四自由度多用途氣動(dòng)機(jī)器人（機(jī)器手）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制實(shí)現(xiàn)

四自由度多用途氣動(dòng)機(jī)器人（機(jī)器手）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制實(shí)現(xiàn)近幾十年，隨著全球科學(xué)技術(shù)的快速進(jìn)展和信息化水平不斷提高，出于解放勞動(dòng)力、提高生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益和削減生產(chǎn)成本的目的，許多工業(yè)領(lǐng)域開頭使用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)作。為了加深對(duì)機(jī)器人從設(shè)計(jì)到工業(yè)應(yīng)用詳細(xì)是怎樣實(shí)現(xiàn)的，文章先對(duì)工業(yè)機(jī)器人的進(jìn)展背景進(jìn)行闡述，再對(duì)機(jī)器人（機(jī)械手）的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，其中包括手部、手腕、手臂等的設(shè)計(jì)，最終利用可編程序掌握器對(duì)機(jī)器人（機(jī)械手）進(jìn)行有效掌握，使機(jī)器人（機(jī)械手）能夠正常運(yùn)作，進(jìn)而消失在在更多生產(chǎn)企業(yè)的工作線上。機(jī)器人（Robot）一詞最早消失在國外，二十世紀(jì)中后期開頭才得到人們的廣泛關(guān)注，并被人們所熟識(shí)，現(xiàn)如今，在國外，甚至國內(nèi)有些工廠、企業(yè)都可以看得機(jī)器人的身影。現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人（機(jī)器手）主要有可編程、擬人化、通用性、運(yùn)用廣泛這四個(gè)特點(diǎn)?？茖W(xué)技術(shù)的提高和不斷創(chuàng)新，使得當(dāng)今的工業(yè)機(jī)器人漸漸具備行走、感知、溝通等多種力量。目前，美國和日本在機(jī)器人的研發(fā)方面處于世界領(lǐng)先水平，對(duì)全球機(jī)器人的進(jìn)展最具影響。絕大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人都是由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和掌握系統(tǒng)三個(gè)部分組成。其中主機(jī)包括臂部、腕部、手部等，大多數(shù)機(jī)器人有3-6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，文章以下以四個(gè)自由度為例進(jìn)行描述。機(jī)器人（機(jī)械手）在工業(yè)生產(chǎn)過程中能夠代替人做些單調(diào)、頻繁或者重復(fù)率強(qiáng)的長時(shí)間工作，但是機(jī)器人又不是簡潔意義上的完全復(fù)制了人工的勞務(wù)，而是在綜合了人的工作性能的基礎(chǔ)上再結(jié)合了機(jī)器人其專有的特長。機(jī)械手是仿照人手和手臂的某些功能，在設(shè)置的特定程序下抓取、搬運(yùn)物件或者操作工具的自動(dòng)操作裝置。機(jī)器人的進(jìn)展歷史經(jīng)受了一系列階段，其中機(jī)械手則是最早消失的工業(yè)機(jī)器人，機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用能夠有效地減省工人、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品的品質(zhì)提升工廠形象，尤其是在某些特別的環(huán)境下，如高溫高壓、有毒有害、易燃易爆、放射性較大等，機(jī)器手得到了廣泛的運(yùn)用。機(jī)器人（機(jī)器手）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是通用氣動(dòng)上下料機(jī)械手，其在工業(yè)生產(chǎn)有較為廣泛的運(yùn)用。1.1手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以設(shè)計(jì)成可更換的結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際狀況使用的是夾持式手部還是氣壓吸盤式結(jié)構(gòu)。夾持式常用的有兩指、多指和雙手雙指式。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮手指的夾緊力，慣性力和振動(dòng)性，避開由于抓力不夠而致使物品掉落，對(duì)手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還要考慮肯定的開閉角和抓取的對(duì)象，因地制宜，這樣才能發(fā)揮出機(jī)器手的最大作用。由于手抓的物品大多數(shù)為圓柱形，所以手指外形應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)成V型。在設(shè)計(jì)時(shí)首先計(jì)算出手部驅(qū)動(dòng)力的大小，然后計(jì)算出氣缸的直徑，最終計(jì)算出缸筒的壁厚。1.2手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)于手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要充分理解手腕的工作原理，手腕是連接手部和手臂的重要部件，起到的是調(diào)整和轉(zhuǎn)變物品的方位，考慮到機(jī)器手所抓取的物品是水平放置的，所以手腕在設(shè)計(jì)的過程中，必需要設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)是回轉(zhuǎn)氣缸。因此此次設(shè)計(jì)選擇的是回轉(zhuǎn)氣缸。對(duì)回轉(zhuǎn)氣缸的設(shè)計(jì)首先要計(jì)算出手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩；手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和物品的偏重會(huì)產(chǎn)生一個(gè)偏重力，詳細(xì)表現(xiàn)在是對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸產(chǎn)生的一個(gè)偏重力矩，所以這時(shí)需要計(jì)算出這個(gè)偏重力矩的大??；手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生摩擦，所以還需要計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)軸對(duì)軸頸處造成的摩擦阻力矩；再對(duì)回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行計(jì)算和尺寸進(jìn)行校核，1.3手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)機(jī)器手手臂作為手腕和手部的牽引部分，有三種氣缸模式，手臂伸縮氣缸、手臂升降氣缸和手臂回轉(zhuǎn)氣缸。在進(jìn)行手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，要計(jì)算出這三種氣缸的尺寸，并進(jìn)行校核。同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中發(fā)覺，機(jī)器手臂在伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)當(dāng)采納導(dǎo)向裝置，可以有效地增加手臂的剛性，避開手臂繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)?？删幊绦蛘莆掌鲗?duì)機(jī)器人（機(jī)器手）的有效掌握可編程掌握器是在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝備。此次設(shè)計(jì)掌握的對(duì)象是圓柱座標(biāo)氣動(dòng)機(jī)械手，對(duì)機(jī)器人的有效掌握可以分成四個(gè)過程。可編程序掌握器有四個(gè)階段，首先CPU對(duì)輸入輸出狀態(tài)暫存器清零，隨后進(jìn)行自診斷，當(dāng)顯示一切硬件正常工作后進(jìn)入其次個(gè)階段；然后處理輸入信號(hào)，把獲得的各個(gè)輸入端子的狀態(tài)信息存放到輸入輸出狀態(tài)暫存器中；接著再對(duì)用戶程序進(jìn)行掃描、運(yùn)算和處理，將結(jié)果寫入輸出狀態(tài)暫存器中，最終把暫存器中的信號(hào)取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動(dòng)輸出繼電器線圈，掌握與被掌握設(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動(dòng)作。周而復(fù)始，使機(jī)器手能夠不斷運(yùn)作。文章對(duì)四自由度機(jī)器人（機(jī)器手）進(jìn)行討論，提出了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和掌握實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)方法。機(jī)器人（機(jī)器手），作為一種全新的能為企業(yè)帶