【文章內(nèi)容簡介】 ，就越能接近人手的動作機(jī)能，通用性就越好；但是自由度越多，結(jié)構(gòu) 就 越復(fù)雜，對機(jī)器人的整體要求就越高，這是機(jī)器人設(shè)計中的一個矛盾。自由度的選擇與生產(chǎn)要求有關(guān)，若批量大，操作可靠性要求高，運(yùn)行速度快，機(jī)器人的自由度數(shù)可少一些； 但是 如果要便于產(chǎn)品更換，增加柔性，機(jī)器人的自由度要多一些。 機(jī)械手臂的工作空間設(shè)計 對于擬人的指揮手臂而言，工作空間應(yīng)盡 量 參考人的運(yùn)動范圍，根據(jù)人的指揮手臂的動作要求 和人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)原理 ，制定機(jī)械手臂的工作空間，這一過程我將應(yīng)用 ADAMS動態(tài)仿真軟件完成，從 而設(shè)計出合理的工作空間。 氣動指揮機(jī)械手臂設(shè)計 5 機(jī)械手臂的工作速度 機(jī)械手的工作速度對于模擬人的指揮是至關(guān)重要的，這一過程 同樣也需要事先用軟件進(jìn)行模擬 ， 從而 才能真正的對機(jī)械手臂的各個關(guān)節(jié) 的 運(yùn)動速度進(jìn)行設(shè)定。 機(jī)械手臂的工作載荷 指揮手臂的工作載荷可以忽略不計， 只要能夠承受自身重量要求即可，所以這里就不再討論了。 機(jī)械手臂的控制方式 由于是要求同時控制 五 個氣缸的運(yùn)動，而且對運(yùn)動的周期還有較高要求，所以我選擇用PLC 進(jìn)行控制。 PLC 有以下特點： (1) 可靠性高 PLC 采用了許多抗干擾措施，如對 CPU 模 塊進(jìn)行電磁屏蔽、在電源和 I/O 模塊中設(shè)置濾波電路等等， 具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 (2) 功能強(qiáng) PLC 不但具有開 關(guān)量控制、模擬量控制、算術(shù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)通信、中斷控制等功能，還能 很方便地進(jìn)行功能及容量的擴(kuò)展。 (3) 編成簡單，使用方便 PLC 提供了多種面向用戶的編成語言，常用的有梯形圖、指令語句等，其中梯形圖語言與繼電器控制系統(tǒng)的電氣原理圖類似，很容易掌握。 (4) 體積小，結(jié)構(gòu)緊湊 由于應(yīng)用了 現(xiàn)代 集成電路，使其結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，很容易裝在機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，因而成為機(jī)電一體化產(chǎn)品及工業(yè)自動控制的主要控制設(shè)備。 機(jī)械手臂的驅(qū)動方式 這里根據(jù)設(shè)計要求采用氣壓 驅(qū)動方式。與氣壓驅(qū)動相近還有液壓驅(qū)動，氣壓傳動與液壓傳動相比，氣壓驅(qū)動有如下特點： (1) 壓縮空氣黏度小， 比較 容易達(dá)到高速（ 1m/s）； (2) 可 用工廠集中的空氣壓縮機(jī)站供氣，不必添加動力設(shè)備； (3) 空氣介質(zhì)對環(huán)境無污染，使用安全，可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)； (4) 氣動元件工作壓力低，故制造成本 也比液壓元件低； (5) 不足之處是，壓縮空氣常用壓力為 ~，若要獲得較大的力，其 外型 結(jié)構(gòu)就要相對增大； (6) 空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性 較 差，速度控制困難，要達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制比較 困難； (7) 壓縮空氣的 水分 問題是一個很重要的問題，處理不當(dāng)會使剛類零件生銹，導(dǎo)致機(jī)器人失靈。此外，排氣還會造成噪聲污染。 綜合所述，可以選用氣壓驅(qū)動這種驅(qū)動方式。 氣動指揮機(jī)械手臂設(shè)計 6 機(jī)械手臂的精度、重復(fù)精度和分辨率 因為是模擬人的指揮動作，所以對精度要求并不高， 但是需要重復(fù)的運(yùn)動 ，因為重復(fù)的精度越高，指揮動作的可重復(fù) 次數(shù)也就越多，所以要求還是要盡可能的提高重復(fù)精度。因為選擇了氣壓 這種驅(qū)動方式，所以機(jī)械手臂的分辨率不會高，但模擬指揮同樣也不需要高的分辨率，所以這點也不會造 成影響。 氣動指揮機(jī)械手臂設(shè)計 7 3 機(jī)械手臂的模擬仿真運(yùn)動 ADAMS 仿真軟件功能簡介 ADAMS 是專門用于機(jī)械產(chǎn)品虛擬樣機(jī) 運(yùn)動模擬 的工具，通過虛擬實驗和測試，在產(chǎn)品開發(fā)階段就可以幫助設(shè)計者發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，并提出改進(jìn)的方法。 ADAMS 研究復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)關(guān)系 和動力學(xué)關(guān)系，它以計算多體系統(tǒng)動力學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合高速計算機(jī) 對產(chǎn)品進(jìn)行仿真計算，得到各種試驗數(shù)據(jù)，幫助設(shè)計者發(fā)現(xiàn)問題和 解決問題。 應(yīng)用 UG 建立實體模型 并導(dǎo)入 ADAMS 在建立模型階段，先以一定的比例關(guān) 系 在 UG 中 建立 零件 模型， 然后裝配成整體 ， 通過parasolid 格式導(dǎo)入 ADAMS， 并在其中 添加 約束和 運(yùn)動副，最后是 在 驅(qū)動部分添加 驅(qū)動 ，從而完成整個實體模型的建立。在模型的建立完成后，對各驅(qū)動的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，并選擇最佳方案。 運(yùn)動過程仿真 由于對音樂指揮這一運(yùn)動過程無法進(jìn)行各個運(yùn)動參數(shù)的設(shè)定，所以必須首先進(jìn)行模擬運(yùn)動，從中記錄下各運(yùn)動 的 相關(guān)信息。如圖（ 3— 1）所示，在用軟件進(jìn)行模擬的過程中，可以通過改變各氣缸的運(yùn)動方程來調(diào)節(jié)各部分的運(yùn)動，用改變調(diào)節(jié)運(yùn)動選項中 STEP SIZE和 END TIME 的方法 調(diào)整 整體 運(yùn)動的速度 和仿真運(yùn)動的時間 ，從而配合每種不同速度的音樂。通過該軟件還可以容易的繪制出指揮棒末端的軌跡，并對各轉(zhuǎn)動副之間的相對位移、速度、加速度等 相關(guān) 物理量進(jìn)行測量。 氣動指揮機(jī)械手臂設(shè)計 8 圖 3— 1 仿真模型 首先通過前期設(shè)計要求做出模型，然后對各個部分的驅(qū)動 參數(shù) 進(jìn)行修改，從而讓整體運(yùn)動狀態(tài)模擬人的指揮動作（其中黑色空間曲線為指揮棒末端所畫出的軌跡）。機(jī)械手臂的運(yùn)動過程如圖（ 3— 2）所示。同時可以通過數(shù)據(jù)分析采集計算出 個 氣缸所需行程及速度和耗氣量。 氣動指揮機(jī)械手臂設(shè)計 9 氣動指揮機(jī)械手臂設(shè)計 10 圖 3— 2 仿真運(yùn)動過程 通過 ADAMS 軟件的后處理功能，對手臂的運(yùn)動 仿真 過程 進(jìn)行錄制，生成一個循環(huán) 動作視頻， 再 經(jīng)后期的視頻剪輯處理， 并 添加 背景 音樂效果，最終生成一個指揮 機(jī)械手臂。 氣動指揮機(jī)械手臂設(shè)計 11 運(yùn)動仿真參數(shù)分析 在對某一數(shù)據(jù)采集后，進(jìn)入 PostProcess 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如圖（ 3— 3） ~圖（ 3— 10）所示。 圖 3— 3 A 缸角度隨時間變化曲線 根據(jù)圖（ 3— 3）曲線可以得出， A 的角度幅值 為 ，其控制部分為 肩部的轉(zhuǎn)動 。 圖 3— 4 A 缸 角 速度曲線 A 的 角 速度是 肩 部的旋轉(zhuǎn) 速度 。 因為在實際的操作過程中無法輸出正弦信號，所以這里只對氣缸作近似計算，選其 有效值 作為參照標(biāo)準(zhǔn)，從圖（ 3— 4）中的曲線可以得出其 有效 速度是 。 氣動指揮機(jī)械手臂設(shè)計 12 圖 3— 5 B 缸位移曲線 根據(jù)圖（ 3— 5）中曲線可以得出， B 的幅值 41mm，其控制部分為 大臂 部 位 的旋轉(zhuǎn)。 圖 3— 6 B 缸速度曲線 B 的速度是 大臂 部的旋轉(zhuǎn) 速度 。 根據(jù)圖（ 3— 6）中的曲線可以得出其 有效 速度是 。 氣動指揮機(jī)械手臂設(shè)計 13 圖 3— 7 C 缸位移曲線 根據(jù)圖（ 3— 7）中曲線可以得出， C 的幅值 41mm，其控制部分為 肘部 的旋轉(zhuǎn)。 圖 3— 8 C 缸速度曲線 C 的速度 是 肘部 的旋轉(zhuǎn) 速度 。 根據(jù)圖（ 3— 8）中的曲線可以得出其 有效 速度是 。 氣動指揮機(jī)械手臂設(shè)計 14 圖 3— 9 D 缸隨時間的角度變化曲線 根據(jù)圖（ 3— 9）中曲線可以得出， D 的轉(zhuǎn)動角度幅值 57deg，其控制部分為 手腕 的轉(zhuǎn)動。 圖 3— 10 D 缸 角 速度曲線 D 的轉(zhuǎn)動角速度是 手腕 的轉(zhuǎn)動 速度 。 根據(jù)圖（ 3— 10）中的曲線可以得出其 有效 角速度是 。 氣動指揮機(jī)械手臂設(shè)計 15 圖 3— 11 E 缸位移曲線 根據(jù)圖（ 3— 11）中的曲線可以得出， E 缸的幅值為 32mm，其控制部分為手掌的擺動 。 圖 3— 12 E 缸速度曲線 E 缸的速度為手掌的擺動速度。 根據(jù)圖（ 3— 12）中的曲線可以得出， E 缸的 有效 速度為 。 然后 通過軟件對指揮棒末端的位移、速度、加速度隨時間的變化曲線進(jìn)行繪制，從而大體了解其運(yùn)動規(guī)律。如圖（ 3— 13） ~圖（ 3— 15）所示。 氣動指揮機(jī)械手臂設(shè)計 16 圖 3— 13 指揮棒末端位移隨時間的曲線 圖 3— 14 指揮棒末端速度隨時間的曲線 氣動指揮機(jī)械手臂設(shè)計 17 圖 3— 15 指揮棒末端加速度隨時間的曲線 通過 以上各組 數(shù)據(jù)可以計算出氣缸所需行程。同時通過對運(yùn)動的模擬，初步得到相關(guān)數(shù)據(jù)，這 為 接下來 氣缸的 選擇和 PLC 程序編制 奠定 了 基礎(chǔ)。 氣動指揮機(jī)械手臂設(shè)計 18 4 氣動回路設(shè)計 通過對運(yùn)動狀態(tài)的模擬設(shè)計相應(yīng)的氣動回路 因為在這個氣動系統(tǒng)中控制部分由 PLC 來完成，所以該氣動系統(tǒng)只由氣壓傳動部分組成。在整個系統(tǒng)中 PLC 只是單純的控制氣缸運(yùn)動的周期，無法對氣缸的運(yùn)動速度和行程進(jìn)行控制，所以在氣動部分，要使用調(diào)速閥和壓力表，對氣缸和馬達(dá)運(yùn)動加以控制調(diào)節(jié)。進(jìn)氣和出氣口下分別接入了調(diào)速閥， 以便 調(diào)節(jié)氣缸往復(fù)運(yùn)動時的速度。同時在三位五通電磁換向閥下又接了一個安全閥和減壓閥，其中安全閥可以保證氣壓傳動系統(tǒng)安全，而減壓閥則可 以調(diào)節(jié)輸入壓力，并使輸入的氣流更加平穩(wěn)。各氣缸所對應(yīng)的運(yùn)動部分是： A 缸對應(yīng)的是 O1 處的轉(zhuǎn)動。 B 缸對應(yīng)的是 O2 處的運(yùn)動。 C 缸對應(yīng)的是 O3 處的運(yùn)動。 D 缸對應(yīng)的是 O4 處的 轉(zhuǎn) 動。 E 缸對應(yīng)的是 O5 處的運(yùn)動 根據(jù)模擬結(jié)果繪制氣動系統(tǒng)的邏輯原理圖和氣動回路圖，如圖（ 4— 1）和圖（ 4— 2）。 圖 4— 1 邏輯原理圖 以 B 缸為例，在得到啟動信號 q 以后， B 的氣缸活塞桿伸出，在經(jīng)過 后縮回，同樣在經(jīng)過 后，氣缸活塞桿再次伸出，如此循環(huán)運(yùn)動。 氣動指揮機(jī)械手臂設(shè)計 19 圖 4— 2 氣動回路圖 1氣壓發(fā)生裝置 2氣罐 3過濾器 4減壓閥 5油霧器 6壓力表 對氣壓傳動系統(tǒng)的分析 氣源的處理 首先由氣壓發(fā)生裝置產(chǎn)生的氣體進(jìn)入儲氣罐，通過儲氣罐可以調(diào)節(jié)氣流，減少輸出氣流的壓力脈動，使輸出氣流具有流 動 連續(xù)和氣壓穩(wěn)定的性能，同時它還可以作為應(yīng)急氣源使用。也能分離部分油污和水分。接下來壓縮空氣進(jìn)