【正文】 調(diào)整末端執(zhí)行器的方 位和姿態(tài)。 2) 手臂 手臂是支承手腕和末端執(zhí)行器的部件。它由動力關(guān)節(jié)和連桿組 成，用來改變末端執(zhí)行器的位置。 3) 機座 機座是機械手的基礎(chǔ)部件，并承受相應(yīng)的載荷，機座分為固定 式 和移動式兩類。 （ 2）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)用來控制機械手按規(guī)定要求動作，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制 系統(tǒng)。大多數(shù)工業(yè)機械手采用計算機控制，這類控制系統(tǒng)分為決策級，策略級和 執(zhí)行級三級：決策級的功能是識別環(huán)境、建立模型、將工作任務(wù)分解為基本動作 序列；策略級將基本動作變?yōu)殛P(guān)節(jié)坐標(biāo)協(xié)調(diào)變化的規(guī)律，分配給各關(guān)節(jié)的伺服系 統(tǒng)；執(zhí)行級給出各關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的具體指令。 （ 3）驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令將信號放大，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的傳動 裝置。常用的由電氣、液壓、氣動和機械等四種驅(qū)動方式。 除此之外，機 械手可以配置多種傳感器（如位置、力，觸覺，視覺等傳感器）， 用以檢測其運動位置和工作狀態(tài)。 機械手按坐標(biāo)形式、控制方式、驅(qū)動方式和信號輸入方式四種分類方法。 （ 1）按坐標(biāo)形式分 坐標(biāo)形式是指執(zhí)行機構(gòu)的手臂在運動時所取的參考坐標(biāo)系的形式。 1) 直角坐標(biāo)式 直角坐標(biāo)機械手的末端執(zhí)行器在空間位置的改變式通過三 個互相垂直的軸線移動來實現(xiàn)的，即沿 X 軸的縱向移動、沿 Y 軸的橫向 移動及沿 Z 軸的升降。這種機械手位置精度最高，控制無耦合，比較簡單， 避障性好，但結(jié)構(gòu)較龐大，動作范圍小，靈活性差。 2) 圓柱坐標(biāo)式 圓柱坐標(biāo)機械手是通過兩個移動和一個轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)末端執(zhí) 行器空間位置的改變，其手臂的運動由在垂直立柱的平面伸縮和沿立柱升 降兩個直線運動及手臂繞立柱轉(zhuǎn)動復(fù)合而成。這種機械手位置精度較高， 控制簡單，避障性好，但結(jié)構(gòu)也較龐大。 3) 極坐標(biāo)式 極坐標(biāo)機械手的運動式由一個直線運動和兩個轉(zhuǎn)動組成，即沿 手臂方向 X 的伸縮，繞 Y 軸的俯仰和繞 Z 軸的回轉(zhuǎn)。這種機械手占地面 積小，結(jié)構(gòu)緊湊，位置精度尚可，但避障性差，有平衡問題。 4) 關(guān)節(jié)坐標(biāo)式 關(guān)節(jié)坐標(biāo)機械手主要是由立柱、大臂和小臂組成，立柱繞 Z 軸 旋轉(zhuǎn)，形成腰關(guān)節(jié)，立柱和大臂形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂形成肘關(guān)節(jié)， 大臂和小臂作俯仰運動。這種機械手工作范圍大，動作靈活，避障性好， 但位置精度低，有平衡問題，控制耦合比較復(fù)雜，目前應(yīng)用越來越多。 （ 2）按控制方式分 1) 點位控制 采用點位控制的機械手，其運動為空間點到點之間的直線運 動，不涉及兩點之間的移動軌跡，只在目標(biāo)點處控制機械手末端執(zhí)行器 7 的位置和姿態(tài)。這種控制方式簡單，適用于上下料、點焊等作業(yè)。 2) 連續(xù)軌跡控制 采用連續(xù)軌跡控制的機械手，其運動軌跡可以是空間的 任意連續(xù)曲線。機器人在空間的整個運 動過程都要控制，末端執(zhí)行器在 空間任何位置都可以控制姿態(tài)。 （ 3）按驅(qū)動方式分 1) 電力驅(qū)動 電力驅(qū)動式目前采用最多的一種。早期多采用步進電機驅(qū) 動，后來發(fā)展了直流伺服電動機，現(xiàn)在交流伺服電動機的應(yīng)用也得到了 迅速發(fā)展。這類驅(qū)動單元可以直接驅(qū)動機構(gòu)運動，也可以通過諧波減速 器裝置減速后驅(qū)動機構(gòu)運動，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。 2) 液壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動的機械手具有很大的抓起能力，可抓取質(zhì)量達上百 公斤的物體，油壓可達 7MPa，液壓傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封性 要求較高，不宜在高溫或低溫現(xiàn)場工作，需配備一套液壓系統(tǒng)。 3) 氣壓驅(qū)動 氣壓驅(qū)動的機械手結(jié)構(gòu)簡單，動作迅速，價格低廉，由于空 氣可壓縮性，導(dǎo)致工作速度穩(wěn)定性差，氣源壓力一般為 ，因此抓 取力小，只能抓取重量為幾公斤到十幾公斤的物體。 （ 4）按信號輸入方式分 1) 人操作機械手 是一種由操作人員直接進行操作的具有幾個自由度的 機械手。 2) 固定程序操作機械手 按預(yù)先規(guī)定的順序、條件和位置，逐步地重復(fù)執(zhí) 行給定的作業(yè)任務(wù)的機械手。 3) 可變程序操作機械手 它與固定程序機械手基本相同，但其工作次序等 信息易于修改。 4) 程序控制機械手 它的作業(yè)指令是由 計算機程序向機械手提供的，其控 制方式與數(shù)控機床一樣。 5) 示教再現(xiàn)機械手 這類機械手能夠按照記憶裝置存儲的信息來復(fù)現(xiàn)由 人示教的動作，其示教動作可自動地重復(fù)執(zhí)行。 6) 智能機械手 采用傳感器來感知工作環(huán)境或工作條件的變化，并借助其 自身的決策能力，完成相應(yīng)的工作任務(wù)。 抓取機構(gòu) 抓取機構(gòu)是機械手執(zhí)行工作的裝置，可安裝夾持器、工具、傳感器等。抓取 機構(gòu)可分為機械夾緊、真空抽吸、液壓夾緊、磁力吸附等。 機械手的驅(qū)動方式 該機械手一共具有三個獨立的運動關(guān)節(jié)，連同末端機械手的運動，一共 需要 三個動力源。機械手常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機驅(qū)動三種類型。 這三種方法各有所長，各種驅(qū)動方式的特點見表： 8 9 方便 較復(fù)雜 表 21 三種驅(qū)動方式的特點對照 機械手驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機械手的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有： （ 1） 驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高； （ 2） 反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大，能夠進行頻 繁地起、制動，正、反轉(zhuǎn)切換； （ 3） 驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??； （ 4） 安全可靠； （ 5） 操作和維護方 便； （ 6） 對環(huán)境無污染，噪聲要?。? （ 7） 經(jīng)濟上合理。 設(shè)計方案的定型 的選擇 由于單片機體積小，價格便宜且具有高穩(wěn)定性和很強的抗干擾能力，因此本 設(shè)計中用單片機取代 PLC 控制。 10 由于本設(shè)計中精度要求較高，首先排除了極坐標(biāo)式和關(guān)節(jié)坐標(biāo)式，而且它們 還存在平衡問題，直角坐標(biāo)式靈活性差，不利于提高工作效率。因此為了使其工 作方式更加簡單直觀，機械手坐標(biāo)類型選擇為圓柱坐標(biāo)機械手。 本設(shè)計要求傳動方式為電機的轉(zhuǎn)動帶動機械手臂的上下、左右移 動，即圓周 運動轉(zhuǎn)換為直線運動，首先排除了帶傳動。與此同時，由于設(shè)計精度要求較高， 所以鏈條傳動也不作考慮。剩下絲桿傳動和齒輪傳動，從零件的加工方面考慮， 最終確定了加工較為簡單的齒輪傳動。 目前工業(yè)上較長采用的抓取機構(gòu)為手爪。但是本次設(shè)計要求的工件為直徑 2cm厚1cm 的圓形鐵片，抓取精度要求高，操作難度較大?？紤]到材質(zhì)，因此選 擇了電磁閥作為抓取機構(gòu)。通過電磁閥的通斷來控制工件的抓取和放下，操作方 便。 在選擇驅(qū)動方式階段，我首先考慮的是液壓、氣壓傳動，但方案存在 一定缺 陷。其中，液壓裝置體積太過龐大，需要專門配置一套液壓系統(tǒng)，且對密封性要 求高，不宜在高溫、低溫下工作。而氣壓傳動由于空氣的可壓縮性導(dǎo)致工作速度、 穩(wěn)定性較差，且有一定噪音。電機選擇相對較為簡單，由于步進電機有步距角誤 差，機械手在齒輪傳動和擺動時會進一步放大該誤差，因此選擇伺服電機驅(qū)動。 3 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械手尺寸的確定 由于本次設(shè)計對工作場地要求并沒有明確的限制，因此機械手的尺寸也就沒 有明確的規(guī)定，為了設(shè)計的方便，將機械手大臂有效距離長為 280mm，小臂有效 距離長為 170mm，機械手 3D 圖如下： 圖 31 機械手 3D 圖 傳動部分設(shè)計 （ 1） 機械手是有三臺伺服電機驅(qū)動：電機 M1 控制大臂在 Z 軸旋轉(zhuǎn)擺動，電 11 機 M2 控制小臂在 Z 軸的旋轉(zhuǎn)擺動，電機 C 控制末端執(zhí)行器在 Z 軸的上下移動。 為了設(shè)計的方便，控制方式采用點位控制。通過分別控制三臺電機的正反轉(zhuǎn)來 確定末端執(zhí)行器在空間上的具體位置。由于三臺電機不是同時控制，因此不存 在相互間的干擾，從而增強了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 （ 2） 具體傳動環(huán)節(jié)：基座部分裝有服電機 M1，通過齒輪傳動控制大臂旋轉(zhuǎn)， 基座與大臂底座用軸承連 接；大臂座裝有伺服電機 M2，通過齒輪、傳動控制 小臂的旋轉(zhuǎn)擺動；末端執(zhí)行器部分裝有伺服電機 M3，同樣通過齒輪、絲桿傳 動控制末端執(zhí)行器的上下移動。 （ 3） 伺服電機 一個伺服電機內(nèi)部包括了一個小型直流馬達；一組變速齒輪組；一個反饋可調(diào) 電位器；及一塊電子控制板。其中，高速轉(zhuǎn)動的直流馬達提供了原始動力，帶動 變速（減速）齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服馬達 的輸出扭力也愈大，也就是說越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動的速度也愈低 圖 32 伺服電機 圖 （ 4）微行伺服馬達的工作原理 一個微型伺服馬達是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其原理可由下圖表示： 圖 33 伺服電機原理圖 減速齒輪組由馬達驅(qū)動，其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電位器作位置檢 測，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其 12 與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動馬達正向或反向地轉(zhuǎn)動，使 齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為 0，從而達到使伺服馬達精確定位的目的。 （ 5）伺服馬達的控制 標(biāo)準(zhǔn)的微型伺服馬達有 三條控制線，分別為：電源、地及控制。電源線與地線用 于提供內(nèi)部的直流馬達及控制線路所需的能源，電壓通常介于 4V— 6V 之間，該 電源應(yīng)盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離（因為伺服馬達會產(chǎn)生噪音）。甚至小伺服馬達在重負(fù)載時也會拉低放大器的電壓，所以整個系統(tǒng)的電源供應(yīng)的比例必須合理。 輸入一個周期性的正向脈沖信號，這個周期性脈沖信號的高電平時間通常在 1ms — 2ms 之間，而低電平時間應(yīng)在 5ms 到 20ms 之間，并不很嚴(yán)格，下表表示出一個典型的 20ms 周期性脈沖的正脈沖寬度與微型伺服馬達的輸出臂位置的關(guān)系： （ 6）選用的伺服馬達 我選用的伺服馬達為 TowPro 的，型號為 SG303。其主要技術(shù)參數(shù)如下： 轉(zhuǎn)速： 秒／ 60 度。 力矩： ?cm。 尺寸： 36mm。 重量： 。 12V 和 24V 電源供電。 控制周期脈沖寬度為 20ms。送出不同的正脈沖寬度是，就可以得到不同的控制效果?？刂普}沖寬度如下： （ 7）增量式編碼器 編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置。 前者成為碼盤，后者稱碼