氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)

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- I題目：氣動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué)生： （簽名）__________指導(dǎo)教師： （簽名）__________摘 要?dú)?動(dòng) 機(jī) 械 手 是 能 模 仿 人 手 和 臂 的 某 些 動(dòng) 作 功 能 ， 用 以 按 固 定 程 序 抓 取 、 搬 運(yùn) 物件 或 操 作 工 具 的 自 動(dòng) 操 作 裝 置 。 它 可 代 替 人 的 繁 重 勞 動(dòng) 以 實(shí) 現(xiàn) 生 產(chǎn) 的 機(jī) 械 化 和 自 動(dòng) 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(mén) 。本 文 主 要 進(jìn) 行 了 氣 動(dòng) 機(jī) 械 手 的 總 體 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 和 氣 動(dòng) 設(shè) 計(jì) 。 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(dòng) ， 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 工 件 的 抓 取 、 搬 運(yùn) 和 卸 載 。氣 動(dòng) 部 分 的 設(shè) 計(jì) 主 要 是 選 擇 合 適 的 控 制 閥 ， 設(shè) 計(jì) 合 理 的 氣 動(dòng) 控 制 回 路 ， 通 過(guò) 控 制 和調(diào) 節(jié) 各 個(gè) 氣 缸 壓 縮 空 氣 的 壓 力 、 流 量 和 方 向 來(lái) 使 氣 動(dòng) 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 獲 得 必 要 的 力 、 動(dòng) 作 速度 和 改 變 運(yùn) 動(dòng) 方 向 ， 并 按 規(guī) 定 的 程 序 工 作 。關(guān)鍵詞：氣動(dòng)機(jī) 械 手 ； 氣 缸 ； 氣 動(dòng) 回 路 。- IISubject: The design of pneumatic manipulator.AbstractPneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work.Key word: pneumatic manipulator；cylinder；pneumatic loop.- III目 錄1 緒 論 11.1 機(jī) 械 手 簡(jiǎn) 史 11.2 機(jī) 械 手 的 分 類(lèi) .31.3 機(jī) 械 手 的 組 成 .61.4 應(yīng) 用 機(jī) 械 手 的 意 義 .82 機(jī) 械 手 總 體 設(shè) 計(jì) 方 案 和 氣 動(dòng) 回 路 的 設(shè) 計(jì) 102.1 機(jī) 械 手 的 運(yùn) 動(dòng) 規(guī) 劃 .102.2 機(jī) 械 手 基 本 形 式 的 選 擇 122.3 機(jī) 械 手 的 主 要 部 件 及 運(yùn) 動(dòng) 132.4 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 的 選 擇 .132.5 機(jī) 械 手 的 技 術(shù) 參 數(shù) 列 表 132.6 氣 動(dòng) 回 路 的 設(shè) 計(jì) .143 氣 動(dòng) 機(jī) 械 手 的 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) .153.1 機(jī) 械 手 末 端 執(zhí) 行 器 的 設(shè) 計(jì) 153.1.1 末 端 執(zhí) 行 器 的 概 述 153.1.2 末 端 執(zhí) 行 器 的 運(yùn) 動(dòng) 和 驅(qū) 動(dòng) 方 式 163.1.3 末 端 執(zhí) 行 器 的 典 型 結(jié) 構(gòu) .163.1.4 末 端 執(zhí) 行 器 的 具 體 設(shè) 計(jì) .173.2 機(jī) 械 手 手 臂 的 設(shè) 計(jì) .193.2.1 機(jī) 械 手 手 臂 的 設(shè) 計(jì) 要 求 .193.2.2 機(jī) 械 手 手 臂 的 具 體 設(shè) 計(jì) 方 案 .203.2.3 伸 縮 手 臂 的 設(shè) 計(jì) 213.2.4 升 降 手 臂 的 設(shè) 計(jì) 243.2.5 回 轉(zhuǎn) 臂 設(shè) 計(jì) 264 結(jié) 論 30致 謝 31- IV參 考 文 獻(xiàn) .32- 11 緒論機(jī) 械 工 業(yè) 是 國(guó) 民 的 裝 備 部 ， 是 為 國(guó) 民 經(jīng) 濟(jì) 提 供 裝 備 和 為 人 民 生 活 提 供 耐 用 消 費(fèi) 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(kāi) 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(duì) 國(guó) 民 經(jīng) 濟(jì) 各 部 門(mén) 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(guó) 家 經(jīng) 濟(jì) 實(shí) 力 和 科 學(xué) 技 術(shù) 水 平 的 重 要標(biāo) 志 。 因 此 ， 世 界 各 國(guó) 都 把 發(fā) 展 機(jī) 械 工 業(yè) 作 為 發(fā) 展 本 國(guó) 經(jīng) 濟(jì) 的 戰(zhàn) 略 重 點(diǎn) 之 一 。工 業(yè) 機(jī) 械 手 是 近 幾 十 年 發(fā) 展 起 來(lái) 的 一 種 高 科 技 自 動(dòng) 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(gè) 重 要 分 支 。 它 的 特 點(diǎn) 是 可 通 過(guò) 編 程 來(lái) 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(diǎn) ， 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 ， 在 國(guó) 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(dòng) 化 生 產(chǎn) 過(guò) 程 中 發(fā) 展 起 來(lái) 的 一 種 新 型 裝 置 。 在 現(xiàn) 代 生 產(chǎn) 過(guò)程 中 ， 機(jī) 械 手 被 廣 泛 的 運(yùn) 用 于 自 動(dòng) 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(lái) 的 一 門(mén) 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(shí) 現(xiàn) 與 機(jī) 械 化 和 自 動(dòng) 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(dòng) ， 不 知 疲 勞 ， 不 怕 危 險(xiǎn) ， 抓 舉 重 物 的 力 量 比 人 手 力 大的 特 點(diǎn) ， 因 此 ， 機(jī) 械 手 已 受 到 許 多 部 門(mén) 的 重 視 ， 并 越 來(lái) 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(dòng) 控 制 技 術(shù) 、 傳 感 器 技 術(shù) 和計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 等 科 學(xué) 領(lǐng) 域 ， 是 一 門(mén) 跨 學(xué) 科 綜 合 技 術(shù) 。 機(jī) 械 手 是 一 種 能 自 動(dòng) 化 定 位 控 制 并可 重 新 編 程 序 以 變 動(dòng) 的 多 功 能 機(jī) 器 ， 它 有 多 自 由 度 ， 可 用 來(lái) 搬 運(yùn) 物 體 以 完 成 在 各 個(gè) 不同 環(huán) 境 中 工 作 。1.1 機(jī)械手簡(jiǎn)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(lèi) 變 更 ， 具 有 多 自 由 度 動(dòng) 作 功 能 的 柔 性 自 動(dòng) 化 產(chǎn) 品 。機(jī) 械 手 首 先 是 從 美 國(guó) 開(kāi) 始 研 制 的 。 1958 年 美 國(guó) 聯(lián) 合 控 制 公 司 研 制 出 第 一 臺(tái) 機(jī) 械- 2手 。 他 的 結(jié) 構(gòu) 是 ： 機(jī) 體 上 安 裝 一 回 轉(zhuǎn) 長(zhǎng) 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(guó) 機(jī) 械 鑄 造 公 司 在 上 述 方 案 的 基 礎(chǔ) 之 上 又 試 制 成 一 臺(tái) 數(shù) 控 示 教 再 現(xiàn)型 機(jī) 械 手 。 商 名 為 Unimate(即 萬(wàn) 能 自 動(dòng) )。 運(yùn) 動(dòng) 系 統(tǒng) 仿 造 坦 克 炮 塔 ， 臂 回 轉(zhuǎn) 、 俯 仰 ，用 液 壓 驅(qū) 動(dòng) ； 控 制 系 統(tǒng) 用 磁 鼓 最 存 儲(chǔ) 裝 置 。 不 少 球 坐 標(biāo) 式 通 用 機(jī) 械 手 就 是 在 這 個(gè) 基 礎(chǔ)上 發(fā) 展 起 來(lái) 的 。 同 年 該 公 司 和 普 魯 曼 公 司 合 并 成 立 萬(wàn) 能 自 動(dòng) 公 司 （ Unimaton） ,專(zhuān)門(mén) 生 產(chǎn) 工 業(yè) 機(jī) 械 手 。1962 年 ， 美 國(guó) 機(jī) 械 鑄 造 公 司 也 試 驗(yàn) 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(dòng) ，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(guó) 外 工 業(yè) 機(jī)械 手 發(fā) 展 的 基 礎(chǔ) 。1978 年 ， 美 國(guó) 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(jì) 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(guó) 還 十 分 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(yàn) 臺(tái) ， 進(jìn) 行 各 種 性 能 的 試 驗(yàn) 。 準(zhǔn) 備 把 故 障 前 平 均 時(shí) 間 （ 注 ：故 障 前 平 均 時(shí) 間 是 指 一 臺(tái) 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(shí) 間 ） ， 由 400 小 時(shí) 提 高 到 1500 小 時(shí) ， 精 度 可 提 高 到 ±0.1 毫 米 。德 國(guó) 機(jī) 器 制 造 業(yè) 是 從 1970 年 開(kāi) 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(guó) KnKa 公 司 還 生 產(chǎn) 一 種 點(diǎn) 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(guó) 家 。 自 1969 年 從 美 國(guó) 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(bào) 道 ， 1976 年 從 事 機(jī) 械 手 的 研 究 工 作 的大 專(zhuān) 院 校 、 研 究 單 位 多 達(dá) 50 多 個(gè) 。 1979 年 120 多 個(gè) 大 學(xué) 和 國(guó) 家 研 究 部 門(mén) 用 在 機(jī) 械手 的 研 究 費(fèi) 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(tái) 。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- 3功 能 的 機(jī) 械 手 產(chǎn) 值 約 為 67 億 日 元 ， 比 1978 年 增 長(zhǎng) 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(jì) 產(chǎn) 量 達(dá) 56900 臺(tái) 。 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(zhǎng) 。 使 用 機(jī) 械 手 最 多 的是 汽 車(chē) 工 業(yè) ， 其 次 是 電 機(jī) 、 電 器 。 預(yù) 計(jì) 到 1990 年 將 有 55 萬(wàn) 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(jì) 算 機(jī) 控 制 系 統(tǒng) ， 具 有 視 覺(jué) 、 觸 覺(jué)能 力 ， 甚 至 聽(tīng) 、 想 的 能 力 。 研 究 安 裝 各 種 傳 感 器 ， 把 感 覺(jué) 到 的 信 息 反 饋 ， 使 機(jī) 械 手 具有 感 覺(jué) 機(jī) 能 。 目 前 國(guó) 外 已 經(jīng) 出 現(xiàn) 了 觸 覺(jué) 和 視 覺(jué) 機(jī) 械 手 。第 三 代 機(jī) 械 手 （ 機(jī) 器 人 ） 則 能 獨(dú) 立 地 完 成 工 作 過(guò) 程 中 的 任 務(wù) 。 它 與 電 子 計(jì) 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(guó) 際 性 學(xué) 術(shù) 交 流 活 動(dòng) 十 分活 躍 ， 歐 美 各 國(guó) 和 其 他 國(guó) 家 學(xué) 術(shù) 交 流 活 動(dòng) 開(kāi) 展 很 多 。1.2 機(jī)械手的分類(lèi)目 前 對(duì) 機(jī) 械 手 還 沒(méi) 有 統(tǒng) 一 的 分 類(lèi) 標(biāo) 準(zhǔn) 。 按 照 不 同 的 分 類(lèi) 方 式 可 以 把 機(jī) 械 手 分 成多 種 類(lèi) 型 。1.按 驅(qū) 動(dòng) 方 式 分 類(lèi)按 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 的 動(dòng) 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(dòng) 系 統(tǒng) 通 常 由 液 動(dòng) 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(dòng) 作 平 穩(wěn) ， 耐 沖 擊 、 耐 振 動(dòng) ， 防 爆 性 好 ， 但 對(duì) 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(dòng) 系 統(tǒng) 通 常 采 用 通 常 汽 缸 、 氣 閥 、 氣 罐 和 空 壓 機(jī) 組成 。 特 點(diǎn) 是 氣 源 方 便 ， 動(dòng) 作 迅 速 ， 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、 造 價(jià) 較 低 、 維 修 方 便 ， 但 難 于 進(jìn) 行 速 度控 制 ， 并 因 氣 壓 不 能 太 高 ， 固 抓 舉 能 力 較 小 。（ 3） 電 動(dòng) 式 機(jī) 械 手 。 電 力 驅(qū) 動(dòng) 是 目 前 機(jī) 械 手 使 用 的 最 多 的 一 種 驅(qū) 動(dòng) 方 式 。 其特 點(diǎn) 是 電 源 方 便 ， 響 應(yīng) 快 ， 驅(qū) 動(dòng) 力 較 大 ， 信 號(hào) 檢 測(cè) 、 傳 遞 、 處 理 方 便 ， 可 以 采 用 多 種- 4靈 活 的 控 制 方 案 。 驅(qū) 動(dòng) 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(dòng) ， 以 簡(jiǎn) 化 機(jī) 構(gòu) ， 提 高 控 制 精 度 。其 他 還 有 采 用 混 合 驅(qū) 動(dòng) 的 機(jī) 械 手 ， 如 液 -氣 混 合 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 械 手 或 電 -氣 混 合 驅(qū) 動(dòng) 機(jī)械 手 。2.按 用 途 分 類(lèi)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(xiǎn)作業(yè)機(jī)械手等。3.按操作機(jī)的位置機(jī)構(gòu)類(lèi)型和自由度數(shù)量分類(lèi)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(lèi) 的 依 據(jù) 。 按 這 一 分類(lèi) 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 。- 5a） 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(lèi) 的 重 要 依 據(jù) 。 按 這 一分 類(lèi) 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 人 們 打 理 生 活 ， 做 簡(jiǎn) 單 的 家 務(wù) 活 。（ 2） 操 作 型 機(jī) 械 手 ： 能 自 動(dòng) 控 制 ， 可 重 復(fù) 編 程 ， 多 功 能 ， 有 幾 個(gè) 自 由 度 ， 可 固定 或 運(yùn) 動(dòng) ， 用 于 相 關(guān) 自 動(dòng) 化 系 統(tǒng) 中 。- 6（ 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(dòng) 作 。（ 4） 示 教 再 現(xiàn) 型 機(jī) 械 手 ： 通 過(guò) 引 導(dǎo) 或 其 它 方 式 ， 先 教 會(huì) 機(jī) 械 手 動(dòng) 作 ， 輸 入 工作 程 序 ， 機(jī) 械 手 則 自 動(dòng) 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(dòng) 作 ， 通 過(guò) 數(shù) 值 、 語(yǔ) 言 等 對(duì) 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(jué) 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(dòng) 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(dòng) 。（ 8） 學(xué) 習(xí) 控 制 型 機(jī) 械 手 ： 能 “體 會(huì) ”工 作 的 經(jīng) 驗(yàn) ， 具 有 一 定 的 學(xué) 習(xí) 功 能 ， 并 將 所“學(xué) ”的 經(jīng) 驗(yàn) 用 于 工 作 中 。（ 9） 智 能 機(jī) 械 手 ： 以 人 工 智 能 決 定 其 行 動(dòng) 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(dòng)傳動(dòng)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) - 7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(chēng) 操 作 機(jī) ） 是 機(jī) 械 手 賴(lài) 以 完 成 工 作 任 務(wù) 的 實(shí) 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(chēng) 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(shí) 人 們 也 把 諸 如 電 焊 槍 、 油 漆 噴 頭 等 劃 作 機(jī) 器 手 的 手 部 ； 腕 部 與 手 部 相 連 ， 主 要工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)裝置控制系統(tǒng)智能系統(tǒng)腕部腰部臂部基座部（固定或移動(dòng)）電、液或氣驅(qū)動(dòng)裝置單關(guān)節(jié)伺服控制器關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)及其它信息交換計(jì)算機(jī)感覺(jué)裝置子視覺(jué)裝置子語(yǔ)言識(shí)別裝置手部- 8功 能 是 帶 動(dòng) 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(gè) 臂 桿 （ 小 臂 和 大 臂 ） 組 成 ， 用 于 帶 動(dòng) 腕 部 做 平 面 運(yùn) 動(dòng) ； 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(dòng) 加 上 臂 部 的 平 面 運(yùn) 動(dòng) ， 就 能使 腕 部 做 空 間 運(yùn) 動(dòng) 。 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(dòng) 精 度 和 平穩(wěn) 性 ， 對(duì) 機(jī) 械 手 的 定 位 精 度 有 決 定 性 的 影 響 ； 基 座 是 整 個(gè) 機(jī) 械 手 的 支 撐 部 分 ， 有 固定 式 和 移 動(dòng) 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(dòng) -傳 動(dòng) 裝 置 包 括 驅(qū) 動(dòng) 器 和 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 兩 個(gè) 部 分 ， 它 們 通 常 與 執(zhí) 行機(jī) 構(gòu) 連 成 一 體 。 傳 動(dòng) 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(dòng) 器 通 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(dòng) 裝 置 ，目 前 使 用 最 多 的 是 交 流 伺 服 電 機(jī) ?？?制 系 統(tǒng) 一 般 有 控 制 計(jì) 算 機(jī) 和 伺 服 控 制 器 組 成 。 控 制 系 統(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(tái) 微 型 計(jì) 算 機(jī) 完 成 。 另 一 種 是 分 散 （ 級(jí) ） 式控 制 ， 即 采 用 多 臺(tái) 微 機(jī) 來(lái) 分 擔(dān) 機(jī) 器 人 的 控 制 ， 如 當(dāng) 采 用 上 、 下 兩 級(jí) 微 機(jī) 共 同 完 成 機(jī) 器人 的 控 制 時(shí) ， 主 機(jī) 常 用 于 負(fù) 責(zé) 系 統(tǒng) 的 管 理 、 通 訊 、 運(yùn) 動(dòng) 學(xué) 和 動(dòng) 力 學(xué) 計(jì) 算 ， 并 向 下 級(jí) 微機(jī) 發(fā) 送 指 令 信 息 ； 作 為 下 級(jí) 從 機(jī) ， 各 關(guān) 節(jié) 分 別 對(duì) 應(yīng) 一 個(gè) CPU， 進(jìn) 行 插 補(bǔ) 運(yùn) 算 和 伺服 控 制 處 理 ， 實(shí) 現(xiàn) 給 定 的 運(yùn) 動(dòng) ， 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(diǎn) 位 控 制 、 連 續(xù) 軌 跡 控 制 和 力 （ 力 矩 ） 控 制 。智 能 系 統(tǒng) 是 目 前 機(jī) 械 手 系 統(tǒng) 中 一 個(gè) 不 夠 完 善 但 發(fā) 展 很 快 的 子 系 統(tǒng) 。 它 可 分 為 兩個(gè) 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(shí) 現(xiàn) ;后者 主 要 靠 軟 件 （ 如 專(zhuān) 家 系 統(tǒng) ） 實(shí) 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(lái) 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(yàn) 、 噴 漆 、 電 鍍 等 工 種 都 有 應(yīng) 用 的 實(shí) 理 。其 他 部 門(mén) ， 如 輕 工 業(yè) 、 建 筑 業(yè) 、 國(guó) 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(guò) 程 中 的 自 動(dòng) 化 程 度- 9應(yīng) 用 機(jī) 械 手 有 利 于 實(shí) 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(dòng) 化 的 程 度 ， 從 而 可 以 提 高 勞 動(dòng) 生 產(chǎn) 率 和 降 低 生 產(chǎn) 成 本 。二 、 以 改 善 勞 動(dòng) 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(chǎng) 合 中 ， 用 人 手 直 接 操 作 是 有 危 險(xiǎn) 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(dòng) 條 件 得 以 改 善 。在 一 些 簡(jiǎn) 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(gè) 側(cè) 面 ， 同 時(shí) 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(gè) 側(cè) 面 。 因 此 ， 在 自 動(dòng) 化 機(jī) 床 的 綜 合 加 工 自動(dòng) 線 上 ， 目 前 幾 乎 都 沒(méi) 有 機(jī) 械 手 ， 以 減 少 人 力 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(shì) 。- 102 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案和氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)本 課 題 是 一 個(gè) 用 于 傳 送 帶 上 輕 型 平 動(dòng) 搬 運(yùn) 機(jī) 械 手 的 設(shè) 計(jì) 。 本 設(shè) 計(jì) 主 要 任 務(wù) 是 完成 機(jī) 械 手 的 結(jié) 構(gòu) 方 面 設(shè) 計(jì) ， 以 及 氣 動(dòng) 回 路 的 設(shè) 計(jì) 。 在 本 章 中 對(duì) 機(jī) 械 手 的 坐 標(biāo) 形 式 、自 由 度 、 驅(qū) 動(dòng) 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(dòng) 機(jī) 構(gòu) 是 本 次 設(shè)計(jì) 的 主 要 任 務(wù) 。2.1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃?rùn)C(jī) 械 手 運(yùn) 動(dòng) 規(guī) 劃 包 括 序 列 規(guī) 劃 (又 可 稱(chēng) 為 全 局 路 徑 規(guī) 劃 )， 路 徑 規(guī) 劃 和 軌 跡 規(guī) 劃3 個(gè) 部 分 。 序 列 規(guī) 劃 是 指 在 一 個(gè) 特 定 的 工 作 區(qū) 域 中 自 動(dòng) 生 成 一 個(gè) 從 起 始 作 業(yè) 點(diǎn) 開(kāi) 始 ，經(jīng) 過(guò) 一 系 列 作 業(yè) 點(diǎn) 。 再 回 到 起 始 點(diǎn) 的 最 優(yōu) 工 作 序 列 ； 路 徑 規(guī) 劃 是 指 在 相 鄰 序 列 點(diǎn) 之 間通 過(guò) 一 定 的 算 法 搜 索 一 條 無(wú) 碰 撞 的 機(jī) 械 手 運(yùn) 動(dòng) 路 徑 ； 軌 跡 規(guī) 劃 是 指 通 過(guò) 插 補(bǔ) 函 數(shù) 獲得 路 徑 上 的 插 補(bǔ) 點(diǎn) ， 再 通 過(guò) 求 解 運(yùn) 動(dòng) 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(wú) 需 轉(zhuǎn) 換 )， 形 成 各 關(guān) 節(jié) 的 運(yùn) 動(dòng) 軌 跡 。序 列 規(guī) 劃 為 機(jī) 械 手 的 所 有 作 業(yè) 點(diǎn) 生 成 一 個(gè) 最 優(yōu) 的 工 作 序 列 。 作 業(yè) 點(diǎn) 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(gè) 到 上 百 個(gè)作 業(yè) 點(diǎn) ， 這 些 作 業(yè) 點(diǎn) 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(gè) 作 業(yè) 點(diǎn) 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(guò) 某 種 算 法 生 成 一 個(gè)能 滿(mǎn) 足 作 業(yè) 限 制 的 最 優(yōu) 作 業(yè) 序 列 ， 一 般 以 時(shí) 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(dòng) 時(shí) ， 為 了 從 當(dāng) 前 作 業(yè) 位 置 到 達(dá) 下 一 個(gè) 位 置 ，需 要 在 機(jī) 械 手 工 作 空 間 確 定 一 條 無(wú) 碰 撞 的 運(yùn) 動(dòng) 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(guò) 程 實(shí) 際 上 是 一 個(gè) 帶 幾 何 約 束 的 問(wèn) 題 求 解 過(guò) 程 。從 上 面 的 論 述 可 以 看 出 ， 機(jī) 械 手 運(yùn) 動(dòng) 規(guī) 劃 主 要 包 括 兩 個(gè) 方 面 ， 一 是 生 成 所 有 作業(yè) 點(diǎn) 最 優(yōu) 工 作 序 列 的 序 列 規(guī) 劃 ， 二 是 在 相 鄰 作 業(yè) 點(diǎn) 之 間 生 成 無(wú) 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(shí) 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 。- 11機(jī) 械 手 運(yùn) 動(dòng) 規(guī) 劃 的 算 法 建 立 在 已 有 的 各 種 方 法 之 上 ， 下 面 簡(jiǎn) 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(guò) 程 中 的 碰 撞 檢 測(cè) 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(méi) 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(diǎn)焊 的 應(yīng) 用 中 ， 較 為 普 遍 的 方 法 是 把 序 列 規(guī) 劃 問(wèn) 題 轉(zhuǎn) 化 為 “旅 行 商 問(wèn) 題 ”(TSP)來(lái) 解決 。 即 機(jī) 械 手 從 起 始 點(diǎn) 開(kāi) 始 ， 經(jīng) 過(guò) 一 系 列 作 業(yè) 點(diǎn) ， 并 在 各 作 業(yè) 點(diǎn) 停 留 ， 完 成 所 有 作 業(yè)后 ， 最 終 回 到 起 始 點(diǎn) 的 時(shí) 間 最 短 規(guī) 劃 算 法 。旅 行 商 問(wèn) 題 的 求 解 成 為 求 解 序 列 規(guī) 劃 問(wèn) 題 的 關(guān) 鍵 。 目 前 ， 旅 行 商 問(wèn) 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 照 一 定 的 規(guī) 則 變 換 來(lái) 求 解 ， 計(jì) 算 量 和 求 解 結(jié) 果都 能 滿(mǎn) 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(gè) 作 業(yè) 點(diǎn) 之 間 生 成 一 條 無(wú) 碰 撞 路 徑 。機(jī) 械 手 路 徑 規(guī) 劃 算 法 主 要 有 4 類(lèi) ： C-空 間 法 ， 人 工 勢(shì) 力 場(chǎng) 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(diǎn) 和 發(fā) 展 方 向 ， 這 些 算 法 在 實(shí) 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(cè) 路 徑 規(guī) 劃 的 目 標(biāo) 是 在 起 始 點(diǎn) 和 目 標(biāo) 點(diǎn) 之 間 生 成 一 條 無(wú) 碰 撞 路 徑 ，這 使 得 碰 撞 檢 測(cè) 成 為 解 決 路 徑 規(guī) 劃 問(wèn) 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(cè) 或 需 要 計(jì) 算 機(jī) 器 人 和 障 礙 物 之 間 的 距 離 。判 斷 兩 個(gè) 物 體 是 否 有 碰 撞 發(fā) 生 有 兩 種 方 式 ， 一 是 定 性 判 斷 。 二 是 定 量 計(jì) 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(gè) 簡(jiǎn) 單 的 包 圍 盒 將 復(fù) 雜 的幾 何 形 體 圍 住 。 當(dāng) 對(duì) 兩 個(gè) 物 體 進(jìn) 行 碰 撞 檢 測(cè) 時(shí) 。 首 先 檢 測(cè) 兩 者 的 包 圍 盒 是 否 相 交 ， 若不 相 交 。 則 說(shuō) 明 兩 個(gè) 物 體 未 相 交 ， 否 則 再 進(jìn) 一 步 對(duì) 兩 個(gè) 物 體 做 檢 測(cè) 。 因 為 求 包 圍 盒 的交 比 求 物 體 的 交 簡(jiǎn) 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(duì) 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(shù) 。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- 12不 僅 需 要 判 斷 有 無(wú) 碰 撞 發(fā) 生 ， 還 要 計(jì) 算 機(jī) 器 人 與 障 礙 物 之 間 的 距 離 及 其 關(guān) 于 機(jī) 器 人 形位 的 梯 度 。目 前 ， 兩 個(gè) 剛 性 物 體 之 間 的 距 離 計(jì) 算 有 很 多 算 法 。 其 中 對(duì) 凸 多 面 體 的 計(jì) 算 最 為 成熟 。 凸 多 面 體 之 間 的 距 離 有 兩 類(lèi) ： 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(zhǎng) 距 離 、 收 縮 距 離 、 偽 平 移 距 離 等 。在 現(xiàn) 實(shí) 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(gè) 凸 幾 何 體 的 組 合 。 對(duì) 一 般 凸 幾 何 體 ． 如 球 、 圓 柱 等 ， 可 以 用 緊 包 圍 它 的凸 多 面 體 來(lái) 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(jiàn) 的 工 業(yè) 機(jī) 械 手 根 據(jù) 手 臂 的 動(dòng) 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)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(jiǎn) 單 緊 湊 ,定 位 精 度 較 高 ,占 地 面 積 小 ， 因 此 本設(shè) 計(jì) 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(kāi) → 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 。- 13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(dòng)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(jì) 任 務(wù) ， 為 了 滿(mǎn) 足 設(shè) 計(jì) 要 求 ，本 設(shè) 計(jì) 的 機(jī) 械 手 具 有 3 個(gè) 自 由 度 ： 手 臂 伸 縮 ； 機(jī) 身 回 轉(zhuǎn) ； 機(jī) 身 升 降 。本 設(shè) 計(jì) 的 機(jī) 械 手 主 要 由 3 個(gè) 大 部 件 和 3 個(gè) 氣 缸 組 成 ： （ 1） 手 部 ， 采 用 一 個(gè) 氣爪 ， 通 過(guò) 機(jī) 構(gòu) 運(yùn) 動(dòng) 實(shí) 現(xiàn) 手 爪 的 張 合 。 （ 2） 臂 部 ， 采 用 直 線 缸 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 手 臂 的 伸 縮 。（ 3） 機(jī) 身 ， 采 用 一 個(gè) 直 線 缸 和 一 個(gè) 回 轉(zhuǎn) 缸 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 手 臂 升 降 和 回 轉(zhuǎn) 。2.4 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇驅(qū) 動(dòng) 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(jià) 格 比 在 很 大 程 度上 取 決 于 驅(qū) 動(dòng) 方 案 及 其 裝 置 。 根 據(jù) 動(dòng) 力 源 的 不 同 , 工 業(yè) 機(jī) 械 手 的 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 大 致 可 分為 液 壓 、 氣 動(dòng) 、 電 動(dòng) 和 機(jī) 械 驅(qū) 動(dòng) 等 四 類(lèi) 。 氣 動(dòng) 機(jī) 械 手 因 為 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、 成 本 低 廉 、重 量 輕 、 動(dòng) 作 迅 速 、 平 穩(wěn) 、 安 全 、 可 靠 、 節(jié) 能 和 不 污 染 環(huán) 境 等 優(yōu) 點(diǎn) 而 被 廣 泛 應(yīng) 用 在生 產(chǎn) 自 動(dòng) 化 的 各 個(gè) 行 業(yè) 。 因 此 ， 機(jī) 械 手 的 驅(qū) 動(dòng) 方 案 選 擇 氣 壓 驅(qū) 動(dòng) 。2.5 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表一 、 用 途 ： 車(chē) 間 皮 帶 機(jī) 之 間 的 搬 運(yùn)二 、 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 參 數(shù) ：1、 抓 重 ： 2Kg (夾 持 式 手 部 )2、 自 由 度 數(shù) ： 3 個(gè) 自 由 度3、 坐 標(biāo) 型 式 ： 圓 柱 坐 標(biāo)4、 最 大 工 作 半 徑 ： 335mm5、 機(jī) 身 最 大 中 心 高 ： 415mm6、 主 要 運(yùn) 動(dòng) 參 數(shù) ：手 臂 伸 縮 行 程 ： 200mm 手 臂 伸 縮 速 度 ： 200mm/s- 14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°/s2.6 氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)機(jī) 械 手 氣 動(dòng) 回 路 的 設(shè) 計(jì) 主 要 是 選 用 合 適 的 控 制 閥 ， 通 過(guò) 控 制 和 調(diào) 節(jié) 各 個(gè) 氣 缸 壓縮 空 氣 的 壓 力 、 流 量 和 方 向 來(lái) 使 氣 動(dòng) 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 獲 得 必 要 的 力 、 動(dòng) 作 速 度 和 改 變 運(yùn)動(dòng) 方 向 ， 并 按 規(guī) 定 的 程 序 工 作 ， 設(shè) 計(jì) 的 氣 動(dòng) 回 路 圖 如 圖 2-2 所 示 。圖 2-2 機(jī)械手氣動(dòng)回路圖本 設(shè) 計(jì) 的 氣 動(dòng) 機(jī) 械 手 完 成 各 個(gè) 運(yùn) 動(dòng) 的 氣 缸 只 有 完 全 伸 出 和 完 全 縮 回 兩 個(gè) 狀 態(tài) ，選 擇 兩 位 五 通 換 向 閥 控 制 各 個(gè) 氣 缸 的 運(yùn) 動(dòng) 方 向 ， 氣 缸 的 進(jìn) 出 口 回 路 各 設(shè) 置 一 個(gè) 單向 節(jié) 流 閥 ， 通 過(guò) 控 制 進(jìn) 出 口 空 氣 流 量 的 大 小 來(lái) 控 制 氣 缸 執(zhí) 行 器 動(dòng) 力 的 大 小 和 運(yùn) 動(dòng) 速度 。 設(shè) 計(jì) 中 采 用 PLC 控 制 機(jī) 械 手 實(shí) 現(xiàn) 各 種 規(guī) 定 的 預(yù) 定 動(dòng) 作 ， 既 可 以 簡(jiǎn) 化 控 制 線 路 ，節(jié) 省 成 本 ， 又 可 以 提 高 勞 動(dòng) 生 產(chǎn) 率 。- 153 氣動(dòng)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)3.1.1末端執(zhí)行器的概述末 端 執(zhí) 行 器 是 裝 在 機(jī) 械 手 臂 的 末 端 處 ， 用 于 機(jī) 械 手 完 成 作 業(yè) 任 務(wù) 而 專(zhuān) 門(mén) 設(shè) 計(jì) 的裝 置 。 末 端 執(zhí) 行 器 種 類(lèi) 繁 多 ， 與 機(jī) 械 手 的 用 途 密 切 相 關(guān) ， 根 據(jù) 其 用 途 ， 末 端 執(zhí) 行 器可 分 為 搬 運(yùn) 用 、 加 工 用 和 測(cè) 量 用 等 種 類(lèi) 。搬 運(yùn) 用 末 端 執(zhí) 行 器 是 指 各 種 夾 持 裝 置 ， 用 來(lái) 抓 取 或 吸 附 被 搬 運(yùn) 的 物 體 。加 工 用 末 端 執(zhí) 行 器 是 帶 有 噴 槍 、 焊 槍 、 砂 輪 、 銑 刀 等 加 工 工 具 的 機(jī) 器 人 附 加 裝 置 ，用 來(lái) 進(jìn) 行 相 應(yīng) 的 加 工 作 業(yè) 。測(cè) 量 用 末 端 執(zhí) 行 器 是 裝 有 測(cè) 量 頭 或 傳 感 器 的 附 加 裝 置 ， 用 來(lái) 進(jìn) 行 測(cè) 量 及 檢 驗(yàn) 作 業(yè) 。在 設(shè) 計(jì) 機(jī) 械 手 末 端 執(zhí) 行 器 時(shí) ， 應(yīng) 注 意 以 下 問(wèn) 題 ；1.機(jī) 械 手 末 端 執(zhí) 行 器 是 根 據(jù) 機(jī) 械 手 作 業(yè) 要 求 來(lái) 設(shè) 計(jì) 的 。 一 個(gè) 新 的 末 端 執(zhí) 行 器 的出 現(xiàn) ， 就 可 以 增 加 一 種 機(jī) 械 手 新 的 應(yīng) 用 場(chǎng) 所 。 因 此 ， 根 據(jù) 作 業(yè) 的 需 要 和 人 們 的 想 象力 而 創(chuàng) 造 的 新 的 機(jī) 械 手 末 端 執(zhí) 行 器 ， 將 不 斷 的 擴(kuò) 大 機(jī) 械 手 的 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 。2.機(jī) 械 手 末 端 執(zhí) 行 器 的 重 量 、 被 抓 取 物 體 的 重 量 及 操 作 力 和 機(jī) 械 手 容 許 的 負(fù) 荷力 。 因 此 ， 要 求 機(jī) 械 手 末 端 執(zhí) 行 器 體 積 小 、 重 量 輕 、 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 。3.機(jī) 械 手 末 端 執(zhí) 行 器 的 萬(wàn) 能 性 與 專(zhuān) 用 性 是 矛 盾 的 。 萬(wàn) 能 末 端 執(zhí) 行 器 在 結(jié) 構(gòu) 上 很 復(fù)雜 ， 甚 至 很 難 實(shí) 現(xiàn) ， 例 如 ， 仿 人 的 萬(wàn) 能 機(jī) 器 人 靈 巧 手 ， 至 今 尚 未 實(shí) 用 化 。 目 前 ， 能 用于 生 產(chǎn) 的 還 是 那 些 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、 萬(wàn) 能 性 不 強(qiáng) 的 機(jī) 械 手 末 端 執(zhí) 行 器 。 從 工 業(yè) 實(shí) 際 應(yīng) 用 出發(fā) ， 應(yīng) 著 重 開(kāi) 發(fā) 各 種 專(zhuān) 用 的 、 高 效 率 的 機(jī) 械 手 末 端 執(zhí) 行 器 ， 加 之 以 末 端 執(zhí) 行 器 的 快速 更 換 裝 置 ， 以 實(shí) 現(xiàn) 機(jī) 械 手 多 種 作 業(yè) 功 能 ， 而 不 主 張 用 一 個(gè) 萬(wàn) 能 的 末 端 執(zhí) 行 器 去 完成 多 種 作 業(yè) 。 因 為 這 種 萬(wàn) 能 的 執(zhí) 行 器 的 結(jié) 構(gòu) 復(fù) 雜 且 造 價(jià) 昂 貴 。4.通 用 性 和 萬(wàn) 能 性 是 兩 個(gè) 概 念 ， 萬(wàn) 能 性 是 指 一 機(jī) 多 能 ， 而 通 用 性 是 指 有 限 的 末 端執(zhí) 行 器 ， 可 適 用 于 不 同 的 機(jī) 械 手 ， 這 就 要 求 末 端 執(zhí) 行 器 要 有 標(biāo) 準(zhǔn) 的 機(jī) 械 接 口 （ 如 法- 16蘭 ） ， 使 末 端 執(zhí) 行 器 實(shí) 現(xiàn) 標(biāo) 準(zhǔn) 化 和 積 木 化 。5.機(jī) 械 手 末 端 執(zhí) 行 器 要 便 于 安 裝 和 維 修 ， 易 于 實(shí) 現(xiàn) 計(jì) 算 機(jī) 控 制 。 用 計(jì) 算 機(jī) 控 制 最方 便 的 是 電 氣 式 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 。 因 此 ， 工 業(yè) 機(jī) 械 手 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 的 主 流 是 電 氣 式 ， 其 次 是 液壓 式 和 氣 壓 式 （ 在 驅(qū) 動(dòng) 接 口 中 需 要 增 加 電 -液 或 電 -氣 變 換 環(huán) 節(jié) ） 。3.1.2末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)方式末 端 執(zhí) 行 器 即 機(jī) 械 手 手 爪 ， 多 為 雙 指 手 爪 。 按 手 指 的 運(yùn) 動(dòng) 方 式 ， 可 分 為 回 轉(zhuǎn) 型和 移 動(dòng) 型 ， 按 夾 持 方 式 來(lái) 分 ， 有 外 夾 式 和 內(nèi) 撐 式 兩 種 。機(jī) 械 手 夾 持 器 （ 手 爪 ） 的 驅(qū) 動(dòng) 方 式 主 要 有 三 種1.氣 動(dòng) 驅(qū) 動(dòng) 方 式 這 種 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 是 用 電 磁 閥 來(lái) 控 制 手 爪 的 運(yùn) 動(dòng) 方 向 ， 用 氣 流調(diào) 節(jié) 閥 來(lái) 調(diào) 節(jié) 其 運(yùn) 動(dòng) 速 度 。 由 于 氣 動(dòng) 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 價(jià) 格 較 低 ， 所 以 氣 動(dòng) 夾 持 器 在 工 業(yè) 中 應(yīng)用 較 為 普 遍 。 另 外 ， 由 于 氣 體 的 可 壓 縮 性 ， 使 氣 動(dòng) 手 爪 的 抓 取 運(yùn) 動(dòng) 具 有 一 定 的 柔 順 性 ，這 一 點(diǎn) 是 抓 取 動(dòng) 作 十 分 需 要 的 。2.電 動(dòng) 驅(qū) 動(dòng) 方 式 電 動(dòng) 驅(qū) 動(dòng) 手 爪 應(yīng) 用 也 較 為 廣 泛 。 這 種 手 爪 ， 一 般 采 用 直 流伺 服 電 機(jī) 或 步 進(jìn) 電 機(jī) ， 并 需 要 減 速 器 以 獲 得 足 夠 大 的 驅(qū) 動(dòng) 力 和 力 矩 。 電 動(dòng) 驅(qū) 動(dòng) 方 式 可實(shí) 現(xiàn) 手 爪 的 力 與 位 置 控 制 。 但 是 ， 這 種 驅(qū) 動(dòng) 方 式 不 能 用 于 有 防 爆 要 求 的 條 件 下 ， 因 為電 機(jī) 有 可 能 產(chǎn) 生 火 花 和 發(fā) 熱 。3.液 壓 驅(qū) 動(dòng) 方 式 液 壓 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 傳 動(dòng) 剛 度 大 ， 可 實(shí) 現(xiàn) 連 續(xù) 位 置 控 制 。3.1.3末端執(zhí)行器的典型結(jié)構(gòu)1.楔 塊 杠 桿 式 手 爪利 用 楔 塊 與 杠 桿 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 手 爪 的 松 開(kāi) 和 夾 緊 ， 來(lái) 實(shí) 現(xiàn) 抓 取 工 件 。2.滑 槽 式 手 爪 當(dāng) 活 塞 向 前 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) ， 滑 槽 通 過(guò) 銷(xiāo) 子 推 動(dòng) 手 爪 合 并 ， 產(chǎn) 生 夾 緊 動(dòng) 作 和 夾 緊 力 ， 當(dāng) 活塞 向 后 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) ， 手 爪 松 開(kāi) 。 這 種 手 爪 開(kāi) 合 行 程 較 大 ， 適 應(yīng) 抓 取 大 小 不 同 的 物 體 。3.連 桿 杠 桿 式 手 爪這 種 手 爪 在 活 塞 的 推 力 下 ， 連 桿 和 杠 桿 使 手 爪 產(chǎn) 生 夾 緊 （ 放 松 ） 運(yùn) 動(dòng) ， 由 于 杠 桿- 17的 力 放 大 作 用 ， 這 種 手 爪 有 可 能 產(chǎn) 生 較 大 的 夾 緊 力 。 通 常 與 彈 簧 聯(lián) 合 使 用 。4.齒 輪 齒 條 式 手 爪這 種 手 爪 通 過(guò) 活 塞 推 動(dòng) 齒 條 ， 齒 條 帶 動(dòng) 齒 輪 旋 轉(zhuǎn) ， 產(chǎn) 生 手 爪 的 夾 緊 與 松 開(kāi) 動(dòng) 作 。5.平 行 杠 桿 式 手 爪采 用 平 行 四 邊 形 機(jī) 構(gòu) ， 因 此 不 需 要 導(dǎo) 軌 就 可 以 保 證 手 爪 的 兩 手 指 保 持 平 行 運(yùn) 動(dòng) ，比 帶 有 導(dǎo) 軌 的 平 行 移 動(dòng) 手 爪 的 摩 擦 力 要 小 很 多 。3.1.4末端執(zhí)行器的具體設(shè)計(jì)由 于 本 設(shè)