【文章內(nèi)容簡介】 驅(qū)動(dòng) 傳動(dòng)裝置包括驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分，它們通常與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連 成一體。傳動(dòng)裝置常用的有諧波減速器、滾珠絲杠、鏈、帶以及各種齒輪系。驅(qū)動(dòng)器通常有電機(jī)（直流伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、交流伺服電機(jī)）、液壓或氣動(dòng)裝置，目前使用最多的是交流伺服電機(jī)。 控制系統(tǒng)一般有控制計(jì)算機(jī)和伺 服控制器組成。 控制系統(tǒng)有兩種方式。一種是集中式控制，即 機(jī)械手 的全部控制由一臺(tái)微型計(jì)算機(jī)完成 。另一種是分散（級）式控制，即采用多臺(tái)微機(jī)來分擔(dān)機(jī)器人的控制，如當(dāng)采用上、下兩級微機(jī)共同完成機(jī)器人的控制時(shí)，主機(jī)常用于負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理、通訊、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算，并向下級微機(jī)發(fā)送指令信息；作為下級從機(jī)，各關(guān)節(jié)分別對應(yīng)一個(gè) CPU，進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算和伺服控制處理，實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng)，并向主機(jī)反饋信息。根據(jù)作業(yè)任務(wù)要求的不同，機(jī)械手 的控制方式又可分為點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制和力（力矩）控制。 智能系統(tǒng)是目前 機(jī)械手 系統(tǒng)中一個(gè)不夠完善但發(fā)展很快的子系統(tǒng)。它可分為兩個(gè)部分：感知系統(tǒng)和分析 決策智能系統(tǒng)。前者主要靠硬件（各種傳感器） 實(shí)現(xiàn) 。后者主要靠軟件（如專家系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)。 應(yīng)用機(jī)械手的意義 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手也越來越多的地被應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機(jī)械加工、裝配、檢驗(yàn)、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實(shí)理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。 在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下： 一、以提高生產(chǎn)過程中的自動(dòng)化程度 應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配 12 等的自動(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。 二、以改善勞動(dòng)條件，避免人身事故 在高溫、 高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。 在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn) 應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都沒有機(jī) 械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。 綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢。 13 2 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案和氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì) 本課題是 一個(gè) 用于傳送帶上輕型平動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)主要任務(wù)是完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)，以及 氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)。在本章中對機(jī)械手的坐 標(biāo)形式、自由度、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行 了確定。因此，在機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù) 。 機(jī)械手的 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃 機(jī)械手 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃包括序列規(guī)劃 (又可稱為全局路徑規(guī)劃 )，路徑規(guī)劃和 軌跡規(guī)劃3 個(gè)部分。序列規(guī)劃是指在一個(gè)特定的工作區(qū)域中自動(dòng)生成一個(gè)從起始作業(yè)點(diǎn)開始，經(jīng)過一系列作業(yè)點(diǎn)。再回到起始點(diǎn)的最優(yōu)工作序列；路徑規(guī)劃是指在相鄰序列點(diǎn)之間通過一定的算法搜索一條無碰撞的 機(jī)械手 運(yùn)動(dòng)路徑；軌跡規(guī)劃是指通過插補(bǔ)函數(shù)獲得路徑上的插補(bǔ)點(diǎn)，再通過求解運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)空間 (若插補(bǔ)在關(guān)節(jié)空間進(jìn)行則無需轉(zhuǎn)換 )，形成各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡。 序列規(guī)劃為 機(jī)械手 的所有作業(yè)點(diǎn)生成一個(gè)最優(yōu)的工作序列。作業(yè)點(diǎn)是 機(jī)械手 為完成工作所必須達(dá)到的位置和姿態(tài)。 機(jī)械手 的一次作業(yè)任務(wù)往往有幾十個(gè)到上百個(gè)作業(yè)點(diǎn)，這些作業(yè)點(diǎn)的加工次序通常是任意的，或者僅僅存在局部的限制 (即某幾個(gè)作業(yè)點(diǎn)之間存在著固定的前后關(guān)系 )，序列規(guī)劃的目標(biāo)就是通過某種算法生成一個(gè)能滿足作業(yè)限制的最優(yōu)作業(yè)序列，一般以時(shí)間作為規(guī)劃優(yōu)劣的度量標(biāo)準(zhǔn)。 當(dāng) 機(jī)械手 在有障礙物的環(huán)境中運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了從當(dāng)前作業(yè)位置到達(dá)下一個(gè)位置，需要在 機(jī)械手 工作空間確定一條無碰撞的運(yùn)動(dòng)路徑，即這條路徑應(yīng)處于 機(jī)械手 的自由空間中，因此，路徑規(guī)劃的過程實(shí)際上是一個(gè)帶幾何約束的問題求解過程。 從上面的論述可以看出， 機(jī)械手 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃主要包括兩個(gè)方面，一 是生成所有作業(yè)點(diǎn)最優(yōu)工作序列的序列規(guī)劃，二是在相鄰作業(yè)點(diǎn)之間生成無碰撞路徑的路徑規(guī)劃。序列規(guī)劃和路徑規(guī)劃的總體目標(biāo)是作業(yè)時(shí)間最短，規(guī)劃的約束條件是作業(yè)順序的限制以及碰撞的避免。 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的算法建立在已有的各種方法之上，下面簡要分析已有的各種 14 序列規(guī)劃和路徑規(guī)劃方法， 以及路徑規(guī)劃過程中的碰撞檢測方法。 1．序列規(guī)劃 目前機(jī)械手序列規(guī)劃方法的研究還處于發(fā)展階段，由于各種作業(yè)任務(wù)的復(fù)雜性。至今還沒有通用的序列規(guī)劃算法。在使用機(jī)械手進(jìn)行裝配，插孔，點(diǎn)焊的應(yīng)用中，較為普遍的方法是把序列規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為“旅行商問題 ” (TSP)來解決。即機(jī)械手從起始點(diǎn)開始，經(jīng)過一系列作業(yè)點(diǎn)，并在各作業(yè)點(diǎn)停留，完成所有作業(yè)后，最終回到起始點(diǎn)的時(shí)間最短規(guī)劃算法。 旅行商問題的求解成為求解序列規(guī)劃問題的關(guān)鍵。目前，旅行商問題的近似最優(yōu)解求解算法已經(jīng)得到了充分的研究，提出了很多可行的算法，包括啟發(fā)式算法，模擬退火算法，遺傳算法等。其中啟發(fā)式算法可以細(xì)分為環(huán)路擴(kuò)充法和環(huán)路改進(jìn)法，或是兩種方法的綜合，一般利用鄰接矩陣按照一定的規(guī)則變換來求解，計(jì)算量和求解結(jié)果都能滿足要求。 2．路徑規(guī)劃 機(jī)械手路徑規(guī)劃的目標(biāo)是在兩個(gè)作業(yè)點(diǎn)之間生成一條無碰撞路徑。 機(jī)械手路徑規(guī)劃算法主要有 4 類： C空間法，人工勢力場 法，假設(shè) 修正法，預(yù)處理 規(guī)劃算法。 另外，遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法 等智能算法已經(jīng)成為機(jī)器人路徑規(guī)劃的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向，這些算法在實(shí)際中都有初步的應(yīng)用，取得了較好的規(guī)劃效果。 3． 碰撞檢測 路徑規(guī)劃的目標(biāo)是在起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間生成一條無碰撞路徑，這使得碰撞檢測成為解決路徑規(guī)劃問題的關(guān)鍵．上面提到的 4 種路徑規(guī)劃算法都需要進(jìn)行碰撞檢測或需要計(jì)算機(jī)器人和障礙物之間的距離。 判斷兩個(gè)物體是否有碰撞發(fā)生有兩種方式，一是定性判斷。二是定量計(jì)算。定性判斷方法最主要有 “包圍盒層次法”，其基本思路是用一個(gè)簡單的包圍盒將復(fù)雜的幾何形體圍住。當(dāng)對兩個(gè)物體進(jìn)行碰撞檢測時(shí)。首先檢測兩者的包圍盒是否相交，若不相交。則說明兩個(gè)物體未相交，否則再進(jìn)一步對兩個(gè)物體做檢測。因?yàn)榍蟀鼑械慕槐惹笪矬w的交簡單很多，所以可以快速排除很