【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，就越能接近人手的動(dòng)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(duì)機(jī)器人的整體要求就越高，這是機(jī)器人設(shè)計(jì)中的一個(gè)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(jì) 對(duì)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(dòng)范圍，根據(jù)人的指揮手臂的動(dòng)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(guò)程我將應(yīng)用 ADAMS動(dòng)態(tài)仿真軟件完成，從 而設(shè)計(jì)出合理的工作空間。 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 5 機(jī)械手臂的工作速度 機(jī)械手的工作速度對(duì)于模擬人的指揮是至關(guān)重要的，這一過(guò)程 同樣也需要事先用軟件進(jìn)行模擬 ， 從而 才能真正的對(duì)機(jī)械手臂的各個(gè)關(guān)節(jié) 的 運(yùn)動(dòng)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(jì)， 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(shí)控制 五 個(gè)氣缸的運(yùn)動(dòng)，而且對(duì)運(yùn)動(dòng)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(diǎn)： (1) 可靠性高 PLC 采用了許多抗干擾措施，如對(duì) 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(jiǎn)單，使用方便 PLC 提供了多種面向用戶的編成語(yǔ)言，常用的有梯形圖、指令語(yǔ)句等，其中梯形圖語(yǔ)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(dòng)控制的主要控制設(shè)備。 機(jī)械手臂的驅(qū)動(dòng)方式 這里根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用氣壓 驅(qū)動(dòng)方式。與氣壓驅(qū)動(dòng)相近還有液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓傳動(dòng)與液壓傳動(dòng)相比，氣壓驅(qū)動(dòng)有如下特點(diǎn)： (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(dòng)力設(shè)備； (3) 空氣介質(zhì)對(duì)環(huán)境無(wú)污染，使用安全，可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)； (4) 氣動(dòng)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(duì)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(wèn)題是一個(gè)很重要的問(wèn)題，處理不當(dāng)會(huì)使剛類零件生銹，導(dǎo)致機(jī)器人失靈。此外，排氣還會(huì)造成噪聲污染。 綜合所述，可以選用氣壓驅(qū)動(dòng)這種驅(qū)動(dòng)方式。 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 6 機(jī)械手臂的精度、重復(fù)精度和分辨率 因?yàn)槭悄M人的指揮動(dòng)作，所以對(duì)精度要求并不高， 但是需要重復(fù)的運(yùn)動(dòng) ，因?yàn)橹貜?fù)的精度越高，指揮動(dòng)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?yàn)檫x擇了氣壓 這種驅(qū)動(dòng)方式，所以機(jī)械手臂的分辨率不會(huì)高，但模擬指揮同樣也不需要高的分辨率，所以這點(diǎn)也不會(huì)造 成影響。 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 7 3 機(jī)械手臂的模擬仿真運(yùn)動(dòng) ADAMS 仿真軟件功能簡(jiǎn)介 ADAMS 是專門用于機(jī)械產(chǎn)品虛擬樣機(jī) 運(yùn)動(dòng)模擬 的工具，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，在產(chǎn)品開發(fā)階段就可以幫助設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，并提出改進(jìn)的方法。 ADAMS 研究復(fù)雜系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系 和動(dòng)力學(xué)關(guān)系，它以計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為理論基礎(chǔ)，結(jié)合高速計(jì)算機(jī) 對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行仿真計(jì)算，得到各種試驗(yàn)數(shù)據(jù)，幫助設(shè)計(jì)者發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和 解決問(wèn)題。 應(yīng)用 UG 建立實(shí)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(guò)parasolid 格式導(dǎo)入 ADAMS， 并在其中 添加 約束和 運(yùn)動(dòng)副，最后是 在 驅(qū)動(dòng)部分添加 驅(qū)動(dòng) ，從而完成整個(gè)實(shí)體模型的建立。在模型的建立完成后，對(duì)各驅(qū)動(dòng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，并選擇最佳方案。 運(yùn)動(dòng)過(guò)程仿真 由于對(duì)音樂(lè)指揮這一運(yùn)動(dòng)過(guò)程無(wú)法進(jìn)行各個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的設(shè)定，所以必須首先進(jìn)行模擬運(yùn)動(dòng)，從中記錄下各運(yùn)動(dòng) 的 相關(guān)信息。如圖（ 3— 1）所示，在用軟件進(jìn)行模擬的過(guò)程中，可以通過(guò)改變各氣缸的運(yùn)動(dòng)方程來(lái)調(diào)節(jié)各部分的運(yùn)動(dòng)，用改變調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)選項(xiàng)中 STEP SIZE和 END TIME 的方法 調(diào)整 整體 運(yùn)動(dòng)的速度 和仿真運(yùn)動(dòng)的時(shí)間 ，從而配合每種不同速度的音樂(lè)。通過(guò)該軟件還可以容易的繪制出指揮棒末端的軌跡，并對(duì)各轉(zhuǎn)動(dòng)副之間的相對(duì)位移、速度、加速度等 相關(guān) 物理量進(jìn)行測(cè)量。 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 8 圖 3— 1 仿真模型 首先通過(guò)前期設(shè)計(jì)要求做出模型，然后對(duì)各個(gè)部分的驅(qū)動(dòng) 參數(shù) 進(jìn)行修改，從而讓整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬人的指揮動(dòng)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(dòng)過(guò)程如圖（ 3— 2）所示。同時(shí)可以通過(guò)數(shù)據(jù)分析采集計(jì)算出 個(gè) 氣缸所需行程及速度和耗氣量。 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 9 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 10 圖 3— 2 仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程 通過(guò) ADAMS 軟件的后處理功能，對(duì)手臂的運(yùn)動(dòng) 仿真 過(guò)程 進(jìn)行錄制，生成一個(gè)循環(huán) 動(dòng)作視頻， 再 經(jīng)后期的視頻剪輯處理， 并 添加 背景 音樂(lè)效果，最終生成一個(gè)指揮 機(jī)械手臂。 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 11 運(yùn)動(dòng)仿真參數(shù)分析 在對(duì)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(shí)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(dòng) 。 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?yàn)樵趯?shí)際的操作過(guò)程中無(wú)法輸出正弦信號(hào)，所以這里只對(duì)氣缸作近似計(jì)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(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 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(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 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(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 14 圖 3— 9 D 缸隨時(shí)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(dòng)角度幅值 57deg，其控制部分為 手腕 的轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 3— 10 D 缸 角 速度曲線 D 的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度是 手腕 的轉(zhuǎn)動(dòng) 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(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 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(dòng) 。 圖 3— 12 E 缸速度曲線 E 缸的速度為手掌的擺動(dòng)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(guò)軟件對(duì)指揮棒末端的位移、速度、加速度隨時(shí)間的變化曲線進(jìn)行繪制，從而大體了解其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。如圖（ 3— 13） ~圖（ 3— 15）所示。 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 16 圖 3— 13 指揮棒末端位移隨時(shí)間的曲線 圖 3— 14 指揮棒末端速度隨時(shí)間的曲線 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 17 圖 3— 15 指揮棒末端加速度隨時(shí)間的曲線 通過(guò) 以上各組 數(shù)據(jù)可以計(jì)算出氣缸所需行程。同時(shí)通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)的模擬，初步得到相關(guān)數(shù)據(jù)，這 為 接下來(lái) 氣缸的 選擇和 PLC 程序編制 奠定 了 基礎(chǔ)。 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 18 4 氣動(dòng)回路設(shè)計(jì) 通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的模擬設(shè)計(jì)相應(yīng)的氣動(dòng)回路 因?yàn)樵谶@個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)中控制部分由 PLC 來(lái)完成，所以該氣動(dòng)系統(tǒng)只由氣壓傳動(dòng)部分組成。在整個(gè)系統(tǒng)中 PLC 只是單純的控制氣缸運(yùn)動(dòng)的周期，無(wú)法對(duì)氣缸的運(yùn)動(dòng)速度和行程進(jìn)行控制，所以在氣動(dòng)部分，要使用調(diào)速閥和壓力表，對(duì)氣缸和馬達(dá)運(yùn)動(dòng)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(dòng)時(shí)的速度。同時(shí)在三位五通電磁換向閥下又接了一個(gè)安全閥和減壓閥，其中安全閥可以保證氣壓傳動(dòng)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(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)部分是： A 缸對(duì)應(yīng)的是 O1 處的轉(zhuǎn)動(dòng)。 B 缸對(duì)應(yīng)的是 O2 處的運(yùn)動(dòng)。 C 缸對(duì)應(yīng)的是 O3 處的運(yùn)動(dòng)。 D 缸對(duì)應(yīng)的是 O4 處的 轉(zhuǎn) 動(dòng)。 E 缸對(duì)應(yīng)的是 O5 處的運(yùn)動(dòng) 根據(jù)模擬結(jié)果繪制氣動(dòng)系統(tǒng)的邏輯原理圖和氣動(dòng)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(dòng)信號(hào) q 以后， B 的氣缸活塞桿伸出，在經(jīng)過(guò) 后縮回，同樣在經(jīng)過(guò) 后，氣缸活塞桿再次伸出，如此循環(huán)運(yùn)動(dòng)。 氣動(dòng)指揮機(jī)械手臂設(shè)計(jì) 19 圖 4— 2 氣動(dòng)回路圖 1氣壓發(fā)生裝置 2氣罐 3過(guò)濾器 4減壓閥 5油霧器 6壓力表 對(duì)氣壓傳動(dòng)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(chǔ)氣罐，通過(guò)儲(chǔ)氣罐可以調(diào)節(jié)氣流，減少輸出氣流的壓力脈動(dòng)，使輸出氣流具有流 動(dòng) 連續(xù)和氣壓穩(wěn)定的性能，同時(shí)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(lái)壓縮空氣進(jìn)