《機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述3500字》

氣動(dòng)控制的機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述1.氣動(dòng)機(jī)械臂研究（1）國(guó)外研究綜述機(jī)器人領(lǐng)域中，氣動(dòng)技術(shù)最早是應(yīng)用在工業(yè)機(jī)器人的末端夾具中，而氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂是近些年隨著氣動(dòng)技術(shù)發(fā)展而來(lái)的一種新型的機(jī)械臂類型。從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，國(guó)外著名的氣動(dòng)元件公司，如德國(guó)FESTO公司，日本SMC氣動(dòng)元件公司相繼成功研發(fā)出了電氣伺服閥、電氣比例閥和高速開(kāi)關(guān)閥等高性能的氣動(dòng)控制元件，這些元器件的研發(fā)成功為氣動(dòng)機(jī)械臂的誕生做出了開(kāi)創(chuàng)性的成果。早期的氣動(dòng)機(jī)械臂都是由人工肌肉作為主驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的。20世紀(jì)_50年代美國(guó)原子物理學(xué)家JosephL.McKibben為他患病的女兒設(shè)計(jì)出第一個(gè)氣動(dòng)人工肌肉，用于驅(qū)動(dòng)假肢運(yùn)動(dòng)，它被稱作McKibben肌肉。之后學(xué)者們相繼又研制出Morin肌肉、Yarlott型肌肉等，以人工肌肉為驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂開(kāi)始被研制出來(lái)。如Festo公司研發(fā)的氣動(dòng)機(jī)械臂Airic'sarm，骨骼與肌肉結(jié)構(gòu)完全按照人體骨骼構(gòu)成，“肌肉”即是用“氣動(dòng)肌鍵”所構(gòu)成，它的優(yōu)點(diǎn)在于可以方便的控制設(shè)備的剛度和力度。日本東京理科大學(xué)小林宏教授同樣采用McKibben型人工肌肉設(shè)計(jì)了一款可穿戴助力型的機(jī)械臂，該類機(jī)械臂都是由金屬骨架和人工肌肉來(lái)模仿人的手臂進(jìn)行研究的，從而開(kāi)辟了氣動(dòng)機(jī)械臂的應(yīng)用先河。麻省理工學(xué)院Krebs等人研發(fā)出平面動(dòng)作機(jī)械手臂MIT-MANUS系統(tǒng)，訓(xùn)練時(shí)病人用患側(cè)握在機(jī)械手臂末端，輔助病人做上肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)，利用Video-games，病人依靠屏幕上所顯示的目標(biāo)來(lái)移動(dòng)機(jī)械手臂，由視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)回饋來(lái)完成手臂動(dòng)作。當(dāng)病人無(wú)法對(duì)視覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)的提示做出反應(yīng)時(shí)，機(jī)械手臂會(huì)輔助來(lái)帶動(dòng)病人的手。利用系統(tǒng)上的感測(cè)器可記錄病人手部動(dòng)作軌跡及位置、速度、力量等物理量，控制力量輸出的大小，能確保病人與機(jī)械手臂接觸做練習(xí)時(shí)的安全，緩和機(jī)器震動(dòng)，維持整體的穩(wěn)定性。機(jī)械手具有反向可驅(qū)動(dòng)性，阻抗控制；主要輔助或阻礙肩和肘的平面運(yùn)動(dòng)，并可以通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕為患者提供力場(chǎng)反饋。學(xué)者Lum與斯坦福大學(xué)合作開(kāi)發(fā)了使用名為MirrorImageMovementEnabler的系統(tǒng)，此系統(tǒng)是有兩個(gè)可移動(dòng)的胳膊支撐，一個(gè)六自由度的機(jī)械手臂組成。MIME有三種單側(cè)操作方式和一種雙側(cè)操作方式，單側(cè)操作方式有12種預(yù)定的軌跡可選，雙側(cè)操作方式中，健肢運(yùn)動(dòng)是由監(jiān)測(cè)的傳感器和光電編碼器記錄運(yùn)動(dòng)，通過(guò)PUMA機(jī)械手鏡像至患者肢體。當(dāng)運(yùn)動(dòng)阻力超過(guò)預(yù)定值時(shí)，機(jī)械手停止動(dòng)作。意大利帕多瓦大學(xué)GiulioRosati等人設(shè)計(jì)的繩驅(qū)動(dòng)三自由度機(jī)械手NeReBot，可以幫助中風(fēng)患者進(jìn)行手臂的康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練。在機(jī)械手的中間位置有一個(gè)托板，它分別由支撐架上的三根繩吊著，繩子分別由三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)控制。通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制三根繩子長(zhǎng)短的變化，從而帶動(dòng)托板在空間運(yùn)動(dòng)?；颊咴谶M(jìn)行康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練時(shí)，首先需要把病人的手臂固定在托板上，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)患者的手臂在三個(gè)自由度方向上運(yùn)動(dòng)，而且托盤的運(yùn)動(dòng)軌跡是通過(guò)示教再現(xiàn)的方式進(jìn)行規(guī)劃控制的。（2）國(guó)內(nèi)研究綜述雖然國(guó)內(nèi)起步較晚，但也有不少學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究，如哈爾濱工程大學(xué)隋立明等人研制的基于人工肌肉的四自由度的機(jī)械臂，該機(jī)械臂肩部采用虎克鉸的形式，基本滿足了人手臂的柔順性運(yùn)行的要求;之后北京理工大學(xué)彭光正課題組在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種七自由度的仿人機(jī)械臂，該機(jī)械臂在設(shè)計(jì)上擁有較多的自由度，因此靈活性上得到了大大的提升。上海交通大學(xué)的洪熠通過(guò)高速開(kāi)關(guān)閥研究了基于氣動(dòng)人工肌肉的六自由度的機(jī)械臂的設(shè)計(jì)和控制研究，較為完整的探究了氣動(dòng)機(jī)械臂柔順性和靈活性。雖然人工肌肉的使用從一定程度上促進(jìn)了氣動(dòng)機(jī)械臂的發(fā)展，但由于其較小的負(fù)載承受能力以及較大的柔性限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用，同時(shí)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)使用多個(gè)人工肌肉并聯(lián)才能達(dá)到預(yù)期的使用效果，因此這些都在一定程度上限制了其應(yīng)用的范圍。臺(tái)灣學(xué)者陳秋旺設(shè)計(jì)出一應(yīng)用于中風(fēng)病人上肢復(fù)健之機(jī)械手臂，如，林棟煌、董憲奇延續(xù)進(jìn)行軟硬件的改良及測(cè)試。其機(jī)器手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用Asada所提出的“五連桿平行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)”方法來(lái)設(shè)計(jì)，并利用模糊理論來(lái)進(jìn)行位置及力量的控制，應(yīng)用伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂，可記錄復(fù)健過(guò)程中的軌跡路徑、速度及機(jī)械手臂與被訓(xùn)練者手部之間的接觸力量。近些年來(lái)，隨著高性能氣動(dòng)伺服閥的研制成功，國(guó)內(nèi)外的一些學(xué)者也開(kāi)始使用傳統(tǒng)的氣缸作為驅(qū)動(dòng)器研究機(jī)械臂，使得氣動(dòng)機(jī)械臂在機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)精度上逐漸的接近于電機(jī)驅(qū)動(dòng)的傳統(tǒng)機(jī)械臂。這其中最具有代表性的是氣動(dòng)元件制造巨頭德國(guó)FESTO公司研制的BioriicCobot和BioriicSoftArm氣動(dòng)機(jī)械臂，該機(jī)械臂設(shè)計(jì)為七自由度，使用擺動(dòng)氣缸為作為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)電氣比例伺服閥進(jìn)行控制氣腔的壓力的控制進(jìn)而控制每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，由于氣體的可壓縮性，其機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，相對(duì)于傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂柔順性更好，更加接近于人類手臂，同時(shí)比傳統(tǒng)的人工肌肉剛性更好，使其能夠完成更多的復(fù)雜和較繁重的任務(wù).在國(guó)內(nèi)，通過(guò)使用傳統(tǒng)氣動(dòng)執(zhí)行器作為驅(qū)動(dòng)研究機(jī)械臂則相對(duì)落后，部分學(xué)者使用直線氣缸做驅(qū)動(dòng)，通過(guò)設(shè)計(jì)相關(guān)結(jié)構(gòu)使直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)檗D(zhuǎn)動(dòng)從而控制機(jī)械臂關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)的毛新濤研制了一款應(yīng)用于工業(yè)涂膠的三自由度串聯(lián)式氣動(dòng)機(jī)械手。該機(jī)械臂腰部采用擺動(dòng)氣缸控制，大臂和小臂采用直線氣缸控制，并配以比例流量閥控制腔內(nèi)壓力大小從而控制關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。該研究通過(guò)建立機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。通過(guò)氣動(dòng)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，采用基于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的角度規(guī)劃軌跡方法，進(jìn)行多種軌跡的仿真分析研究，樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明其運(yùn)動(dòng)精度控制在2%以內(nèi)。2.氣動(dòng)伺服控制系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀（1）國(guó)外研究現(xiàn)狀長(zhǎng)期以來(lái)，為解決氣動(dòng)技術(shù)的高精度伺服控制的難題，國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者進(jìn)行了不懈的努力和探索，自從1997年德國(guó)亞探工業(yè)大學(xué)WBacke教授研制出的世界上第一個(gè)氣動(dòng)伺服閥之后，氣動(dòng)伺服控制系統(tǒng)開(kāi)始發(fā)展起來(lái)。80年代初，T.Eun等人研制出了一種新的氣動(dòng)開(kāi)關(guān)伺服結(jié)構(gòu)，并深入研究了該結(jié)構(gòu)的魯棒性和精度。而PWM開(kāi)關(guān)伺服控制是日本的則次俊郎首先開(kāi)始引入研究，他首次將PWM電-氣開(kāi)關(guān)/伺服系統(tǒng)應(yīng)用于輸送機(jī)中。之后又最先把PCM控制技術(shù)應(yīng)用于氣動(dòng)系統(tǒng)的控制。美國(guó)的JingYihLai等人以自由度機(jī)械臂為控制對(duì)象進(jìn)行了PWM氣動(dòng)控制理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。而國(guó)內(nèi)，周洪博士等人較早的對(duì)電一氣伺服系統(tǒng)及其控制進(jìn)行了研究;隨后哈爾濱工業(yè)大學(xué)許耀銘教授主持進(jìn)行了電一氣伺服系統(tǒng)及其電一氣伺服器件的開(kāi)發(fā)研究;同時(shí)國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者開(kāi)始對(duì)氣動(dòng)伺服技術(shù)進(jìn)行深入研究。氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)位置伺服系統(tǒng)相對(duì)于直線位置伺服系統(tǒng)更復(fù)雜，模型建立更加困難，產(chǎn)生的非線性因素也更多，因此對(duì)它的研究也相對(duì)較晚。近些年隨著工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需求的增多，以擺動(dòng)氣缸和氣馬達(dá)為主要執(zhí)行器的研究逐漸增多。如李尚義等人對(duì)PCM開(kāi)關(guān)閥控氣馬達(dá)轉(zhuǎn)角位置控制系統(tǒng)進(jìn)行了初步研究運(yùn)用控制理論對(duì)其穩(wěn)定性和誤差進(jìn)行了定量分析。Tillett,N.D研究了擺動(dòng)氣缸的非線性結(jié)構(gòu)和影響摩擦力的因素，建立了系統(tǒng)的非線性模型，較精確的反映了系統(tǒng)的特性。對(duì)于氣動(dòng)伺服控制，其中一個(gè)重要的問(wèn)題就是解決氣缸的低速爬行的問(wèn)題，而產(chǎn)生低速爬行的一個(gè)重要的原因就是因?yàn)閯?dòng)靜摩擦力之間差值所造成的位置跳動(dòng)不受控的問(wèn)題，目前學(xué)者們對(duì)氣缸所產(chǎn)生的摩擦力已經(jīng)進(jìn)行了較深入的研究，如最早對(duì)氣缸摩擦力進(jìn)行研究的意大利學(xué)者G.Belforte教授，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)了相關(guān)性因素得出了氣缸摩擦力的計(jì)算公式。同時(shí)該研究得到了不同密封下的摩擦力系數(shù)，對(duì)與尋找低摩擦力氣缸與密封之間的關(guān)系具有指導(dǎo)價(jià)值。日本工業(yè)大學(xué)的寺島幸雄等人，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，研究了排氣節(jié)流中的氣缸爬行現(xiàn)象，根據(jù)得到的不同工況下的摩擦力，建立了氣缸的Stribeck摩擦力模型，并總結(jié)提出了爬行速度這一概念。（2）國(guó)內(nèi)研究綜述北京理工大學(xué)的王鵬基于比例壓力閥的齒輪齒條式擺動(dòng)氣缸位置伺服控制中，通過(guò)模糊PID和模型參考自適應(yīng)控制算法進(jìn)行研究，在線調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)，但控制性能不夠理想，超調(diào)量較高。南京理工大學(xué)的李小寧課題組對(duì)比例流量閥控葉片式擺動(dòng)氣缸進(jìn)行了深入研究，通過(guò)非線性補(bǔ)償?shù)姆椒?，并通過(guò)速度+壓力差反饋控制策略，使誤差達(dá)到了±0.5°的精度。上海交通大學(xué)的王旭永通過(guò)深入研究擺動(dòng)氣缸的特性，對(duì)于控制系統(tǒng)容易受到干擾的特點(diǎn)分別分析了傳統(tǒng)PID控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制的特點(diǎn)。對(duì)滑膜變結(jié)構(gòu)控制特有的抖振現(xiàn)象進(jìn)行了分析并采用飽和趨近率的方法來(lái)削弱抖振。在氣動(dòng)伺服控制方面，北京理工大學(xué)張百海等人通過(guò)出口節(jié)流調(diào)速的方法對(duì)氣缸摩擦力特性進(jìn)行了研究，得出氣缸的動(dòng)摩擦力和速度的擬合關(guān)系是二次曲線的結(jié)論。南京理工大學(xué)的柏艷紅通過(guò)建立擺動(dòng)氣缸的仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行