機械手控制系統(tǒng)設計

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南昌航空大學科技學院畢業(yè)設計外文翻譯 機械手的機械和控制系統(tǒng) 1. 引言 2001年6月在德國卡爾斯魯厄開展的“人形機器人”特別研究，是為了開發(fā)在正常環(huán)境（如廚房或客廳）下能夠和人類合作和互動的機器人系統(tǒng)。設計這些機器人系統(tǒng)是為了能夠在非專業(yè)、非工業(yè)的條件下（如身處多物之中），幫我們抓取不同尺寸、形狀和重量的物體。同時，它們必須能夠很好的操縱被抓物體。這種極強的靈活性只能通過一個適應性極強的機械人手抓系統(tǒng)來獲得，即所謂的多指機械手或機器人手。 上文提到的研究項目，就是要制造一個人形機器人，此機器人將裝備這種機器人手系統(tǒng)。這個新手將由兩個機構合作制造，它們是卡爾斯魯厄大學的IPR（過程控制和機器人技術研究院）和c（計算機應用科學研究院）。這兩個組織都有制造此種系統(tǒng)的相關經(jīng)驗，但是稍有不同的觀點。 IPR制造的卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（如圖1所示），是一個四指相互獨立的手爪，我們將在此文中詳細介紹。IAI制造的手（如圖17所示）是作為殘疾人的假肢。 圖1.IPR的卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ 圖2. IAI開發(fā)的流體手 2. 機器人手的一般結構 一個機器人手可以分成兩大主要子系統(tǒng)：機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。 機械系統(tǒng)又可分為結構設計、驅(qū)動系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)，我們將在第三部分作進一步介紹。在第四部分介紹的控制系統(tǒng)至少由控制硬件和控制軟件組成。 我們將對這兩大子系統(tǒng)的問題作一番基本介紹，然后用卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ演示一下。 3. 機械系統(tǒng) 機械系統(tǒng)將描述這個手看起來如何以及由什么元件組成。它決定結構設計、手指的數(shù)量及使用的材料。此外，還確定驅(qū)動器（如電動機）、傳感器（如位置編碼器）的位置。 3.1 結構設計 結構設計將對機械手的靈活度起很大的作用，即它能抓取何種類型的物體以及能對被抓物體進行何種操作。設計一個機器人手的時候，必須確定三個基本要素：手指的數(shù)量、手指的關節(jié)數(shù)量以及手指的尺寸和安置位置。 為了能夠在機械手的工作范圍內(nèi)安全的抓取和操作物件，至少需要三根手指。為了能夠?qū)Ρ蛔ノ矬w的操作獲得6個自由度（3個平移和3個旋轉(zhuǎn)自由度），每個手指必須具備3個獨立的關節(jié)。這種方法在第一代卡爾斯魯厄靈巧手上被采用過。但是，為了能夠重抓一個物件而無需將它先釋放再拾取的話，至少需要4根手指。 要確定手指的尺寸和安置位置，可以采用兩種方法：擬人化和非擬人化。然后將取決與被操作的物體以及選擇何種期望的操作類型。擬人化的安置方式很容易從人手到機器人手轉(zhuǎn)移抓取意圖。但是每個手指不同的尺寸和不對稱的安置位置將增加加工費用，并且是其控制系統(tǒng)變得更加復雜，因為每個手指都必須分別加以控制。對于相同手指的對稱布置，常采用非擬人化方法。因為只需加工和構建單一的“手指模塊”，因此可減少加工費用，同時也可是控制系統(tǒng)簡化。 3.2 驅(qū)動系統(tǒng) 指關節(jié)的驅(qū)動器對手的靈活度也有很大的影響，因為它決定潛在的力量、精度及關節(jié)運動的速度。機械運動的兩個方面需加以考慮：運動來源和運動方向。在這方面，文獻里描述了有幾種不同的方法，如文獻[3]中說可由液壓缸或氣壓缸產(chǎn)生運動，或者，正如大部分情況一樣使用電動機。在多數(shù)情況下，運動驅(qū)動器（如電機）太大而不能直接與相應的指關節(jié)結合在一起，因此，這個運動必須由驅(qū)動器（一般位于機器臂最后的連接點處）轉(zhuǎn)移過來。有幾種不同的方法可實現(xiàn)這種運動方式，如使用鍵、傳動帶以及活動軸。使用這種間接驅(qū)動指關節(jié)的方法，或多或少地降低了整個系統(tǒng)的強度和精度，同時也使控制系統(tǒng)復雜化，因為每根手指的不同關節(jié)常常是機械地連在一起，但是在控制系統(tǒng)的軟件里卻要將它們分別獨立控制。由于具有這些缺點，因此小型化的運動驅(qū)動器與指關節(jié)的直接融合就顯得相當必要。 3.3 傳感系統(tǒng) 機器手的傳感系統(tǒng)可將反饋信息從硬件傳給控制軟件。對手指或被抓物體建立一個閉環(huán)控制是很必要的。在機器手中使用了3種類型的傳感器： 1. 手爪狀態(tài)傳感器確定指關節(jié)和指尖的位置以及手指上的作用力情況。知道了指尖的精確位置將使精確控制變得可能。另外，知道手指作用在被抓物體上的力，就可以抓取易碎物件而不會打破它。 2. 抓取狀態(tài)傳感器提供手指與被抓物體之間的接觸狀態(tài)信息。這種觸覺信息可在抓取過程中及時確定與物體第一次接觸的位置點，同時也可避免不正確的抓取，如抓到物體的邊緣和尖端。另外還能察覺到已抓物體是否滑落，從而避免物體因跌落而損壞。 3. 物體狀態(tài)或姿態(tài)傳感器用于確定手指內(nèi)物體的形狀、位置和方向。如果在抓取物體之前并不清楚這些信息的情況下，這種傳感器是非常必要的。如果此傳感器還能作用于已抓物體上的話，它也能控制物體的姿態(tài)（位置和方向），從而監(jiān)測是否滑落。 根據(jù)不同的驅(qū)動系統(tǒng)，有關指關節(jié)位置的幾何信息可以在運動驅(qū)動器或直接在關節(jié)處出測量。例如，如在電動機和指關節(jié)之間有一剛性聯(lián)軸器，那么就可以用電機軸上的一個角度編碼器（在齒輪前或齒輪后）來測量關節(jié)的位置。但是如果此聯(lián)軸器剛度不夠或著要獲得很高的精度的話，就不能用這種方法。 3.4卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的機械系統(tǒng) 為了能夠獲得如重抓等更加復雜的操作，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（KDHⅡ）由4根手指組成，且每根手指由3個相互獨立的關節(jié)組成。設計該手是為了能夠在工業(yè)環(huán)境中應用（圖3所示）和操縱箱、缸及螺釘螺帽等物體。因此，我們選用四個相同手指，將它們作對稱、非擬人化配置，且每個手指都能旋轉(zhuǎn)90°（圖4所示）。 鑒于從第一代卡爾斯魯厄靈巧手設計中得到的經(jīng)驗，比如因傳動帶而導致的機械問題以及較大摩擦因數(shù)導致的控制問題，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ采用了一些不同的設計決策。每根手指的關節(jié)2和關節(jié)3之間的直流電機被整合到手指前部肢體中（圖5所示）。這種布置可使用很硬的球軸齒輪將運動傳遞到手指的關節(jié)處。處在電機軸上的角度編碼器（在齒輪前）此時可作為一個精度很高的位置狀態(tài)傳感器。 圖3.工業(yè)機器人上的KDHⅡ 為了感知作用在物體上的手指力量，我們發(fā)明了一個六維力扭矩傳感器（圖6所示）。這個傳感器可當作手指末端肢體使用，且配有一個球形指尖。它可以抓取較輕的物體，同時也能抓取3-5kg相近的較重物體。此傳感器能測量X、Y和Z方向的力及繞相關軸的力矩。另外，3個共線的激光三角測量傳感器被安置在KDHⅡ的手掌上（圖5所示）。因為有3個這樣的傳感器，因此不僅可以測量3單點之間的距離，如果知道物體的形狀，還能測出被抓物體表面之間的距離和方向。物體狀態(tài)傳感器的工作頻率為1kHz，它能檢測和避免物體的滑落。 圖5. KDHⅡ的側(cè)視圖 圖6. 帶應變計量傳感器的六自由度扭轉(zhuǎn)傳感器 4. 控制系統(tǒng) 機器人手的控制系統(tǒng)決定哪些潛在的靈巧技能能夠被實際利用，這些技能都是由機械系統(tǒng)所提供的。如前所述，控制系統(tǒng)可分為控制計算機即硬件和控制算法即軟件。 控制系統(tǒng)必須滿足以下幾個的條件： 1. 必須要有足夠的輸入輸出端口。例如，一具有9個自由度的低級手，其驅(qū)動器至少需要9路模擬輸出端口，且要有9路從角度編碼器的輸入端口。如再加上每個手指上的力傳感器、觸覺傳感器及物體狀態(tài)傳感器的話，則端口數(shù)量將增加號幾倍。 2. 需具備對外部事件快速實時反應的能力。例如，當檢測到物體滑落時，能立即采取相應的措施。 3. 需具備較高的計算能力以應對一些不同的任務。如可以對多指及物體并行執(zhí)行路徑規(guī)劃、坐標轉(zhuǎn)換及閉環(huán)控制等任務。 4. 控制系統(tǒng)的體積要小，以便能夠?qū)⑵渲苯蛹傻讲僮飨到y(tǒng)當中。 5. 在控制系統(tǒng)與驅(qū)動器及傳感器之間必須要電氣短接。特別是對傳感器來說，若沒有的話，很多的干擾信號將會干擾傳感器信號。 4.1 控制硬件 為了應對系統(tǒng)的要求，控制硬件一般分布在幾個專門的處理器中。如可通過一個簡單的微控制器處理很低端的輸入輸出接口（馬達和傳感器），因此控制器尺寸很小，能輕易地集成到操縱系統(tǒng)中。但是較高水平的控制端口則需要較高的計算能力，且需要一個靈活實時操作系統(tǒng)的支持。這可以通過PC機輕易地解決。 因此，控制硬件常由一個非均勻的分布式計算機系統(tǒng)組成，它的一端是微控制器，而另一端則是一個功能強大的處理器。不同的計算單元則通過一個通信系統(tǒng)連接起來，比如總線系統(tǒng)。 4.2 控制軟件 機器人手的控制軟件是相當復雜的。必須對要對手指進行實時及平行控制，同時還要計劃手指和物體的新的軌跡。因此，為了減少問題的復雜性，就有必要將此問題分成幾個子問題來處理。 另一方面涉及軟件的開發(fā)。機器人手其實是一個研究項目，它的編程環(huán)境如用戶界面，編程工具和調(diào)試設施都必須十分強大和靈活。這些只能使用一個標準的操作系統(tǒng)才能得到滿足。在機械人中普遍使用的分層控制系統(tǒng)方法都經(jīng)過了修剪，以滿足機械手的特殊控制要求。 4.3卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的控制系統(tǒng) 如在4.1節(jié)中所說，對于卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的控制硬件，采用了一種分布式方法（圖7所示）。一個微控制器分別控制一個手指的驅(qū)動器和傳感器，另外一個微控制器用于控制物體狀態(tài)傳感器（激光三角傳感器）。這些微控制器（圖7左側(cè)和右側(cè)的外箱）直接安裝在手上，所以可以保證和驅(qū)動器及傳感器之間較短的電氣連接。這些微控制器都是使用串行總線系統(tǒng)和主控計算機連在一起的。這個主控計算機（圖7、圖8中的灰色方塊）是由六臺工業(yè)計算機組成的一個并行計算機。這些電腦都被排列在一個二維平面。相鄰電腦模塊（一臺電腦最多有8個相鄰模塊）使用雙端口RAM進行快速通信（圖7中暗灰色方塊所示）。一臺電腦用于控制一個手指。另一臺用于控制物體狀態(tài)傳感器及計算物體之間的位置。其余的電腦被安在前面提到的電腦的周圍。這些電腦用于協(xié)調(diào)整個控制系統(tǒng)?？刂栖浖慕Y構反映了控制硬件的架構。如圖9所示。 圖7. KDH II的控制硬件構架 圖8.控制KDH II的平行主計算機 一個關于此手控制系統(tǒng)的三個最高層次的網(wǎng)上計劃正在規(guī)劃。理想的物體位移命令可由優(yōu)越的機器人控制系統(tǒng)得到，并可用作物體路徑的精確規(guī)劃。根據(jù)已產(chǎn)生的目標路徑就可規(guī)劃可行的抓取行為（手指作用在物體上的可行抓取位置點）?，F(xiàn)在知道了物體的運動計劃，就可以由手指路徑規(guī)劃得出每個手指的運動軌跡，并傳遞給系統(tǒng)的實時能力部分。如果一個物體被抓取了，那么其手指的運動路徑就傳遞給了物體的狀態(tài)控制器。這個控制器控制物體的姿態(tài)，它由手指和物體狀態(tài)傳感器所決定，用以獲得所需的物體姿態(tài)。如果一個手指沒有跟物體接觸，那么它的移動路徑將會直接傳遞給手控制器。這個手控制器將相關的預期手指位置傳遞給所有的手指控制器，以協(xié)調(diào)所有手指的運動。這些在手指傳感器的幫助下又反過來驅(qū)動手指驅(qū)動器。 圖9. KDHⅡ的手部控制系統(tǒng) 5. 實驗結果 為了驗證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的能力，我們選擇了兩個要求操作問題。一個問題是在網(wǎng)上對處于外部影響下的被抓物體姿態(tài)（位置和方向）的控制。另一個問題是被抓物體必須能夠繞任意角度旋轉(zhuǎn)，這只能通過重抓才能實現(xiàn)。這可以反映卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ?qū)碗s任務的操作能力。 5.1 物體姿態(tài)控制 這個物體姿態(tài)控制器的目的是為了確定好被抓物體的位置和方向以適合給定的軌跡。此任務必須在實時條件通過在線獲得，盡管有內(nèi)部變化及外部干擾的存在。內(nèi)部變化比如在物體移動過程中，球形指尖在被抓物體上的滾動。這種狀況如圖10、圖11所示。這將導致物體的不必要的額外移動和傾斜。這些錯誤的物體姿勢很難預先估計。因此，物體狀態(tài)傳感器的輸入必須要修改這些錯誤。對于卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ來說，其上的三個激光三角傳感器就是用來糾正此種錯誤的。圖12定量地說明了圖9中物體在沒有姿態(tài)控制情況下的傾斜情況。下圖顯示了在X方向上隨時間推移的預期軌跡，而上圖顯示了物體實際的旋轉(zhuǎn)（傾斜）結果情況。因為啟用了物體狀態(tài)控制，圖13中的物體傾斜得到了很大的減少。上圖物體的旋轉(zhuǎn)保持基本恒定，這和期望的一樣。 圖10.因滾動產(chǎn)生的額外位移 圖12.沒有狀態(tài)控制的物體傾斜 圖11.因球形指尖在物體上的滾動而產(chǎn)生 圖13.物體狀態(tài)控制下減少的物體 額外的不期望傾斜情況 傾斜情況 物體狀態(tài)控制器對補償外界干擾也是十分必要的。比如，機器人（手臂、手或手指）或被抓物體與外界的碰撞可能導致物體的滑落。這更有可能導致被抓物體的損耗，這是不能出現(xiàn)的情況。為了能夠避免物體在這種情況下的損失，就必須檢測出物體的滑落并迅速采取行動以穩(wěn)定物體的狀態(tài)。 為了驗證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ控制系統(tǒng)對這種干擾情況的處理能力，我們做了以下的實驗：物件被抓后，將手指的接觸力恒定減少直至物體開始滑落。在激光三角傳感器檢測滑落后，物體狀態(tài)控制器采取措施將物體重新調(diào)控到所期望的位置。圖14和圖15展示了此種實驗的一個例子。尤其是圖14，它顯示出物體滑落啟動的相當突然且相當快。但是物體狀態(tài)控制器也能夠足夠快地檢測和補償滑落，這樣物體的位置（這里：特別是X方向，就是滑落的方向）和物體的方向能夠與最開始的期望值很快地相符。 圖14.滑落實驗：X方向的實際物體 圖15.滑落實驗：關于Z軸的實際 位置 物體方向 5.2 重抓 雖然卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ非常的靈活，但是它不能在第一次操作中就能得到每一個理想的對象操縱。這源于這樣一個事實：手指相對于正常的工業(yè)機器人來說是十分小的，因此所具備的工作范圍也是很有限的。如果物體被手指抓住，那么它第一次只能在所有手指的剩余空間內(nèi)被操縱?？尚胁僮鞯臈l件是所有的接觸點必須長期地處在相聯(lián)手指的工作范圍內(nèi)。這很大地限制了操作的可行性。為了能夠克服此種限制，一個叫做重抓的操作就必須執(zhí)行。即當一個接觸點到達了相聯(lián)手指的限制區(qū)域時，這個手指就必須從物體上脫離，并移到一個新的接觸位置。這必須是多于3個手指的手才能使操作可靠。周期性的移動這些手指，就能使任意的操作變得可行。關于此種操作有一個例子，就是在大角度旋轉(zhuǎn)被抓物體時，此時重抓動作很有必要。圖16顯示了卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ在旋轉(zhuǎn)一個螺帽狀物體時的一系列圖片。這個物體是繞它的垂直軸旋轉(zhuǎn)的。在a到c圖中所有的手指都跟物體接觸，并且四個手指相互協(xié)調(diào)運動才使物體旋轉(zhuǎn)。圖d到圖f顯示了一個手指的的重抓動作。在d圖中這個手指已經(jīng)運動到其工作范圍的極限位置，這時所有手指的協(xié)調(diào)運動也被終止。左前方的手指脫離物體并單獨移動到另一個接觸點。在圖f中這個手指重新跟物體接觸，另一個手指此時可以重新定位（沒有顯示）。所有的手指重新定位之后，協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)運動繼續(xù)進行。視具體情況而定，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ也可以同時進行幾個手指的重抓動作。這可以加速重抓過程，但是只能是被抓物體與外界接觸的條件下才有可能。比如說螺絲釘上的螺帽或孔里的一掛鉤。圖17顯示了卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ?qū)⒁粋€木柱從一個平方的基座孔內(nèi)拉出來的一系列圖片。圖a到圖b顯示木柱被拉出一半，然后左手指和右手指在同一時刻脫離物體并重新定位（圖c到圖e）。那之后，前面與后面的手指也重新定位（圖f）。那之后，整個木柱被拉出，從而可進行進一步的操作（沒有顯示）。 圖16.利用重抓旋轉(zhuǎn)螺帽狀物體 圖17.利用重抓從孔中拉出木柱 6.結論 為了使機械手能夠完成靈活精確的操作，一合適的機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是必需的。這些介紹的標準是必需加以考慮的，正如文中所說?？査刽敹蜢`巧手Ⅱ表現(xiàn)的非常成功。這種機械手能夠抓取很大范圍的不同形狀、尺寸和重量的物體。被抓物體的姿態(tài)也能可靠地加以控制，即使在外部干擾的情況下。此外，由于此系統(tǒng)，復雜的精細操作（如重抓）也能實現(xiàn)。在人行機器人的特殊研究領域，基于一個不同的概念叫做流體化（圖2所示）的基礎上，小型機械手也具有擬人化和機械化。這概念是由卡爾斯魯厄研究中心的IAI所提出的。但是，這個控制軟件的主要結構可經(jīng)過相應修改而為此種小型機械手所用。 10 畢業(yè)設計（論文）外文翻譯 題目 平面連桿機構的運動仿真 專 業(yè) 名 稱 機械設計制造及其自動化 班 級 學 號 078105107 學 生 姓 名 季壯壯 指 導 教 師 許瑛 填 表 日 期 2011 年 3 月 1 日 湘 潭 大 學 畢業(yè)論文（設計）任務書 論文（設計）題目： 機械手控制系統(tǒng)設計 學號： 2010963125 姓名： 王彬 專業(yè)： 機械設計制造及其自動化 指導教師： 系主任： 一、主要內(nèi)容及基本要求 機械手在專用機床及自動線上應用十分廣泛，主要用于搬運或裝卸零件的重復動作，以實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。 1、對機械手及控制系統(tǒng)進行設計：實現(xiàn)原位→下降→夾緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移→原位的動作；搬運過程平穩(wěn)可靠。 2、繪制一張總裝配圖。 3、獨立完成程序控制設計，設計符合控制要求的程序。 4、論文字數(shù)要求：8000字以上。 二、重點研究的問題 1、選用常見的搬運機械手進行研究，實現(xiàn)其功能。 2、上升、下降、夾緊等動作的實現(xiàn)手段。 3、電動機正反轉(zhuǎn)的控制。 4、運用PLC控制動作的轉(zhuǎn)換。 三、進度安排 序號 各階段完成的內(nèi)容 完成時間 1 查閱資料、熟悉設計內(nèi)容 2013.12.21-2014.1.22 2 開題報告、制訂設計方案 2014.1.23~2014.3.10 3 機械手結構及控制系統(tǒng)設計 2014.3.11~2014.4.20 4 寫出初稿 2014.4.21~2014.5.10 5 修改，寫出第二稿 2014.5.11~2014.5.20 6 寫出正式稿 2014.5.21~2014.5.31 7 答辯 2014.6 8 四、應收集的資料及主要參考文獻 [1] 王本軼. 機床設備控制基礎[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005: 283-288. [2] 熊幸明. 一種工業(yè)機械手的PLC控制[J]. 微計算機信息, 2006, 22(11): 120-122. [3] 王炳實. 機床電氣控制[M]. 第三版. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2004: 146-162. [4] 蔣少茵. PLC控制的機械手[J]. 微計算機信息, 2002, 18(2): 20-22. [5] 劉軒, 王麗偉. 機械手的PLC控制[J]. 機床電器. 2006, (3): 34-49. [6] 郭劍暉. 機械手PLC控制系統(tǒng)設計[D]. 南昌: 南昌大學. 2012. 湘潭大學興湘學院 本科畢業(yè)設計（論文）開題報告 題 目 機械手控制系統(tǒng)設計 姓 名 王彬 學號 2010963125 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 機械四班 指導教師 徐志遠 職稱 講師 填寫時間 2014年 03 月 19 日 2014年3月  說 明 1．根據(jù)湘潭大學《畢業(yè)設計(論文)工作管理規(guī)定》，學生必須撰寫《畢業(yè)設計（論文）開題報告》，由指導教師簽署意見，系主任批準后實施。 2．開題報告是畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。學生應當在畢業(yè)設計（論文）工作前期內(nèi)完成，開題報告不合格者不得參加答辯。 3．畢業(yè)設計(論文)開題報告各項內(nèi)容要實事求是，逐條認真填寫。其中的文字表達要明確、嚴謹，語言通順，外來語要同時用原文和中文表達。第一次出現(xiàn)縮寫詞，須注出全稱。 4．本報告中，由學生本人撰寫的對課題和研究工作的分析及描述，應不少于2000字。 5．開題報告檢查原則上在第2～4周完成，各系完成畢業(yè)設計開題檢查后，應寫一份開題情況總結報告。 6. 填寫說明： (1) 課題性質(zhì)：可填寫A．工程設計；B．論文；C. 工程技術研究；E.其它。 (2) 課題來源：可填寫A．自然科學基金與部、省、市級以上科研課題；B．企、事業(yè)單位委托課題；C．校級基金課題；D．自擬課題。 (3) 除自擬課題外，其它課題必須要填寫課題的名稱。 (4) 參考文獻不能少于10篇。 (5) 填寫內(nèi)容的字體大小為小四，表格所留空不夠可增頁。 本科畢業(yè)設計(論文)開題報告 學生姓名 王彬 學 號 2010963125 專 業(yè) 機械設計制造 及其自動化 指導教師 徐志遠 職 稱 講師 所在系 機電系 課題來源 自擬課題 課題性質(zhì) 工程設計 課題名稱 機械手控制系統(tǒng)設計 一、選題的依據(jù)、課題的意義及國內(nèi)外基本研究情況 選題依據(jù) 隨著社會進步和科學技術的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的操作方式也發(fā)生著革命性的變化。從手工作坊式的勞動，逐步演變成自動化、智能化的生產(chǎn)方式，人類也逐漸無法完成某些生產(chǎn)過程，所以為了適應生產(chǎn)的需要出現(xiàn)了特殊的生產(chǎn)工具----機械手。 機械手也被稱為自動手，能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。研究和使用機械手可以實現(xiàn)現(xiàn)代化和自動化生產(chǎn)，從而減輕勞動強度和避免傷害。 課題的意義 機械手的應用可以代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。研究和使用機械手可以提高生產(chǎn)效率，節(jié)約勞動成本，符合現(xiàn)代化生產(chǎn)的要求，同時還可以避免勞動者在生產(chǎn)中受到傷害。? 國內(nèi)外基本研究情況 目前，在國內(nèi)外各種機器人和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢如下： A．機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機。 B．工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 C．機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行決策控制；多傳感器融合配置技術成為智能化機器人的關鍵技術。 D．關節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機器人產(chǎn)品標準化、通用化、模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機器人開發(fā)，柔性仿形復合機構開發(fā)，仿形伺服軸軌跡規(guī)劃研究，控制系統(tǒng)開發(fā)； E．焊接、搬運、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機器人產(chǎn)品的標準化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統(tǒng)動態(tài)仿真。 總的來說，大體是兩個方向：其一是機器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法，復雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，滿足相對具體的任務的工業(yè)機器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。 二、研究內(nèi)容、預計達到的目標、關鍵理論和技術、技術指標、完成課題的方案 和主要措施 研究內(nèi)容 本課題主要研究的是基于PLC的機械手模型控制系統(tǒng)的設計，包括硬件的選擇和軟件的設計。本課題所研究的是常見的搬運機械手，我們對其動作的自動化實現(xiàn)進行設計，其主要內(nèi)容包括硬件的選擇和軟件的設計，硬件的選擇主要有電機的選型，傳動的實現(xiàn)，傳感器的選擇等等，而軟件的設計其主要內(nèi)容就是軟件的選擇，選用哪一種軟件來進行自動化系統(tǒng)的設計和編寫程序，以及最后的調(diào)試等。 預計達到目的 1. 上升，下降，夾緊等動作的實現(xiàn)手段。 2. 電動機正反轉(zhuǎn)的控制。 3. 運用PLC控制動作的轉(zhuǎn)換 4. 完成基本設計后要達到以下要求：實現(xiàn)原位→下降→夾緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移→原位的動作；搬運過程平穩(wěn)可靠，斷電情況下不會出現(xiàn)工件的脫落。 關鍵理論和技術 機械手的工作原理：機械手主要由執(zhí)行機構、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用機械傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機構的相應部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。在這里雖然不對機械手的機械結構進行設計，但仍需對其有一定的了解，這里做簡要介紹。 (一)執(zhí)行機構 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。 1、手部即與物件接觸的部件 由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指(或手爪) 和傳力機構所構成。手指是由夾持 部件和傳力機構共同構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型。回轉(zhuǎn)型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。而傳力機構則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。 2、手臂(包括大臂和小臂) 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢) 3、手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位臵。工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅(qū)動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 3、機座 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 (二)驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的。它由動力裝置、調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動。在這里選擇采用電機驅(qū)動和機械傳動方式。 (三)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。該機械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制 系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (四)位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置. 技術指標 1．在傳輸帶A端部，安裝了光電開關PS，用以檢測物品的到來。當光電開關檢測到物品時為ON狀態(tài)。 2.機械手在原位時，按下起動按鈕，系統(tǒng)起動，傳送帶A運轉(zhuǎn)。當光電開關檢測到物品后，傳送帶A停。 3．傳輸帶A停止后，機械手進行一次循環(huán)動作，把物品從傳送帶A上搬到傳送帶B(連續(xù)運轉(zhuǎn)）上。 4.機械手返回原位后，自動再起動傳送帶A運轉(zhuǎn)，進行下一個循環(huán)。 5．按下停止按鈕后，應等到整個循環(huán)完成后，才能使機械手返回原位，停止工作。 6.機械手的上升／下降和左移／右移的執(zhí)行結構均采用雙線圈的二位電磁閥驅(qū)動液壓裝置實現(xiàn)，每個線圈完成一個動作。 7.抓緊／放松由單線圈二位電磁閥驅(qū)動液壓裝置完成，線圈通電時執(zhí)行抓緊動作，線圈斷電時執(zhí)行放松動作。 8.機械手的上升、下降、左移、右移動作均由極限開關控制。 9.抓緊動作由壓力繼電器控制，當抓緊時，壓力繼電器動合觸點閉合。放松動作為時間控制（設為1s）。 完成課題的方案和措施 研究步驟、方法： （1）了解執(zhí)行機構：1）多關節(jié)機械手；2）多關節(jié)機械手的工作原理。 （2）硬件選擇：1）PLC選型；2）光電開關；3）傳感器；4）各種電磁閥；5）繼電器；6）編碼盤；7）按鈕。 （3）軟件編程：1）總體流程設計；2）各模塊梯形圖設計；3）系統(tǒng)調(diào)試。 三、主要特色及工作進度 主要特色 機械手主要由執(zhí)行機構，驅(qū)動機構和控制系統(tǒng)三部分組成。手部是用來抓持弓箭（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)要求而有多種結構形式，本設計中主要采用夾持型。運動機構使手部能完成實現(xiàn)原位→下降→夾緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移→原位的動作，完成搬運過程，計劃設計運動機構時有三個自由度。控制系統(tǒng)是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來完成原位→下降→夾緊→上升→右移→下降→放松→上升→左移→原位的動作。同時接收傳感器反饋來的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心是由PLC構成，通過對PLC編程實現(xiàn)所要的功能。 工作進度 （1）2014年01月23日到2014年03月10日 查閱資料，熟悉設計內(nèi)容 （2）2014年03月11日到2014年03月20日 完成開題報告，制定設計方案 （3）2014年03月21日到2014年04月20日 機械手結構及控制系統(tǒng)設計 （4）2014年04月21日到2014年05月10日 寫出初稿 （5）2014年05月11日到2014年05月20日 修改，寫出第二稿 （6）2014年05月21日到2014年05月31日 寫出正式稿 （7）2014年06月 答辯 四、主要參考文獻（按作者、文章名、刊物名、刊期及頁碼列出） [1] 王本軼. 機床設備控制基礎[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005: 283-288. [2] 熊幸明. 一種工業(yè)機械手的PLC控制[J]. 微計算機信息, 2006, 22(11): 120-122. [3] 王炳實. 機床電氣控制[M]. 第三版. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2004: 146-162. [4] 蔣少茵. PLC控制的機械手[J]. 微計算機信息, 2002, 18(2): 20-22. [5] 劉軒, 王麗偉. 機械手的PLC控制[J]. 機床電器. 2006, (3): 34-49. [6] 郭劍暉. 機械手PLC控制系統(tǒng)設計[D]. 南昌: 南昌大學. 2012. [7] 王永華.現(xiàn)代電氣控制及PLC應用技術[M].北京航天航空出版社.2009 [8] 郭艷萍.基于PLC?的工業(yè)機械手控制系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器,2007,9(9):31-32 [9] 蔡自興.機器人學的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略[J].機器人技術與應用,2001,76(4):11-16. [10] 王勤.計算機控制技術[M]．南京:東南大學出版社, 2003. [11] http://epub.cnki.net/kns/brief/default_result.aspx 指導教師 意 見 指導教師簽名： 年 月 日 系意見 系主任簽名： 年 月 日 院意見 教學院長簽名： 年 月 日