基于PLC的自動機(jī)械手設(shè)計

1、1基于PLC的氣動機(jī)械手設(shè)計摘 要機(jī)械手是能夠模仿人手動作，并按設(shè)定程序、軌跡和要求代替人手抓（吸）取、搬運(yùn)工件或工具或進(jìn)行操作的自動化裝置，它能部分的代替人的手工勞動。較高級型式的機(jī)械手，還能模擬人的手臂動作，完成較復(fù)雜的作業(yè)。在機(jī)械制造業(yè)中，機(jī)械手已被廣泛應(yīng)用，從而大大地改善了工人的勞動條件，顯著的提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。在我國，工業(yè)機(jī)械手近年來有較快的發(fā)展，投入了大量的人力物力加以研究和應(yīng)用，并且很好的效果。本課題主要研究的問題是"近距離自動移動式機(jī)械手臂設(shè)計-氣壓驅(qū)動式"。設(shè)計包括兩大方面，其中之一是自動行走部分，另一部分為手臂的運(yùn)轉(zhuǎn)。

2、采用同一驅(qū)動能源-氣泵。行走部分可以采用氣壓馬達(dá)帶動兩輪轉(zhuǎn)動。氣壓泵固定在某處，用一根軟管將泵與馬達(dá)相連，馬達(dá)安裝在行走裝置中。運(yùn)動手臂的直線運(yùn)動用氣缸來實現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動用氣壓馬達(dá)來實現(xiàn)。行走的時候手臂不動，手臂運(yùn)動的時候，行走部分停止運(yùn)動。關(guān)鍵詞 機(jī)械手，氣壓驅(qū)動，自動移動，氣泵2THE DESIGN OF MECHANIC ARM MOVINGAUTOMATICLY IN CLOSE RANGE-THE DRIVEOF ATMOSPHERIC PRESSUREABSTRACTManipulator is to be able to imitate manpower movement, and

3、according to set program, locus and requirement substitute manpower to grab(inhale), take things or tool or the automation installation that operated， it canbe partial to replace the handwork labor of person. The manipulator of higherlevel type can still imitate the arm movement of person，completes

4、more complexwork. In mechanical manufacturing industry, manipulator has been appliedextensively，so improved the labor condition of worker greatly, raising laborproductivity notably, quickly realize the step of industrial productionmechanization and automation. In our country, industrial manipulator

5、has morerapid development in recent years, have put in plenty of manpower materialresources to study and apply，and get very good effect. The problem of thisprogram major research is "the design of manipulator arm moving automaticallyin close range - the drive of atmospheric pressure ". Des

6、ign includes two bigaspects, one is pushcart move part,the other is the operation of arm. They bothWith same drive energy - air pump. Walk part can drive two wheels to turn withthe motor of atmospheric pressure. The pump of atmospheric pressure fixed incertain place, use a flexible tube linked the p

7、ump and motor, motor installation inwalk part. The movement of arm in straight line realizes with cylinder, revolvingmovement realizes with the motor of atmospheric pressure. Walking arm do notmove, when the arm moving, walk part stop sport.KEY WORDS manipulator, the drive of atmospheric pressure, a

8、utomatic3movable , air pump4目 錄中英文摘要1前言（或緒論） 5第一章 機(jī)械手 61. 1機(jī)械手及其組成61. 2機(jī)械手的分類71. 3應(yīng)用機(jī)械手的意義71. 4機(jī)械手的發(fā)展概況8第二章 機(jī)械手的設(shè)計112. 1機(jī)械手設(shè)計的總體方案 113. 2機(jī)器人的規(guī)格參數(shù) 114. 3氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計 12第三章 氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計195. 1設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)應(yīng)注意的問題 196. 2肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 207. 3肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 258. 4腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 30第四章 氣動機(jī)械臂的PLC控制319. 1PLC簡介3110. 2機(jī)械臂的PLC控制 34結(jié)論

9、41致謝 42參考文獻(xiàn) 43前 言11. 隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動化程度的迅速提高，實現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操持焊槍、噴槍、扳手等工具進(jìn)行加工、裝配等作業(yè)的自動化，已愈來愈引起人們的重視。機(jī)械手是在機(jī)械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實現(xiàn)與機(jī)械化和自動化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運(yùn)或操作的自動機(jī)械裝置。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"

10、;。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用，生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率；可以減輕勞動強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。本文介紹的PLC是可編程序控制器（Programmable Logic Controller）的簡稱，是在繼電順序控制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的以微處理器為核心的通用的工業(yè)自動化控制裝置。隨著電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)

11、展，PLC的功能也越來越強(qiáng)大，更多地具有計算機(jī)的功能，所以又簡稱PC（PROGRAMMABLECONTROLLER），但是為了不和PERSONAL COMPUTER混淆，仍習(xí)慣稱為PLC。目前PLC已經(jīng)在智能化、網(wǎng)絡(luò)化方面取得了很好的發(fā)展，并且現(xiàn)今已出現(xiàn)SOFTPLC，更是PLC領(lǐng)域無限的發(fā)展前景。本文將通過對PLC控制機(jī)械手的系統(tǒng)設(shè)計使讀者更進(jìn)一步的認(rèn)識PLC技術(shù)。6第一章 機(jī)械手1.1 機(jī)械手及其組成1.1.1 什么是機(jī)械手機(jī)械手是一種能模仿人手臂的某些動作功能，按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安

12、全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機(jī)械手是工廠企業(yè)高度自動化的標(biāo)志，它能完成許多高技術(shù)難度和繁重的體力勞動，尤其對于高溫、高壓、高濕度、污染等不適宜以人工工作的環(huán)境中，機(jī)械手起到了不可取代的作用。1.1.2 機(jī)械手的組成機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等組成。一、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。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。2、手腕 是聯(lián)接手部和手臂的部件，其調(diào)整或改變工件方位的作用。

13、3、手臂 支承手腕和手部的部件，用以改變工件的空間位置。4、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)動和升降（或俯仰）運(yùn)動均與立柱有密切的聯(lián)系。5、行走機(jī)構(gòu) 機(jī)械手為了完成遠(yuǎn)距離的操作和擴(kuò)大使用范圍，可以增設(shè)滾輪行走機(jī)構(gòu)。滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分為有軌的或是無軌的兩種。6、機(jī)座 它是機(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)動系統(tǒng)均安裝于基座上，故起支承和聯(lián)接的作用。7、其它部分 行程檢測裝置和傳感裝置等。行程檢測裝置是檢測和控制機(jī)械手各運(yùn)動行程（位置）的裝置。傳感裝置其中裝有某種傳感器，使手指具有敏感性和自控性，用以反映手指與物件是否接觸、物件有無滑下或脫落、物7件的位置是

14、否準(zhǔn)確、手指對物件的握緊力是否與物件的重量相適應(yīng)。二、運(yùn)動機(jī)構(gòu)使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運(yùn)動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運(yùn)動機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動方式，稱為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有23個自由度。1.2 機(jī)械手的分類一、按機(jī)械手的使用范圍分類：1、專用機(jī)械手 一般只有固定的程序，而無單獨(dú)的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機(jī)器或生產(chǎn)線，用以自動的傳送物件或操作某一工具。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)較簡單，成本較低，適用于動作比較簡單

15、的大批量生產(chǎn)的場合。2、通用機(jī)械手（也稱工業(yè)機(jī)器人）即指具有可變程序和單獨(dú)驅(qū)動的控制系統(tǒng)，又不從屬于某種機(jī)器，而能自動地完成傳送物件或操作某些工具的機(jī)械裝置。二、按機(jī)械手的驅(qū)動方式分類：1、 液壓驅(qū)動機(jī)械手 以壓力油進(jìn)行驅(qū)動。2、 氣壓驅(qū)動機(jī)械手 以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動。3、 電力驅(qū)動機(jī)械手 直接用電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。4、 機(jī)械驅(qū)動機(jī)械手 是將主機(jī)的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機(jī)構(gòu)等傳給機(jī)械手的一種驅(qū)動方式。三、按機(jī)械手臂力大小分類：1、 微型機(jī)械手 臂力小于1公斤。2、 小型機(jī)械手 臂力為110公斤。3、 中型機(jī)械手 臂力為1030公斤。4、 大型機(jī)械手 臂力大于30公斤。四、 按運(yùn)動軌跡控制方式可

16、分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。1.3 應(yīng)用機(jī)械手的意義8 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手也越來越多地被應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，鑄、鍛、焊、鉚、沖壓、熱處理、機(jī)械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實例。其它部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的主要目的：一、可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度應(yīng)用機(jī)械手，有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。二、可以改善勞動條件、避免人身事故。在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操

17、作時有危險或根本不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。三、可以減少人力，并便于有節(jié)奏地生產(chǎn)應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機(jī)床和綜合加工自動線上，目前幾乎都設(shè)機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏進(jìn)行生產(chǎn)。綜上所述，有效地應(yīng)用機(jī)械手，使發(fā)展工業(yè)的必然趨勢。1.4 機(jī)械手的發(fā)展概況1.4.1 對機(jī)械手的一般要求一、降低機(jī)械手的成本為了擴(kuò)

18、大機(jī)械手的使用范圍，必須降低機(jī)械手的成本。據(jù)統(tǒng)計，機(jī)械手電氣控制裝置所占成本的比重較大。二、品種多樣化為了適應(yīng)不同工作的需要，應(yīng)使的機(jī)械手的品種多樣化，用機(jī)械手代替更多的人的手工勞動，進(jìn)而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。特別是那些工作比較單9一、重復(fù)性很大而工作條件又較差和勞動量較大的工種，更應(yīng)注意設(shè)計和使用各種類型的機(jī)械手。三、零件、部件系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化為了加速擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域，應(yīng)盡量縮短其設(shè)計和制造周期。這樣，就要求機(jī)械手的某種零件、部件(如手部、臂部等）系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化。然后，即可根據(jù)具體工作的需要，將這些零件、部件（或再相應(yīng)地增加一些其它零件、部件）進(jìn)行組合，組成需要的機(jī)械手。當(dāng)

19、然，這樣的機(jī)械手還應(yīng)保證組合方便，一旦工作變更時，就能迅速而順利的重新組合。四、產(chǎn)品性能應(yīng)準(zhǔn)確可靠機(jī)械手的重要技術(shù)指標(biāo)之一，就是其性能應(yīng)穩(wěn)定可靠。為此，要求設(shè)計合理，元件穩(wěn)定，制造精確。1.4.2 機(jī)械手的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢機(jī)械手是機(jī)械、電子、計算機(jī)、液壓液力與氣壓傳動等多學(xué)科高新技術(shù)融合的成果，是當(dāng)代技術(shù)進(jìn)步的典型范例。機(jī)械手通常用作機(jī)床或其它機(jī)器的附加裝置，如在自動機(jī)床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手。專用機(jī)械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時代。由于通用

20、機(jī)械手的應(yīng)用發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。智能機(jī)器人涉及的知識內(nèi)容，不僅包括一般的機(jī)械、液壓、氣壓傳動等基礎(chǔ)知識，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等，因此它是一項綜合性較強(qiáng)的新技術(shù)。目前國內(nèi)外對發(fā)展這一新技術(shù)都很重視。氣動技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動功能已有部分被工業(yè)界所接受，而且對于不太復(fù)雜的機(jī)械手，用氣動元件組成的控制系統(tǒng)已被接受。由于氣動技術(shù)與電子技術(shù)的結(jié)合，以及周邊技術(shù)的成熟，在工業(yè)自動化領(lǐng)域里，氣動機(jī)械手、氣動機(jī)器人的實用性已經(jīng)充分體現(xiàn)出來。因為氣動伺服定位技術(shù)一出現(xiàn)，就受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視，同時為氣動機(jī)器人、氣動機(jī)械手大規(guī)模進(jìn)

21、入工業(yè)自動化領(lǐng)域開辟了十分寬廣的前景。研制具有一定"感觸"和"智力"的智能機(jī)器人。這種機(jī)器人，具有各種傳10感裝置，并配備有計算機(jī)。根據(jù)仿生學(xué)的理論，用計算機(jī)充當(dāng)起"大腦"，使它能"思考"、能"分析"、能"記憶"。用電視攝像機(jī)、測距儀、纖維光學(xué)傳感器、導(dǎo)光管或其它光敏元件作為"眼睛"，在其"視野"的范圍內(nèi)能"看"。用聽筒和聲敏元件等作"耳朵"能"聽"。用揚(yáng)聲器等作"嘴

22、"能"說話"進(jìn)行"應(yīng)答"。用熱電偶和電阻應(yīng)變儀等作"觸覺"能"感觸"。用滾輪或雙足式的行走機(jī)構(gòu)作為"腳"來實現(xiàn)自動移位。這樣的智能機(jī)器人，可以由人用特殊的語言對其下達(dá)命令，布置任務(wù)。受令后的智能機(jī)器人，即可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的各種條件或信息，獨(dú)立地"分析"和"判斷"并自編或自變程序的進(jìn)行工作；能夠自找（選擇）物件的方位，字調(diào)握力的大小，自找傳送路線以避開障礙物。因此，它將成為"無人化"系統(tǒng)的重要組成環(huán)節(jié)之一。11 第二章 機(jī)械手的設(shè)

23、計2.1 機(jī)械手設(shè)計的總體方案 本次設(shè)計的機(jī)械手需要通過氣缸來提供動力，設(shè)計如圖2-1所示圖2-1 氣動機(jī)械手的結(jié)構(gòu) 1. 機(jī)架 2. 氣動肌肉 3. 第一肩關(guān)節(jié) 4. 第二肩關(guān)節(jié) 5. 機(jī)架臂12. 第三肩關(guān)節(jié) 7. 大臂 8. 肘關(guān)節(jié) 9. 小臂 10. 腕關(guān)節(jié) 11. 氣爪氣動機(jī)械手主要由起固定支撐作用的機(jī)架、機(jī)械臂和氣爪三部分組成。氣動機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)4個自由度（由于機(jī)構(gòu)運(yùn)動確定，因此機(jī)構(gòu)的自由度等于機(jī)構(gòu)的原動件數(shù)目，此機(jī)構(gòu)有4個原動件，因此可得有4個自由度）的運(yùn)動，其各自的自由度的驅(qū)動全部由氣動肌肉來實現(xiàn)。最前端的氣爪抓取物品，通過氣動肌肉的驅(qū)動實現(xiàn)各自關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，使物品在空間上運(yùn)動，

24、根據(jù)合理的控制，最終實現(xiàn)機(jī)械手的動作要求。驅(qū)動第一肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動有2根氣動肌肉組成，機(jī)架臂有4根氣動肌肉組成，大臂上安裝有4根氣動肌肉，小臂上安裝有4根氣動肌肉。2.2 機(jī)器人的規(guī)格參數(shù) 1、主參數(shù) 機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，機(jī)械手最大抓重以10公斤左右的為最多。故該機(jī)械手主參數(shù)定為10公斤。2、基本參數(shù) 運(yùn)動速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機(jī)械手速度提12出了要求，設(shè)計速度過低則限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手最大移動速度設(shè)計為1200毫米/秒，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計為1200/秒。平均移動速度為1000毫米/秒，平均回轉(zhuǎn)速度為900/

25、秒。機(jī)械手動作時有起動、停止過程的加、減速度存在，用速度-行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。則手臂前后伸縮平均速度為1000毫米/秒，手臂上下升降平均速度為500毫米/秒，手臂回轉(zhuǎn)平均速度為900/秒。除了運(yùn)動速度以外，手臂設(shè)計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而使剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。據(jù)統(tǒng)計和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為600毫米，最大工作半徑為1500毫米，手臂安裝前后可調(diào)200毫米。手臂回轉(zhuǎn)

26、行程范圍定為2400，又由于該機(jī)械手設(shè)計成手臂安裝方位可調(diào)，從而擴(kuò)大了它的適用范圍。手臂升降行程定為150毫米。氣壓驅(qū)動工作壓力P為46公斤/厘米2。機(jī)械手臂定位和緩沖采用機(jī)械擋塊和緩沖器定位；定位精度為±0.5±1毫米。2.3 氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計2.3.1 關(guān)節(jié)的基本方式在氣動機(jī)械手設(shè)計中，有4個自由度，相當(dāng)于4個獨(dú)立的關(guān)節(jié)。每個關(guān)節(jié)的驅(qū)動原理都是相同的，即由一對相當(dāng)于人類拮抗的氣動肌肉相互之間的對抗作用來驅(qū)動關(guān)節(jié)。其原理如圖2-2所示。這種方式驅(qū)動的關(guān)節(jié)，其剛度和兩個肌肉的壓力之和有關(guān)，而其位置則和2個肌肉的壓力差有關(guān)，因此可以實現(xiàn)關(guān)節(jié)位置和剛度的獨(dú)立控制。圖2-2

27、 關(guān)節(jié)的基本驅(qū)動方式 2.3.2 肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計131) 第一肩關(guān)節(jié)的設(shè)計第一肩關(guān)節(jié)主要是由2根氣動肌肉作為驅(qū)動，實現(xiàn)繞Z軸（X、Y、Z軸的方向標(biāo)在圖2-1中，下同）轉(zhuǎn)動這1個自由度，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-3(a)所示。三維建模的第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖2-3(b)所示。圖2-3(a) 第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡圖 圖2-3(b) 第一肩關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖 2) 第二肩關(guān)節(jié)的設(shè)計第二肩關(guān)節(jié)和其下的4根機(jī)架臂相連接，為的是實現(xiàn)繞X軸旋轉(zhuǎn)這1個自由度，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-4a所示。三維建模的第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖2-4b所示。14圖2-4(a) 圖2-4(b)第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡圖 第二肩關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖3) 第三肩關(guān)節(jié)的設(shè)計第三肩

28、關(guān)節(jié)是連接第二肩關(guān)節(jié)和大臂的紐帶。主要零件是肩部連接腕和中部支撐桿。其中肩部連接腕固定在肩部連接軸上，在機(jī)架臂的帶動下，使得大臂、小臂及氣爪整體繞X軸的轉(zhuǎn)動，其另一功能是連接大臂的4根氣動肌肉。中部支撐桿是用來固定肘關(guān)節(jié)，是大臂的支撐桿。其三維結(jié)構(gòu)圖如圖2-5所示。15 圖2-5 第三肩關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖2.3.3 肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計1) 虎克鉸簡介氣動機(jī)械手的設(shè)計難點(diǎn)主要在于肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的實現(xiàn)。最靈活的關(guān)節(jié)形式就是球鉸，有3個自由度，但是其實現(xiàn)復(fù)雜，控制難度比較大。在許多氣動機(jī)械手的研究中，采用的驅(qū)動器都是電機(jī)，為實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的3個自由度，結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜28,29。作為2個自由度的機(jī)構(gòu)，虎克鉸的結(jié)

29、構(gòu)比較簡單，且2個自由度之間的運(yùn)動可以獨(dú)立進(jìn)行控制。由于驅(qū)動方式的限制，虎克鉸的應(yīng)用在機(jī)器人中不是很常見。本研究采用氣動肌肉，可以方便地對這種機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，實現(xiàn)兩個自由度的運(yùn)動。在本設(shè)計中，采用如圖2-6所示的虎克鉸形式來實現(xiàn)肘關(guān)節(jié)的2個自由度。圖2-6 虎克鉸的基本結(jié)構(gòu) 2) 肘關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計16肘關(guān)節(jié)主要是由一個虎克鉸的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。由于虎克鉸能夠?qū)崿F(xiàn)2個自由度，并且虎克鉸的2根軸相互垂直，這就要求肘關(guān)節(jié)與大臂的氣動肌肉的連接件必須具有兩個方向單一的鉸鏈點(diǎn)結(jié)構(gòu)，其三維結(jié)構(gòu)如圖2-7所示。圖2-7 氣動肌肉連接件 肘關(guān)節(jié)是連接大臂與小臂的重要關(guān)節(jié)。分別是通過中部支撐桿和前部支撐桿維系著這兩個結(jié)構(gòu)

30、，其三維結(jié)構(gòu)圖如圖2-8所示。其中一些重要的尺寸參數(shù)分別圖2-8 肘關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖 由X、Y軸方向來確定，肘關(guān)節(jié)X軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-9a所示，綠色表示的是肌肉連接件，由于在X軸方向上，其與氣動肌肉沒有相互轉(zhuǎn)動，因此表示成同一條直線，綠色只是說明這里另一個零件，Y軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-9b所示。當(dāng)不同相鄰的兩根氣動肌肉組成一對時，可以實現(xiàn)繞不同軸的旋轉(zhuǎn)。如圖2-8（左圖）所示，當(dāng)前面的兩根氣動肌肉組成一對，即兩根肌肉有17相同的運(yùn)動形式，可知后面的是一對，在運(yùn)動過程中可以實現(xiàn)繞Y軸的轉(zhuǎn)動。同樣的左、右各為一對時，可以實現(xiàn)繞X軸的轉(zhuǎn)動。(a) X軸方向 (b) Y軸方向圖2-9 肘關(guān)節(jié)

31、X、Y軸方向的結(jié)構(gòu)簡圖2.3.4 腕關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計腕關(guān)節(jié)大體上與肘關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)相似，主要有一個虎克鉸的結(jié)構(gòu)構(gòu)成。同樣能夠?qū)崿F(xiàn)2個自由度，與肘關(guān)節(jié)不同的是繞著X軸、Z軸的旋轉(zhuǎn)。腕關(guān)節(jié)和小臂的連接件和肘關(guān)節(jié)的連接件一樣（如圖2-7），是兩個方向單一的鉸鏈點(diǎn)。腕關(guān)節(jié)通過前部支撐桿和肘關(guān)節(jié)固定，前端安裝有一個氣爪。其三維結(jié)構(gòu)如圖2-10所示。18 圖2-10 腕關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖 腕關(guān)節(jié)設(shè)計過程中的一些重要尺寸參數(shù)有X軸，Z軸方向來確定。其在X軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-11(a)所示，Z軸如圖2-11(b)所示。(a) X軸方向 (b) Z軸方向圖2-11 腕關(guān)節(jié)X、Z軸方向的結(jié)構(gòu)簡圖19第三章 氣動機(jī)械手關(guān)

32、節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計3.1 設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)應(yīng)注意的問題 手臂的結(jié)構(gòu)形式是根據(jù)機(jī)械手的抓取重量、自由度數(shù)、運(yùn)動速度、工作范圍、定位精度以及機(jī)械手的整體布局等因素決定的。手臂結(jié)構(gòu)是否設(shè)計的合理，對機(jī)械手的工作性能有著很大的影響，在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)是，除了考慮上述諸因素外，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：、應(yīng)使手臂剛度大、重量輕由于機(jī)械手的手臂一般懸伸長度比較長，若手臂的剛度不夠時，會發(fā)生手臂彎曲變形過大，就會引起手臂的定位不準(zhǔn)，而且也直接影響活塞桿（即手臂）運(yùn)動的靈活性。另外，手臂在起動或制動過程中受到慣性力或慣性力矩的作用，手臂將發(fā)生顫動，由于手臂的顫動，也會影響手臂的定位精度，除了采用可靠的定位裝置外，應(yīng)對手臂結(jié)構(gòu)有一

33、定的剛度要求，才能保證手臂的準(zhǔn)確的工作和一定的定位精度。、應(yīng)使手臂運(yùn)動速度快、慣性小為了減小慣性沖擊，一般采取的措施有： 手臂架選用鋁合金等輕質(zhì)材料來制造，以減輕手臂運(yùn)動件的質(zhì)量。 盡量縮短手臂懸伸部分的長度，使手臂未伸出時的總重量的重心偏于伸縮方向的反側(cè)，以減小回轉(zhuǎn)半徑。 減小手臂運(yùn)動件的輪廓尺寸，使其結(jié)構(gòu)緊湊。 在驅(qū)動系統(tǒng)中增設(shè)緩沖裝置，使運(yùn)動件減速緩沖。、手臂動作應(yīng)靈活為使手臂運(yùn)行輕快、靈活，除手臂本身結(jié)構(gòu)緊湊輕巧外，應(yīng)減少手臂運(yùn)動件之間的摩擦阻力，用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸伸式的機(jī)械手，手臂上零部件（如傳動件、導(dǎo)向件、定位件等）的布置應(yīng)合理，使手臂運(yùn)動過程中盡量保持平衡，以減少對升

34、降支承軸線的偏重力矩，使手臂運(yùn)動靈活，防止發(fā)生"卡死"（即自鎖）現(xiàn)象。、應(yīng)使手臂傳動準(zhǔn)確、導(dǎo)向性好為了能準(zhǔn)確的傳遞工件和保證傳動的平穩(wěn)，應(yīng)設(shè)有導(dǎo)向支承裝置，以保證手指的正確方向，并增強(qiáng)手臂的剛性。另外裝在手臂上的零部件要求便于20裝拆和調(diào)整。、輸氣管道的布置應(yīng)合理機(jī)械手上的各工作氣缸彼此在空間作相對的直線運(yùn)動或回轉(zhuǎn)運(yùn)動，要求結(jié)構(gòu)緊湊、外形整齊、動作靈活，因此對各個工作氣缸的輸氣管道布置應(yīng)給予足夠的重視，尤其是接近工作對象的手腕和手指夾緊缸，在外部用很多的軟管向氣缸輸入壓縮空氣，雖然軟管安裝維修較方便，但是他會影響機(jī)械手的運(yùn)動，并易損傷，而且手臂外形不整齊。、其他要求對于在粉

35、塵場合工作的機(jī)械手，應(yīng)設(shè)有防塵裝置等。3.2 肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計3.2.1第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計第一肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-1所示。圖3-1 第一肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖 假定CBOEC1是第一肩關(guān)節(jié)開始的運(yùn)動位置，BDD1E可繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，逆時針旋轉(zhuǎn)的極限位置是B1OE1，這時出現(xiàn)死點(diǎn)的現(xiàn)象，即當(dāng)CB1O在同一直線上，連接BO，B1O，EO，E1O，C1O。作O點(diǎn)到CD的垂線交CD的延長線于F點(diǎn)。設(shè)OA= a，AD= d，BD= b，BC=L，BO= B1O= EO= E1O=R。（1）確定bb是肌肉連接件的鉸鏈點(diǎn)到肩部肌肉連接件的距離，根據(jù)結(jié)構(gòu)可得b=35mm。（2）確定L根據(jù)氣動肌肉的型號，選定沒

36、有充氣時長度為250mm的氣動肌肉，其最21大運(yùn)動行程是原始長度的20%，在運(yùn)動的開始位置，取其最大收縮長度的一半，即是225mm，在加上氣動肌肉本身結(jié)構(gòu)（如圖2-5）的其他長度，兩個鉸鏈點(diǎn)的長度L=225+50=275mm，L的范圍是（275±25）mm。（3）確定aa是如圖2-8b所示的肩部肌肉連接件寬度的一半，d是長度的一半。設(shè)為逆時針旋轉(zhuǎn)時的最大角度，可知BOB1=，EOE1=，由于?BOC?EOC，所以EOC1=BOC=。 =BOC=FBO?FCO=arctanOFFB?arctanOFFC=arctandab+?arctandabL+ (3-1)由公式（3-1）可知：ta

37、n=1ddababLddababL?+×+=2()()dLababLd+=()()LababLdd+ 2()()LababL+ (3-2)由于tan在(0,)2是單調(diào)增函數(shù)，b，L為已知，所以當(dāng)a取得最小值時，tan取得最大值，即取得最大值。由于O點(diǎn)處裝有一根?20mm的連接桿，因此取肩部肌肉連接件的寬度為30mm，即半寬a=15mm。（4）確定d由公式(2)可知，tan2752(1535)(1535275)+=1.07947.2o當(dāng)=47.2o代入公式(1-1)可知d無解。計算BOE旋轉(zhuǎn)到B1OE1的極限位置，其中氣動肌肉CB1250mm，C1E1300mm。CB1=CO?B1O=

38、CO?R=2222OFCFOFBF+?+=2222()()dabLdab+?+250mm (3-3)22由公式(3-3)可得 088.4dpmm （3-4）已知C1OE1=2 CECOEO2COEOcos2300=+?×× (3-5)其中C1O=CO= 22OFCF+= 22()dabL+E1O=R=22OFBF+=22()dab+ = arctandab+?arctandabL+代入公式(3-5)可得 036.1dpmm (3-6)根據(jù)氣動肌肉的結(jié)構(gòu)，在安裝時，2d24mm，即d12mm (3-7)有(3-4)、(3-6)、(3-7)式得： 1236.1dmm由公式(3-

39、2)知tan=2()()dLababLd+，由于d<<L，2d<<()()ababL+，所以取最大的d時，可以得到最大的tan，也就是最大的,在這里取d=36mm。（5）確定由公式(3-2)得tan=2()()dLababLd+=236275(1535)(1535275)36×+=0.564得 =29.4o。所以第一肩關(guān)節(jié)繞Z軸的理論最大運(yùn)動范圍為(?29.4o，29.4o)。 3.2.2第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計第二肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-2所示。23 圖3-2 第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖假定CAOEC1是第二肩關(guān)節(jié)開始的運(yùn)動位置，鉸鏈點(diǎn)A，E可繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，逆時針的極限位

40、置是A1OE1，即當(dāng)CA1O在同一條直線上，連接AO，A1O，EO，E1O。作O點(diǎn)到CA的垂線交CA的延長線于F點(diǎn)。連接AE，作O點(diǎn)垂直AE交AE于B點(diǎn)。設(shè)AB= a，OB= b，AC=L,AO=A1O=EO=E1O=R。（1）確定L根據(jù)氣動肌肉的型號，選定沒有充氣時長度為230mm的氣動肌肉，其最大運(yùn)動行程是原始長度的20%，在運(yùn)動的開始位置，取其最大收縮長度的一半，即是207mm，再加上氣動肌肉本身結(jié)構(gòu)（如圖2-5）的長度，兩個鉸鏈點(diǎn)的長度L=207+67=274mm，L的范圍是（274±23）mm。（2）確定b設(shè)為逆時針旋轉(zhuǎn)時的最大角度，可知AOA1=,EOE1=，由于?AOC

41、?EOC1，所以EOC1=AOC=。 =AOC=FAO?FCO=arctanOFFA?arctanOFFC=arctanab?arctanabL+ (3-8)有公式（3-8）可知：24tan=1aabbLaabbL?+×+=2()aLbbLa+=()LbbLaa+2()LbbL+ (3-9)由于tan在(0,)2是單調(diào)增函數(shù)，L為已知，所以當(dāng)b取得最小值時，tan取得最大值，即取得最大值。由于由于O點(diǎn)處裝有一根?20mm的連接桿，因此取合適的最小的b=20mm。（3）確定a由公式(3-9)可知，tan274220(20274)+=1.787得60.8o當(dāng)60.8o代入公式(3-8)可

42、知a無解。計算AOE旋轉(zhuǎn)到A1OE1的極限位置，其中氣動肌肉CA1251mm，C1E1297mm。CA1=CO?A1O=CO?R=2222OFCFOFAF+?+=2222()abLab+?+251mm (3-10)由公式(3-10)可得 041.3apmm (3-11)已知C1OE1=2 CECOEO2COEOcos2297=+?×× (3-12)其中C1O=CO= 22OFCF+= 22()abL+E1O=R=22OFAF+=22ab+ = arctanab?arctanabL+代入公式(3-12)可得 023.4apmm (3-13)根據(jù)氣動肌肉的結(jié)構(gòu)，在安裝時，2a2

43、4mm，即a12mm (3-14)25有(3-11)、(3-13)、(3-14)式得 1223.4amm由公式(3-9)知 tan=2()aLbbLa+,由于a<<L, 2a<<()bbL+,所以取最大的a時，可以得到最大的tan，也就是最大的,在這里取a=23mm。（4）確定由公式(3-9)得tan=2()aLbbLa+=22327420(20274)23×+=0.983得=44.5o所以第二肩關(guān)節(jié)繞X軸的理論最大運(yùn)動范圍為(?44.5o，44.5o)。3.2.3第三肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 第三肩關(guān)節(jié)通過大臂上的氣動肌肉連接到肘關(guān)節(jié)上。第三肩關(guān)節(jié)的零件尺寸與肘關(guān)

44、節(jié)的零件尺寸有關(guān)，其零件尺寸是通過肘關(guān)節(jié)的零件尺寸來確定的。因此第三肩關(guān)節(jié)的零件參數(shù)化設(shè)計詳見肘關(guān)節(jié)的零件設(shè)計。 3.3 肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 肘關(guān)節(jié)的零件尺寸確定可以分為兩個方向，即X軸和Y軸方向。下面分別就X軸和Y軸方向上的參數(shù)化設(shè)計進(jìn)行闡述。3.3.1 X軸方向上的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計肘關(guān)節(jié)在X軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-3所示。26 圖3-3 肘關(guān)節(jié)在X軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖 假定CABC1是肘關(guān)節(jié)開始的運(yùn)動位置，A，B可繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn), 順時針旋轉(zhuǎn)的極限位置是A1OB1，這時出現(xiàn)死點(diǎn)現(xiàn)象，即當(dāng)CA1O在同一直線上，連接A1O，B1O。設(shè)OA= a，AD= b，DD1=L。紅色虛線框表示肘部擋板。（1）確

45、定bb是肌肉連接件的長度,根據(jù)結(jié)構(gòu)得b=45mm。（2）確定L根據(jù)氣動肌肉的型號，選定沒有充氣時長度為230mm的氣動肌肉，其最大運(yùn)動行程是原始長度的20%，在運(yùn)動的開始位置，取其最大收縮長度的一半，即是207mm，在加上氣動肌肉本身結(jié)構(gòu)（如圖2-5）的其他長度，兩個鉸鏈點(diǎn)的長度L=207+50=257mm，L的范圍是（257±23）mm。（3）確定aA,B表示肘部擋板上連接肌肉連接件的兩個鉸鏈點(diǎn)，a是兩個鉸鏈點(diǎn)距離的一半。設(shè)為順時針旋轉(zhuǎn)時的最大角度，可知AOC1=，BOB1=。tan=ACAO=2Lba+ (3-15)由公式(3-15)可知，tan在(0,)2是單調(diào)增函數(shù)，b，L為

46、已知，所以當(dāng)a取得最小值時，tan取得最大值，即取得最大值。當(dāng)a0時=90o。計算AOB旋轉(zhuǎn)到A1OB1的極限位置，其中A1C2b+Lmin=2×45+234=324mm。27B1C12b+Lmax=2×45+280=370mm。A1C= CO?A1O=22OAAC+? A1O=22(2)abL+?a324mm (3-16)由公式(3-16)可得 023.8apmm (3-17)已知BOB1=，得 OBB1=2?， B1BC1=OBB1+OBC1=2?+2=2? BCBBBC2BBBCcos3702=+?××? (3-18) 222BBOBOB2cos=

47、+?11=22aa2cos+?=22a2cos?得BB1=22a2cos?BC1=AC=2b+L=347mm=arctan2Lba+代入公式(3-18)得 0a22.4pmm (3-19)根據(jù)氣動肌肉的結(jié)構(gòu)，在安裝時，2a24mm，即a12mm (3-20)由(3-17)、(3-19)、(3-20)式得 12a22.4mm由公式(3-15)可知 tan=ACAO=2Lba+，且已知L=257mm，b=45mm，當(dāng)取最小值a=12時，tan取得最大值。（4）確定tan=ACAO=2Lba+=25724512+×=28.9得28=88.0 o所以肘關(guān)節(jié)繞X軸的理論最大運(yùn)動范圍為(?88.0o，88.0o)。由此可以得到第三肩關(guān)節(jié)的兩個鉸鏈點(diǎn)之間的距離為2a=24mm。3.3.2 Y軸方向上的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計圖3-4 肘關(guān)節(jié)在Y軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖 肘關(guān)節(jié)在Y軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-4所示。假定CAOA1C1是肘關(guān)節(jié)開始的運(yùn)動位置，D，B可繞O點(diǎn)旋轉(zhuǎn),作以O(shè)點(diǎn)為圓心，O