時間：2023-05-29 17:41:04
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇機(jī)械手臂，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
關(guān)鍵詞：智能機(jī)械手臂;造型設(shè)計;研究
前言
作為一種智能化程度較高的生產(chǎn)制作工具，智能機(jī)械手臂在近期得到了廣泛的應(yīng)用和長足的發(fā)展。研究智能機(jī)械手臂的造型設(shè)計，能夠更好地完善機(jī)械手臂的外觀，從而更好地與其功能相融合。本文從介紹其造型設(shè)計的特點(diǎn)著手研究。
1.智能機(jī)械手臂造型設(shè)計特點(diǎn)
1.1功能原理對造型的影響
智能機(jī)械手臂的功能依附于機(jī)構(gòu)工作原理而實(shí)現(xiàn)。目前市場上常見的機(jī)械手臂有多軸和三軸等，尤其以六軸機(jī)械手臂應(yīng)用較為廣泛。在造型設(shè)計時需先確定機(jī)械手臂大致形態(tài)與結(jié)構(gòu)比例，再考慮各個關(guān)節(jié)的連接方式、造型元素、細(xì)節(jié)形態(tài)及圖形化設(shè)計等。機(jī)械手臂造型可采用全包裹式或半包裹式，雙臂式或單臂式，都以功能需求為造型基礎(chǔ)。產(chǎn)品形態(tài)是表達(dá)產(chǎn)品設(shè)計思想與實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的語言和媒介。在造型創(chuàng)新的過程中，考慮機(jī)械手臂的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及傳動規(guī)律，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行造型設(shè)計才具有實(shí)際意義。
1.2造型特點(diǎn)對比分析
（1）同一品牌的產(chǎn)品設(shè)計具有家族化色彩偏好及造型曲線偏好，在保證功能與審美的基礎(chǔ)上融入產(chǎn)品族造型基因。產(chǎn)品族設(shè)計是企業(yè)競爭的有效手段，使產(chǎn)品能獲得統(tǒng)一的家族特征。
（2）輕載機(jī)械手臂與重載機(jī)械手臂的造型元素選擇具有差異性，輕載機(jī)械手臂重視靈活精確，因此多采用線元素來塑造，強(qiáng)調(diào)形態(tài)的輕松、靈動，采用雙臂設(shè)計將關(guān)節(jié)電機(jī)內(nèi)置;重載機(jī)械手臂重視力量感與安全可靠性，造型多采用體元素與較寬大的面元素來凸顯產(chǎn)品厚重感。同時采用較大的基座設(shè)計，一方面符合載重需要，另一方面使視覺重心下移，下降的視覺感官是穩(wěn)定、可靠的，凸顯了造型的力量感，增加人對機(jī)械手臂載重可靠性的心理感受。
2.智能機(jī)械手臂設(shè)計中的主要構(gòu)成
2.1執(zhí)行機(jī)構(gòu)
（1）手部：手部安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔中裝有傳動軸，可把運(yùn)用傳給手腕，以轉(zhuǎn)動、伸曲手腕、開閉手指。機(jī)械手手部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又可分為二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。可根據(jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和大小的夾頭以適應(yīng)操作的需要。
（2）手臂：手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確地抓住工件，并運(yùn)送到所需的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確地工作，手臂的三個自由度都要精確地定位。
（3）軀干：軀干是安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。
2.2驅(qū)動機(jī)構(gòu)
（1）液壓驅(qū)動式：液壓驅(qū)動式機(jī)械手通常由液動機(jī)、伺服閥、油泵、油箱等組成驅(qū)動系統(tǒng)，由驅(qū)動機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行工作。通常它的具有很大的抓舉能力，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、動作平穩(wěn)、耐沖擊、耐震動、防爆性好，但液壓元件要求有較高的制造精度和密封性能，否則漏油將污染環(huán)境。
（2）氣壓驅(qū)動式：其驅(qū)動系統(tǒng)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機(jī)組成，其特點(diǎn)是氣源方便、動作迅速、結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、維修方便。但難以進(jìn)行速度控制，氣壓不可太高，故抓舉能力較低。
（3）電氣驅(qū)動式：電力驅(qū)動是機(jī)械手使用得最多的一種驅(qū)動方式。其特點(diǎn)是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大，信號檢測、傳動、處理方便，并可采用多種靈活的控制方案。
2.3控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)可根據(jù)動作的要求，設(shè)計采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作程序的存儲方式有分離存儲和集中存儲兩種。分離存儲是將各種控制因素的信息分別存儲于兩種以上的存儲裝置中，如順序信息存儲于插銷板、凸輪轉(zhuǎn)鼓、穿孔帶內(nèi);位置信息存儲于時間繼電器、定速回轉(zhuǎn)鼓等;集中存儲是將各種控制因素的信息全部存儲于一種存儲裝置內(nèi)，如磁帶、磁鼓等。這種方式使用于順序、位置、時間、速度等必須同時控制的場合，即連續(xù)控制的情況下使用。
3.造型設(shè)計規(guī)律分析
3.1形態(tài)仿生曲線運(yùn)用
機(jī)械手臂形態(tài)設(shè)計要體現(xiàn)力量與美感的雙重訴求，需從點(diǎn)、線、面、體等形態(tài)元素中體現(xiàn)。德國KUKA公司推出的重載機(jī)械手臂承載力可達(dá)1300kg，外形采用了仿生學(xué)設(shè)計，曲線較為平滑、舒展流暢、整體感強(qiáng)，充滿了向上的張力。瑞士ABB公司的重載機(jī)械手臂，最大承載力500kg，相比之下，該形態(tài)曲線轉(zhuǎn)折較多，大量折線的運(yùn)用使機(jī)體輪廓線較為瑣碎，削弱了機(jī)體線條的流暢性。
3.2色彩運(yùn)用
色彩依附于產(chǎn)品形態(tài)而存在，人對造型設(shè)計的第一印象來自其色彩。機(jī)械手臂一般采用具有一定辨識度的色彩作為產(chǎn)品主色調(diào)，增強(qiáng)品牌的識別度。意大利COMAU公司生產(chǎn)的機(jī)械手臂，選用紅色作為主色調(diào)，體現(xiàn)了意大利文化中的奔放、熱情;德國KUKA公司生產(chǎn)的輕載機(jī)械手臂，選用淺色為主色調(diào)，表達(dá)質(zhì)輕、高效、靈動的特征，同時可緩和視覺緊張感，局部采用高純度亮色作為點(diǎn)綴，強(qiáng)化視覺中心，增強(qiáng)產(chǎn)品的色彩節(jié)奏感。產(chǎn)品色彩的選擇需考慮與環(huán)境色的搭配，可使場景功能區(qū)分明確，色彩對比分明，營造嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鳝h(huán)境。
3.3材料與質(zhì)感的運(yùn)用
機(jī)械手臂的外殼材料需保證一定的強(qiáng)度要求，并體現(xiàn)材質(zhì)感。德國KUKA公司生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)械手臂，采用新型碳纖維加強(qiáng)材料，機(jī)身質(zhì)量較輕但強(qiáng)度卻很高，同時能保持具有一定光澤度的質(zhì)感。日本YASKAWA公司仿生家用雙臂機(jī)器手，機(jī)身采用啞光淺色塑料，手臂采用高光澤度亮色塑料，給人輕巧、親和的感覺。
4.結(jié)束語
通過對智能機(jī)械手臂造型設(shè)計的相關(guān)研究，我們可以發(fā)現(xiàn)，作為一種實(shí)際應(yīng)用效果良好的人工替代工具，智能機(jī)械手臂的造型可以進(jìn)行更深度的優(yōu)化。有關(guān)人員應(yīng)該根據(jù)智能機(jī)械手臂的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，研究制定最優(yōu)化的造型設(shè)計方案。
參考文獻(xiàn)：
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關(guān)鍵詞 智能機(jī)械手臂；汽車用開關(guān)疲勞試驗；伺服控制系統(tǒng)；柔性裝夾
中圖分類號U46 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號 1674-6708（2011）46-0182-02
1 概述
2001年中國加入了WTO，中國的汽車工業(yè)發(fā)展顯著加速，汽車產(chǎn)量在2003和2004年相繼突破了300萬、400萬輛，并于2005年產(chǎn)量達(dá)到了507.4萬輛，其中轎車234.1萬輛。目前汽車工業(yè)已經(jīng)成為中國的支柱產(chǎn)業(yè)，2009年我國汽車工業(yè)取得了全球矚目的成績，首次超過美國，成為全球產(chǎn)銷量第一的國家。2010年中國共生產(chǎn)了1826.47萬輛汽車，中國成為世界第一大汽車生產(chǎn)國。汽車工業(yè)的飛速發(fā)展為汽車零部件的發(fā)展帶來了空前的機(jī)遇，而浙江作為重要的汽車零部件輸出大省其產(chǎn)業(yè)也取得了顯著的成績。
作為汽車重要零部件的汽車開關(guān)包括：儀表燈開關(guān)、點(diǎn)火開關(guān)、翹板開關(guān)、組合開關(guān)、電源開關(guān)、車燈開關(guān)、轉(zhuǎn)向鎖開關(guān)等。目前已經(jīng)有一些開關(guān)測試設(shè)備，但是它們只針對其中一種或有限的幾種開關(guān)進(jìn)行檢測。因此對于汽車各種開關(guān)耐久性試驗方法的研究具有非常重要的意義。
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本研究項目在于提供一種檢測汽車各種開關(guān)耐久性的機(jī)器人裝置，是由人機(jī)界面進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人初始化以及程序的編寫和輸出，下載到機(jī)器人控制器，通過機(jī)器人控制組合開關(guān)動作，工業(yè)機(jī)器人的操作代替人工勞作，經(jīng)過電參數(shù)儀表采集組合開關(guān)各點(diǎn)的電阻參數(shù)，通過RS-485通信實(shí)時的在檢測柜上顯示，從而實(shí)現(xiàn)汽車組合開關(guān)耐久性試驗的自動化操作和控制。
2項目研究方案
2.1確立方案研究的依據(jù)
本科研項目的研究內(nèi)容就是研制試驗裝置控制軟件、特制的SCARA機(jī)器人、各種手爪結(jié)構(gòu)、操作臺以及檢測柜等汽車開關(guān)相關(guān)的性能實(shí)驗設(shè)備。
依據(jù)汽車開關(guān)類行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 20-1992《汽車用氣壓式制動燈開關(guān)技術(shù)條件》、QC/T 198-1995《汽車用開關(guān)通用技術(shù)條件》、QC/T 218-1996《汽車用轉(zhuǎn)向管柱上組合開關(guān)技術(shù)條件》、QC/T 427-1999《汽車用電源總開關(guān)技術(shù)條件》、QC/T 504-1999《汽車用點(diǎn)火開關(guān)技術(shù)條件》、QC/T 505-1992《汽車用車燈開關(guān)技術(shù)條件》、QC/T 506-1999《汽車用儀表燈開關(guān)技術(shù)條件》、QC/T 628-1999《汽車用帶點(diǎn)火開關(guān)的轉(zhuǎn)向鎖》、QC/T 632-2000《汽車用翹板式開關(guān)技術(shù)條件》、JIS D 0208-1993《汽車開關(guān)試驗方法一般通則》、JIS D 5808-1994《汽車機(jī)械式停止燈開關(guān)》、JIS D 5810-1994《汽車倒車燈開關(guān)》、JIS D 5811-1994《汽車危險報警燈開關(guān)的性能檢查》、JIS D 5813-1994《汽車車門開關(guān)》。
2.2研究內(nèi)容的確定
1）該智能機(jī)械手臂擁有三組獨(dú)立的司服電機(jī)控制系統(tǒng)，能夠完成往復(fù)動作測試、上下點(diǎn)動測試、開關(guān)旋轉(zhuǎn)動作測試等；
2）全自動無人值守，故障報警，自動記錄測試數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析等功能；
3）以被試驗產(chǎn)品為本的柔性裝夾，可通過更換夾具獲得良好的通用性，以適用于絕大多數(shù)汽車開關(guān)疲勞性試驗的需要。（做到一臺檢測設(shè)備滿足十種以上開關(guān)檢測的需要）；
4）該系統(tǒng)可以保存20組標(biāo)準(zhǔn)動作模式，動作自由編輯可達(dá)120組，完全滿足不同客戶的需求；
5）良好擴(kuò)展性：智能手臂預(yù)留信號輸出點(diǎn)，可以選配各種夾具。
3 確立研究方案
對于單個開關(guān)的耐久性檢測可以在末端執(zhí)行器上安裝相應(yīng)的手爪結(jié)構(gòu)，在機(jī)界面上設(shè)置單一的動作類型，如上下、旋轉(zhuǎn)、擺動等，就能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的實(shí)驗要求，該實(shí)驗很容易實(shí)現(xiàn)。
但是對于由轉(zhuǎn)向燈、儀表轉(zhuǎn)向指示燈、危險報警燈開關(guān)、燈光、水器開關(guān)總成的組合開關(guān)耐久性能檢測要求更高，因為它不但需要實(shí)現(xiàn)各個動作類型的組合，還要有一定的合理性、可靠性、準(zhǔn)確性。
本項目的關(guān)鍵技術(shù)是試驗裝置必須完全符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。設(shè)備應(yīng)能根據(jù)每個開關(guān)的具體情況，設(shè)定相應(yīng)的動作類型和參數(shù)進(jìn)行檢測，對于檢測結(jié)果系統(tǒng)可以自動分析判斷并保存，顯示總的檢測次數(shù)、已經(jīng)執(zhí)行的檢測次數(shù)，當(dāng)實(shí)驗次數(shù)達(dá)到目標(biāo)要求的實(shí)驗次數(shù)時，設(shè)備自動停止，對應(yīng)的指示燈亮，保護(hù)設(shè)備并提醒操作人員。
根據(jù)實(shí)際需求和標(biāo)準(zhǔn)要求，繪制出實(shí)驗裝置整體布局圖，繪制出各種手爪執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖。見附圖所示：
1）圖1為實(shí)驗裝置的整體布局圖。圖中：1.控制柜，2.PC機(jī)主機(jī)，3.鼠標(biāo)和鍵盤，4.PC機(jī)顯示器， 5.末端執(zhí)行器， 6.壓力傳感器，7.接近傳感器，8.自轉(zhuǎn)電機(jī)（HC-KFE43），9.絲杠電機(jī)，10.小臂電機(jī)，11.大臂電機(jī)，12.螺栓，13.電阻測量儀，14.檢測柜，15.總控系統(tǒng)，16.LED顯示板，17.工作信號燈，18.報警信號燈，19.停止信號燈，20.開始按鈕，21.暫停按鈕，22.恢復(fù)按鈕，23.急停按鈕，24.機(jī)器人， 25.操作臺，26.大臂伺服放大器（MR-E-40A），27.小臂伺服放大器，28.絲杠伺服放大器，29.自轉(zhuǎn)伺服放大器，30.PLC控制器（FX1s-30MT）2個，31.通信模塊（FX485-BD）2個。
2）圖2為工業(yè)機(jī)器人操作界面。圖中，主要包括狀態(tài)顯示、手動示教、參數(shù)查詢、動作編程、程序?qū)懭氲取Ｊ謩邮窘虒?shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人位置的初始化和位置的鎖定。動作編程的內(nèi)容有：動作類型選擇（電機(jī)及其旋轉(zhuǎn)方向）、動作行程、動作速度、動作延時時間、動作邏輯、有無循環(huán)及循環(huán)次數(shù)等，點(diǎn)擊“程序?qū)懭搿卑粹o即可將用戶總?cè)蝿?wù)下傳至控制系統(tǒng)。下位機(jī)還可以將機(jī)器人的各種狀態(tài)通過人機(jī)界面提示給用戶，如上電后控制系統(tǒng)對工業(yè)機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的狀態(tài)及系統(tǒng)的狀態(tài)等。下位機(jī)通過人機(jī)界面接受用戶對工業(yè)機(jī)器人各個運(yùn)動關(guān)節(jié)的位置矯正，以及用戶對運(yùn)動過程中各個模塊的參數(shù)查詢。另外在設(shè)備出現(xiàn)故障時系統(tǒng)會自動報警，保護(hù)設(shè)備安全。
3）圖3三為末端執(zhí)行器對應(yīng)的上下運(yùn)動的手爪結(jié)構(gòu)。（用于開關(guān)類型）
4）圖四為末端執(zhí)行器對應(yīng)的擺動運(yùn)動的手爪結(jié)構(gòu)。
5）圖五為末端執(zhí)行器對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的手爪結(jié)構(gòu)。
3、4、5三種末端執(zhí)行器的手抓結(jié)構(gòu)，使得該設(shè)備適用于絕大多數(shù)汽車開關(guān)耐久性試驗的需要，只需要簡單更換手抓結(jié)構(gòu)，設(shè)備具有很好的通用性和可移植性。
4 項目的驗證
最后經(jīng)過有關(guān)部門驗證該項目達(dá)到如下性能要求：
1）研制的樣機(jī)使用功能滿足“按、拉、推、撥、拿、旋轉(zhuǎn)”等功能的各類汽車開關(guān)耐久性能試驗的要求, 符合QC/T198《汽車用開關(guān)通用技術(shù)條件》等20多項標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能試驗原理、方法及技術(shù)要求；
2）研制的樣機(jī)經(jīng)計量測試檢定所測試，其技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計的要求；
3）使用該設(shè)備用于汽車開關(guān)產(chǎn)品檢測，并通過了QC/T198《汽車用開關(guān)通用技術(shù)條件》等9項標(biāo)準(zhǔn)的省級計量認(rèn)證和國家實(shí)驗室認(rèn)可；
4）研制的樣機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、裝夾柔性，采用的伺服系統(tǒng)可靠，具有便捷的可編控制程序、操作界面可顯示各種試驗參數(shù)、故障報警停機(jī)保護(hù)等功能。 屬國內(nèi)領(lǐng)先水平。
參考文獻(xiàn)
目前，由于機(jī)械手技術(shù)有了快速的發(fā)展，同時PLC控制技術(shù)以及點(diǎn)控制技術(shù)也在生產(chǎn)實(shí)踐中得到應(yīng)用，所以，適合在工業(yè)自動化生產(chǎn)中使用的通過機(jī)械手也有了不小的進(jìn)展。因為氣動機(jī)械手具有諸多優(yōu)勢，比如結(jié)構(gòu)簡單、定位精確、控制便捷等，因此被自動化生產(chǎn)線大量采用。本文將結(jié)合自動化生產(chǎn)線的實(shí)際情況，進(jìn)行基于PLC與步進(jìn)電機(jī)的氣動手搬運(yùn)機(jī)械手控制的探討。
一、起動機(jī)械手的機(jī)構(gòu)及原理
1、氣動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)
該氣動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中1為推料氣缸，2為工作庫，3為單桿氣缸，4為雙導(dǎo)桿氣缸，5為氣動手抓，6為轉(zhuǎn)軸，7為步進(jìn)電機(jī)，8為傳送帶。在以上組成元件中，燃料氣缸主要負(fù)責(zé)在工件庫中推送工件；氣動手抓則是用來抓緊工件或放松工件；雙導(dǎo)桿氣缸是用來控制機(jī)械手臂進(jìn)行縮回或者伸出動作；單桿氣缸可以提升或者降低氣動手抓；不僅電機(jī)控制著機(jī)械手臂的旋轉(zhuǎn)，并且依據(jù)脈沖數(shù)量來保障定位準(zhǔn)確。
2、氣動機(jī)械手的工作原理
本文探討的氣動系統(tǒng)包括了推料氣缸、升降氣缸、伸縮氣缸和氣動手抓等組成部分。其中，單電控制二位五通閥負(fù)責(zé)控制推料氣缸、升降氣缸以及伸縮氣缸。而氣動手抓則是被雙電控制二位五通閥來進(jìn)行控制。至于氣缸動作過程中的穩(wěn)定性，一般通過單向節(jié)流閥來控制其速度，速度得到控制以后，氣缸在運(yùn)動過程中的穩(wěn)定性即可大大提高。該氣動機(jī)械手在工作中遵循以下流程：工件存料后氣動機(jī)械手向前伸出―前臂降低―工件被氣動手指夾住―前臂抬升并縮回―手臂向右旋轉(zhuǎn)―手臂前屈―手爪把工件放進(jìn)料口―手臂縮回―機(jī)械手復(fù)位，直到下一個工件就位，這一過程循環(huán)進(jìn)行達(dá)到工作的目的。在本系統(tǒng)中，為了保障機(jī)械手的定位準(zhǔn)確，把電感傳感器裝置在機(jī)械手底座處，當(dāng)作其基準(zhǔn)傳感器。并且在機(jī)械手向左、向右旋轉(zhuǎn)到最大位置處加裝限制裝置。
二、氣動機(jī)械手控制標(biāo)準(zhǔn)
對于氣動機(jī)械手控制標(biāo)準(zhǔn)，主要體現(xiàn)在搬運(yùn)工件的工作中，不僅要準(zhǔn)確控制其操作，還要同步呈現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)。在遇到緊急事件時，可以進(jìn)行相應(yīng)的處理。具體要求分三個方面：（1）機(jī)械手在工件到位后向前伸出手臂，當(dāng)傳感器檢測后，手爪氣缸延遲0.5秒后下降，在限位傳感器感應(yīng)后，同樣延遲0.5秒再抓取工件，手抓接受到加緊信號之后，延遲0.5秒上升氣缸，到位后手臂氣缸回縮，縮回限位到位之后右旋轉(zhuǎn)，到達(dá)一定角度之后手臂向前伸出，伸出限位后手爪氣缸降低，下降限位后，手動手爪延遲0.5秒松開工件，手爪提高限位后，手臂氣缸向后縮，縮回限位后手臂進(jìn)行左旋轉(zhuǎn)，直到下一個工件就位，再重復(fù)以上要求。（2）啟動、停止、復(fù)位、警告。在該系統(tǒng)通電，“復(fù)位”被點(diǎn)動后系統(tǒng)復(fù)位，并且清除干凈存料臺。點(diǎn)擊“啟動”按鈕之后，表示缺料情況的黃燈會閃爍，設(shè)備在放進(jìn)工件后再運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)點(diǎn)動“停止“按鈕后，全部元件都會暫停工作，警告燈也會點(diǎn)亮，同時缺料黃燈也會繼續(xù)閃爍。（3）系統(tǒng)意外斷電的處理。設(shè)備會在系統(tǒng)意外斷電后暫停工作。直到電源供應(yīng)恢復(fù)之后，點(diǎn)擊“復(fù)位”按鈕，并且再次點(diǎn)動“啟動”按鈕，這個時候機(jī)械手會執(zhí)行控制要求（1）中的有關(guān)內(nèi)容。
三、氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計
1、氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
本系統(tǒng)在動作流程上主要根據(jù)氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)的工作原理，并且結(jié)合電磁鐵的狀態(tài)和步進(jìn)電機(jī)的方向信號DIR和脈沖信號的狀態(tài)來安排氣動機(jī)械手的動作順序。在PLC I/O口分配方面，主要依據(jù)該系統(tǒng)輸出與輸入的數(shù)量特征。決定將控制器選擇為西門子S7-200系列PLC。該氣動搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的I/O口分配情況如表1所示。
2、氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
在本文中的機(jī)械手軟件設(shè)計過程中，步進(jìn)電機(jī)的控制是比較復(fù)雜的難點(diǎn)。對于步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)而言，其驅(qū)動器的方向信號DIR和脈沖信號PLU是由Q0.1和Q0.0分別提供的。利用程序?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和脈沖數(shù)目進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置后，基本上可以保障機(jī)械手向左、向右旋轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確度。結(jié)合步進(jìn)電機(jī)的動作特征，應(yīng)用S7-200PLC的脈沖指令PLS來保證步進(jìn)電機(jī)的定位。其中，高速脈沖指令包括寬度可變脈沖PWM和高速脈沖PTO這兩種類型。由于PTO方式能夠有效控制脈沖數(shù)量和周期，所以被該系統(tǒng)采納。步進(jìn)電機(jī)一旦在啟動瞬間發(fā)生高頻脈沖增加的情況，會導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)失步等故障。為此，步進(jìn)電機(jī)在進(jìn)行啟動、運(yùn)行、停止、高速運(yùn)行、減速等階段時，可以在PTO指令過程中運(yùn)用多管線控制手段。
結(jié)論
本文進(jìn)行基于PLC與步進(jìn)電機(jī)的氣動手搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計，通過相關(guān)實(shí)驗，證明了該機(jī)械手控制方便、定位精確，可以長期穩(wěn)定的運(yùn)行。在實(shí)際生產(chǎn)過程中可以結(jié)合需要來調(diào)整機(jī)械手動作流程，提高其適應(yīng)性。
參考文獻(xiàn)
1引言
機(jī)械手作為工業(yè)機(jī)器人一種末端執(zhí)行器，是機(jī)器人直接用于抓取．握緊、吸附專用工具進(jìn)行操作的部件，是最重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，安裝于機(jī)器人手臂的前端。機(jī)械手是模仿著人手的部分動作。按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動抓取，搬運(yùn)或操作的自動機(jī)械裝置。
2硬件設(shè)計
主要包括：根據(jù)管道機(jī)械手所特有的工作環(huán)境，選取適當(dāng)?shù)臋C(jī)械手類型。設(shè)計出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括手部、手腕、手臂、立柱和機(jī)座等部件。機(jī)械手的控制系統(tǒng)設(shè)計．本機(jī)械手?jǐn)M采用手動、自動相結(jié)合的控制方式。分析管道機(jī)械手特有的工作環(huán)境，要求管道機(jī)械手應(yīng)滿足耐腐蝕，重量輕、體積小，消耗能量少、在惡略環(huán)境下能安全王作和笏于操作。選擇常用的機(jī)械手類型，分析對比。管道疏通機(jī)械手在整個裝置上的布置，原計劃采用多數(shù)水下機(jī)器人把機(jī)械手前置的布局方式，但是考慮到這樣的布局會對偶然的撞擊缺乏保護(hù)，并往往會遮住視野，同時給安放存污槽和布置照明帶來困難，所以最終決定將機(jī)械手安放在整個裝置的中間偏后位置。為了便于操作人員及時了解設(shè)備狀態(tài)，應(yīng)對突發(fā)事件，為機(jī)械手安裝攝像頭和照明裝置，照明裝置和攝像頭隨機(jī)械手一起轉(zhuǎn)動。手指是夾鉗式取料手直接于待夾取物件接觸的部件。指端的形狀有V性指、平面指、尖指或薄、長指及特性指。V形指一般用于夾持圓柱形工件，特點(diǎn)是夾持平穩(wěn)可靠，夾持誤差小。平面指一般用于夾持方形零件(具有兩個平行平面)、板型或細(xì)小棒料-尖指和薄、長指，一般用于夾持小型或柔性工件，其中薄紙一般用于堅持位于狹窄工作場地的細(xì)小工件，以避免和周圍障礙物相碰，長指一般用于夾持炙熱的工件，以避免輻射對手部傳動機(jī)構(gòu)的影響。對于形狀不規(guī)則的工件，必須設(shè)計與工件形狀相適應(yīng)的專用特型手指，才能穩(wěn)定可靠地夾持工件。
手指的材料對機(jī)器人的使用效果也有很大影響。夾鉗式手指一般選用碳素鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼。為使手指經(jīng)久耐用，指面可以鑲嵌硬質(zhì)合金，高溫作業(yè)的手指，可選用耐熱鋼。在腐蝕性氣體環(huán)境下工作的手指，可以鍍鉻或進(jìn)行搪瓷處理，也可選用耐腐蝕的玻璃或聚四氟乙烯。由于本機(jī)械手抓取物體一般是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運(yùn)動就可滿足工作的要求。按照設(shè)計的要求，本機(jī)械手的手臂有三個自由度。即手臂的伸縮、左右回輸入轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運(yùn)動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動由液壓缸來實(shí)現(xiàn)。機(jī)座采用合金制造，有足夠大的安裝基面，保證機(jī)械手工作時的穩(wěn)定性。機(jī)座承受機(jī)械手的全部重量和工作載荷，保證有足夠的剛度和承載能力。機(jī)座的設(shè)計按照以下原則進(jìn)行。首先有足夠的大的安裝基面，以保證機(jī)器人工作是的穩(wěn)定性。其次機(jī)座承受機(jī)器人全部重量和工作載荷，應(yīng)保證足夠的強(qiáng)度、剛度和承載能力。再次機(jī)座軸系及傳動鏈的精度和剛度對末端執(zhí)行器的運(yùn)動精度影響最大，因此機(jī)座和手臂的連接要有可靠的定位基準(zhǔn)面。本設(shè)計采用的是履帶式移動機(jī)構(gòu)，因為：
1．支撐面積大，接地比壓小，適合于松軟或泥濘場地作業(yè)，下陷度小，滾動阻力小通過性能較好，
2．越野機(jī)動性好，爬坡、越溝等性能優(yōu)越于輪式移動機(jī)構(gòu)。
3．履帶支撐面上有腹齒，不易打滑，牽引附著性能好。有利于發(fā)揮較大的牽引力。
3控制系統(tǒng)設(shè)計
前面提到，該系統(tǒng)采用手動結(jié)合自動的控制方式實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)行。整個機(jī)械手下放到管道以后．將安裝在機(jī)械手上的攝像頭拍攝的視頻信號通過數(shù)據(jù)線傳輸?shù)降孛骘@示屏，用操縱桿實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的手動遠(yuǎn)程控制。用PLC實(shí)現(xiàn)對機(jī)械手的自動化控制。通過I／O分析后，確定了本裝置的I／O分配表如下：
本文所設(shè)計的管道疏通機(jī)械手能滿足我們對現(xiàn)有城市中管道的疏通需求，能大大降低原有疏通管道時需要的巨額成本．也能減小疏通作業(yè)時破壞原有設(shè)施給交通帶來的不利影響。分析管道機(jī)械手特有的工作環(huán)境，要求管道機(jī)械手應(yīng)滿足耐腐蝕、重量輕、體積小、消耗能量少，在惡略環(huán)境下能安全工作和易于操作。選擇常用的機(jī)械手類型，分析對比。管道作業(yè)機(jī)械手是一種可以沿著管道內(nèi)行走的機(jī)構(gòu)。可以攜帶一種或者多種傳感器及操作裝置。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手；PLC；自動控制
中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1007-9599 (2011) 07-0000-01
PLC Automatic Control of Unloading Manipulator
Liu Xuesheng
(Weifang Branch of Shandong Special Equipment Inspection Institute,Weifang261061,China)
Abstract:Industrial robots have been developed in foreign countries more and more applications,but also present in relatively small domestic applications,the paper discharge PLC automatic control of the robot has been studied in the hope that the relevant departments Reference.
Keywords:Manipulator;PLC;Automatic control
一、前言
PLC是一種工業(yè)控制用的計算機(jī)，在設(shè)計理念上，是計算機(jī)技術(shù)和繼電-接觸器控制電路相結(jié)合的產(chǎn)物，它將繼電器系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與計算機(jī)控制系統(tǒng)的編程靈活、功能齊全、應(yīng)用面廣、計算功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，避免了電氣控制固定接線的缺點(diǎn)，有逐步取代繼電接觸器邏輯控制的趨勢，在電氣控制領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。PLC具有微機(jī)的許多特點(diǎn)，但它的工作方式卻和微機(jī)有很大的不同。微機(jī)一般采用等待命令的工作方式。在PLC中，用戶程序按先后順序存放。CPU從第一條指令開始執(zhí)行程序，直到遇到結(jié)束符后又返回到第一條，如此不斷循環(huán)。這種工作方式是在系統(tǒng)軟件控制下，順次掃描各輸入點(diǎn)的狀態(tài)，按用戶程序進(jìn)行運(yùn)算處理，然后順序向輸出點(diǎn)發(fā)出相應(yīng)的控制信號。
二、卸料機(jī)械手的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計
（一）卸料機(jī)械手的控制要求。機(jī)械手的所有定位可根據(jù)第四章所求的運(yùn)動結(jié)果來安裝限位開關(guān)，由限位開關(guān)來控制，把機(jī)械手抓取在第一段生產(chǎn)線上的電機(jī)座的位姿和第二段線上電機(jī)座的位姿代入相應(yīng)公式可求出對應(yīng)的關(guān)節(jié)變量，通過這些關(guān)節(jié)變量來確定機(jī)械手的限位開關(guān)的位置。機(jī)械手的全部動作由油缸和液壓馬達(dá)驅(qū)動，而油缸和液壓馬達(dá)的控制又由相應(yīng)的電磁換向閥控制。如前伸電磁閥通電時，機(jī)械手才前伸，當(dāng)前伸電磁閥斷電時，機(jī)械手的前伸動作才停止；機(jī)械手的縮回電磁閥通電時，手臂才執(zhí)行縮回動作，當(dāng)機(jī)械手的縮回電磁閥斷電時，機(jī)械手的縮回動作才停止。
當(dāng)機(jī)械手位于原點(diǎn)時，按下啟動按鈕，如果光電開關(guān)檢測到有工件，則前伸電磁閥通電，機(jī)械手開始執(zhí)行前伸動作，當(dāng)前進(jìn)到一定距離后前限位開關(guān)動作，前進(jìn)停止；同時接通夾緊電磁閥，機(jī)械手夾緊工件后上升電磁閥通電，機(jī)械手上升，上升到頂時碰到上限位開關(guān)上升電磁閥斷電，上升停止；同時接通臂部右轉(zhuǎn)電磁閥，機(jī)械手臂開始右轉(zhuǎn)，碰到手臂右轉(zhuǎn)限位開關(guān)時右轉(zhuǎn)即停止；同時接通手腕順時針回轉(zhuǎn)電磁閥，手腕開始順時針回轉(zhuǎn)，當(dāng)碰到限位開關(guān)后，手腕回轉(zhuǎn)動作停止；同時接通下降電磁閥，手臂開始下降，當(dāng)碰到下限位開關(guān)時，下降動作停止；同時接通松開電磁閥，機(jī)械手松開工件；松開工件后接通縮回電磁閥，手臂縮回，當(dāng)碰到后限位開關(guān)后縮回動作停止；同時接通臂部左轉(zhuǎn)電磁閥，機(jī)械手臂圍繞軸線左轉(zhuǎn)，碰到左轉(zhuǎn)限位開關(guān)后左轉(zhuǎn)停止；接通手腕逆時針回轉(zhuǎn)電磁閥，手腕產(chǎn)生回轉(zhuǎn)動作，回轉(zhuǎn)180度后逆時針回轉(zhuǎn)電磁閥斷電，機(jī)械手回到初始位置。機(jī)械手經(jīng)過十步動作完成一個工作周期。
機(jī)械手的操作方式分為手動操作和自動操作方式。自動操作方式又分為單步、單周期和連續(xù)操作方式。
為了滿足整個系統(tǒng)的調(diào)試與維修和應(yīng)付某些緊急情況，本機(jī)械手采用手動和自動操作相結(jié)合的操作方式。
手動操作：就是用按鈕操作對機(jī)械手的每一種運(yùn)動進(jìn)行單獨(dú)控制。如：當(dāng)選擇前伸/縮回運(yùn)動時，按下啟動按鈕時機(jī)械手就前伸，按下停止按鈕，機(jī)械手就下降；當(dāng)選擇上升/下降運(yùn)動時，按下啟動按鈕，機(jī)械手上升，按下停止按鈕，機(jī)械手下降；當(dāng)選擇右轉(zhuǎn)/左轉(zhuǎn)運(yùn)動時，按下啟動按鈕，機(jī)械手右轉(zhuǎn)，按下停止按鈕，機(jī)械手左轉(zhuǎn)；當(dāng)選擇手腕順/逆時針運(yùn)動時，按下啟動按鈕時，手腕順轉(zhuǎn)，按下停止按鈕時手腕左轉(zhuǎn)。
單步操作：就是每按一次啟動按鈕，機(jī)械手完成一步動作后自動停止。
單周期操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按一下啟動按鈕，機(jī)械手自動完成一個周期的動作后自動停止。在工作中如果按下停止按鈕則機(jī)械手動作停止，重新啟動時需要用手動操作方式將機(jī)械手移回原點(diǎn)，然后按下啟動按鈕，機(jī)械手又重新開始單周期操作。
循環(huán)操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按下啟動按鈕機(jī)械手將自動的、連續(xù)不斷的循環(huán)工作。在運(yùn)行中如果按下停止按鈕，則機(jī)械手動作停止，重新啟動時需要用手動操作方式將機(jī)械手移回原點(diǎn)，然后按下啟動按鈕，機(jī)械手又重新開始連續(xù)操作。工作中如果按下復(fù)位按鈕，則機(jī)械手將繼續(xù)完成一個周期的動作后，回到原點(diǎn)自動停止。
（二）輸入/輸出設(shè)備及I/O點(diǎn)數(shù)。1．輸入設(shè)備：用來產(chǎn)生輸入控制信號。操作方式轉(zhuǎn)換開關(guān)：該開關(guān)有手動、單步、單周期、循環(huán)等四個位置可供選擇。手動時的運(yùn)動選擇開關(guān)：該開關(guān)有前伸/縮回、夾緊/放松、右轉(zhuǎn)/左轉(zhuǎn)、上升/下降、腕順轉(zhuǎn)/逆轉(zhuǎn)等五個位置可供選擇。啟動、停止和復(fù)位按鈕。位置檢測元件：主要是前限、后限；上限、下限；左轉(zhuǎn)限位、右轉(zhuǎn)限位；腕順轉(zhuǎn)限位、逆轉(zhuǎn)限位都是用限位開關(guān)來來檢測的。工件到位檢測：使用光電開關(guān)檢測工件是否運(yùn)送到位。2．輸出設(shè)備：由PLC的輸出信號驅(qū)動的執(zhí)行元件。該系統(tǒng)中包括前伸電磁閥、縮回電磁閥、夾緊電磁閥、放松電磁閥、上升電磁閥、下降電磁閥、臂部右轉(zhuǎn)電磁閥、臂部左轉(zhuǎn)電磁閥、腕部順轉(zhuǎn)電磁閥、腕部逆轉(zhuǎn)電磁閥。原點(diǎn)指示燈用以使機(jī)械手處于原點(diǎn)時進(jìn)行指示。
三、PLC程序設(shè)計
當(dāng)操作方式選擇開關(guān)置于“手動”時，執(zhí)行手動操作。當(dāng)操作選擇開關(guān)置于“單步”、“單周期”、“循環(huán)”時，其對應(yīng)的輸入點(diǎn)接通，執(zhí)行自動操作。執(zhí)行自動操作時，當(dāng)操作開關(guān)位于“連續(xù)”時，啟動后，輔助繼電器M200接通，程序自動循環(huán)；當(dāng)操作開關(guān)位于單步時，M200同樣接通，程序也可以循環(huán)，但必須是每按一次啟動按鈕執(zhí)行一步；如果操作開關(guān)位于“單周期”或運(yùn)行過程中按下復(fù)位按鈕，則M200復(fù)位，程序執(zhí)行完一個周期后自動停止。由于手動程序采用跳轉(zhuǎn)指令，所以這兩個程序段可以采用同一套輸出繼電器。
參考文獻(xiàn)：
關(guān)鍵詞：壓鑄機(jī)；送料；機(jī)械手；開發(fā)
在進(jìn)行壓鑄機(jī)的送料過程中，其能夠采用多種不同的形式使得機(jī)械運(yùn)行效率得到較為顯著的提升。但在目前市場中出現(xiàn)的壓鑄機(jī)已經(jīng)難以滿足其整體的運(yùn)營以及運(yùn)行。因此，在結(jié)合其市場的整體運(yùn)行情況下，需要采用多種不同的方法對傳統(tǒng)的機(jī)械手進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。最終使得機(jī)械手的開發(fā)運(yùn)行效率得到全面性的提高。
一、壓鑄機(jī)送料機(jī)械手的開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)
1.1機(jī)械手的運(yùn)行不夠平穩(wěn)
在進(jìn)行機(jī)械手的整體構(gòu)建過程中，其首先需要將兩桿的機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡。在進(jìn)行開發(fā)的過程中，其依f會面臨機(jī)械手不夠穩(wěn)定等多方面的問題。因此，想要使得機(jī)械手的整體運(yùn)行效率更高，其需要采用多種不同的形式實(shí)現(xiàn)其機(jī)械的穩(wěn)定性。其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
①其機(jī)械手在進(jìn)行整體的安裝過程中通常會采用整體性的安裝。【1】這就使得其在高度差上難以調(diào)節(jié)，并且難以處理設(shè)備的交互性，從而使得其整體的體系差別增大，難以起到固定的作用。
②在進(jìn)行機(jī)械手的整體調(diào)控中，其需要采用多種不同的控制方式讓按鈕開關(guān)得到改變。這樣才能不斷增強(qiáng)其整體運(yùn)行的靈活性。同時，對于設(shè)備的停用以及各種故障的發(fā)生，其需要進(jìn)行及早的預(yù)防，從而做到防患于未然。但是相對而言，很多傳統(tǒng)的機(jī)械手在進(jìn)行使用的過程中還不堪重負(fù)。在整體的使用過程中，還存在諸多的缺陷。因此，很多機(jī)械手難于精確設(shè)計并保證受力。
③機(jī)械手的密封性能還不夠好，對于其氣密結(jié)構(gòu)，很多機(jī)械手在進(jìn)行使用的過程中并未對其進(jìn)行較好地密封。最終使得壓鑄機(jī)送料的效率大幅度的降低。而且從整體上而言，其料勺在進(jìn)行綜合性的使用中，其氣密性還不夠良好。從整體上而言其在進(jìn)行料勺處理時，而且容易滲入金屬液料。從而使得設(shè)備的運(yùn)行周期持續(xù)下降。最終導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，并且使得設(shè)備的壽命變得短暫。【2】
1.2機(jī)械手結(jié)構(gòu)不夠精密
在進(jìn)行機(jī)械手的整體應(yīng)用中，其需要對五桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳感定位。并對初始依靠調(diào)的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試。但在實(shí)際的應(yīng)用中，其難以保證其整體的定位。在硬件的設(shè)備設(shè)計中，其常常容易出現(xiàn)硬件設(shè)備磨損以及滑動。而且還容易造成一定的定位失效。在進(jìn)行手臂位置的控制中，其設(shè)備難以達(dá)到良好的精密，同時在硬件設(shè)備上，其相對而言，占用的空間也較大。所以，在動態(tài)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行中，其很難將數(shù)字結(jié)構(gòu)進(jìn)行自動化的實(shí)現(xiàn)。而且，其整體的智能化結(jié)構(gòu)也難以得到相應(yīng)的優(yōu)化。其五桿壓鑄機(jī)送料機(jī)械手如下所示：
二、壓鑄機(jī)送料機(jī)械手的開發(fā)分析
2.1機(jī)械手的方案設(shè)計
在進(jìn)行逐漸工藝的整體生產(chǎn)中，其需要將送料機(jī)械手進(jìn)行整體性的設(shè)計。其整體的設(shè)計方案如下所示：
①.根據(jù)負(fù)載特征，進(jìn)行動力源選擇。同時，對于負(fù)載的變化情況，其需要對動力的變化參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析。在進(jìn)行整體的機(jī)械臺設(shè)計中，其需要對電機(jī)的整體擺放位置進(jìn)行裝拆的分析，同時還要對工作面的振動情況進(jìn)行相應(yīng)的分析。這樣，其機(jī)械手臂的設(shè)計，從而使得其整體的運(yùn)行更加平穩(wěn)。【3】
②在進(jìn)行機(jī)械手臂的整體設(shè)計中，其需要對機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。其首先需要對桿件的參數(shù)變化情況進(jìn)行較為明確的分析。同時，為了能夠使得負(fù)載變化更加平穩(wěn)。其需要對軌跡的變化曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)性的控制。同時，在進(jìn)行鉸鏈端的設(shè)計中，其需要將滾動軸的變化情況進(jìn)行力的平衡分析。在進(jìn)行連接端的整體設(shè)計中，其需要考慮到整體的動力運(yùn)轉(zhuǎn)。并對受力的負(fù)載變化情況進(jìn)行手臂的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動。在進(jìn)行連接設(shè)計的過程中，其還需要對機(jī)械加工的難易程度進(jìn)行考慮。選擇焊接和螺栓連接，方便裝拆和購買。
在進(jìn)行裝置的外觀設(shè)計上，其需要對環(huán)境的惡劣性進(jìn)行相應(yīng)的密封，同時還要保證其料勺的液料充足。同時還要對設(shè)備進(jìn)行型號的更換，并且有利于實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)價值。【4】
2.2壓鑄機(jī)送料機(jī)械手在線自動化檢測系統(tǒng)的開發(fā)
在進(jìn)行機(jī)械手的自動檢測中，其需要以PLC為自動化檢測系統(tǒng)，在進(jìn)行機(jī)構(gòu)的整體設(shè)計中，其需要對鑄件的生產(chǎn)順序進(jìn)行相應(yīng)的分析，同時在進(jìn)行PLC程序的編排過程中，其需要進(jìn)行多方面的軟件控制。同時，在進(jìn)行編程軟件的控制時，需要對其機(jī)構(gòu)的運(yùn)動情況進(jìn)行信號數(shù)字的編排。并采用接觸式的傳感器進(jìn)行位置傳感的雙重保護(hù)，最終防止其傳感器在運(yùn)行的過程中發(fā)生一定的故障。
2.3送料機(jī)械手的開發(fā)利用
在進(jìn)行送料機(jī)械手的整體應(yīng)用與開發(fā)中，其首先需要對其開發(fā)路徑進(jìn)行一定的要求。同時，在熔爐口，需要對其水平方向進(jìn)行進(jìn)料的移動，同時還要對其鎖模導(dǎo)柱進(jìn)行路徑的數(shù)據(jù)控制。其整體的估計參數(shù)變化如下所示：
①.熔爐腔深度半米左右，考慮到不應(yīng)取最底部液料，故在取料口提起高度至少半米。同時，在進(jìn)行取料的過程中，需要對機(jī)械手的變化情況進(jìn)行較為明確的數(shù)據(jù)分析。這樣其跨距就會發(fā)生一定性的變化，其整體的跨距大約在2米左右。【5】
②根據(jù)300t壓鑄機(jī)上方鎖模導(dǎo)柱與送料口的距離，考慮多型號壓鑄機(jī)適用性，機(jī)械手應(yīng)斜插入送料口上方，豎直距離應(yīng)保持在0.1米。
三、結(jié)語：
壓鑄機(jī)送料機(jī)械手的開發(fā)分析十分關(guān)鍵，其能夠使得機(jī)械手的應(yīng)用體系得到相應(yīng)的優(yōu)化。在進(jìn)行設(shè)計的過程中，其首先需要對壓鑄機(jī)的送料機(jī)械手進(jìn)行相應(yīng)的分析，尤其是對于機(jī)械手的應(yīng)用中各種問題進(jìn)行較為明確的參數(shù)確定。然后對其整體的體系優(yōu)化，并加強(qiáng)送料機(jī)械手的整體開發(fā)利用。最終使得壓鑄機(jī)的送料效率得到相應(yīng)的提高。
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關(guān)鍵詞 數(shù)控機(jī)床；機(jī)械手；模塊化
中圖分類號TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號 1674-6708（2013）107-0104-02
1 數(shù)控機(jī)床機(jī)械手構(gòu)造
數(shù)控機(jī)床機(jī)械手是由控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及位置檢測系統(tǒng)四大塊組成的，實(shí)際工業(yè)應(yīng)用過程中，需要這四部分共同配合來完成一項任務(wù)。這里給出數(shù)控機(jī)床機(jī)械手的工作圖
1）控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是機(jī)械手的大腦，它決定著機(jī)械手的具體運(yùn)動方式。機(jī)械手一個動作的完成首先是由用戶向控制系統(tǒng)發(fā)出指令，控制系統(tǒng)將該指令轉(zhuǎn)化為具體的控制信號，通過程序控制電路、電極控制模塊、機(jī)械控制等幾部分來控制機(jī)械手實(shí)際運(yùn)動。其次，機(jī)械控制模塊還會將機(jī)械手實(shí)際的運(yùn)動情況收集起來，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)信號反饋給控制系統(tǒng)，以判斷機(jī)械手是否按照用戶要求運(yùn)動，是否能夠準(zhǔn)確的完成用戶所指定的任務(wù)。當(dāng)反饋信號顯示機(jī)械手出現(xiàn)運(yùn)動偏差時，控制系統(tǒng)將發(fā)出警報信號提示用戶。
2）驅(qū)動系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)顧名思義是數(shù)控機(jī)床機(jī)械手中驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動的裝置，該裝置的主要組成部分為控制調(diào)節(jié)器、動力系統(tǒng)、輔助裝置等。我們在工業(yè)生產(chǎn)中所提及的機(jī)械傳動、液壓傳動等，均是使用較為廣泛的驅(qū)動系統(tǒng)。
3）執(zhí)行機(jī)構(gòu)
數(shù)控機(jī)床機(jī)械手外型上與人手臂相類似，也是有手腕、手臂、抓手三部分組成，特殊情況下還可以加裝移動行走機(jī)構(gòu)，提高機(jī)械手運(yùn)行范圍。抓手的主要作用就是抓取物料，常見的抓取方式為吸附式和手抓式。吸附式抓手是通過所安裝的吸盤來執(zhí)行任務(wù)的，電磁式吸盤依靠電磁鐵所產(chǎn)生的磁力來吸附導(dǎo)磁性物質(zhì)，手抓式吸盤就像是人的手一樣抓取物件，所以在實(shí)際應(yīng)用中，主要用來抓取重量較輕，尺寸較小的零件。手腕部分的主要作用是用來調(diào)節(jié)工件的抓舉方位以及角度，它是連接抓手與手臂的關(guān)鍵部分。手臂部分是機(jī)械手的主要城中部分，它主要是控制抓手從最佳的角度抓取物件，同時根據(jù)軟件控制系統(tǒng)發(fā)出的信號，按照要求將物件放至準(zhǔn)確位置。
4）位置檢測系統(tǒng)
數(shù)控機(jī)床機(jī)械手位置信號有手臂位置、抓手狀態(tài)、行走位置等幾種，信號檢測系統(tǒng)的主要作用就是用來檢測這幾種信號，然后將信號反饋至主控制系統(tǒng)用來判斷當(dāng)前各個位置信號是否正確，機(jī)械手各部件是否處于正確位置，同時主控制系統(tǒng)向位置檢測系統(tǒng)發(fā)送控制信號，給出機(jī)械手下一步操作任務(wù)。
2 數(shù)控機(jī)床機(jī)械手分類
1）按照用途分類
數(shù)控機(jī)床機(jī)械手可以應(yīng)用于很多種工業(yè)生產(chǎn)過程中，但是生產(chǎn)內(nèi)容不同所使用的機(jī)械手類型也不同。當(dāng)前數(shù)控機(jī)床機(jī)械手有專用和通用兩種，所謂專用就是只能夠用于特定的生產(chǎn)過程中，主控系統(tǒng)程序是固定的不能隨意更改的，這種機(jī)械手通常情況下用于單一工業(yè)生產(chǎn)過程；所謂通用就是指機(jī)械手可以用于不同工業(yè)生產(chǎn)過程，其主控系統(tǒng)程序可以根據(jù)控制需要進(jìn)行更改調(diào)整，在不同場合提供不同的運(yùn)動方式。
2）按照驅(qū)動方式分類
驅(qū)動方式?jīng)Q定著機(jī)械手的運(yùn)動方式，它也是區(qū)分機(jī)械手類型的重要因素。氣壓機(jī)械手是依靠壓縮空氣來驅(qū)動的，這種機(jī)械手以空氣為介質(zhì)，制造成本較低，而且能夠廣泛適用于很多高危生產(chǎn)環(huán)境中。此外氣壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)相較于其他機(jī)械手簡易很多，不需要配備專業(yè)維修人員，所以這種機(jī)械手是很多工業(yè)生產(chǎn)控制過程的首選；液壓機(jī)械手主要用于質(zhì)量很大的物件抓取，它依靠密封的液壓裝置來提供強(qiáng)大動力，但相應(yīng)的制造成本也比較高，而且對于維護(hù)要求也比較高。
3）按照控制方式分類
現(xiàn)階段數(shù)控機(jī)床機(jī)械手的控制方式就兩種：點(diǎn)位控制和軌跡控制。點(diǎn)位控制思想就是路徑線段化，將機(jī)械手需要運(yùn)動路徑劃分為規(guī)定距離的細(xì)小線段，劃分的線段端點(diǎn)越多，機(jī)械手的運(yùn)動精度就越高，但同時這種控制方式對系統(tǒng)的要求也比較高。這種機(jī)械手在當(dāng)前很多工業(yè)控制過程中被廣泛使用；軌跡控制相較于點(diǎn)位控制而言技術(shù)要求就更高一些，它可以滿足機(jī)械手在任意空間范圍內(nèi)的運(yùn)動，而且運(yùn)行過程更加的穩(wěn)定準(zhǔn)確。這種機(jī)械手的控制系統(tǒng)更為復(fù)雜，通常情況下需要計算機(jī)參與輔助控制。
3 機(jī)械手模塊化設(shè)計理念
模塊化設(shè)計理念是伴隨著工業(yè)制造方式的不斷轉(zhuǎn)變而興起的，它是將一個整體分割成若干個獨(dú)立的功能結(jié)構(gòu)，不同部分可以同時設(shè)計，然后再組合成一個整體。這種理念簡化了設(shè)計過程，優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，機(jī)構(gòu)中每一個功能及部件都具有較高的獨(dú)立性，極大地提高了機(jī)構(gòu)的適用范圍。模塊化產(chǎn)品設(shè)計中最根本最核心的內(nèi)容就是保證功能結(jié)構(gòu)以及物理結(jié)構(gòu)的相似性，同時相互獨(dú)立的功能部件可以可靠協(xié)調(diào)工作。對機(jī)構(gòu)進(jìn)行模塊設(shè)計時可以沿著功能體系和構(gòu)造體系兩條主線進(jìn)行，因為系統(tǒng)能夠體現(xiàn)出來的任何一項功能，都是建立在其他功能基礎(chǔ)之上的，也就是說系統(tǒng)功能具有上下層關(guān)系。此外，系統(tǒng)中還存在著并列功能形式，即一個功能對應(yīng)著系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的多個功能。在進(jìn)行數(shù)控機(jī)床機(jī)械手模塊化設(shè)計時，我們可以根據(jù)實(shí)際作業(yè)的要求來劃分機(jī)械手的單元模塊。機(jī)械手底座是所有功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，所以要將它設(shè)定為整體模塊化設(shè)計的基礎(chǔ)，然后再根據(jù)不同結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的不同功能來設(shè)計。經(jīng)過實(shí)踐證明，模塊化設(shè)計能夠大幅度降低機(jī)械手的設(shè)計成本，縮減整體設(shè)計時間，以最快的速度滿足工業(yè)生產(chǎn)控制的需要。
1）模塊化機(jī)械手結(jié)構(gòu)及設(shè)計流程
從數(shù)控機(jī)床機(jī)械手各個機(jī)構(gòu)功能的角度出發(fā)，可以將其分為手部模塊、腕部模塊以及臂部模塊。
2）機(jī)械手模塊組成及功能分析
（1）手部模塊組成及功能分析
機(jī)械手手部模塊中最重要的組成部分就是手指，它主要用來抓取待加工工件。氣動機(jī)械手氣爪是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)，這種手指能夠自動對中，雙向高精度抓取。常見的有2指氣爪、3指氣爪以及多指氣爪。在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，以抓取棒料為主，例如￠80×6Omm圓柱型工件
聯(lián)接件的作用是控制手指抓取直徑，氣爪運(yùn)動的最大直徑為D2，最小直徑為D1。外夾持氣爪的夾持力方向是從工件表面指向工件圓心。
（2）腕部模塊組成及功能分析
機(jī)械手腕部模塊是由擺動氣缸和聯(lián)接件組成的，它可以保證機(jī)械手在90°范圍內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)。圖中所示聯(lián)接件1是連接高精度頭型調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與擺動氣缸的，聯(lián)接件2是連接擺動氣缸與氣爪的。
通常情況下，聯(lián)接件都設(shè)計有槽與軸相對應(yīng)的孔，并通過鍵聯(lián)接方式將氣缸與孔連通。采用螺釘固定的方式防止鍵的軸向移動。
（3）手臂模塊組成及功能分析
圖1所示為橫臂模塊的結(jié)構(gòu)圖，橫臂是由ML2B氣缸、聯(lián)接件、導(dǎo)軌三部分組成的。這三部分均安裝在門架橫梁上，而且可以在水平方向自由移動。機(jī)械手的橫臂與直臂也是通過連接件連接在一起的，而且通過高精度柔性調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來保證機(jī)械手氣爪與機(jī)床卡盤的對中精度（圖2）。
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關(guān)鍵詞：采摘機(jī)械手臂；蘋果；結(jié)構(gòu)設(shè)計
引言
水果采摘季節(jié)性強(qiáng)、費(fèi)用高且勞動量大[1]。加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，實(shí)施“精確”農(nóng)業(yè)，廣泛應(yīng)用農(nóng)業(yè)機(jī)器人，提高資源利用率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出率，降低勞動強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效率將是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。研究采摘機(jī)械人，對于降低人工勞動強(qiáng)度和采摘成本、保證水果適時采收，具有重大的意義[2]。我國從上世紀(jì)70年代開始研究水果蔬菜類的采摘機(jī)械，并且也逐漸起步，如上海交通大學(xué)已經(jīng)開始了對黃瓜采摘機(jī)器人的研制[3]，浙江大學(xué)對番茄采摘機(jī)器人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計的優(yōu)化[4]，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)對采摘機(jī)器人的視覺識別裝置進(jìn)行了研究[5]。目前，我國研究的采摘機(jī)器人還有西紅柿、橘子、草莓、荔枝和葡萄采摘機(jī)器人等[6-8]。文章對蘋果采摘機(jī)械手臂進(jìn)行選型，進(jìn)一步進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計，最后對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行試驗驗證。
1 機(jī)械人機(jī)構(gòu)選型及自由度的確定
由于采摘機(jī)械人的作業(yè)對象是蘋果，質(zhì)量輕，體積小，故而可選擇較為簡單、靈活、緊湊的結(jié)構(gòu)形式。
根據(jù)機(jī)械人手臂的動作形態(tài)，按坐標(biāo)形式大致可將機(jī)械人手臂部分分為以下四類[9]：直角坐標(biāo)型機(jī)械手；圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手；球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）型機(jī)械手；多關(guān)節(jié)型機(jī)械手。采摘機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)型式選取主要取決于機(jī)械人的活動范圍、靈活性、重復(fù)定位精度、持重能力和控制難易等要求。以上四種型式，它們的活動范圍和靈活度逐漸增大。經(jīng)過對蘋果采摘空間的研究，結(jié)果表明，蘋果樹樹冠和底部的蘋果分布極少，大多分布在樹冠中部，大約有80%以上的蘋果分布在距地面垂直高度1-2m、距樹干左右方向1-2m的空間范圍內(nèi)，且陰陽兩面的蘋果分布率并無明顯的差異。這就要求采摘機(jī)械手應(yīng)當(dāng)具有較大的工作空間，因此選用多關(guān)節(jié)型機(jī)械手較為合適，且其占地面積較小，更加適合蘋果采摘作業(yè)。
實(shí)際中，蘋果生長位置隨機(jī)分布，這就要求機(jī)械臂的末端執(zhí)行器能夠以準(zhǔn)確的位置和姿態(tài)移動到指定點(diǎn)，因此，采摘機(jī)械人還應(yīng)具有一定數(shù)量的自由度。機(jī)械臂的自由度是設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)，其數(shù)目應(yīng)該與所要完成的任務(wù)相匹配。一般來說，自由度數(shù)量越多，機(jī)械臂的靈活性、避障能力越好，通用性也越廣，但增加一個自由度就相當(dāng)于增加了一級驅(qū)動，會使得機(jī)器人的成本上升，而對于農(nóng)業(yè)機(jī)器人而言，成本高將會大大的減緩其機(jī)械商品化實(shí)用化進(jìn)程，同時增加自由度會相應(yīng)增加機(jī)器人的控制難度，降低機(jī)器人的可靠性。綜合考慮，將自由度數(shù)目定為六個，這樣不僅能夠使得末端執(zhí)行器具有較為完善的功能，而且到達(dá)采摘空間中的任意位置，而且不會出現(xiàn)冗余問題。
2 采摘機(jī)械臂工作原理
圖1 機(jī)械人結(jié)構(gòu)簡圖
圖1是本次設(shè)計的球類水果采摘機(jī)械人的結(jié)構(gòu)簡圖。該結(jié)構(gòu)為六自由度機(jī)構(gòu)，可劃分為底座、大臂、小臂、腕部和手五個部分。機(jī)械臂的底座通過舵機(jī)帶動傳動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各個部分之間的相對轉(zhuǎn)動和旋轉(zhuǎn)。其中的各個轉(zhuǎn)動和旋轉(zhuǎn)均是通過電機(jī)驅(qū)動螺旋絲桿來實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計機(jī)械臂的傳動如下：（1）底座旋轉(zhuǎn)。確定與底座平面互相垂直的目標(biāo)采摘物所在的平面。（2）大臂轉(zhuǎn)動。移動至目標(biāo)采摘位置附近的上方或下方。（3）小臂轉(zhuǎn)動。將采摘機(jī)械手送至目標(biāo)采摘物的附近。（4）手腕轉(zhuǎn)動及旋轉(zhuǎn)。調(diào)整機(jī)械手末端采摘機(jī)構(gòu)的姿態(tài)，使其處于一個合適的位置，保證采摘任務(wù)能夠合理完成。（5）手夾緊放松，完成對目標(biāo)采摘物的采摘任務(wù)。此外，將末端執(zhí)行器設(shè)計為關(guān)節(jié)型的兩只手指，通過舵機(jī)6（舵機(jī)分配情況見圖2）、齒輪的嚙合及連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)采摘物的夾緊與放松。
由以上分析得出：機(jī)械手的空間位姿由各個關(guān)節(jié)的空間坐標(biāo)來決定，即當(dāng)機(jī)械手的各個舵機(jī)的坐標(biāo)確定的時候，就可以確定機(jī)械手的空間位姿。而決定舵機(jī)坐標(biāo)的因素就是臂長及臂的轉(zhuǎn)動角度，而在這兩個參數(shù)中，設(shè)計結(jié)束后臂長是確定的常量，角度為變量。在模型當(dāng)中，舵機(jī)1、2的相對位置固定不變，控制末端執(zhí)行器的舵機(jī)6用來調(diào)整手的姿態(tài)，因此可以先忽略舵機(jī)1、6，將舵機(jī)2軸線中心的位置設(shè)為坐標(biāo)系原點(diǎn)。
圖2 舵機(jī)分配方框圖
3 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計
首先用Pro/E軟件中的零件模塊對機(jī)械人各個零件進(jìn)行繪制，然后再對零件進(jìn)行自下而上的裝配，以及進(jìn)行零件圖及裝配圖的繪制。大臂、小臂和腕部、機(jī)械手零件圖以及裝配圖分別見圖3、圖4、圖5、圖6和圖7（單位均為mm）。
4 試驗臺搭建與抓取效果實(shí)驗
根據(jù)零件圖及裝配圖進(jìn)行試驗臺搭建。由于設(shè)計尺寸較大，故將整體尺寸縮小4倍來進(jìn)行搭建。實(shí)物如圖8所示。通過操作上位機(jī)控制軟件指令信號，可給伺服舵機(jī)控制器發(fā)送控制指令信號，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械人在空間中精確作業(yè)。試驗結(jié)果表明：機(jī)械人能夠較為平穩(wěn)、準(zhǔn)確地對目標(biāo)物進(jìn)行夾取、移動、放置等任務(wù)。證明設(shè)計合理，試驗臺搭建正確。
5 結(jié)束語
通過對水果采摘作業(yè)的分析，設(shè)計了一套六自由度關(guān)節(jié)型采摘機(jī)械人。其運(yùn)動范圍覆蓋了水果果實(shí)的分布范圍，末端執(zhí)行器能夠執(zhí)行對水果的采摘任務(wù)。在采摘過程中，只需對舵機(jī)進(jìn)行控制，在一定程度上降低了控制的難度和復(fù)雜性。當(dāng)然，設(shè)計中也存在不足，例如缺少對果實(shí)的切割裝置，而且對葡萄等較小、較軟的果實(shí)采摘技術(shù)不成熟，有待進(jìn)一步的改善。
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關(guān)鍵詞 數(shù)控機(jī)床；機(jī)械手；設(shè)計
中圖分類號TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識碼A 文章編號 1674-6708（2012）68-0071-02
在數(shù)控機(jī)床的各項性能指標(biāo)和整體布局上，輸送技術(shù)對其有著直接性的影響。在缸體加工過程中，發(fā)動機(jī)缸體的三軸孔加工是一項十分重要的程序和環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)在很大程度上確保了三軸孔在加工過程中的精確度；在缸體的縱向上，應(yīng)當(dāng)配置若干個固定的導(dǎo)向設(shè)施，用于支撐鏜桿；傳統(tǒng)意義上的三軸孔鏜床，其架構(gòu)復(fù)雜，同時存在防護(hù)難度大、輸送速度較慢等諸多問題，在很大程度上給數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)節(jié)拍造成了影響。為了解決上述困難，大連機(jī)床企業(yè)首次研究并設(shè)計了空中布局的數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手，這不僅強(qiáng)化了數(shù)控機(jī)床的剛性，同時也解決了數(shù)控機(jī)床在排屑過程中所面臨的一系列難題，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)缸體在輸送過程中所表現(xiàn)出的柔性；通過對伺服驅(qū)動技術(shù)，在很大程度上減少了輸送機(jī)床在輸送過程中的時間，同時實(shí)現(xiàn)了工序的分解，致使數(shù)控機(jī)床的節(jié)拍從原來的6min下降到現(xiàn)在的3.2min；在一定意義上達(dá)到了用戶在節(jié)拍方面的一些要求，與此同時，在很大程度上也提高了數(shù)控機(jī)床的自動化。
1 機(jī)械手的發(fā)展情形與動態(tài)
從國內(nèi)外所有機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀來看，在現(xiàn)階段，對機(jī)械手的研究和開發(fā)已趨于，機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀與動態(tài)，可以總結(jié)為：第一，模塊化與可重構(gòu)化是現(xiàn)階段機(jī)械架構(gòu)發(fā)展的主要動向；其二，PC機(jī)的開放型控制器是機(jī)械手體系發(fā)展的一個主要方向，其目的就是為了完善機(jī)械手，使其逐漸走向網(wǎng)絡(luò)化和標(biāo)準(zhǔn)化；器件集成度得以強(qiáng)化，架構(gòu)設(shè)計玲瓏，同時運(yùn)用過了模塊化架構(gòu)；在很大程度上強(qiáng)化了機(jī)械手體系的安全性和可靠性，同時也滿足機(jī)械手在維修和防護(hù)方面的一些便捷性；第三，傳感器在機(jī)械手中發(fā)揮了十分重要的作用，不僅運(yùn)用了傳統(tǒng)的速度傳感器、位置傳感器等，同時也引進(jìn)了先進(jìn)的視覺傳感器、觸覺傳感器和聽覺傳感器，促使機(jī)械手逐漸向智能化方向發(fā)展和推進(jìn)；第四，裝配、焊接等機(jī)械產(chǎn)品逐漸向模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化及系列化方向推進(jìn)和發(fā)展，及系統(tǒng)動態(tài)的仿真等。
2 機(jī)械手手爪架構(gòu)的設(shè)計分析
機(jī)械手手爪的類型較多，其主要用于作業(yè)的操作和裝置，按照不同的作業(yè)方法和操作，可以將手爪分為測量式手爪、加工式手爪及搬用式手爪等。所謂搬用式手爪，即為多種類型的夾持裝置，其主要用于對物體的搬用和抓取；加工式手爪，即為附有焊槍、銑刀等工具的機(jī)械手附加設(shè)備，其主要用于對作業(yè)的加工；所謂測量式手爪，即為附有傳感器的一種附加設(shè)備，其主要用于對作業(yè)的檢驗和測量。在機(jī)械手手爪的設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)遵循以下幾個方面的要求：其一，根據(jù)機(jī)械手作業(yè)的具體要求對機(jī)械手手爪進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計和開發(fā)；其二，機(jī)械手手爪的專用性和萬能型之間存在一定的矛盾。萬能手的架構(gòu)設(shè)計比較繁瑣，有時還會出現(xiàn)無法實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)象，以工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)，將重點(diǎn)應(yīng)放在對各類專用的、工作效率較高的機(jī)械手的研究和設(shè)計上，確保工業(yè)機(jī)械手的所有工作性能的實(shí)現(xiàn)和健全，在這里，我們不贊成通過一個萬能手來完成所有工作，應(yīng)當(dāng)考慮機(jī)械手在設(shè)計過程中所發(fā)揮的一些經(jīng)濟(jì)效益；其三，確保手爪的通用性。所謂機(jī)械手爪的通用性，即為通過數(shù)量有限的手爪來適應(yīng)不同要求的機(jī)械手，這就給末端執(zhí)行器提出了一定的要求，即要求其末端配置一個標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口，保證末端執(zhí)行器能夠標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)用。
3 機(jī)械手設(shè)計方案的運(yùn)行
因為機(jī)械手手臂在運(yùn)作過程中表現(xiàn)為直線式，并且考慮到機(jī)械手在剛度、運(yùn)動過程中所表現(xiàn)出的穩(wěn)定性和安全性、動態(tài)性能等方面的一些要求，所以應(yīng)當(dāng)選取液壓驅(qū)動方式，基于液壓缸所表現(xiàn)出的直接性驅(qū)動，液壓缸不僅是執(zhí)行件，同時也是驅(qū)動件，所以，在設(shè)計過程中可以取消對執(zhí)行件的設(shè)計，又由于液壓缸在運(yùn)動過程中表現(xiàn)為直線式，所以，在其控制上的難度較低，便于計算機(jī)管理和控制。
除此之外，機(jī)械手手臂由于在其具體工作及控制方面的一些要求，所以在機(jī)械手手臂的過程中，應(yīng)當(dāng)控制其結(jié)構(gòu)的設(shè)計，不應(yīng)過大，如果只依賴加大液壓缸的直徑來實(shí)現(xiàn)剛度的提高，那么將無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)剛度的一些要求。所以，在設(shè)計過程中，額外添加了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，在小臂上安置了兩個導(dǎo)桿，兩導(dǎo)桿和活塞桿共同形成了一個等邊三角形，在最大程度上加大了小臂的剛度；在大臂上安置了四個導(dǎo)桿，四個導(dǎo)桿構(gòu)成了四邊形，為了最大限度的降低大臂的重量，每個導(dǎo)桿都引用了空心架構(gòu)。
4 機(jī)械手的優(yōu)勢和應(yīng)用
機(jī)械手實(shí)施方案具有速度快、工作效率高、負(fù)載能力強(qiáng)、移位精度高及故障出現(xiàn)頻率低等諸多方面的優(yōu)點(diǎn)。
機(jī)械手在DK050機(jī)床上的成功運(yùn)用，是數(shù)控機(jī)床柔性輸送方面的一大創(chuàng)新。在今后的數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)過程中，機(jī)械手的開發(fā)和運(yùn)用將會得到前所未有的發(fā)揮，同時為廣大用戶提供了極大地方便，能夠產(chǎn)生較大的生產(chǎn)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
5 結(jié)論
機(jī)械手在機(jī)械行業(yè)中的運(yùn)用已經(jīng)成為一種必然的趨勢，同時這種運(yùn)用將得到前所未有的發(fā)揮，機(jī)械手能夠成功的運(yùn)用于機(jī)械零件的組裝和加工工件的裝卸與搬運(yùn)，尤其體現(xiàn)于組合機(jī)床以及自動化數(shù)控機(jī)床上的運(yùn)用和創(chuàng)新。將機(jī)械手與機(jī)床設(shè)備合為一個柔性體，在很大程度上能夠節(jié)省工件輸送裝置，架構(gòu)比較緊湊，同時適應(yīng)能力較強(qiáng)，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上對機(jī)械手進(jìn)行考慮都是有必要的，所以，對數(shù)控機(jī)床上下料機(jī)械手進(jìn)行研究和設(shè)計是一種必然。
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關(guān)鍵詞：加工中心；刀庫；孔加工
一、主要內(nèi)容
（1） 分析刀庫的類型和特點(diǎn)，換刀機(jī)械手臂的類型和特點(diǎn)。
（2） 刀庫管理系統(tǒng)的設(shè)計。
（3） 分析刀庫換刀方式。
（4） 綜合以上刀庫的特點(diǎn)具體介紹加工中心對孔加工程序的編寫。
二、加工中心刀庫的簡介
進(jìn)入21世紀(jì)我國加工中心開始向著高精度、高效率、高速化方向發(fā)展。
1、刀庫的分類
加工中心與數(shù)控銑床和鏜床的主要區(qū)別之處，在于它附有刀庫和自動換刀裝置。它可分為如下幾種：
（1）轉(zhuǎn)塔式刀庫 包括水平轉(zhuǎn)塔頭和垂直轉(zhuǎn)塔頭兩種。 通常為6-8把刀，一般用于簡單而輕便的機(jī)型，常用在車削中心和鉆削中心。
（2）盤式刀庫 刀具包括徑向取刀和軸向取刀，刀具不多于32把刀。適用于機(jī)床空間受限制而刀庫容量又較大的場合。
（3）鏈?zhǔn)降稁彀▎苇h(huán)鏈和多環(huán)鏈，鏈環(huán)形式可有多種變化。適用于刀庫容量較大的場合，所占的空間小，刀具數(shù)在30—120把。
以上幾種刀庫類型如圖1所示。
圖1 加工中心刀庫的基本類型
a）轉(zhuǎn)塔式 b） 鏈?zhǔn)绞?c）圓盤式
2、刀庫的機(jī)械手臂
（1）單臂機(jī)械手，換刀機(jī)械手僅有一個手臂，如圖2所示。
1）單手式：一個換刀手一端僅有一個抓手。特點(diǎn)：執(zhí)行動作多，換刀時間長，但結(jié)構(gòu)簡單。
2）雙手式：一個換刀臂兩端各有一個抓手。特點(diǎn)：同時放回和裝入刀具，換刀時間短。
圖2 單臂機(jī)械手
（2）雙臂機(jī)械手，兩個機(jī)械手臂，每個手臂端都有一個抓刀手。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但換刀時間短。如圖3所示。
（3）帶送刀臂、擺刀站和換刀臂的機(jī)械手
送刀臂將刀具從刀庫中取出送到擺刀站，由擺刀站將刀具送到換刀位置，最后由換刀臂進(jìn)行換刀。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部分在空間巧妙配置和組合，更具變化性；一般換刀時間較短；適用于刀庫距離主軸較遠(yuǎn)的場合。
3、刀庫管理系統(tǒng)設(shè)計
（1）刀具信息建立 為刀具的識別提供編碼信息，刀具的編碼是給刀具賦予的代號，也就是刀具號。對于小容量的刀庫一般順序選擇刀具，不需要對刀具編碼。對于大容量的刀庫一般采用任意選擇刀具，需要對刀具進(jìn)行編碼。采用在系統(tǒng)RAM區(qū)建立一個刀號表（PTL）。
一個具有刀具壽命管理的PTL表示例如下：
SP INDL E：
P1 T1 C100 V500
P2 H
P3 T20 C110 V2000 FB
P4 H
P5 T64 C100 V500
P6 T21 C120 V150
P7 T9
（2）刀具壽命管理
選擇刀時先檢查刀具在PTL表中允許加工的時間能否滿足該段程序的加工。若可以就可按程序進(jìn)行加工；反之，需要更換新的刀具。
在加工過程中，要不斷地修改PTL表中刀具的剩余壽命。
設(shè)有下列零件程序段：
N100 T9 M06
N200 T1 C100 V200 M06
N300 T21 C120 V300 M06
在N100程序段直接調(diào)用刀具T9進(jìn)行加工。N200程序段要換T1號刀加工，看PTL表中刀具的剩余壽命為500s加工時間為200s，能滿足此段程序的加工。在N300程序段換T21號刀，查看了PTL表中刀具的剩余壽命為150s，不能滿足300s的加工時間需要更換新的刀具。
4、換刀方式
（1）固定換刀方式（無機(jī)械手，無刀具準(zhǔn)備功能）：無論換刀次數(shù)多少，刀套號與刀具號始終一一對應(yīng)。這種換刀方式換刀時間較長，適用于刀具容量較少的小型加工中心。（BT40以下，20把刀以內(nèi)，刀庫速度快）。
（2）固定換刀方式（有機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)刀具準(zhǔn)備）刀具號仍與刀套號一致，無刀具表，系統(tǒng)可記憶當(dāng)前主軸刀具和下一把所選的刀具 此種適用于換刀不很頻繁、刀具數(shù)為40-60把、主軸錐孔為BT40以上的刀庫。
（3）隨機(jī)換刀（有機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)刀具準(zhǔn)備）：刀具號與刀套號不一一對應(yīng)。系統(tǒng)有相應(yīng)的刀具表隨時記憶刀具使用情況，刀表中刀套號是固定的，而刀具號則隨刀具的交換隨時更新。
圖4 斗笠式刀庫換刀過程動作圖
三、加工中心對定位連接板孔系加工程序的編寫
1、加工孔的技術(shù)要求
（1）零件材料：灰鑄鐵HT200。
（2）加工部位：加粗部分（φ110，2-φ70H7），8-M12深15，8-φ13深20。
（3）加工說明：φ70H7預(yù)孔為鑄造，余量5mm。基準(zhǔn)面A、B、C、D前工序已完成。夾具形式不用考慮，φ110孔用銑削方式。
（4）數(shù)控機(jī)床：臥式銑削加工中心FHN80T；數(shù)控系統(tǒng)：FANUC0iM。
（5）按數(shù)控工序卡片編制加工中心程序。
（6）程序編制方法：固定循環(huán)、子程序、坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)、極坐標(biāo)指令等。
（7）采用雙臂機(jī)械手隨機(jī)換刀方式。
2、采用加工中心加工孔與傳統(tǒng)加工方式的比較
我們對傳統(tǒng)的孔加工方式與加工中心加工孔進(jìn)行了效果比對。從下表中可以看出。
3、孔加工的應(yīng)用技巧
換刀指令前使用序列號在加工過程中有時為了檢查尺寸的方便我們使用了M01指令。如此時的尺寸有問題必須將程序停下，在將問題解決以后又必須重新調(diào)用該刀具進(jìn)行加工。但有時在加工的刀具較多的情況下要查找此刀具將比較麻煩。因此，編程的時候在換刀指令前加上順序號，就為操作上檢索該刀具提供了大大的方便。
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞：PLC 遠(yuǎn)程機(jī)械手 控制系統(tǒng)
機(jī)械手是一種能夠遠(yuǎn)程自動定位控制的可以隨時改變編程的多功能機(jī)器。機(jī)械手的自由度很大，可以搬運(yùn)部件來完成各個環(huán)境下的工作，被廣泛的應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金和輕工業(yè)生產(chǎn)部門。本文所論述的機(jī)械手屬于混合式機(jī)械手。融合了電動式和氣動式的有點(diǎn)，其操作范圍大、應(yīng)用廣等特點(diǎn)。
PLC是英文的縮寫，是可編程控制器的意思，是為工業(yè)應(yīng)用而專門用數(shù)字進(jìn)行運(yùn)算操作的電子機(jī)械裝置。編程相對來說簡單，功能非常強(qiáng)大，性能特別好，可編程控制可運(yùn)用于各種工業(yè)控制系統(tǒng)。
1、機(jī)械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
機(jī)械手的手臂在伸縮步進(jìn)電機(jī)的控制下水平方向上左右運(yùn)動，在升降步進(jìn)電機(jī)的控制下上下運(yùn)動，也可以由底盤直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制下順時針和逆時針運(yùn)動。機(jī)械手的手抓是氣動式的裝置，實(shí)現(xiàn)抓和放的動作是由電動電磁閥來完成控制的。如圖所示：從圖中可以看出機(jī)械手為圓柱坐標(biāo)型，根據(jù)編程設(shè)計控制要求將物件放在機(jī)械手周圍的A、B、C、D任意一個位置， SQ5、SQ6、SQ7、SQ8、SQ9、SQ10為水平和垂直方向上的限位開關(guān)系統(tǒng)，SQ1、 SQ2、SQ3、SQ4 為四個工位上的光近開關(guān)。
機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)一直是直流電機(jī)控制來完成的，四個工位位置由四個光接近開關(guān)檢測確定。
機(jī)械手臂水平與垂直方向運(yùn)動是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動工作的，步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)執(zhí)行元件。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為步距角），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。根據(jù)絲杠螺距可以確定移動距離（電機(jī)轉(zhuǎn)1圈移動1個螺距），可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量和線位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差（精度為100%）的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制。
2、機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計
2.1硬件設(shè)計
（1）手動工作方式。可以通過按鈕對機(jī)械手的每一個動作進(jìn)行控制，如按上下升降按鈕，機(jī)械手會根據(jù)按鈕的指示進(jìn)行轉(zhuǎn)動和操作。手動操作可以使機(jī)械手置于原點(diǎn)，機(jī)械手在縮回和最上面且夾緊裝置松開，然后旋轉(zhuǎn)到A 工位，手動操作還可以便于機(jī)械手的調(diào)整。
（2）自動工作方式。操機(jī)械手從原點(diǎn)開始按照編程好的程序反復(fù)連續(xù)循環(huán)工作，直到按下停止按鈕為止，現(xiàn)在的自動操作按鈕進(jìn)行監(jiān)視是由計算機(jī)操作來完成的。
機(jī)械手的工作方式和操作的信息需要24個輸入端子。具體分配為：位置檢測信號有下限、伸限、縮限、上限、夾緊和放松共6個輸入端子，工位位置檢測信號A、B、C和D工位需要4個輸入端子；四工位“無工件”檢測信號采用光電開關(guān)作檢測元件，需要 4個輸入端子；手動操作時， 需要有上升、下降、縮回、伸出、夾緊和放松，需要 6個輸入端子；手動、回原點(diǎn)、自動和停止操作，需占4個輸入端子；因此需要 24 個輸入端子。
控制機(jī)械手的輸出信號需要9個輸出端子。 具體分配為：機(jī)械手的下上脈沖控制、下上方向、伸縮脈沖控制、伸縮方向控制、夾緊、放松8個電磁閥線圈，需要8個輸出點(diǎn)。 機(jī)械手從原點(diǎn)開始工作，需要有1個原點(diǎn)指示燈，需用，個輸出點(diǎn)。因此需要9個輸出端子。根據(jù)控制要求及端子數(shù)，此處選用FX2N-48MR外加輸入輸出擴(kuò)展模塊繼電器型PLC，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器選用SH-20402型模塊。FX2N-48MR PLC共有輸入24點(diǎn)，輸出24點(diǎn)，滿足控制所需端子數(shù)，分配PLC的 I/O端子接線。
2.2軟件設(shè)計
用狀態(tài)初始化指令I(lǐng)ST來設(shè)置控制系統(tǒng)的初始狀態(tài)已達(dá)到多種工作方式，當(dāng)IST指令執(zhí)行能夠滿足控制系統(tǒng)的條件時，初始狀態(tài)繼電器S0～S3 和特殊輔助繼電器將會自動指定為以下功能：M8040：禁止轉(zhuǎn)移其線圈接通時所有的狀態(tài)將禁止轉(zhuǎn)化；M8041：轉(zhuǎn)換啟動其線圈接通時可以從初始狀態(tài)轉(zhuǎn)化；M8042：按啟動按鈕的瞬間可以完成啟動脈沖的動作； M8043：回到控制的原點(diǎn)完成；M8044：原點(diǎn)條件，即系統(tǒng)處于原點(diǎn)位置時其線圈接通；S0：手動操作的初始狀態(tài)繼電器；S1：回原點(diǎn)操作的初始狀態(tài)繼電器；S2：自動操作的初始狀態(tài)繼電器。
從機(jī)械控制系統(tǒng)分析來看，機(jī)械手的控制程序比較復(fù)雜，程序設(shè)計運(yùn)用模塊化的思想，機(jī)械手的控制程序可以分為：回原點(diǎn)操作、自動連續(xù)操作和手動單步操作程序。手動運(yùn)行程序：手動操作程序的控制是用初始狀態(tài)繼電器S0來完成的，由于手動程序、回原點(diǎn)程序和自動運(yùn)行程序均采用STL 觸點(diǎn)驅(qū)動，這三部分程序不會同時被驅(qū)動。回原點(diǎn)程序：自動回原點(diǎn)的順序的功能分析，當(dāng)原點(diǎn)條件滿足時，特殊輔助繼電器M8044（原點(diǎn)條件）為ON。 自動返回原點(diǎn)結(jié)束后，用SET指令將M8043（回原點(diǎn)完成 ）置為ON，并用RST指令將回原點(diǎn)的最后一步S12復(fù)位。
步進(jìn)電機(jī)只有在有脈沖信號和方向信號有輸入時才會轉(zhuǎn)動，控制中有兩個步進(jìn)電機(jī)， PLC 控制步進(jìn)的控制指令[DPLY D1D2 Y]。 PLSY 指令是脈沖輸出指令。指令中由D1 設(shè)定脈沖頻率，由D2設(shè)定輸出脈沖數(shù)，第3個參數(shù)為輸出端 （伸縮Y0 /升降Y1）。機(jī)械手縮回Y2=1；伸出 Y2=0；機(jī)械手下降 Y003=1；上升Y003=0；機(jī)械移動的距離所給脈沖個數(shù)和位置開關(guān)來控制。
關(guān)鍵詞：上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人 青島大學(xué)碩士開題報告范文 青島論文 開題報告
一、 選題的目的和意義
據(jù)統(tǒng)計,我國60 歲以上的老年人已有1.12 億。伴隨老齡化過程中明顯的生理衰退就是老年人四肢的靈活性不斷下降，進(jìn)而對日常的生活產(chǎn)生了種種不利的影響。此外，由于各種疾病而引起的肢體運(yùn)動性障礙的病人也在顯著增加，與之相對的是通過人工或簡單的醫(yī)療設(shè)備進(jìn)行的康復(fù)理療已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足患者的要求。隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，這個特殊群體已得到更多人的關(guān)注，治療康復(fù)和服務(wù)于他們的產(chǎn)品技術(shù)和質(zhì)量也在相應(yīng)地提高，因此服務(wù)于四肢的康復(fù)機(jī)器人的研究和應(yīng)用有著廣闊的發(fā)展前景。
目前世界上手功能康復(fù)機(jī)器人的研究出于剛起步狀態(tài)，各種機(jī)器人產(chǎn)品更是少之又少，在國內(nèi)該領(lǐng)域中尚處于空白狀態(tài)，臨床應(yīng)用任重而道遠(yuǎn)，因此對手功能康復(fù)機(jī)器人的研究有廣闊的應(yīng)用前景和重要的科學(xué)意義。
目前大多數(shù)手功能康復(fù)設(shè)備存在以下一些問題：康復(fù)訓(xùn)練過程中，缺乏對關(guān)節(jié)位置、關(guān)節(jié)速度的觀測和康復(fù)力的柔順控制，安全性能有待提高;大多數(shù)手功能康復(fù)設(shè)備沒有拇指的參與;感知功能差，對康復(fù)治療過程的力位信息和康復(fù)效果不能建立起有效地評價。本課題針對以上問題，采用氣動人工肌肉驅(qū)動的手指康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人實(shí)現(xiàn)手指康復(fù)訓(xùn)練的多自由度運(yùn)動，不僅降低了設(shè)備成本，更重要的是提高了系統(tǒng)對人類自身的安全性和柔順性，且具有體積小，運(yùn)動的強(qiáng)度和速度易調(diào)整等特點(diǎn)。
課題的研究思想符合實(shí)際國情和康復(fù)機(jī)器人對系統(tǒng)柔順性、安全性、輕巧性的高要求 。它將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于患者的手部運(yùn)動功能康復(fù)，研究一種柔順舒適、可穿戴的手功能康復(fù)機(jī)器人，輔助患者完成手部運(yùn)動功能的重復(fù)訓(xùn)練，其輕便經(jīng)濟(jì)、穿卸方便，尤其適于家庭使用，既可為患者提供有效的康復(fù)訓(xùn)練，又不增加臨床醫(yī)療人員的負(fù)擔(dān)和衛(wèi)生保健。
綜上所述，氣動人工肌肉驅(qū)動手指康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的設(shè)計是氣壓驅(qū)動與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合在康復(fù)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的新應(yīng)用，具有重要的科學(xué)意義。
二、 國內(nèi)外研究動態(tài)
2.1 國外研究動態(tài)
美國是研究氣動肌肉機(jī)構(gòu)最多的國家，主要集中在大學(xué)。
華盛頓大學(xué)的生物機(jī)器人實(shí)驗室從生物學(xué)角度對氣動肌肉的特性作了深入研究，從等效做功角度建模，并進(jìn)行失效機(jī)理分析，制作力假肢和仿人手臂用于脊椎反射運(yùn)動控制研究。
vanderbilt 大學(xué)認(rèn)知機(jī)器人實(shí)驗室(cognitive robotics lab, crl)研制了首個采用氣動肌肉驅(qū)動的爬墻機(jī)器人，并應(yīng)用于驅(qū)動智能機(jī)器人(intelligent soft-arm control, isac)的手臂。
伊利諾伊大學(xué)香檳分校的貝克曼研究所對圖像定位的5自由度soft arm 機(jī)械手采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高精度位置控制和軌跡規(guī)劃。亞利桑那州立大學(xué)設(shè)計了并聯(lián)彈簧的新結(jié)構(gòu)氣動肌肉驅(qū)動器，可以同時得到收縮力和推力，并與工業(yè)界合作開發(fā)了多種用于不同部位肌肉康復(fù)訓(xùn)練的小型醫(yī)療設(shè)備。
英國salford 大學(xué)高級機(jī)器人研究中心對氣動肌肉的應(yīng)用作了長期的系統(tǒng)研究，開發(fā)了用于核工業(yè)的操作手、靈巧手、仿人手臂以及便攜式氣源和集成化氣動肌肉，目前正在研究10 自由度的下肢外骨骼以及仿人手的遠(yuǎn)程控制。
法國國立應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(instituted national dissidences appliqués, insa)研究了氣動肌肉的動靜態(tài)性能和多種控制策略，目前正在研制新型驅(qū)動源的人工肌肉以及在遠(yuǎn)程醫(yī)療上的應(yīng)用。
比利時布魯塞爾自由大學(xué)制作了新型的折疊式氣動肌肉用于驅(qū)動兩足步行機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動控制。
日本bridgestone 公司在rubber tauter 之后又發(fā)明了多種不同結(jié)構(gòu)的氣動肌肉。德國festoon 公司發(fā)明了適合工業(yè)應(yīng)用的氣動肌腱fluidic muscle，壽命可達(dá)1000萬次以上，同時還對氣動肌肉的應(yīng)用作了許多令人耳目一新的工作。英國shadow 公司研制了目前世界上最先進(jìn)的仿人手。美國的kinetic muscles 公司與亞利桑那州立大學(xué)合作開發(fā)了多種用于肌肉康復(fù)訓(xùn)練的小型醫(yī)療設(shè)備。
lilly采用基于滑動模的參數(shù)自適應(yīng)控制策略，實(shí)現(xiàn)了單氣動肌肉驅(qū)動的關(guān)節(jié)位置控制。
2.2 國內(nèi)研究動態(tài)
自20 世紀(jì)90 年代以來，我國陸續(xù)開始了氣動肌肉的研究。
北京航空航天大學(xué)的宗光華較早開始?xì)鈩蛹∪獾难芯浚治隽似浞蔷€性特性、橡膠管彈性及其自身摩擦對驅(qū)動模型的影響，并應(yīng)用于五連桿并聯(lián)機(jī)構(gòu)，通過剛度調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)柔順控制。
上海交通大學(xué)的田社平等運(yùn)用零極點(diǎn)配置自適應(yīng)預(yù)測控制、非線性逆系統(tǒng)控制以及基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，實(shí)現(xiàn)單自由度關(guān)節(jié)的快速、高精度位置控制。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)的王祖溫等分析了氣動肌肉結(jié)構(gòu)參數(shù)對性能的影響、氣動肌肉的靜動態(tài)剛度特性以及與生物肌肉的比較，提出將氣動肌肉等效為變剛度彈簧，設(shè)計了氣動肌肉驅(qū)動的具有4 自由度的仿人手臂、外骨骼式力反饋數(shù)據(jù)手套和6 足機(jī)器人，采用輸入整形法解決關(guān)節(jié)階躍響應(yīng)殘余震蕩問題。
北京理工大學(xué)的彭光正等先后進(jìn)行了單根人工肌肉、單個運(yùn)動關(guān)節(jié)以及3 自由度球面并聯(lián)機(jī)器人的位置及力控制，采用了模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種智能控制算法，并設(shè)計了6 足爬行機(jī)器人和17 自由度仿人五指靈巧手。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)氣動中心的隋立明博士也通過實(shí)驗得到了氣動人工肌肉的一個更簡潔的修正模型和經(jīng)驗公式并對兩根氣動人工肌肉組成的一個簡單關(guān)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗建模和采用位置閉環(huán)的控制方法進(jìn)一步驗證氣動人工肌肉的模型。
上海交通大學(xué)的林良明也對氣動人工肌肉的軌跡學(xué)習(xí)控制進(jìn)行了仿真研究給出了學(xué)習(xí)的收斂性的初步結(jié)論為下一步的學(xué)習(xí)控制奠定了基礎(chǔ)。其中田社平通過對氣動人工肌肉收縮在頻率域上的數(shù)學(xué)模型并對它的結(jié)構(gòu)及其靜動態(tài)特性進(jìn)行了理論分析建立了相應(yīng)的靜態(tài)力學(xué)方程。
2003年付大鵬等，以機(jī)械手抓取物體為分析對象，采用矩陣法來描述機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)問題，以四階方陣變換三維空間點(diǎn)的齊次坐標(biāo)為基礎(chǔ)，將運(yùn)動、變換和映射與矩陣計算聯(lián)系起來建立了機(jī)械手的運(yùn)動數(shù)學(xué)模型，并提出了機(jī)械手運(yùn)動系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的新方法，這種方法對機(jī)械手的精密設(shè)計和計算具有普遍適用意義。
2005年車仁煒，呂廣明，陸念力對5自由度的康復(fù)機(jī)械手進(jìn)行了動力學(xué)分析，將等效有限元的方法應(yīng)用到開式的5自由度的康復(fù)機(jī)械手的動力分析中，這種方法比傳統(tǒng)的分析方法建模效率高、簡單快捷，極其適合現(xiàn)代計算機(jī)的發(fā)展，的除了機(jī)械臂的動力響應(yīng)曲線，為機(jī)械手的優(yōu)化設(shè)計及控制提供理論依據(jù)。
2008年北京聯(lián)合大學(xué)張麗霞，楊成志根據(jù)拿取非規(guī)則物品的任務(wù)要求，采用轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計了五指型機(jī)器手，手指彎曲電機(jī)與指間平衡電機(jī)耦合驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器手的多角度張開、抓握運(yùn)動方式,對實(shí)用型仿人機(jī)器手的機(jī)構(gòu)設(shè)計有參考意義。
2009年楊玉維等人對輪式懸架移動2連桿柔性機(jī)械手進(jìn)行了動力學(xué)研究與仿真，。采用經(jīng)典瑞利.里茲法和浮動坐標(biāo)法描述機(jī)械手彈性變形與參考運(yùn)動間的動力學(xué)耦合問題， 綜合利用拉格朗日原理和牛頓.歐拉方程并在笛卡爾坐標(biāo)系下，以矩陣、矢量簡潔的形式構(gòu)建了該移動柔性機(jī)械手系統(tǒng)的完整動力學(xué)模型并進(jìn)行仿真。
2009年羅志增，顧培民研究設(shè)計了一種單電機(jī)驅(qū)動多指多關(guān)節(jié)機(jī)械手，能夠很好的實(shí)現(xiàn)靈巧、穩(wěn)妥的抓取物體，這個機(jī)械手共有4指12個關(guān)節(jié)。每個手指有3個指節(jié)，由兩個平行四邊形的指節(jié)結(jié)構(gòu)確保手指末端做平移運(yùn)動，這種設(shè)計方案很好的實(shí)現(xiàn)了控制簡單、抓握可靠的目的。
從目前來看，國內(nèi)對氣動人工肌肉的研究仍處于剛起步的階段。有關(guān)氣動人工肌肉的研究與國外還有相當(dāng)?shù)牟罹鄬鈩尤斯ぜ∪庵械脑S多問題，還沒有進(jìn)行深入的研究。此外，采用氣動人工肌肉作為機(jī)器人驅(qū)動器的研究還不成熟。
三、 主要研究內(nèi)容和解決的主要問題
目前大多數(shù)手功能康復(fù)設(shè)備存在以下一些問題:康復(fù)訓(xùn)練過程中，缺乏對關(guān)節(jié)位置、關(guān)節(jié)速度的觀測和康復(fù)力的柔順控制，安全性能有待提高;大多數(shù)手功能康復(fù)設(shè)備沒有拇指的參與;感知功能差，對康復(fù)治療過程的力位信息和康復(fù)效果不能建立起有效地評價。為此，課題主要研究內(nèi)容：設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單，易于穿戴，并且安全、柔順、低成本，使用方便的氣動手功能康復(fù)設(shè)備。對氣動手指康復(fù)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析、用mat lab軟件對康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的康復(fù)治療過程的力位信息進(jìn)行仿真分析。
要實(shí)現(xiàn)上述的目標(biāo)，系統(tǒng)中需要著重解決的關(guān)鍵技術(shù)有：
(1)基于已有上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人外骨骼機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計，對手指康復(fù)訓(xùn)練方法分析和提煉。 主要包括：人手部的手指彎曲抓握動作分析，氣壓驅(qū)動關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)自由度的優(yōu)化配置。使機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)手指的彎曲、物體的抓握等手部癱瘓患者不能實(shí)現(xiàn)的動作。
(2)對機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析。主要包括：氣壓驅(qū)動的手指關(guān)節(jié)外骨骼機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析。
(3)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的力位信息仿真。主要包括：用mat lab軟件進(jìn)行機(jī)器人氣壓驅(qū)動終端的力位信息 仿真。
根據(jù)總體方案設(shè)計以及工作量的要求，外附骨骼機(jī)械手系統(tǒng)是上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的一部分，本文主要是研究手指康復(fù)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)分析工作。
四、論文工作計劃與方案
論文工作計劃安排：
2010年9月——2011年6月準(zhǔn)備課題階段：
主要工作：學(xué)習(xí)當(dāng)今最先進(jìn)的機(jī)器人設(shè)計技術(shù);學(xué)習(xí)用matlab軟件進(jìn)行計算仿真及優(yōu)化，查閱國內(nèi)外的資料，對康復(fù)機(jī)械手作初步了解。
2011年7月——2011年9月課題前期階段
主要工作：課題方案設(shè)計，擬寫開題報告，開題。
2011年10月——2012年7月課題中期階段
主要工作：開始具體課題研究工作，根據(jù)已有上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人外骨骼機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)部分設(shè)計，對手指康復(fù)訓(xùn)練方法分析和提煉。研究手指康復(fù)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)分析工作。
2012年8月——2012年12月課題后期階段
主要工作：對手指康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行模擬仿真，對設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善課題。
2013年1月——2013年4月結(jié)束課題階段
主要工作：整理相關(guān)資料，撰寫論文，準(zhǔn)備進(jìn)行畢業(yè)論文答辯。
2013年5月——2013年6月論文答辯階段
主要工作方案：
1. 完成學(xué)位課與非學(xué)位課學(xué)習(xí)的同時，進(jìn)行市場調(diào)研，對手指康復(fù)機(jī)械手作初步了解。
2. 查閱資料，了解氣動手指康復(fù)機(jī)器人的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。
3. 分析已有上肢康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人外骨骼機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的部分設(shè)計。
4. 對現(xiàn)有手指康復(fù)訓(xùn)練方法設(shè)計進(jìn)行分析和提煉，分析其優(yōu)缺點(diǎn)。
5. 開始具體設(shè)計工作。
