氣動機(jī)械手的畢業(yè)設(shè)計-

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1、 浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計 題目 氣動機(jī)械手的設(shè)計 系別 機(jī)電系 專業(yè) 機(jī)電一體化 班級 機(jī)電1101 姓名 褚水榮 學(xué)號 1103130105 指導(dǎo)老師 文 斌 日期 2014年5月 摘 要 氣動機(jī)械手是能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程

2、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。 本文主要進(jìn)行了氣動機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和氣動設(shè)計。機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)由氣缸、氣爪和連接件組成，可按預(yù)定軌跡運(yùn)動，實現(xiàn)對工件的抓取、搬運(yùn)和卸載。氣動部分的設(shè)計主要是選擇合適的控制閥，設(shè)計合理的氣動控制回路，通過控制和調(diào)節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變運(yùn)動方向，并按規(guī)定的程序工作。 關(guān)鍵詞：氣動機(jī)械手；氣缸；氣動回路。

3、 目 錄 1 緒論 1.1 機(jī)械手簡史 1.2 機(jī)械手的分類 1.3 機(jī)械手的組成 1.4 應(yīng)用機(jī)械手的意義 2 機(jī)械手總體設(shè)計方案和氣動回路的設(shè)計 2.1 機(jī)械手的運(yùn)動規(guī)劃 2.2 機(jī)械手基本形式的選擇 2.3 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動 2.4 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇 2.5 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 2.6 氣動回路的設(shè)計 3氣動系統(tǒng)元件的選取 3.1.1夾緊氣缸選型 3.1.2平移及伸縮氣缸選型 3.1.3升降氣缸選型 3.2.1方向控制閥選取 3.3氣動三聯(lián)件選取 4結(jié)論 致謝 參考文獻(xiàn) 1 緒論 機(jī)械工業(yè)是國民的

4、裝備部，是為國民經(jīng)濟(jì)提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機(jī)械裝備，機(jī)械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟(jì)各部門技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)效益有很大的和直接的影響。機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟(jì)實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟(jì)的戰(zhàn)略重點之一。 工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手的是工業(yè)機(jī)器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力

5、，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。 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。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動生產(chǎn)線中，機(jī)械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(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力大的特點，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。 機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。機(jī)械手是一

6、種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機(jī)器，它有多自由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。 1.1 機(jī)械手簡史 現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)品。 機(jī)械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)械手。他的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。 1962年，美國機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate(即萬能自動)。運(yùn)動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動；控制

7、系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。 1962年，美國機(jī)械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978年，美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于1毫米。 美國還十分

8、注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機(jī)械手試驗臺，進(jìn)行各種性能的試驗。準(zhǔn)備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到0.1毫米。 德國機(jī)器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。 瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。 瑞典安莎公司采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。 日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從

9、美國引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力研究機(jī)械手的研究。據(jù)報道，1976年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個。1979年120多個大學(xué)和國家研究部門用在機(jī)械手的研究費用42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá)222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機(jī)械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機(jī)械手累計產(chǎn)量達(dá)56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計到1990

10、年將有55萬機(jī)器人在工作。 第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機(jī)械手。 第三代機(jī)械手（機(jī)器人）則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機(jī)器手（機(jī)器人）研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動

11、開展很多。 1.2 機(jī)械手的分類 目前對機(jī)械手還沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)。按照不同的分類方式可以把機(jī)械手分成多種類型。 1.按驅(qū)動方式分類 按驅(qū)動裝置的動力源，機(jī)械手可分為以下的幾種。 （1）液壓式機(jī)械手。這種機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)通常由液動機(jī)（各種油缸、油馬達(dá)）、伺服閥、油泵、油箱等組成，這種機(jī)器人通常具有很大的抓舉能力并且結(jié)構(gòu)緊湊，動作平穩(wěn)，耐沖擊、耐振動，防爆性好，但對制造精度和密封性能要求很高，否則易發(fā)生漏油而污染環(huán)境。 （2）氣壓式機(jī)械手。其驅(qū)動系統(tǒng)通常采用通常汽缸、氣閥、氣罐和空壓機(jī)組成。特點是氣源方便，動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、維修方便，但難于進(jìn)行速度控制，并因氣壓不能太高，

12、固抓舉能力較小。 （3）電動式機(jī)械手。電力驅(qū)動是目前機(jī)械手使用的最多的一種驅(qū)動方式。其特點是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大，信號檢測、傳遞、處理方便，可以采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動電機(jī)一般采用交流伺服電機(jī)、直流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。由于電機(jī)速度高，通常還須采用減速機(jī)構(gòu)（如諧波減速機(jī)構(gòu)、論析減速機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠和多桿機(jī)構(gòu)）。目前也有一些特制電機(jī)直接進(jìn)行驅(qū)動，以簡化機(jī)構(gòu)，提高控制精度。 其他還有采用混合驅(qū)動的機(jī)械手，如液-氣混合驅(qū)動機(jī)械手或電-氣混合驅(qū)動機(jī)械手。 2.按用途分類 機(jī)械手按用途可分為下列幾種。 （1） 搬運(yùn)機(jī)械手; （2） 噴涂機(jī)械手; （3） 焊接機(jī)械手; （4） 裝配

13、機(jī)械手; （5） 其他用途的機(jī)械手。如航天用機(jī)械手，探海用機(jī)械手，以及排險作業(yè)機(jī)械手等。 3.按操作機(jī)的位置機(jī)構(gòu)類型和自由度數(shù)量分類 操作機(jī)的位置機(jī)構(gòu)是機(jī)械手的重要外形特征，固常用作分類的依據(jù)。按這一分類要求，機(jī)械手可分為直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型、球坐標(biāo)型、關(guān)節(jié)型機(jī)械手。 a） 直角坐標(biāo)型 b）圓柱坐標(biāo)型 c）球坐標(biāo)型 d）多關(guān)節(jié)型 e）平面關(guān)節(jié)型 圖1-1工業(yè)機(jī)械手的基本結(jié)構(gòu)形式 操作機(jī)本身的自由度最能反應(yīng)機(jī)器人的作業(yè)能力，也是分類的重要依據(jù)。按這一分類要求，機(jī)械手可分為4自由度、5自由度、6自由度和7自由度機(jī)械手。 4.按其他方法還可以分為 （1）家務(wù)型機(jī)械手：能幫助

14、人們打理生活，做簡單的家務(wù)活。 （2）操作型機(jī)械手：能自動控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運(yùn)動，用于相關(guān)自動化系統(tǒng)中。 （3）程控型機(jī)械手：按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機(jī)械手的機(jī)械動作。 （4）示教再現(xiàn)型機(jī)械手：通過引導(dǎo)或其它方式，先教會機(jī)械手動作，輸入工作程序，機(jī)械手則自動重復(fù)進(jìn)行作業(yè)。 （5）數(shù)控型機(jī)械手：不必使機(jī)械手動作，通過數(shù)值、語言等對機(jī)器人進(jìn)行示教，機(jī)械手根據(jù)示教后的信息進(jìn)行作業(yè)。 （6）感覺控制型機(jī)械手：利用傳感器獲取的信息控制機(jī)械手的動作。 （7）適應(yīng)控制型機(jī)械手：能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動。 （8）學(xué)習(xí)控制型機(jī)械手：能“體會”工作的經(jīng)

15、驗，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗用于工作中。 （9）智能機(jī)械手：以人工智能決定其行動的機(jī)械手。 1.3 機(jī)械手的組成 工業(yè)機(jī)械手通常由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動傳動裝置、控制系統(tǒng)和智能系統(tǒng)四部分組成。圖1-2為工業(yè)機(jī)械手的典型結(jié)構(gòu)，圖1-3為工業(yè)機(jī)械手的組成方框圖。 圖1-2工業(yè)機(jī)械手的典型結(jié)構(gòu) 手部 腕部 臂部 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 腰部 基座部（固定或移動） 工業(yè)機(jī)械手 電、液或氣驅(qū)動裝置 驅(qū)動裝置

16、 單關(guān)節(jié)伺服控制器 控制系統(tǒng) 關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)及其它信息交換計算機(jī) 感覺裝置子 視覺裝置子 智能系統(tǒng) 語言識別裝置 圖1-3工業(yè)機(jī)械手的組成方框圖 執(zhí)行機(jī)構(gòu)（也稱操作機(jī)）是機(jī)械手賴以完成工作任務(wù)的實體，通常由桿件和關(guān)節(jié)組成。從功能的角度，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為：手部、腕部、臂部、腰部和基座等。 手部又稱末端執(zhí)行器，是工業(yè)機(jī)械手直接進(jìn)行工作的部分，可以是各種夾持器。有時人們也把諸如電焊槍、油漆噴頭等劃作機(jī)器

17、手的手部；腕部與手部相連，主要功能是帶動手部完成預(yù)定姿態(tài)，是操作機(jī)的中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的部分；臂部用以連接腰部和腕部，通常由兩個臂桿（小臂和大臂）組成，用于帶動腕部做平面運(yùn)動；腰部是連接臂和基座的部件，通常是回轉(zhuǎn)部件，腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動加上臂部的平面運(yùn)動，就能使腕部做空間運(yùn)動。腰部是執(zhí)行結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，它的制造誤差、運(yùn)動精度和平穩(wěn)性，對機(jī)械手的定位精度有決定性的影響；基座是整個機(jī)械手的支撐部分，有固定式和移動式兩種。該部件必須有足夠的剛度和穩(wěn)定性。 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動-傳動裝置包括驅(qū)動器和傳動機(jī)構(gòu)兩個部分，它們通常與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連成一體。傳動裝置常用的有諧波減速器、滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪系。驅(qū)動器通

18、常有電機(jī)（直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)）、液壓或氣動裝置，目前使用最多的是交流伺服電機(jī)。 控制系統(tǒng)一般有控制計算機(jī)和伺服控制器組成?？刂葡到y(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即機(jī)械手的全部控制由一臺微型計算機(jī)完成。另一種是分散（級）式控制，即采用多臺微機(jī)來分擔(dān)機(jī)器人的控制，如當(dāng)采用上、下兩級微機(jī)共同完成機(jī)器人的控制時，主機(jī)常用于負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、通訊、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)計算，并向下級微機(jī)發(fā)送指令信息；作為下級從機(jī)，各關(guān)節(jié)分別對應(yīng)一個CPU，進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算和伺服控制處理，實現(xiàn)給定的運(yùn)動，并向主機(jī)反饋信息。根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的不同，機(jī)械手的控制方式又可分為點位控制、連續(xù)軌跡控制和力（力矩）控制。 智

19、能系統(tǒng)是目前機(jī)械手系統(tǒng)中一個不夠完善但發(fā)展很快的子系統(tǒng)。它可分為兩個部分：感知系統(tǒng)和分析-決策智能系統(tǒng)。前者主要靠硬件（各種傳感器）實現(xiàn);后者主要靠軟件（如專家系統(tǒng)）實現(xiàn)。 1.4 應(yīng)用機(jī)械手的意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手也越來越多的地被應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，鑄、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)用的實理。其他部門，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。 在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下： 一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度 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的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)

20、率和降低生產(chǎn)成本。 二、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、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是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、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械手代替人進(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)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機(jī)床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機(jī)械手，以減少人力

21、和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。 綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢。 2 機(jī)械手總體設(shè)計方案和氣動回路的設(shè)計 本課題是一個用于傳送帶上輕型平動搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計。本設(shè)計主要任務(wù)是完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計，以及氣動回路的設(shè)計。在本章中對機(jī)械手的坐標(biāo)形式、自由度、驅(qū)動機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了確定。因此，在機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計的主要任務(wù)。 2.1 機(jī)械手的運(yùn)動規(guī)劃 機(jī)械手運(yùn)動規(guī)劃包括序列規(guī)劃(又可稱為全局路徑規(guī)劃)，路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃3個部分。序列規(guī)劃是指在一個特定的工作區(qū)域中自動生成一個

22、從起始作業(yè)點開始，經(jīng)過一系列作業(yè)點。再回到起始點的最優(yōu)工作序列；路徑規(guī)劃是指在相鄰序列點之間通過一定的算法搜索一條無碰撞的機(jī)械手運(yùn)動路徑；軌跡規(guī)劃是指通過插補(bǔ)函數(shù)獲得路徑上的插補(bǔ)點，再通過求解運(yùn)動學(xué)逆解轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)空間(若插補(bǔ)在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行則無需轉(zhuǎn)換)，形成各關(guān)節(jié)的運(yùn)動軌跡。 序列規(guī)劃為機(jī)械手的所有作業(yè)點生成一個最優(yōu)的工作序列。作業(yè)點是機(jī)械手為完成工作所必須達(dá)到的位置和姿態(tài)。機(jī)械手的一次作業(yè)任務(wù)往往有幾十個到上百個作業(yè)點，這些作業(yè)點的加工次序通常是任意的，或者僅僅存在局部的限制(即某幾個作業(yè)點之間存在著固定的前后關(guān)系)，序列規(guī)劃的目標(biāo)就是通過某種算法生成一個能滿足作業(yè)限制的最優(yōu)作業(yè)序列，一般以

23、時間作為規(guī)劃優(yōu)劣的度量標(biāo)準(zhǔn)。 當(dāng)機(jī)械手在有障礙物的環(huán)境中運(yùn)動時，為了從當(dāng)前作業(yè)位置到達(dá)下一個位置，需要在機(jī)械手工作空間確定一條無碰撞的運(yùn)動路徑，即這條路徑應(yīng)處于機(jī)械手的自由空間中，因此，路徑規(guī)劃的過程實際上是一個帶幾何約束的問題求解過程。 從上面的論述可以看出，機(jī)械手運(yùn)動規(guī)劃主要包括兩個方面，一是生成所有作業(yè)點最優(yōu)工作序列的序列規(guī)劃，二是在相鄰作業(yè)點之間生成無碰撞路徑的路徑規(guī)劃。序列規(guī)劃和路徑規(guī)劃的總體目標(biāo)是作業(yè)時間最短，規(guī)劃的約束條件是作業(yè)順序的限制以及碰撞的避免。 機(jī)械手運(yùn)動規(guī)劃的算法建立在已有的各種方法之上，下面簡要分析已有的各種序列規(guī)劃和路徑規(guī)劃方法，以及路徑規(guī)劃過程中的碰撞檢測

24、方法。 1．序列規(guī)劃 目前機(jī)械手序列規(guī)劃方法的研究還處于發(fā)展階段，由于各種作業(yè)任務(wù)的復(fù)雜性。至今還沒有通用的序列規(guī)劃算法。在使用機(jī)械手進(jìn)行裝配，插孔，點焊的應(yīng)用中，較為普遍的方法是把序列規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為“旅行商問題”(TSP)來解決。即機(jī)械手從起始點開始，經(jīng)過一系列作業(yè)點，并在各作業(yè)點停留，完成所有作業(yè)后，最終回到起始點的時間最短規(guī)劃算法。 旅行商問題的求解成為求解序列規(guī)劃問題的關(guān)鍵。目前，旅行商問題的近似最優(yōu)解求解算法已經(jīng)得到了充分的研究，提出了很多可行的算法，包括啟發(fā)式算法，模擬退火算法，遺傳算法等。其中啟發(fā)式算法可以細(xì)分為環(huán)路擴(kuò)充法和環(huán)路改進(jìn)法，或是兩種方法的綜合，一般利用鄰接矩陣按

25、照一定的規(guī)則變換來求解，計算量和求解結(jié)果都能滿足要求。 2．路徑規(guī)劃 機(jī)械手路徑規(guī)劃的目標(biāo)是在兩個作業(yè)點之間生成一條無碰撞路徑。機(jī)械手路徑規(guī)劃算法主要有4類：C-空間法，人工勢力場法，假設(shè)-修正法，預(yù)處理-規(guī)劃算法。 另外，遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等智能算法已經(jīng)成為機(jī)器人路徑規(guī)劃的研究熱點和發(fā)展方向，這些算法在實際中都有初步的應(yīng)用，取得了較好的規(guī)劃效果。 3．碰撞檢測 路徑規(guī)劃的目標(biāo)是在起始點和目標(biāo)點之間生成一條無碰撞路徑，這使得碰撞檢測成為解決路徑規(guī)劃問題的關(guān)鍵．上面提到的4種路徑規(guī)劃算法都需要進(jìn)行碰撞檢測或需要計算機(jī)器人和障礙物之間的距離。 判斷兩個物體是否有碰撞發(fā)生有兩種方式

26、，一是定性判斷。二是定量計算。定性判斷方法最主要有“包圍盒層次法”，其基本思路是用一個簡單的包圍盒將復(fù)雜的幾何形體圍住。當(dāng)對兩個物體進(jìn)行碰撞檢測時。首先檢測兩者的包圍盒是否相交，若不相交。則說明兩個物體未相交，否則再進(jìn)一步對兩個物體做檢測。因為求包圍盒的交比求物體的交簡單很多，所以可以快速排除很多不相交的物體，從而加速了算法。對于復(fù)雜物體，可以將物體及其子部分的包圍盒組成層次結(jié)構(gòu)，如二叉樹。 在各種機(jī)器人路徑規(guī)劃算法中，往往需要以機(jī)器人和障礙物之間的距離及其關(guān)于機(jī)器人形位的梯度作為路徑規(guī)劃的啟發(fā)性信息，以加快規(guī)劃速度，因此在路徑規(guī)劃中不僅需要判斷有無碰撞發(fā)生，還要計算機(jī)器人與障礙物之間的距離

27、及其關(guān)于機(jī)器人形位的梯度。 目前，兩個剛性物體之間的距離計算有很多算法。其中對凸多面體的計算最為成熟。凸多面體之間的距離有兩類：分離距離和嵌入距離。目前，凸多面體間的距離范數(shù)主要有平移距離、成長距離、收縮距離、偽平移距離等。 在現(xiàn)實環(huán)境中，機(jī)器人及障礙物一般是凹幾何體，可以采用分割的方法把凹幾何體分割為多個凸幾何體的組合。對一般凸幾何體．如球、圓柱等，可以用緊包圍它的凸多面體來近似。然后用凸多面體間的距離近似原凸幾何體之間的距離。 2.2 機(jī)械手基本形式的選擇 常見的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標(biāo)型機(jī)械手;(2)圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手; (3

28、)球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機(jī)械手; (4)多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設(shè)計采用圓柱坐標(biāo)型。 圖2-1 是機(jī)械手搬運(yùn)物品示意圖。圖中機(jī)械手的任務(wù)是將傳送帶A上的物品搬運(yùn)到傳送帶B。其工藝流程：機(jī)械手原位→機(jī)械手下降→機(jī)械手抓取并夾緊→機(jī)械手上升→機(jī)械手正轉(zhuǎn)→機(jī)械手前伸→機(jī)械手下降→機(jī)械手松開→機(jī)械手上升→機(jī)械手后退→機(jī)械手逆轉(zhuǎn)→退至原位停止。 圖2-1 機(jī)械手基本形式示意圖 2.3 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動 在圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，為了滿足設(shè)計要求，本設(shè)計的機(jī)械手具有3個自由度：手臂伸縮；機(jī)身回轉(zhuǎn)；機(jī)身升降。

29、 本設(shè)計的機(jī)械手主要由3個大部件和3個氣缸組成：（1）手部，采用一個氣爪，通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動實現(xiàn)手爪的張合。（2）臂部，采用直線缸來實現(xiàn)手臂的伸縮。（3）機(jī)身，采用一個直線缸和一個回轉(zhuǎn)缸來實現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。 2.4 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的選擇 驅(qū)動機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分, 工業(yè)機(jī)械手的性能價格比在很大程度上取決于驅(qū)動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動、電動和機(jī)械驅(qū)動等四類。氣動機(jī)械手因為結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、安全、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)。因此，機(jī)械手的驅(qū)動方案選擇氣壓驅(qū)動。 2.5 機(jī)械手的技

30、術(shù)參數(shù)列表 一、用途：車間皮帶機(jī)之間的搬運(yùn) 二、設(shè)計技術(shù)參數(shù)： 1、抓重：10Kg (夾持式手部) 2、自由度數(shù)：3個自由度 3、坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo) 4、最大工作半徑：335mm 5、機(jī)身最大中心高：415mm 6、主要運(yùn)動參數(shù)： 手臂伸縮行程：200mm 手臂伸縮速度：1000mm/s 機(jī)身升降行程：100mm 機(jī)身升降速度：100mm/s 機(jī)身回轉(zhuǎn)范圍：0- 190 機(jī)身回轉(zhuǎn)速度：60/s 2.6 氣動回路的設(shè)計 機(jī)械手氣動回路的設(shè)計主要是選用合適的控制閥，通過控制和調(diào)節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變

31、運(yùn)動方向，并按規(guī)定的程序工作，設(shè)計的氣動回路圖如圖2-2所示。 圖2-2 機(jī)械手氣動回路圖 本設(shè)計的氣動機(jī)械手完成各個運(yùn)動的氣缸只有完全伸出和完全縮回兩個狀態(tài)，選擇兩位五通換向閥控制各個氣缸的運(yùn)動方向，氣缸的進(jìn)出口回路各設(shè)置一個單向節(jié)流閥，通過控制進(jìn)出口空氣流量的大小來控制氣缸執(zhí)行器動力的大小和運(yùn)動速度。設(shè)計中采用PLC控制機(jī)械手實現(xiàn)各種規(guī)定的預(yù)定動作，既可以簡化控制線路，節(jié)省成本，又可以提高勞動生產(chǎn)率。 3.1氣動系統(tǒng)的設(shè)計要求 氣壓傳動是指以壓縮空氣為工作介質(zhì),傳遞動力和控制信號的系統(tǒng)。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展,氣壓傳動已逐步發(fā)展成為一門新技術(shù)。

32、因為以空氣為介質(zhì)的氣壓傳動具有防火、防爆、防電磁干擾、抗振動沖擊和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點,在機(jī)械、化工和航空等工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。沖床機(jī)械手工作環(huán)境比較惡劣,氣動系統(tǒng)的以上優(yōu)點剛好適應(yīng)這種作業(yè)環(huán)境。 3.2氣動系統(tǒng)元件的選取 3.2.1氣缸選取 (1)夾緊氣缸選型 根據(jù)機(jī)械手手部所夾持零件重為10kg估算手部氣缸的推力。設(shè)指尖與工件間的摩擦系數(shù)μ=0.4,依據(jù)力的平衡方程有:mg=N,N=mg/μ=10*9.8/0.4=245N 則手指另一端所提供的力矩為:M=NL1=245*0.06=147N/m 所以在提供力矩這端的力F1為: F1=M/L2,L2^2=L1^2+16^2 ,F1=

33、M/L2=147/0.062=2370N 部件在運(yùn)動過程中的機(jī)械效率ζ=0.3,所以氣缸提供的力至少應(yīng)為: F=2F1cosθ=2*2370*25/62=1911N,F0=F/ζ=1911/0.3=6370N LG系列氣缸為煙臺廠自主開發(fā)的新產(chǎn)品,安裝尺寸與國內(nèi)主要產(chǎn)品10A-5系列、QGBQ系列相同,二者可以通用、互換。 依據(jù)要求可以選擇LG系列氣缸,缸徑40mm的提供的推力為:F=0.8*10^6*3.14*0.0004=251N 根據(jù)氣缸在手部結(jié)構(gòu)中的安裝要求選取氣缸的具體型號為:LGB4030M-FA,屬于輕型鋁合金系列,前法蘭式氣缸。氣缸外形如圖3所示。 (2)平移及伸縮

34、氣缸選型 控制前后運(yùn)動的氣缸要支撐更多的機(jī)構(gòu),它所需要的推力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平移機(jī)構(gòu)所需要的,以其為標(biāo)準(zhǔn)來選擇,控制平移運(yùn)動的氣缸的性能一定滿足要求。 依據(jù)前面設(shè)計的各個機(jī)構(gòu),推斷氣缸要推動的總質(zhì)量為300kg,導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)μ=0.5(為使氣缸的性能能滿足要求,值取得大一點)。取氣缸完成運(yùn)動的機(jī)械效率ζ=0.4,則作用在導(dǎo)軌上的總重量為: G=mg=3000N 所需的推力為:F=G*μ/ζ=3000*0.5/0.4=3750N 依據(jù)要求可以選擇LG系列氣缸,缸徑為80mm,壓力范圍0.049~0.98MPa,取0.9MPa,計算氣缸提供的推力為: F=0.9*10^6 *3.14*0.0

35、016=4716N 計算可知,缸徑為80mm的LG系列氣缸的性能能夠滿足要求,所以選定的控制平移運(yùn)動的氣缸型號為LGB80*150LB,控制前后運(yùn)動的氣缸型號為LGB80*100LB,都屬于軸向腳架式氣缸。 (3)升降氣缸選型 依據(jù)前面設(shè)計的各個機(jī)構(gòu),推斷氣缸推動的總質(zhì)量300kg,取氣缸完成運(yùn)動的機(jī)械效率ζ=0.7,氣缸實現(xiàn)升降運(yùn)動所需要的推力為: G=mg=3000*10=3000N 則F=G/ζ=3000/0.7=4286N 所以要能實現(xiàn)升降運(yùn)動,氣缸的推力必須大于4286N?？沙踹x缸徑為100mm的LG系列氣缸。依據(jù)要求可以選擇LG系列氣缸,缸徑為100mm,壓力范圍0

36、.049-0.98MPa,取0.9MPa,計算氣缸提供的推力為: F=0.9*10^6 *3.14*0.0025=7350N 計算可知,缸徑為100mm的LG系列氣缸的性能能夠滿足要求,所以選定的控制升降運(yùn)動的氣缸型號為LGB100*30FA。 3.2.2方向控制閥選取 單向節(jié)流閥選型計算。單向節(jié)流閥可以通過每秒鐘的流量來確定。伸縮、平移和上下氣缸上面已選,它們的速度范圍都為1000mm/s。以其中的最大缸徑100mm為標(biāo)準(zhǔn),算出值是回路中的最大流量,可以保證其它回路的絕對安全。 計算流量:q=vA,其中v為平均流速,A為通流截面面積。 q=1000[(502-202)]*60/

37、1000000=395.64L/min 查閱機(jī)械設(shè)計手冊,選取XQ系列單向節(jié)流閥,型號為XQ100600,其流量范圍為0~420L/min。根據(jù)已計算的回路流量值,選擇雙電控二位五通電磁閥,型號為XQ251041 氣動三聯(lián)件選取 根據(jù)前面選擇的氣缸,可知其工作壓力范圍為0.049~0.98MPa;又根據(jù)前面所選的單向閥的流量范圍,確定氣動三聯(lián)件的型號為QLPY1。其中包括了過濾器、減壓閥和油霧器。 4 結(jié)論 本文所設(shè)計的氣動機(jī)械手結(jié)構(gòu)比較簡單，功能比較簡單，設(shè)計比較合理，能夠滿足部分不同形狀的工件的轉(zhuǎn)移、夾取、安裝等功能，方便快捷。其設(shè)計主要考慮以下幾個方面： （1）機(jī)械

38、手氣動回路設(shè)計 選用合適的氣動元件，通過控制和調(diào)節(jié)各個氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來使氣動執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動作速度和改變運(yùn)動方向，并按規(guī)定的程序工作。 （2）末端執(zhí)行器的設(shè)計 末端執(zhí)行器采用平行開閉型氣爪，結(jié)構(gòu)簡單，直接采用成品材料。針對實際的要求，可以換用其他各種末端執(zhí)行器，對不同種類的工件實現(xiàn)夾取、轉(zhuǎn)移、安裝。 （3）機(jī)械手手臂的設(shè)計 將旋轉(zhuǎn)氣缸安裝在底板上，實現(xiàn)機(jī)械手的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，使機(jī)械手向左或向右擺動。機(jī)械手末端執(zhí)行器的水平伸縮運(yùn)動和豎直升降運(yùn)動各由一個氣缸控制，即以最簡單的形式，在兩個位置（完全伸出和回縮位置）之間進(jìn)行切換。 由于個人知識及能力水平有限，設(shè)計中難免會

39、有一些紕漏或錯誤之處，懇請各位老師批評指正，不勝感謝！ 致 謝 在設(shè)計完成之際，我首先向我的導(dǎo)師致以衷心的感謝和崇高的敬意！在這期間，導(dǎo)師在學(xué)業(yè)上嚴(yán)格要求，精心指導(dǎo)，在生活上給了我無微不至的關(guān)懷，給了我人生的啟迪，使我在順利的完成學(xué)業(yè)階段的學(xué)業(yè)的同時，也學(xué)到了很多做人的道理，明確了人生目標(biāo)。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，淵博的學(xué)識，實事求是的作風(fēng)，平易近人、寬以待人和豁達(dá)的胸懷，深深感染著我，使我深受啟發(fā)，必將終生受益。 經(jīng)過近半年努力的設(shè)計與計算，設(shè)計終于可以完成了，我的心里無比的激動。雖然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因為它是我用心、用

40、汗水成就的，也是我在大學(xué)三年來對所學(xué)知識的應(yīng)用和體現(xiàn)。 三年的學(xué)習(xí)和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的能力，更重要的是從周圍的老師和同學(xué)們身上潛移默化的學(xué)到了許多。在此，向他們表示深深的謝意與美好的祝愿。 參考文獻(xiàn) [1]張福學(xué)編著.機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2000 [2]何發(fā)昌著，邵遠(yuǎn)編著.多功能機(jī)器人的原理及應(yīng)用.北京：高等教育出版社，1996 [3]張利平著. 液壓氣動技術(shù)速查手冊. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.12 [4]李寶仁著. 氣動技術(shù)—低成本綜合自

41、動化. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.9 [5]宋學(xué)義著. 袖珍液壓氣動手冊. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.3 [6]陳奎生著. 液壓與氣壓傳動. 武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2008.5 [7]SMC（中國）有限公司. 現(xiàn)代實用氣動技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.10 [8]徐文燦著. 氣動元件及系統(tǒng)設(shè)計. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995 [9]曾孔庚.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展趨勢. 機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用論壇 [10]壽慶豐.一種多指多關(guān)節(jié)機(jī)器手爪. 機(jī)械設(shè)計1999年第3期，第3卷 [11]高微,楊中平,趙榮飛等.機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計. 機(jī)械設(shè)計與制造2006.1第1期

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43、 Control of a Manipulator with Passive Joints in Operational Space. IEEE Transactions on Robotics and Automation.Vo1.9.No.1.1993 本文提出一種無需在每個關(guān)節(jié)上設(shè)置驅(qū)動器就能控制機(jī)械手進(jìn)行作業(yè)的方法。 [19]Abhinandan Jain and Guillermo Roderguez. An Analysis of the Kinematics and Dynamics of Underactuated Manipulators.IEEE Transactions on Robotics and Automation. Vo1.9.No.4.1993 [20]張利平 液壓氣動技術(shù)速查手冊 北京化學(xué)工業(yè)出版社，2006.12 23 -