的情況。那么第三代機(jī)器人，也是我們機(jī)器人學(xué)中一個理想的所追求的最高級的階段，叫智能機(jī)器人，那么只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成運(yùn)動，感知思維和人機(jī)通訊的這種功能和機(jī)能，那么這個目前的發(fā)展還是相對的只是在局部有這種智能的概念和含義，但真正完整意義的這種智能機(jī)器人實(shí)際上并沒有存在，而只是隨著我們不斷的科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能的概念越來越豐富，它內(nèi)涵越來越寬。從三代機(jī)器人發(fā)展過程中，從另一個方面，我們對機(jī)器人從應(yīng)用的角度進(jìn)行了分類，比如說工業(yè)機(jī)器人，它包括點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、搬運(yùn)、碼垛，在工業(yè)現(xiàn)場中工作的這種機(jī)器人，我們統(tǒng)稱為工業(yè)機(jī)器人，那么從不同的應(yīng)用中，到水下去作業(yè)的叫水下機(jī)器人，到空間作業(yè)的叫空間機(jī)器人，同時又存在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)，對醫(yī)療機(jī)器人叫醫(yī)用機(jī)器人，還包括娛樂機(jī)器人，建筑和居室上用的機(jī)器人，所以從應(yīng)用分類，它包括從行業(yè)、應(yīng)用角度，也可以進(jìn)行這樣簡單的分類。
1.2.3 國內(nèi)機(jī)器人研究狀況
由于我們國家存在很多其他的各種因素、問題。我們國家在機(jī)器人的研究，在20世紀(jì)70年代后期，當(dāng)時我們在國家北京舉辦一個日本的工業(yè)自動化產(chǎn)品展覽會，在這個會上有兩個產(chǎn)品，一個是數(shù)控機(jī)床，一個是工業(yè)機(jī)器人，這個時候，我們國家的許多學(xué)者，看到了這樣一個方向，開始進(jìn)行了機(jī)器人的研究，但是這時候研究，基本上還局限于理論的探討階段，那么真正進(jìn)行機(jī)器人研究的時候，是在七五、八五、九五、十五將近這二十年的發(fā)展，發(fā)展最迅速的時候，是在1986年我們國家成立了863計劃是高技術(shù)發(fā)展計劃，就將機(jī)器人技術(shù)作為一個重要的發(fā)展的主題，國家投入將近幾個億的資金開始進(jìn)行了機(jī)器人研究，使得我們國家在機(jī)器人這一領(lǐng)域得到很快地、迅速地發(fā)展。目前主要單位像中科院沈陽自動化所，原機(jī)械部的北京自動化所，像哈爾濱工業(yè)大學(xué)，北京航空航天大學(xué)，清華大學(xué)，還包括中科院北京自動化所等等的一些單位都做了非常重要的研究工作，也取得了很多的成果，而且目前這幾年來看，我們國家在高校里邊，有很多單位從事機(jī)器人研究，很多研究生和博士生都在從事機(jī)器人方面的研究，目前我們國家比較有代表性的研究，有工業(yè)機(jī)器人，水下機(jī)器人，空間機(jī)器人，核工業(yè)的機(jī)器人，都在國際上應(yīng)該處于領(lǐng)先水平，總體上我們國家與發(fā)達(dá)國家相比，還存在很大的差距，主要表現(xiàn)在，我們國家在機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化方面，目前還沒有固定的成熟的產(chǎn)品，但是在上述這些水下、空間、核工業(yè)，一些特殊機(jī)器人方面，我們?nèi)〉昧撕芏嘤刑厣难芯砍删汀?
1.2.4 國外機(jī)器人的最新發(fā)展
近年來，人類的活動領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，機(jī)器人應(yīng)用也從制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域發(fā)展。像海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務(wù)、娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機(jī)器人化的要求。這些行業(yè)與制造業(yè)相比，其主要特點(diǎn)是工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不確定性，因而對機(jī)器人的要求更高，需要機(jī)器人具有行走功能，對外感知能力以及局部的自主規(guī)劃能力等，是機(jī)器人技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。
（1）水下機(jī)器人：美國的AUSS、俄羅斯的MT-88、法國的EPAVLARD等水下機(jī)器人已用于海洋石油開采，海底勘查、救撈作業(yè)、管道敷設(shè)和檢查、電纜敷設(shè)和維護(hù)、以及大壩檢查等方面，形成了有纜水下機(jī)器人（remote operated vehicle）和無纜水下機(jī)器人（autonomous under water vehicle）兩大類。
（2）空間機(jī)器人：空間機(jī)器人一直是先進(jìn)機(jī)器人的重要研究領(lǐng)域。目前美、俄、加拿大等國已研制出各種空間機(jī)器人。如美國NASA的空間機(jī)器人Sojanor等。Sljanor是一輛自主移動車，重量為11.5kg，尺寸630~48mm，有6個車輪，它在火星上的成功應(yīng)用，引起了全球的廣泛關(guān)注。
（3）核工業(yè)用機(jī)器人：國外的研究主要集中在機(jī)構(gòu)靈巧，動作準(zhǔn)確可靠、反應(yīng)快、重量輕、剛度好、便于裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動機(jī)器人。已完成的典型系統(tǒng)，如美國ORML基于機(jī)器人的放射性儲罐清理系統(tǒng)、反應(yīng)堆用雙臂操作器，加拿來大研制成功的輻射監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，德國的C7靈巧手等
（4）地下機(jī)器人：地下機(jī)器人主要包括采掘機(jī)器人和地下管道檢修機(jī)器人兩在類。主要研究內(nèi)容為：機(jī)械結(jié)構(gòu)、行走系統(tǒng)、傳感器及定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信及遙控技術(shù)。目前日、美、德等發(fā)達(dá)國家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大型管道檢修用的機(jī)器人，各種采機(jī)器人及自動化系統(tǒng)正在研制中。
（5）醫(yī)用機(jī)器人：醫(yī)用機(jī)器人的主要研究內(nèi)容包括：醫(yī)療外科手術(shù)的規(guī)劃與仿真、機(jī)器人輔助外科手術(shù)、最小損傷外科、臨場感外科手術(shù)等。美國已開展臨場感外科（telepresence surgery）的研究，用于戰(zhàn)場模擬、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)等。法、英、意、德等國家聯(lián)合開展了圖像引導(dǎo)型矯形外科（telematics）計劃、袖珍機(jī)器人（biomed）計劃以及用于外科手術(shù)的機(jī)電手術(shù)工具等項目的研究，并已取得一些卓有成效的結(jié)果。
（6）建筑機(jī)器人：日本已研制出20多種建筑機(jī)器人。如高層建筑抹灰機(jī)器人、預(yù)制件安裝機(jī)器人、室內(nèi)裝修機(jī)器人、地面拋光機(jī)器人、擦玻璃機(jī)器人等，并已實(shí)際應(yīng)有和。美國卡內(nèi)基梅隆重大學(xué)、麻省理工學(xué)院等都在進(jìn)行管道挖掘和埋設(shè)機(jī)器人、內(nèi)墻安裝機(jī)器人等型號的研制、并開展了傳感器、移動技術(shù)和系統(tǒng)自動化施工方法等基礎(chǔ)研究。英、德、法等國也在開展這方面的研究。
（7）軍用機(jī)器人：近年來，美、英、法、德等國已研制出第二代軍用智能機(jī)器人。其特點(diǎn)是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰(zhàn)和后勤支援等任務(wù)，在戰(zhàn)場上具有看、嗅和角摸能力，能夠自動跟蹤地形和選擇道路，并且具有自動搜索、識別和消滅敵方目標(biāo)的功能。如美國的Navplab自主導(dǎo)航車、SSV半自主地面戰(zhàn)車，法國的自主式快速運(yùn)動偵察車（DARDS），德國MV4爆炸物處理機(jī)器人等。目前美國ORNL正在研制和開發(fā)Abrams坦克、愛國者導(dǎo)彈裝電池用機(jī)器人等各種用途的軍用機(jī)器人。
可以預(yù)見，在21世紀(jì)各種先進(jìn)的機(jī)器人系統(tǒng)將會進(jìn)入人類生活的各個領(lǐng)域，成為人類良好的助手和親密的伙伴。
1.2.5 機(jī)器人目前研究熱點(diǎn)及發(fā)展趨勢
目前國際機(jī)器人界都在加大科研力度，進(jìn)行機(jī)器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究內(nèi)容集中在以下10個方面：
（1）工業(yè)機(jī)器人操作機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)：探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載/自重比，同時機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。
（2）機(jī)器人控制技術(shù)：重點(diǎn)研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機(jī)器人控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點(diǎn)。編程技術(shù)除進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實(shí)用化將成為研究重點(diǎn)。
（3）多傳感系統(tǒng)：為進(jìn)一步提高機(jī)器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點(diǎn)在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實(shí)用化。
（4）機(jī)器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。
（5）機(jī)器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機(jī)器人半自主和自主技術(shù)，多機(jī)器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機(jī)器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預(yù)先顯示進(jìn)行遙控等。
（6）虛擬機(jī)器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)以及臨場感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的虛擬遙操作和人機(jī)交互。
（7）多智能體（multi-agent）調(diào)控制技術(shù)：這是目前機(jī)器人研究的一個嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機(jī)理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進(jìn)行研究。
（8）微型和微小機(jī)器人技術(shù)（micro/miniature robotics）：這是機(jī)器人研究的一個新的領(lǐng)域和重點(diǎn)發(fā)展方向。過去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進(jìn)展將會引起機(jī)器人技術(shù)的一場革命，并且對社會進(jìn)步和人類活動的各個方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型機(jī)器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動方式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。
（9）軟機(jī)器人技術(shù)（soft robotics）:主要用于醫(yī)療、護(hù)理、休閑和娛樂場合。傳統(tǒng)機(jī)器人設(shè)計未考慮與人緊密共處，因此其結(jié)構(gòu)材料多為金屬或硬性材料，軟機(jī)器人技術(shù)要求其結(jié)構(gòu)、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機(jī)器人意外地與環(huán)境或人碰撞時是安全的，機(jī)器人對人是友好的。
2手指部分的設(shè)計與計算
機(jī)械手手爪是用來抓取工件的部件。手爪抓取工件時要滿足迅速、靈活、準(zhǔn)確和可靠的要求。所以機(jī)械手手爪是機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。
設(shè)計制造加緊機(jī)構(gòu)——手爪時，首先要從機(jī)械手的坐標(biāo)形式、運(yùn)行速度和加速度的情況來考慮。其夾緊力的大小則是根據(jù)夾持物體的重量、慣性和沖擊力的大小來計算。同時考慮有足夠的開口尺寸，以適應(yīng)被抓物體的尺寸變化。為擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用范圍，還須備有多種抓取機(jī)構(gòu)，以根據(jù)需要來更換手爪。為防止損害被夾持的物體，夾緊力要限制在一定的范圍內(nèi)，并鑲有軟質(zhì)墊片、彈性襯墊或自動定心機(jī)構(gòu)。為防止突然停電造成的被抓物體落下，又需要有自鎖結(jié)構(gòu)。夾緊機(jī)構(gòu)本身則應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、動作靈活和工作可靠。
2.1夾緊機(jī)構(gòu)的類型
夾緊機(jī)構(gòu)形式多樣，有機(jī)械式、吸盤式和電磁式等。機(jī)械式夾緊機(jī)構(gòu)是最基本的一種，應(yīng)用廣泛，種類繁多。此次設(shè)計中也是應(yīng)用的機(jī)械式夾緊機(jī)構(gòu)。
機(jī)械式夾緊機(jī)構(gòu)是由驅(qū)動元件、手爪支持部件、傳動機(jī)構(gòu)、手指及各種墊片、附件等組成：
（1） 驅(qū)動元件，主要是油缸。
（2） 手爪支持部件，一般固定在手腕或者手臂上，而驅(qū)動件、傳動機(jī)構(gòu)和手指則安裝在手爪的支持部件上。
（3） 傳動機(jī)構(gòu)，是把活塞桿的運(yùn)動變成手指開閉運(yùn)動的機(jī)構(gòu)，設(shè)計中采用的是鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)傳動。傳動機(jī)構(gòu)不僅把活塞桿的運(yùn)動傳遞給手指，而且有又將這個機(jī)構(gòu)設(shè)計為力的倍增機(jī)構(gòu)。
2.2信息傳感器
工業(yè)機(jī)械手采用的傳感器大致可分為兩類：
第一類用以檢測、判斷對象的情況，便于機(jī)械手進(jìn)行操作，稱為外部信息傳感器；第二類在機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)檢測控制動作，以便實(shí)現(xiàn)控制回路的功能，稱為內(nèi)部信息傳感器。
內(nèi)部信息傳感器種類較多，但外界信息傳感器則處于發(fā)展階段。其中主要要求有位置傳感器、觸覺傳感器，即需要具備能檢測對象（工件）的位置，或具有觸覺，甚至具備視覺的判斷功能，
2.2.1內(nèi)部信息傳感器
機(jī)械手手臂能移動到要求的位置，并能重復(fù)規(guī)定的動作，一般采用有反饋的伺服機(jī)構(gòu)。伺服機(jī)構(gòu)的主回路有檢測部分、放大部分、驅(qū)動部分等組成，用以檢測位置和角度等。
內(nèi)部信息傳感器主要采用電阻電位計，自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器和其他模擬數(shù)字變換器等。也有采用開關(guān)控制如限位開關(guān)、接近開關(guān)和光電繼電器等。
對反饋元件的內(nèi)部信息傳感器的要求是：
（1） 可靠性高，壽命長，無故障及少維修；
（2） 小型簡單，不帶附屬裝置；
（3） 抗干擾，在惡劣工作環(huán)境下，如電噪音、電壓、頻率變化較大的情況下，能夠正常工作；
（4） 不因溫度、濕度、振動沖擊等環(huán)境變動時發(fā)生誤差與損壞；
（5） 回路獨(dú)立，輸入輸出回路相互獨(dú)立；
（6） 容易調(diào)整和微調(diào)；
（7） 應(yīng)用絕對值表示停止位置；
（8） 價格低廉。
2.2.2外部信息傳感器
外部信息傳感器用得比較多的主要有距離傳感器、力傳感器、識別傳感器和自適應(yīng)診斷傳感器。
（1）距離傳感器
測量距離有兩種方法，一種是接觸物體的測距，另一種是不接觸物體測距。接觸物體時可采用微型開關(guān)、放大比例尺、齒條齒輪和編碼器等。
非接觸傳感器一般是利用激光和超聲波。激光傳感器是用旋轉(zhuǎn)反光鏡使激光在物體上進(jìn)行掃描，用光電晶體管接收確定光軸上物體的反射光，根據(jù)接收到光的時間測出距離。
（2）力傳感器
力傳感器大多使用應(yīng)變儀，也可使用壓敏元件和導(dǎo)電橡膠。應(yīng)變儀安裝在懸壁上，當(dāng)手指沒有外力影響時，它的四個輸出口處于平衡狀態(tài)，如手指接觸到物體，而又加上外力時，就會處于不平衡狀態(tài)。當(dāng)將手指軸放到應(yīng)變儀孔內(nèi)時，向外力大的方向就產(chǎn)生反作用力，使應(yīng)變儀四個輸出口出現(xiàn)不平衡狀態(tài)，從而體現(xiàn)傳感作用。
（3）識別傳感器
識別形狀傳感器，一般使用由電視攝像機(jī)或光電二極管陣列構(gòu)成的矩陣式攝像機(jī)。在使用這種傳感器時，關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)存取及其處理的速度，如速度過于遲緩，就不可能使機(jī)械手的作業(yè)與有關(guān)作業(yè)同步。
（4）自適應(yīng)診斷傳感器
自適應(yīng)診斷傳感器安裝在手指上，用以對夾持力的大小進(jìn)行自適應(yīng)控制。只要不改變手指和被夾持物體的相對位置，就能準(zhǔn)確地進(jìn)行控制。利用電唱機(jī)拾音器心坐的原理，使針接觸物體。
2.3液壓傳動的設(shè)計計算
油泵是液壓系統(tǒng)的心臟，他把電動機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成油壓，同時向液壓系統(tǒng)提供具有一定壓力和流量的壓力油。油泵種類較多，目前在機(jī)械手上多數(shù)是采用齒輪泵和葉片泵，而從流量的特性來看，多數(shù)是采用葉片泵。手爪夾緊設(shè)計中所選擇的是葉片泵。機(jī)械手常用的葉片泵(YB)型額定工作壓力一般為63 。而定量泵是根據(jù)液壓系統(tǒng)所需的油泵工作壓力和所需要的流量這兩個參數(shù)來確定的。
在機(jī)械手液壓系統(tǒng)中任何油缸工作時，都要有一定的輸出力（或力矩）、運(yùn)動速度和方向。凡控制油缸輸出力大小、運(yùn)動速度和運(yùn)動方向都需要有閥來控制。
壓力閥——實(shí)現(xiàn)機(jī)械手所需輸出力（或力矩），它包括溢流閥、減壓閥、安全閥、順序閥和壓力繼電器；
流量閥——控制流量大小，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的運(yùn)動速度。如節(jié)流閥、調(diào)速閥；
方向閥——由減壓閥與節(jié)流閥串聯(lián)，保證節(jié)流閥進(jìn)出口壓力差趨于穩(wěn)定，使流量不受外界負(fù)荷變化的影響。常用的有二位三通及三位四通電磁換向閥。
2.3.1手爪夾緊液壓傳動的設(shè)計計算
(1)確定油缸的工作壓力
式中：——油缸的工作壓力；
——油缸的最大工作壓力；
——經(jīng)油泵到油缸的油路中，總的壓力損失；
——管路損失系數(shù)，當(dāng)機(jī)械手油路管路不長時，
一般取。
(2)確定經(jīng)油缸的流量
經(jīng)油缸的液壓油路中的流量應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)所需要的最大流量和總泄漏量來確定。
即：
式中：——經(jīng)油缸的液壓油路中的流量；
——泄漏系數(shù)??；
——系統(tǒng)同時動作時，油缸速度最大時所需要的總流量。
(3)確定油泵所需電機(jī)功率
式中：——油泵所需要的電動機(jī)功率；
——所需油泵工作壓力；
——油泵額定流量；
——油泵總效率，一般葉片泵，
柱塞泵。
2.3.2手爪回轉(zhuǎn)液壓傳動的設(shè)計計算
(1)確定油缸的工作壓力
式中：——油缸的工作壓力；
——油缸的最大工作壓力；
——經(jīng)油泵到油缸的油路中，總的壓力損失；
——管路損失系數(shù)，當(dāng)機(jī)械手油路管路不長時，
一般取。
(2)確定經(jīng)油缸的流量
經(jīng)油缸的液壓油路中的流量應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)所需要的最大流量和總泄漏量來確定。
即：
式中：——油缸所需流量；
——泄漏系數(shù)?。?
——系統(tǒng)同時動作時，油缸速度最大時所需要的總流量。
(3)確定油泵所需電機(jī)功率
式中：——油泵所需要的電動機(jī)功率；
——所需油泵工作壓力；
——油泵額定流量；
——油泵總效率，一般葉片泵，
柱塞泵。
(4)液壓缸的扭矩計算
當(dāng)擺動式液壓缸的兩油口相繼通以壓力油時，葉片即帶動擺動軸作往復(fù)運(yùn)動，當(dāng)考慮到機(jī)械效率時，液壓缸缸的擺動軸輸出扭矩T為：
式中：——葉片寬度；
——擺動軸直徑；
——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑；
——供油壓力；
——回油壓力；
——液壓缸的機(jī)械效率。
根據(jù)能量守恒原理，結(jié)合上式得出角速度為：
式中：——液壓缸葉片寬度；
——擺動軸直徑；
——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑；
——液壓缸的流量；
——液壓缸的容積效率。
2.4夾緊力的計算
2.4.1液壓缸產(chǎn)生的推力及運(yùn)動速度
手爪夾緊所用的液壓缸是單桿活塞式液壓缸，活塞的伸縮使得手爪夾緊與放開。單桿活塞式液壓缸的活塞桿只從液壓缸的一端伸出，液壓缸的活塞在兩缸有效作用面積不相等，當(dāng)向液壓缸兩腔分別供油，且壓力和流量都不變時，活塞在兩個方向上的運(yùn)動速度和推力都是不相等的，即運(yùn)動具有不對稱性。
(1)手爪夾緊的設(shè)計計算
當(dāng)無桿腔進(jìn)油時，活塞的運(yùn)動速度V為：
式中：——液壓缸的流量；
——無桿腔部分液壓缸的橫截面積；
——液壓缸的容積效率；
——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑。
液壓缸所產(chǎn)生的推力F為：
式中：——無桿腔部分液壓缸的橫截面積；
——有桿腔部分液壓缸的橫截面積；
——供油壓力；
——回油壓力；
——液壓缸的機(jī)械效率；
——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑；
——活塞桿直徑。
(2)手爪放開的設(shè)計計算
當(dāng)有桿腔進(jìn)油時，活塞的運(yùn)動速度V為：
式中：——液壓缸的流量；
——無桿腔部分液壓缸的橫截面積；
——液壓缸的容積效率；
——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑。
液壓缸所產(chǎn)生的推力F為：
式中：——無桿腔部分液壓缸的橫截面積；
——有桿腔部分液壓缸的橫截面積；
——供油壓力；
——回油壓力；
——液壓缸的機(jī)械效率；
——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑；
——活塞桿直徑。
2.4.2夾緊力的計算
夾緊機(jī)構(gòu)在抓取工件時必須要有一定的夾緊力（即握力），其握力的大小與夾緊機(jī)構(gòu)的形式、夾緊方位和工件的形狀都有關(guān)。因而研究夾緊機(jī)構(gòu)處在什么方位時，夾緊工件所需要的驅(qū)動力為最小，這個最小的夾緊力稱之為當(dāng)量夾緊力。當(dāng)量夾緊力就是使工件處于水平位置時的最小驅(qū)動力。
(1)當(dāng)量夾緊力的計算
當(dāng)卡爪平衡時，夾緊力與驅(qū)動力的平衡條件是：
，
即：
式中： ——滑槽方向與兩銷軸的距離；
——夾緊力；
——工件重心距手指回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離；
——滑槽對銷軸的反作用力；
——夾緊系數(shù)。
其中： ，
式中：——鉗口與水平面的夾角；
——油缸產(chǎn)生的驅(qū)動力。
(2)考慮工件重量時的最小驅(qū)動力
當(dāng)手爪夾緊時所需的驅(qū)動力P為：
式中: ——油缸產(chǎn)生的驅(qū)動力；
——滑槽方向與兩銷軸的距離；
——工件重心距手指回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離；
——鉗口對工件的夾緊力；
——鉗口對工件的夾緊力；
——手指部分的重量；
——鉗口與水平面的夾角。
當(dāng)手爪尚未夾緊，油缸保持水平位置時其驅(qū)動力最小，其最小驅(qū)動力為：
(3)手爪夾緊力的計算
手指對工件的夾緊力可按下列計算：
式中：——手指對工件的夾緊力；
——安全系數(shù)，通常取；
——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可??；
——方位系數(shù)，查表得；
——被抓取工件的重量。
綜上所述，油缸產(chǎn)生的驅(qū)動力滿足驅(qū)動的要求。
3手腕部分的設(shè)計與計算
3.1確定油缸的工作壓力
式中：——油缸的工作壓力；
——油缸的最大工作壓力；
——經(jīng)油泵到油缸的油路中，總的壓力損失；
——管路損失系數(shù)，當(dāng)機(jī)械手油路管路不長時，
一般取。
3.2確定經(jīng)油缸的流量
經(jīng)油缸的液壓油路中的流量應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)所需要的最大流量和總泄漏量來確定。
即：
式中：——油缸所需流量；
——泄漏系數(shù)??；
——系統(tǒng)同時動作時，油缸速度最大時所需要的總流量。
3.3確定油泵所需電機(jī)功率
式中：——油泵所需要的電動機(jī)功率；
——所需油泵工作壓力；
——油泵額定流量；
——油泵總效率，一般葉片泵，
柱塞泵。
3.4液壓缸的輸出扭矩計算
當(dāng)擺動式液壓缸的兩油口相繼通以壓力油時，葉片即帶動擺動軸作往復(fù)運(yùn)動，當(dāng)考慮到機(jī)械效率時，葉片缸的擺動軸輸出扭矩T為：
式中：——葉片寬度；
——擺動軸直徑；
——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑；
——供油壓力；
——回油壓力；
——液壓缸的機(jī)械效率。
根據(jù)能量守恒原理，結(jié)合上式得出角速度為：
式中：——液壓缸葉片寬度；
——擺動軸直徑；
——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑；
——液壓缸的流量；
——液壓缸的容積效率。
4手臂部分的設(shè)計與計算
手臂是機(jī)械手的主要部分，它是支撐手腕、手指和工件并使它們運(yùn)動的機(jī)構(gòu)。
4.1手臂的作用和組成
手臂一般有三個運(yùn)動——伸縮、旋轉(zhuǎn)和升降。實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、升降運(yùn)動是由橫臂和立柱去完成。手臂的基本作用是將手爪移動到所需位置和承受手爪抓取工件的最大重量，以及手臂的自身的重量等。
手臂由以下幾部分組成：
(1)動作元件，如油缸、氣缸、齒條、齒輪等是驅(qū)動手臂運(yùn)動的部件。
(2)導(dǎo)向裝置，是保證手臂的正確放心及承受由于工件的重量所產(chǎn)生的彎曲和扭轉(zhuǎn)力矩。
(3)手臂，起著連接和承受外力的作用。手臂上的零部件如油缸、導(dǎo)向桿、控制剛等都安裝在手臂上。
此外，根據(jù)機(jī)械手動作和工作的要求，如管路、冷卻裝置、行程定位裝置和自動檢測機(jī)構(gòu)等，一般也都裝在手臂上。所以手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、承載能力和動作精度都直接影響機(jī)械手的工作性能。
4.2對設(shè)計手臂的要求
(1)手臂應(yīng)承載能力大、剛性好、自重輕。
手臂的剛性直接影響到手臂抓取工件時動作的平穩(wěn)性、運(yùn)動的速度和定位精度。如果剛性差則會引起手臂在垂直平面內(nèi)的彎曲變形和水平面內(nèi)的側(cè)向扭轉(zhuǎn)變形，手臂就要產(chǎn)生振動，或動作時工件卡死無法工作。為此，手臂一般都采用剛性較好的導(dǎo)向桿來加大手臂的剛度，各支承、連接件的剛性也要有一定的要求，以保證能承受所需要的驅(qū)動力。
(2)手臂的運(yùn)動速度要適當(dāng)，慣性要小。
機(jī)械手的運(yùn)動速度一般是根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)節(jié)拍要求來決定，但不宜盲目地追求高速度。
手臂的自重輕，其啟動和停止的平穩(wěn)性就好。
(3)手臂動作要靈活
手臂的結(jié)構(gòu)要緊湊小巧，才能使手臂運(yùn)動輕快、靈活。如在運(yùn)動臂上加裝滾動軸承或采用滾珠導(dǎo)軌也能使手臂運(yùn)動輕快、平穩(wěn)。此外，對于懸臂式的機(jī)械手，還要考慮零件在手臂上的布置，就是要計算手臂移動零件時的重量對回轉(zhuǎn)、升降、支承中心的偏重力矩。偏重力矩對手臂運(yùn)動很不利。偏重力矩過大，會引起手臂的振動，在升級時還會發(fā)生一種沉頭現(xiàn)象，也會影響運(yùn)動的靈活性，嚴(yán)重時手臂與立柱會卡死。所以在設(shè)計手臂時要盡量使手臂重心通過回轉(zhuǎn)中心，或離回轉(zhuǎn)中心要盡量的近，以減少偏重力矩。對于雙臂同時操作的機(jī)械手，則應(yīng)使兩臂的布置盡量對稱于中心，以達(dá)到平衡。
(4)位置精度要高
機(jī)械手要獲得較高的位置精度，除采用先進(jìn)的控制方法外，在結(jié)構(gòu)上還要注意如下幾個問題：機(jī)械手的剛度、偏重力矩、慣性力及緩沖效果都直接影響手臂的位置精度；加設(shè)定位裝置和行程檢測機(jī)構(gòu)。合理選擇機(jī)械手的坐標(biāo)形式。直角坐標(biāo)式機(jī)械手的位置精度較高，其結(jié)構(gòu)和運(yùn)動都比較簡單、誤差也??；回轉(zhuǎn)運(yùn)動產(chǎn)生的誤差，是放大式的尺寸誤差，當(dāng)轉(zhuǎn)角位置一定時，手臂伸出越長，誤差越大。
(5)通用性強(qiáng)，能適應(yīng)多種作業(yè)；工藝性好，便于維修調(diào)整。
4.3手臂的結(jié)構(gòu)
手臂的伸縮和升降運(yùn)動采用直線油缸驅(qū)動。
手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，在回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角小于360度的情況下，采用擺動油缸。
手臂的俯仰運(yùn)動，常用直線油缸帶動鉸鏈杠桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。
(1)手臂直線運(yùn)動的結(jié)構(gòu)
手臂作直線運(yùn)動的結(jié)構(gòu)，基本上是由驅(qū)動機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向裝置所組成。驅(qū)動機(jī)構(gòu)一般用油缸、油馬達(dá)加齒輪、齒條來實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動。
機(jī)械手中實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)運(yùn)動用的的雙作用雙活塞桿油缸。因為行程比較大，因此將油缸做得很長，體積很大，則加工上有困難。而伸縮式雙活塞桿油缸既能滿足行程要求，油缸體積又小，其缺點(diǎn)是一次行程有兩種速度。在結(jié)構(gòu)上可以是油缸體固定、活塞剛運(yùn)動；也可以是活塞桿固定，而缸體運(yùn)動。
(2)手臂的擺動機(jī)構(gòu)
手臂的擺動機(jī)構(gòu)采用葉片式擺動缸，葉片式擺動缸的回轉(zhuǎn)角小于360度，缸的結(jié)構(gòu)定片可以與缸體固聯(lián)，有時也可以相反。
只要選取適當(dāng)?shù)臏p速機(jī)構(gòu)，便可得到需要的手臂擺動速度。
（3）手臂的俯仰運(yùn)動機(jī)構(gòu)
由于手臂懸伸后加持工件，其偏重力矩較大，故必須采用強(qiáng)有力的俯仰驅(qū)動機(jī)構(gòu)。往復(fù)直線油缸可繞其支承銷軸擺動。當(dāng)油缸活塞桿作往復(fù)運(yùn)動時，通過鉸鏈帶動支架上下擺動，而手臂安裝在支架上。
4.4手臂的設(shè)計計算
4.4.1確定油缸工作壓力
式中：——油缸的工作壓力；
——油缸的最大工作壓力；
——經(jīng)油泵到油缸的油路中，總的壓力損失；
——管路損失系數(shù)，當(dāng)機(jī)械手油路管路不長時，
一般取。
經(jīng)油缸的液壓油路中的流量應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)所需要的最大流量和總泄漏量來確定。
即：
式中：——經(jīng)油缸的液壓油路中的流量；
——泄漏系數(shù)??；
——系統(tǒng)同時動作時，油缸以最大速度運(yùn)行所需要的總流量。
4.4.2驅(qū)動力的設(shè)計計算
根據(jù)手臂運(yùn)動的不同，驅(qū)動力可以分為兩種情況來計算。
（1）手臂水平伸縮時驅(qū)動力的計算
當(dāng)手臂水平伸縮時，主要克服摩擦阻力和慣性力，所以驅(qū)動力的大小為：
其中摩擦力應(yīng)包括手臂與伸縮導(dǎo)軌間的摩擦阻力、活塞與密封裝置處的摩擦阻力。而活塞與密封裝置處的摩擦阻力相對于導(dǎo)軌間的摩擦阻力可忽略不計，則摩擦阻力為：
式中： ——摩擦阻力；
——手臂、手腕、手爪及工件的總重量；
——重力加速度。
慣性力的大小可按照下列方式計算：
式中：——手臂在啟動過程中的慣性力；
——手臂、手腕、手爪及工件的總重量；
——重力加速度；
——啟動或制動前后的速度差；
——啟動或制動前后的時間差。
（2）手臂水平回轉(zhuǎn)時驅(qū)動力距的計算
手臂啟動水平回轉(zhuǎn)時主要克服慣性力矩和摩擦力矩，由于摩擦力矩比較小，可以近似的取。因此驅(qū)動力矩為：
式中：——驅(qū)動力距；
——慣性力矩；
——摩擦力矩，包括各支承處摩擦力矩。
其中慣性力矩的大小可按下式計算：
式中：——手臂回轉(zhuǎn)部件對其回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)到慣量；
——手臂回轉(zhuǎn)的角速度差；
——啟動時所需的時間；
——零件對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量；
——零件作為其重心位置的質(zhì)點(diǎn)對手臂回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動
慣量。
由于所夾持的工件為圓柱體，所以零件對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量的大小為：
式中：——手臂回轉(zhuǎn)半徑，即工件重心到回轉(zhuǎn)中心的距離；
——手臂運(yùn)動件的重量。
零件作為其重心位置的質(zhì)點(diǎn)對手臂回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量則可按下式計算：
式中：——所夾圓柱體的長度；
——所夾圓柱體的半徑。
4.4.3偏重力矩的設(shè)計計算
偏重力矩就是手部懸伸部分的全部零件重量（作用在各自的重心上）對手臂回轉(zhuǎn)中心的靜力距。最大偏重力矩產(chǎn)生于手臂伸縮缸全部伸出，并夾持額定重量的零件時，各零件的重量可按其結(jié)構(gòu)形狀、材料比重進(jìn)行粗略計算。重心位置，由于零件多數(shù)均采用對稱結(jié)構(gòu)，故重心應(yīng)位于其幾何截面的形心上，計算時可把手臂的偏重部分分解成幾個單元，先分別計算，然后匯總。
首先計算立柱支承的全部零件的重量：
式中：——立柱支承的全部零件的總重量；
——工件重量；
——手爪部分重量；
——手腕部分重量；
——手臂部分重量。
立柱支承的全部零件的總重量的重心位置距回轉(zhuǎn)中心的距離為，則：
式中：——工件重量；
——手爪部分重量；
——手腕部分重量；
——手臂部分重量；
——工件重心距離回轉(zhuǎn)中心的距離；
——手爪重心距離回轉(zhuǎn)中心的距離；
——手腕重心距離回轉(zhuǎn)中心的距離；
——手臂重心距離回轉(zhuǎn)中心的距離。
其偏重力矩為：
如果求出的偏重力矩過大，可重新布置各部件在手臂上的位置，也可加平衡塊來改善受力情況。但這樣又會增大手臂重量及轉(zhuǎn)動慣量。因此要多方考慮。
5.機(jī)身的設(shè)計與計算
5.1機(jī)身升降液壓轉(zhuǎn)動的設(shè)計計算
5.1.1確定油缸的工作壓力
式中：——油缸的工作壓力；
——油缸的最大工作壓力；
——經(jīng)油泵到油缸的油路中，總的壓力損失；
——管路損失系數(shù)，當(dāng)機(jī)械手油路管路不長時，
一般取。
5.1.2確定經(jīng)油缸的流量
經(jīng)油缸的液壓油路中的流量應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)所需要的最大流量和總泄漏量來確定。
即：
式中：——經(jīng)油缸的液壓油路中的流量；
——泄漏系數(shù)??；
——系統(tǒng)同時動作時，油缸以最大速度運(yùn)行所需要的總流量。
5.1.3確定油泵所需電機(jī)功率
式中：——油泵所需要的電動機(jī)功率；
——所需油泵工作壓力；
——油泵額定流量；
——油泵總效率，一般葉片泵，
柱塞泵。
5.1.4液壓泵的校核
當(dāng)無桿腔進(jìn)油時，活塞的運(yùn)動速度V為：
式中：——液壓缸的流量；
——無桿腔部分液壓缸的橫截面積；
——液壓缸的容積效率；
——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑。
液壓缸所產(chǎn)生的推力F為：
式中：——無桿腔部分液壓缸的橫截面積；
——有桿腔部分液壓缸的橫截面積；
——供油壓力；
——回油壓力；
——液壓缸的機(jī)械效率；
——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑；
——活塞桿直徑。
當(dāng)有桿腔進(jìn)油時，活塞的運(yùn)動速度V為：
式中：——液壓缸的流量；
——無桿腔部分液壓缸的橫截面積；
——液壓缸的容積效率；
——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑。
液壓缸所產(chǎn)生的推力F為：
式中：——無桿腔部分液壓缸的橫截面積；
——有桿腔部分液壓缸的橫截面積；
——供油壓力；
——回油壓力；
——液壓缸的機(jī)械效率；
——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑；
——活塞桿直徑。
5.1.5活塞桿強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核
活塞桿的直徑與計算長度之比<10,屬于短行程液壓缸，主要校核其拉壓強(qiáng)度，發(fā)生縱向彎曲破壞的幾率很小，所以不用對活塞桿進(jìn)行穩(wěn)定性校核。
活塞桿強(qiáng)度校核公式為：
式中：——活塞桿直徑；
——液壓缸負(fù)載；
——活塞桿的許用應(yīng)力。
活塞桿主要受軸向壓力作用，因此只要校核抗壓強(qiáng)度，即可得活塞桿受壓強(qiáng)度公式：
活塞桿的許用應(yīng)力為，，故活塞桿取完全可以滿足要求。
5.2機(jī)身回轉(zhuǎn)液壓轉(zhuǎn)動的設(shè)計計算
5.2.1確定油缸的工作壓力
式中：——油缸的工作壓力；
——油缸的最大工作壓力；
——經(jīng)油泵到油缸的油路中，總的壓力損失；
——管路損失系數(shù)，當(dāng)機(jī)械手油路管路不長時，
一般取。
5.2.2確定經(jīng)油缸的流量
經(jīng)油缸的液壓油路中的流量應(yīng)根據(jù)液壓系統(tǒng)所需要的最大流量和總泄漏量來確定。
即：
式中：——經(jīng)油缸的液壓油路中的流量；
——泄漏系數(shù)?。?
——系統(tǒng)同時動作時，油缸速度最大時所需要的總流量。
5.2.3確定油泵所需電機(jī)功率
式中：——油泵所需要的電動機(jī)功率；
——所需油泵工作壓力；
——油泵額定流量；
——油泵總效率，一般葉片泵，
柱塞泵。
5.2.4液壓缸的扭矩計算
當(dāng)擺動式液壓缸的兩油口相繼通以壓力油時，葉片即帶動擺動軸作往復(fù)運(yùn)動，當(dāng)考慮到機(jī)械效率時，液壓缸缸的擺動軸輸出扭矩T為：
式中：——葉片寬度；
——擺動軸直徑；
——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑；
——供油壓力；
——回油壓力；
——液壓缸的機(jī)械效率。
根據(jù)能量守恒原理，結(jié)合上式得出角速度為：
式中：——液壓缸葉片寬度；
——擺動軸直徑；
——液壓缸缸體內(nèi)孔直徑；
——液壓缸的流量；
——液壓缸的容積效率。
6.PLC控制
可編程序控制器PC又稱為可編程邏輯控制器PLC，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)字控制的專用計算機(jī)。它不僅充分利用微處理器的優(yōu)點(diǎn)來滿足各種工業(yè)領(lǐng)域的的實(shí)時控制要求，同時也照顧到現(xiàn)場電氣操作維護(hù)人員的技能和習(xí)慣，擯棄了微機(jī)常用的計算機(jī)編程語言的表達(dá)形式，獨(dú)具風(fēng)格的形成一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的形象編程語言和模塊化的軟件結(jié)構(gòu)，使用戶程序的編制清晰直觀，方便易學(xué)，調(diào)試和差錯都很容易。
PLC在現(xiàn)代工業(yè)自動化控制中是最值得重視的先進(jìn)控制技術(shù)，現(xiàn)以成為現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱（PLC、CAD/CAM、ROBOT）之一。它以其可靠性高、邏輯能力強(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、易于與計算機(jī)接口、能對模擬量進(jìn)行控制、具備高速技術(shù)與位控等高性能模塊等優(yōu)異性能，正在日益取代由大量中間繼電器、時間繼電器、計數(shù)繼電器等組成的傳統(tǒng)繼電器-接觸控制器系統(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應(yīng)用的深度和廣度都已成為一個國家工業(yè)先進(jìn)水平的重要標(biāo)志之一。
6.1PLC實(shí)現(xiàn)的功能
機(jī)床操作面板上的自定義按鍵大部分帶有指示燈，在使用一些需要特別提醒的功能時，其按鍵采用指示燈閃爍的方式，以示醒目，如機(jī)床故障復(fù)位鍵、等等。
操作面板的自定義鍵必須經(jīng)過PLC編程才能生效，而按鍵的功能則根據(jù)機(jī)床的需要來定義。根據(jù)要求，這臺數(shù)控銑床的操作面板上設(shè)計了機(jī)床啟動、手動控制、自動控制、主軸正反轉(zhuǎn)啟停、點(diǎn)動控制、潤滑控制功能。
按鍵QS1控制電源開關(guān)；按鍵SB18控制急停；按鍵QS2可選擇手動工作方式、自動工作方式、點(diǎn)動工作方式、單段工作方式；按鍵SB1、SB2、SB3分別控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止的功能；按鍵SQ1、SQ2、SQ3、SQ4、SQ5、SQ6分別控制X軸正方向限位、X軸負(fù)方向限位、Y軸正方向限位、Y軸負(fù)方向限位、Z軸正方向限位、Z軸負(fù)方向限位的功能；當(dāng)銑床工作時出現(xiàn)超程問題時，按鍵SB12可解除因超程出現(xiàn)的限制；潤滑液開關(guān)為SB13，當(dāng)潤滑液開關(guān)打開時，可實(shí)現(xiàn)定時潤滑的功能；機(jī)床鎖定功能的實(shí)現(xiàn)，當(dāng)CNC發(fā)出機(jī)床鎖定信號或按下機(jī)床鎖定按扭SB17時，輸入繼電器X002常開觸點(diǎn)閉合，繼電器Y0接通，所有輸出繼電器（Y）將自動斷開實(shí)現(xiàn)機(jī)床鎖定功能。
6.2PLC控制電路接線圖
6.3PLC輸入（I/O）點(diǎn)數(shù)的分配
PLC輸入（I/O）點(diǎn)數(shù)的分配如表6.1：
輸入端
元件
用途
X0
SB
啟動按鈕
X1
SB1
急停按鈕
X2
SB2
自動運(yùn)行按鈕
X3
SB3
機(jī)身升降點(diǎn)動按鈕
X4
SB4
機(jī)身回轉(zhuǎn)點(diǎn)動按鈕
X5
SB5
手臂伸縮點(diǎn)動按鈕
X6
SB6
腕部擺動點(diǎn)動按鈕
X7
SB7
腕部回轉(zhuǎn)點(diǎn)動按鈕
X8
SB8
夾持控制點(diǎn)動按鈕
X9
SB9
大泵卸荷點(diǎn)動按鈕
X10
SB10
小泵卸荷點(diǎn)動按鈕
X11
SB11
兩泵卸荷點(diǎn)動按鈕
X12
SQ1
機(jī)身升降行程位置開關(guān)
X13
SQ2
機(jī)身回轉(zhuǎn)行程位置開關(guān)
X14
SQ3
手臂伸縮行程位置開關(guān)
X15
SQ4
腕部擺動行程位置開關(guān)
X16
SQ5
腕部回轉(zhuǎn)行程位置開關(guān)
X17
SQ6
夾緊控制行程開關(guān)
X18
SQ7
大泵油路壓力表
X19
SQ8
小泵油路壓力表
表 6.1 PLC輸入（I/O）點(diǎn)數(shù)的分配
6.4PLC輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的分配
PLC輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的分配如表6.2：
輸出端
元件名
用途
Y0
M
液壓泵啟動輔助繼電器
Y1
1DT
電磁閥用電磁鐵
Y2
2DT
電磁閥用電磁鐵
Y3
3DT
電磁閥用電磁鐵
Y4
4DT
電磁閥用電磁鐵
Y5
5DT
電磁閥用電磁鐵
Y6
6DT
電磁閥用電磁鐵
Y7
7DT
電磁閥用電磁鐵
Y8
8DT
電磁閥用電磁鐵
Y9
9DT
電磁閥用電磁鐵
Y10
10DT
電磁閥用電磁鐵
Y11
11DT
電磁閥用電磁鐵
Y12
12DT
電磁閥用電磁鐵
Y13
13DT
電磁閥用電磁鐵
Y14
14DT
電磁閥用電磁鐵
Y15
15DT
電磁閥用電磁鐵
Y16
16DT
電磁閥用電磁鐵
Y17
M1
夾緊力感應(yīng)輔助繼電器
Y18
M2
油壓限定輔助繼電器
Y19
M3
油壓限定輔助繼電器
Y20
M4
油壓限定輔助繼電器
表 6.2PLC輸出（I/O）點(diǎn)數(shù)的分配
6.5PLC控制梯形圖
PLC控制的梯形圖如圖6.2
圖 6.2
6.5程序調(diào)試
6.5.1主程序調(diào)試
SB1:ON(總停按鈕預(yù)設(shè)為OFF)
液壓泵啟動/停止：
SB:ON/SB:OFF/
總停開關(guān)：
SB1:OFF/SB1:ON/
6.5.2手動操作子程序調(diào)試
SB0:ON/SB0:OFF/SB1:OFF/SB2:OFF/
機(jī)身升降：
SB3:ON/SB3:OFF/SQ1:ON/SQ1:OFF
機(jī)身回轉(zhuǎn)：
SQ4:ON/SB4:OFF/SQ2:ON/SQ2:OFF/
手臂伸縮：
SQ5:ON/SB5:OFF/SQ3:ON/SQ3:OFF/
腕部擺動:
SQ6:ON/SB6:OFF/SQ4:ON/SQ4:OFF/
腕部回轉(zhuǎn):
SQ7:ON/SB7:OFF/SQ5:ON/SQ5:OFF/
夾持控制:
SQ8:ON/SB8:OFF/SQ6:ON/SQ6:OFF/
大泵卸荷:
SQ9:ON/SB9:OFF/SQ7:ON/SQ7:OFF/
小泵卸荷:
SQ10:ON/SB10:OFF/SQ8:ON/SQ8:OFF/
兩泵卸荷:
SQ11:ON/SB11:OFF/SQ7:ON/SQ7:OFF/SQ8:ON/SQ8:OFF/
6.5.3自動運(yùn)行子程序調(diào)試
SB1:ON(總停按鈕預(yù)設(shè)為OFF)
液壓泵啟動/停止：
SB:ON/SB:OFF/
自動運(yùn)行啟動/停止：SB2:ON/OFF
機(jī)身升降：
SB3:OFF/SQ1:ON/SQ1:OFF
機(jī)身回轉(zhuǎn)：
SB4:OFF/SQ2:ON/SQ2:OFF/
手臂伸縮：
SB5:OFF/SQ3:ON/SQ3:OFF/
腕部擺動:
SB6:OFF/SQ4:ON/SQ4:OFF/
腕部回轉(zhuǎn):
SB7:OFF/SQ5:ON/SQ5:OFF/
夾持控制:
SB8:OFF/SQ6:ON/SQ6:OFF/
大泵卸荷:
SB9:OFF/SQ7:ON/SQ7:OFF/
小泵卸荷:
SB10:OFF/SQ8:ON/SQ8:OFF/
兩泵卸荷:
SB11:OFF/SQ7:ON/SQ7:OFF/SQ8:ON/SQ8:OFF/
按照上述路線調(diào)試，觀察輸入輸出是否達(dá)到預(yù)定結(jié)果，并修改梯形圖，反復(fù)調(diào)試。此外，還
可以對誤操作，突然斷電，急停，電機(jī)過載等情況進(jìn)行調(diào)試。
結(jié)論
畢業(yè)設(shè)計是本科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的機(jī)會，通過此次畢業(yè)設(shè)計，我擺脫了單純的理論知識學(xué)習(xí)狀態(tài)，理論知識和實(shí)際設(shè)計的結(jié)合鍛煉了我.使我能夠比較熟練的運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，解決實(shí)際工程問題的能力，同時也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計手冊、設(shè)計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，而且通過對整體的掌控，對細(xì)節(jié)的處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了豐富。這是我們都希望看到的也正是我們進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計的目的所在。
這次畢業(yè)設(shè)計，使我對機(jī)械設(shè)計有了進(jìn)一步的認(rèn)識，通過對機(jī)械手的設(shè)計，同時用傳統(tǒng)的方法根據(jù)機(jī)械手的受力情況等，在考慮外界因素影響的情況下建立了整個液壓傳動系統(tǒng)的動力學(xué)模型，利用所建立的動力學(xué)模型對機(jī)械手工作系統(tǒng)結(jié)合部參數(shù)進(jìn)行了識別，在此基礎(chǔ)上建立了更為準(zhǔn)確的動力學(xué)模型，分析傳動系統(tǒng)的剛度、工作壽命等，從而選出更為合適的傳動系統(tǒng)，使得對傳動系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化設(shè)計成為可能。
順利如期的完成本次畢業(yè)設(shè)計給了我很大的信心，讓我了解專業(yè)知識的同時也對本專業(yè)的發(fā)展前景充滿信心。但由于時間和條件的限制，加上水平有限，本課題研究還存在著許多不足之處，有待于進(jìn)一步的提高和完善.不過這些不足正是我們?nèi)ジ玫难芯扛玫膭?chuàng)造的最大動力，只有發(fā)現(xiàn)問題面對問題才有可能解決問題，不足和遺憾不會給我打擊只會更好的鞭策我前行，今后我更會關(guān)注新技術(shù)新設(shè)備新工藝的出現(xiàn)，并爭取盡快的掌握這些先進(jìn)的知識，更好的為祖國的四化服務(wù)。
致謝