【正文】 任意位置都能自動定位。目前模仿生物關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式在仿生機(jī)器人中得到越來越多的應(yīng)用。從20世紀(jì)80年代中期開始,氣動元件產(chǎn)值的年遞增率達(dá)20％以上，高于中國機(jī)械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率。 Structural design。本課題重點(diǎn)在于氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)和其可行性分析。氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動學(xué)仿真分析24 指令語句表實(shí)踐心得機(jī)械手的 PLC 控制課程設(shè)計(jì)通過了 1 周的課程設(shè)計(jì)使我對機(jī)械設(shè)計(jì)過程有進(jìn)一步了解，對機(jī)電產(chǎn)品的有關(guān)的控制知識有了深刻的認(rèn)識。從第 67 行到第 129 行為自動操作程序。延時(shí)時(shí)間到，T1 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 S26 上升。 自動操作程序自動操作狀態(tài)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)（CJ 為一跳轉(zhuǎn)指令，如果 CJ 驅(qū)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(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)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(dǎo)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(qiáng)的自保護(hù)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(qū)動負(fù)載。這也是其 I/O 設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)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(qiáng)電干擾進(jìn)入。一個(gè)開關(guān)量 I/O 占用存儲單元中的一個(gè)位，一個(gè)模擬量 I/O 占用存儲單元中的一個(gè)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(gè)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(shè)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(jié)構(gòu) PLC可編程序控制器實(shí)施控制，其實(shí)質(zhì)就是按一定算法進(jìn)行輸入輸出變換，并將這個(gè)變換與以物理實(shí)現(xiàn)。但編程要比計(jì)算機(jī)簡單易學(xué)、操作方便。目前 PLC 已經(jīng)在智能化、網(wǎng)絡(luò)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(lǐng)域無限的發(fā)展前景。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(xiǎn)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)，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，例如：浙 江 理 工 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )9(1)機(jī)床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機(jī)床上使用較為普遍?；卦怀绦蚝妥詣硬僮鞒绦?。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(qū)動 Y1 置位，延時(shí) 1 秒，以使電磁力達(dá)到最大夾氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動學(xué)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(shí)跳過手動程序，直接執(zhí)行自動程序。當(dāng)選擇夾緊/放松運(yùn)動時(shí)，分別由夾緊 /放松按鈕控制。左移到位時(shí)，碰到左限位開關(guān)，左移電磁閥斷電，停止左移。上升到位時(shí)，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，停止上升。只有當(dāng)上升電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手上升；當(dāng)上升電磁閥斷電時(shí)，機(jī)械手停止上升。當(dāng)旋鈕打向自動時(shí)，系統(tǒng)自動完成各工步操作，且循環(huán)動作。當(dāng)旋鈕打向手動時(shí)，每一工步都要按下該工步按鈕才能實(shí)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(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動學(xué)仿真分析2制。④同時(shí)接通右移電磁閥，機(jī)械手右移。至此，機(jī)械手經(jīng)過 8 步完成了一個(gè)周期的動作。2） 自動操作方式步進(jìn)操作：每按一次啟動按鈕，機(jī)械手完成一步動作后自動停止?；卦怀绦蚧卦怀绦蛉鐖D 4 所示。當(dāng) T0 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 S22，驅(qū)動 Y2 上升，當(dāng)上升到達(dá)最高位， X2接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 S23。在編寫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖時(shí)注意各狀態(tài)元件只能使用一次，但它驅(qū)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(jìn)順控方式編程。(2)在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機(jī)械行業(yè)中它可以用來組裝零部件。本文主要通過氣動機(jī)械臂的 PLC 控制來介紹 PLC 的具體應(yīng)用，讓我們更熟悉 PLC，為今后學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。c。輸入輸出變換、物理實(shí)現(xiàn)可以說是 PLC 實(shí)施控制的兩個(gè)基本點(diǎn)，同時(shí)物理實(shí)現(xiàn)也是 PLC 與普通微機(jī)相區(qū)別之處，其需要考慮實(shí)際控制的需要，應(yīng)能排除干擾信號適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場，輸出應(yīng)放大到工業(yè)控制的水平，能為實(shí)際控制系統(tǒng)方便使用，所以 PLC 采用了典型的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)，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(yīng)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(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動學(xué)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(dāng)于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)程序。因此整個(gè) I/O 映象寄存區(qū)可看作兩個(gè)部分組成：開關(guān)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(guān)量輸入接口電路：浙 江 理 工 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (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(diǎn)或 4 點(diǎn)一個(gè)公共端輸出型，因此各公共端單元可以驅(qū)動不同電源電氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動學(xué)仿真分析16壓系統(tǒng)的負(fù)載。 PLC 的工作原理由于 PLC 以微處理器為核心，故具有微機(jī)的許多特點(diǎn)，但它的工作方式卻與微機(jī)有很大不同。在程序浙 江 理 工 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (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(yīng)速度越慢。當(dāng)旋鈕打向回原點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)自動地回到左上角位置待命。之后，由于 X7 常閉觸點(diǎn)，當(dāng)執(zhí)行 CJ 指令時(shí)，跳轉(zhuǎn)到 P1 所指的結(jié)束位置。當(dāng)機(jī)械手處于原位時(shí)，按啟動 X0 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 S20，驅(qū)動下降 Y0，當(dāng)?shù)竭_(dá)下限位使行程開關(guān) X1 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S21，而 S20 自動復(fù)位。上升到最高位，X2 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 S27 左移。這三部浙 江 理 工 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )23分程序（又稱為模塊）是圖 3 的操作系統(tǒng)運(yùn)行的。浙 江 理 工 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )25因?yàn)槔碚撝R學(xué)的不牢固，在設(shè)計(jì)遇到了不少問題，如：遺忘以前學(xué)過的專業(yè)基礎(chǔ)知識。由于氣動肌肉柔性關(guān)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(biāo)的滿足。 Pneumatic manipulator joint。隨著微電子技術(shù)、PLC技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，氣動技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代傳動與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一 [2]。在這種應(yīng)用中為得到類似生物關(guān)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(diǎn)認(rèn)為，由于氣體具有壓縮性，因此，在氣動伺服系統(tǒng)中要實(shí)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(gè)腳與地面接觸，機(jī)器人便能以一種平穩(wěn)浙 江 理 工 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )3的姿態(tài)行走，六腳中的每一個(gè)腳都有三個(gè)自由度，一個(gè)直線氣缸把腳提起、放下，一個(gè)擺動馬達(dá)控制腳伸展、退回，另一個(gè)擺動馬達(dá)則負(fù)責(zé)圍繞腳的軸心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。機(jī)器人用遙控方式進(jìn)行半自動操作，操作者只需輸入運(yùn)行的目標(biāo)距離，然后計(jì)算機(jī)便能自動計(jì)算出必要的單步運(yùn)行。目前在世界上形成了以日本、美國和歐盟氣動技術(shù)、氣動機(jī)械手三足鼎立的局面。車身在每個(gè)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(diǎn)焊機(jī)焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點(diǎn)焊，都采用了各種特殊功能的氣動機(jī)械手。 氣動技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r及優(yōu)缺點(diǎn)氣動技術(shù)是一門正在蓬勃發(fā)展的新技術(shù)，氣動元件是氣動技術(shù)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(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各部門的成套設(shè)備和自動化生產(chǎn)線上。壓縮空氣沒有生產(chǎn)火花的危險(xiǎn)。氣動執(zhí)行元件能長期在滿負(fù)荷下工作，在過載時(shí)自動停止。而氣動元件更是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的機(jī)械化、自動化的理想元件。80年代則是集成化、微型化的時(shí)代。重復(fù)精度比精度更重要，如果一個(gè)機(jī)器人定位不夠精確，通常會顯示一個(gè)固定的誤差，這個(gè)誤差是可以預(yù)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(jī)械手的一個(gè)重要特點(diǎn)。這個(gè)收縮系統(tǒng)由一段被高強(qiáng)纖維包裹的密封橡膠管組成。它相當(dāng)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(qū)動第一肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動有 2 根氣動肌肉組成，機(jī)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(guān) 節(jié) 結(jié) 構(gòu) 如 圖 210b 所 示 。在許多氣動機(jī)械手的研究中，采用的驅(qū)動器都是電機(jī)，為實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的3個(gè)自由度，結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)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(gè)結(jié)構(gòu)，其三維結(jié)構(gòu)圖如圖214所示。腕關(guān)節(jié)通過前部支撐桿和肘關(guān)節(jié)固定，前端安裝有一個(gè)氣爪。圖 31 第一肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動學(xué)仿真分析20假定 CBOEC1 是第一肩關(guān)節(jié)開始的運(yùn)動位置，BDD1E 可繞 O 點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的極限位置是 B1OE1，這時(shí)出現(xiàn)死點(diǎn)的現(xiàn)象，即當(dāng) CB1O 在同一直線上，連接 BO，B 1O，EO，E1O，C1O。由于 O 點(diǎn)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(diǎn)到 CA 的垂線交 CA 的延長線于 F 點(diǎn)。設(shè) AB= a，OB= b，AC=L ,AO=A1O=EO=E1O=R。?計(jì)算 BOE 旋轉(zhuǎn)到 B1OE1 的極限位置，其中氣動肌肉 CB1 250mm，C1E 1?300mm。設(shè) OA= a，AD= d，BD= b，BC=L，BO= B1O= EO= E 1O=R。氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動學(xué)仿真分析18 圖2 16 腕關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖腕關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)過程中的一些重要尺寸參數(shù)有X軸，Z軸方向來確定。當(dāng)不同相鄰的兩根氣動肌肉組成一對時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)繞不同軸的旋轉(zhuǎn)。由于驅(qū)動方式的限制，虎克鉸的應(yīng)用在機(jī)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(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動原理都是相同的，即由一對相當(dāng)于人類拮抗的氣動肌肉相互之間的對抗作用來驅(qū)動關(guān)節(jié)。在機(jī)械設(shè)計(jì)手的設(shè)計(jì)過程中，為了簡化設(shè)計(jì)的模型，使設(shè)計(jì)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(guān)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(qū)動器，負(fù)載不變（如圖 24a） 。當(dāng)內(nèi)部有壓力時(shí)，管道就在球面方向上擴(kuò)張，因此產(chǎn)生了拉伸力和肌肉縱向的收縮運(yùn)動。智能閥島的出現(xiàn)對提高模塊化氣動機(jī)械手和氣動機(jī)器人的性能起到了十分重要的支持作用。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，以及氣動伺服技術(shù)走出實(shí)驗(yàn)室和氣動伺服定位系統(tǒng)的成套化。在與計(jì)算機(jī)、電氣、傳感、通訊等技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)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(jī)械手)。氣動技術(shù)由風(fēng)動技術(shù)及液壓技術(shù)演變、發(fā)展而成為獨(dú)立的技術(shù)門類不到50年，卻已經(jīng)充分顯示出它在自動化領(lǐng)域中強(qiáng)大的生命力，成為二十世紀(jì)應(yīng)用最廣、發(fā)展最快，也最容易接收及重視的技術(shù)之一，氣動技術(shù)己成為各個(gè)行業(yè)不可缺少的一部分。調(diào)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(jī)構(gòu)簡單，價(jià)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(shù)的發(fā)展歷程，是從單個(gè)元件到控制系統(tǒng)，從單純機(jī)械系統(tǒng)到機(jī)電一體化的復(fù)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(dǎo)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(yùn)送到指定目標(biāo)位置。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和機(jī)械加工工藝水平的提高及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為研究高性能的氣動機(jī)械手奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。從上述實(shí)例可見，氣動機(jī)器人己經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展?？刂茪飧椎拈y內(nèi)置在機(jī)器人體內(nèi)，由FPC101B可編程控制器控制。氣動技術(shù)作為機(jī)器人中的驅(qū)動功能已經(jīng)被工業(yè)界廣泛接受，對于氣動機(jī)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(lǐng)域應(yīng)用正在受到越來越多的廣泛關(guān)注。其基本應(yīng)用形式大都采用一對氣動肌肉組成關(guān)節(jié)的方式。以這種方式來驅(qū)動關(guān)節(jié)，位置精度可以達(dá)到很高，但其剛度往往很大，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的柔順運(yùn)動較困難。電氣可編程控制技術(shù)與氣動技術(shù)相結(jié)合，使整個(gè)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(jī)械手、柔性自動生產(chǎn)線的迅速發(fā)展，對氣動技術(shù)提出了更多更高的要求；微電子技術(shù)的引入，促進(jìn)了電氣比例伺服技術(shù)的發(fā)展。本課題中主要內(nèi)容是：（1）設(shè)計(jì)氣動機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)；（2）關(guān)節(jié)結(jié)