【正文】 任意位置都能自動定位。目前模仿生物關節(jié)的驅動方式在仿生機器人中得到越來越多的應用。從20世紀80年代中期開始,氣動元件產(chǎn)值的年遞增率達20％以上，高于中國機械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率。 Structural design。本課題重點在于氣動機械手關節(jié)結構參數(shù)化設計和其可行性分析。氣動機械手關節(jié)結構設計及運動學仿真分析24 指令語句表實踐心得機械手的 PLC 控制課程設計通過了 1 周的課程設計使我對機械設計過程有進一步了解，對機電產(chǎn)品的有關的控制知識有了深刻的認識。從第 67 行到第 129 行為自動操作程序。延時時間到，T1 接通，狀態(tài)轉移到 S26 上升。 自動操作程序自動操作狀態(tài)轉移見圖 6 所示。再把旋鈕置于手動，則 X6 接通，其常閉觸頭打開，程序不跳轉（CJ 為一跳轉指令，如果 CJ 驅動，則跳到指針 P 所指 P0 處） ，執(zhí)行手動程序。工作方式的選擇可以很方便地在操作面板上表示出來。顯然掃描周期的長短主要取決于程序的長短。完成輸入端刷新工作后，將關閉輸入端口，轉入程序執(zhí)行階段。因此 PLC 對電源的基本要求：①能有效地控制、消除電網(wǎng)電源帶來的各種干擾；②電源發(fā)生故障不會導致其它部分產(chǎn)生故障；③允許較寬的電壓范圍；④電源本身的功耗低，發(fā)熱量??；⑤內(nèi)部電源與外部電源完全隔離；⑥有較強的自保護功能。輸出公共端（COM） 公共端與輸出各組之間形成回路，從而驅動負載。這也是其 I/O 設計的優(yōu)點之處，經(jīng)過了電氣隔離后，信號才送入 CPU 執(zhí)行的,防止現(xiàn)場的強電干擾進入。一個開關量 I/O 占用存儲單元中的一個位，一個模擬量 I/O 占用存儲單元中的一個字。 PLC 存儲空間的分配 ： 雖然各種 PLC 的 CPU 的最大尋址空間各不相同，但是根據(jù) PLC 的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域： （1）系統(tǒng)程序存儲區(qū)（2）系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)（包括 I/O 映象寄存區(qū)和系統(tǒng)軟設備等） 。 存儲器 可編程序控制器的存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。 基本結構 PLC可編程序控制器實施控制，其實質就是按一定算法進行輸入輸出變換，并將這個變換與以物理實現(xiàn)。但編程要比計算機簡單易學、操作方便。目前 PLC 已經(jīng)在智能化、網(wǎng)絡化方面取得了很好的發(fā)展，并且現(xiàn)今已出現(xiàn) SOFTPLC，更是 PLC 領域無限的發(fā)展前景。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用，例如：浙 江 理 工 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )9(1)機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍。回原位程序和自動操作程序。左移到最左位，使 X4 接通，返回初始狀態(tài)，再開始第二次循環(huán)動作。S21 驅動 Y1 置位，延時 1 秒，以使電磁力達到最大夾氣動機械手關節(jié)結構設計及運動學仿真分析6緊力。如果旋鈕置于自動位置，（既 X6 常閉閉合、X7 常閉打開）則程序執(zhí)行時跳過手動程序，直接執(zhí)行自動程序。當選擇夾緊/放松運動時，分別由夾緊 /放松按鈕控制。左移到位時，碰到左限位開關，左移電磁閥斷電，停止左移。上升到位時，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，停止上升。只有當上升電磁閥通電時，機械手上升；當上升電磁閥斷電時，機械手停止上升。當旋鈕打向自動時，系統(tǒng)自動完成各工步操作，且循環(huán)動作。當旋鈕打向手動時，每一工步都要按下該工步按鈕才能實現(xiàn)。同樣，左移/右移分別由左移電磁閥和右移電磁閥控氣動機械手關節(jié)結構設計及運動學仿真分析2制。④同時接通右移電磁閥，機械手右移。至此，機械手經(jīng)過 8 步完成了一個周期的動作。2） 自動操作方式步進操作：每按一次啟動按鈕，機械手完成一步動作后自動停止。回原位程序回原位程序如圖 4 所示。當 T0 接通，狀態(tài)轉移到 S22，驅動 Y2 上升，當上升到達最高位， X2接通，狀態(tài)轉移到 S23。在編寫狀態(tài)轉移圖時注意各狀態(tài)元件只能使用一次，但它驅動的線圈，卻可以使用多次，但兩者不能出現(xiàn)在連續(xù)位置上。是用步進順控方式編程。(2)在裝配作業(yè)中應用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機械行業(yè)中它可以用來組裝零部件。本文主要通過氣動機械臂的 PLC 控制來介紹 PLC 的具體應用，讓我們更熟悉 PLC，為今后學習打下基礎。c。輸入輸出變換、物理實現(xiàn)可以說是 PLC 實施控制的兩個基本點，同時物理實現(xiàn)也是 PLC 與普通微機相區(qū)別之處，其需要考慮實際控制的需要，應能排除干擾信號適應于工業(yè)現(xiàn)場，輸出應放大到工業(yè)控制的水平，能為實際控制系統(tǒng)方便使用，所以 PLC 采用了典型的計算機結構，主要是由微處理器（CPU） 、存儲器（RAM/ROM） 、輸入輸出接口（I/O）電路、通信接口及電源組成。存放系統(tǒng)軟件（包括監(jiān)控程序、模塊化應用功能子程序、命令解釋程序、故障診斷程序及其各種管理程序）的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器；存放用戶程序（用戶程序存和數(shù)據(jù)）的存儲器稱為用戶程序存儲器，所以又分為用戶存儲器和數(shù)據(jù)存儲器兩部分。（3）用戶程序存儲區(qū) 氣動機械手關節(jié)結構設計及運動學仿真分析14系統(tǒng)程序存儲區(qū)：在系統(tǒng)程序存儲區(qū)中存放著相當于計算機操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。因此整個 I/O 映象寄存區(qū)可看作兩個部分組成：開關量 I/O 映象寄存區(qū)；模擬量 I/O 映象寄存區(qū)。如下圖就是采用光電耦合器(一般采用反光二極管和光電三極管組成)的開關量輸入接口電路：浙 江 理 工 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )15 輸出接口電路可編程序控制器的輸出有：繼電器輸出(M)、晶體管輸出(T)、晶閘管輸出(SSR)三種輸出形式。FX1S 有 1 點或 4 點一個公共端輸出型，因此各公共端單元可以驅動不同電源電氣動機械手關節(jié)結構設計及運動學仿真分析16壓系統(tǒng)的負載。 PLC 的工作原理由于 PLC 以微處理器為核心，故具有微機的許多特點，但它的工作方式卻與微機有很大不同。在程序浙 江 理 工 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )17執(zhí)行期間即使輸入端狀態(tài)發(fā)生變化，輸入狀態(tài)寄存器的內(nèi)容也不會改變，而這些變化必須等到下一工作周期的輸入刷新階段才能被讀入。掃描周期越長，響應速度越慢。當旋鈕打向回原點時，系統(tǒng)自動地回到左上角位置待命。之后，由于 X7 常閉觸點，當執(zhí)行 CJ 指令時，跳轉到 P1 所指的結束位置。當機械手處于原位時，按啟動 X0 接通，狀態(tài)轉移到 S20，驅動下降 Y0，當?shù)竭_下限位使行程開關 X1 接通，狀態(tài)轉移到S21，而 S20 自動復位。上升到最高位，X2 接通，狀態(tài)轉移到 S27 左移。這三部浙 江 理 工 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )23分程序（又稱為模塊）是圖 3 的操作系統(tǒng)運行的。浙 江 理 工 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )25因為理論知識學的不牢固，在設計遇到了不少問題，如：遺忘以前學過的專業(yè)基礎知識。由于氣動肌肉柔性關節(jié)的研究歷史短、資料少，肌肉本身的動特性還在研究中，因此本課題具有一定的難度，在研究過程中注重靜態(tài)指標的滿足。 Pneumatic manipulator joint。隨著微電子技術、PLC技術、計算機技術、傳感技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展與應用，氣動技術已成為實現(xiàn)現(xiàn)代傳動與控制的關鍵技術之一 [2]。在這種應用中為得到類似生物關節(jié)的良好特性，一般都采用具有類似生物肌肉特性的人工肌肉。傳統(tǒng)觀點認為，由于氣體具有壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實現(xiàn)高精度定位比較困難(尤其在高速情況下，似乎更難想象)。通常如果有三個腳與地面接觸，機器人便能以一種平穩(wěn)浙 江 理 工 大 學 本 科 畢 業(yè) 設 計 (論 文 )3的姿態(tài)行走，六腳中的每一個腳都有三個自由度，一個直線氣缸把腳提起、放下，一個擺動馬達控制腳伸展、退回，另一個擺動馬達則負責圍繞腳的軸心作旋轉運動。機器人用遙控方式進行半自動操作，操作者只需輸入運行的目標距離，然后計算機便能自動計算出必要的單步運行。目前在世界上形成了以日本、美國和歐盟氣動技術、氣動機械手三足鼎立的局面。車身在每個工序的移動；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點焊機焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點焊，都采用了各種特殊功能的氣動機械手。 氣動技術發(fā)展狀況及優(yōu)缺點氣動技術是一門正在蓬勃發(fā)展的新技術，氣動元件是氣動技術中最重要的組成部分，用氣動元件組成的傳動和控制系統(tǒng)己廣泛應用于國民經(jīng)濟各部門的成套設備和自動化生產(chǎn)線上。壓縮空氣沒有生產(chǎn)火花的危險。氣動執(zhí)行元件能長期在滿負荷下工作，在過載時自動停止。而氣動元件更是一種經(jīng)濟實用的機械化、自動化的理想元件。80年代則是集成化、微型化的時代。重復精度比精度更重要，如果一個機器人定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差是可以預測的，因此可以通過編程予以校正。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動機械手的一個重要特點。這個收縮系統(tǒng)由一段被高強纖維包裹的密封橡膠管組成。它相當于接口間可見的那部分肌肉的長度。氣動肌肉在常壓或體積不變的情況下可用作彈簧。驅動第一肩關節(jié)的運動有 2 根氣動肌肉組成，機架臂有 4 根氣動肌肉組成，大臂上安裝有 4 根氣動肌肉，小臂上安裝有 4 根氣動肌肉。 三 維 建 模 的 第 二 肩 關 節(jié) 結 構 如 圖 210b 所 示 。在許多氣動機械手的研究中，采用的驅動器都是電機，為實現(xiàn)肩關節(jié)的3個自由度，結構往往比較復雜 [28,29]。分別是通過中部支撐桿和前部支撐桿維系著這兩個結構，其三維結構圖如圖214所示。腕關節(jié)通過前部支撐桿和肘關節(jié)固定，前端安裝有一個氣爪。圖 31 第一肩關節(jié)的結構簡圖氣動機械手關節(jié)結構設計及運動學仿真分析20假定 CBOEC1 是第一肩關節(jié)開始的運動位置，BDD1E 可繞 O 點旋轉，逆時針旋轉的極限位置是 B1OE1，這時出現(xiàn)死點的現(xiàn)象，即當 CB1O 在同一直線上，連接 BO，B 1O，EO，E1O，C1O。由于 O 點處裝有一根 20mm 的連接?桿，因此取肩部肌肉連接件的寬度為 30mm，即半寬 a=15mm。作 O 點到 CA 的垂線交 CA 的延長線于 F 點。設 AB= a，OB= b，AC=L ,AO=A1O=EO=E1O=R。?計算 BOE 旋轉到 B1OE1 的極限位置，其中氣動肌肉 CB1 250mm，C1E 1?300mm。設 OA= a，AD= d，BD= b，BC=L，BO= B1O= EO= E 1O=R。氣動機械手關節(jié)結構設計及運動學仿真分析18 圖2 16 腕關節(jié)三維結構圖腕關節(jié)設計過程中的一些重要尺寸參數(shù)有X軸，Z軸方向來確定。當不同相鄰的兩根氣動肌肉組成一對時，可以實現(xiàn)繞不同軸的旋轉。由于驅動方式的限制，虎克鉸的應用在機器人中不是很常見。主要零件是肩部連接腕和中部支撐桿。每個關節(jié)的驅動原理都是相同的，即由一對相當于人類拮抗的氣動肌肉相互之間的對抗作用來驅動關節(jié)。在機械設計手的設計過程中，為了簡化設計的模型，使設計過程簡單明了，采用如圖 25 的二維簡化模型。圖 23 長度與張力的關系 氣動肌肉的模型在最簡單的情況下，氣動肌肉用作單作用驅動器，負載不變（如圖 24a） 。當內(nèi)部有壓力時，管道就在球面方向上擴張，因此產(chǎn)生了拉伸力和肌肉縱向的收縮運動。智能閥島的出現(xiàn)對提高模塊化氣動機械手和氣動機器人的性能起到了十分重要的支持作用。隨著微電子技術和現(xiàn)代控制技術的發(fā)展，以及氣動伺服技術走出實驗室和氣動伺服定位系統(tǒng)的成套化。在與計算機、電氣、傳感、通訊等技術相結合的基礎上產(chǎn)生了智能氣動這一概念(氣動比例與伺服、智能閥島、模塊化機械手)。氣動技術由風動技術及液壓技術演變、發(fā)展而成為獨立的技術門類不到50年，卻已經(jīng)充分顯示出它在自動化領域中強大的生命力，成為二十世紀應用最廣、發(fā)展最快，也最容易接收及重視的技術之一，氣動技術己成為各個行業(yè)不可缺少的一部分。調查資料表明，目前氣動裝置在工業(yè)自動化裝備中占很重要的地位。(2)氣動元件機構簡單，價格低廉，用過的空氣可向大氣排放，處理方便，不必使用回收管道。氣動技術的發(fā)展歷程，是從單個元件到控制系統(tǒng)，從單純機械系統(tǒng)到機電一體化的復雜高科技產(chǎn)品的歷程。在彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，在半導體芯片、印刷電路等各種電子產(chǎn)品的裝配流水線上，不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪，還可以看到許多靈巧的真空吸盤將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住，運送到指定目標位置。隨著微電子技術的迅速發(fā)展和機械加工工藝水平的提高及現(xiàn)代控制理論的應用，為研究高性能的氣動機械手奠定了堅實的物質技術基礎。從上述實例可見，氣動機器人己經(jīng)取得了實質性的進展。控制氣缸的閥內(nèi)置在機器人體內(nèi)，由FPC101B可編程控制器控制。氣動技術作為機器人中的驅動功能已經(jīng)被工業(yè)界廣泛接受，對于氣動機器人伺服控制體系的研究起步較晚，但已取得了重要成果，它在工業(yè)自動化領域應用正在受到越來越多的廣泛關注。其基本應用形式大都采用一對氣動肌肉組成關節(jié)的方式。以這種方式來驅動關節(jié)，位置精度可以達到很高，但其剛度往往很大，實現(xiàn)關節(jié)的柔順運動較困難。電氣可編程控制技術與氣動技術相結合，使整個系統(tǒng)自動化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠；氣動機械手、柔性自動生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對氣動技術提出了更多更高的要求；微電子技術的引入，促進了電氣比例伺服技術的發(fā)展。本課題中主要內(nèi)容是：（1）設計氣動機械手關節(jié)結構；（2）關節(jié)結