【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(wú)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(guò)程實(shí)際上是一個(gè)帶幾何約束的問(wèn)題求解過(guò)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(wú)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(jiǎn)要分析已有的各種序列規(guī)劃和路徑規(guī)劃方法，以及路徑規(guī)劃過(guò)程中的碰撞檢測(cè)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(méi)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(wèn)題轉(zhuǎn)化為“旅行商問(wèn)題”(TSP)來(lái)解決。即機(jī)械手從起始點(diǎn)開始，經(jīng)過(guò)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(wèn)題的求解成為求解序列規(guī)劃問(wèn)題的關(guān)鍵。目前，旅行商問(wèn)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(lái)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(wú)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(shì)力場(chǎng)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(cè) 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(wú)碰撞路徑，這使得碰撞檢測(cè)成為解決路徑規(guī)劃問(wèn)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(cè)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(jiǎn)單的包圍盒將復(fù)雜的幾何形體圍住。當(dāng)對(duì)兩個(gè)物體進(jìn)行碰撞檢測(cè)時(shí)。首先檢測(cè)兩者的包圍盒是否相交，若不相交。則說(shuō)明兩個(gè)物體未相交，否則再進(jìn)一步對(duì)兩個(gè)物體做檢測(cè)。因?yàn)榍蟀鼑械慕槐惹笪矬w的交簡(jiǎn)單很多，所以可以快速排除很多不相交的物體，從而加速了算法。對(duì)于復(fù)雜物體，可以將物體及其子部分的包圍盒組成層次結(jié)構(gòu)，如二叉樹。在各種機(jī)器人路徑規(guī)劃算法中，往往需要以機(jī)器人和障礙物之間的距離及其關(guān)于機(jī)器人形位的梯度作為路徑規(guī)劃的啟發(fā)性信息，以加快規(guī)劃速度，因此在路徑規(guī)劃中不僅需要判斷有無(wú)碰撞發(fā)生，還要計(jì)算機(jī)器人與障礙物之間的距離及其關(guān)于機(jī)器人形位的梯度。目前，兩個(gè)剛性物體之間的距離計(jì)算有很多算法。其中對(duì)凸多面體的計(jì)算最為成熟。凸多面體之間的距離有兩類：分離距離和嵌入距離。目前，凸多面體間的距離范數(shù)主要有平移距離、成長(zhǎng)距離、收縮距離、偽平移距離等。在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，機(jī)器人及障礙物一般是凹幾何體，可以采用分割的方法把凹幾何體分割為多個(gè)凸幾何體的組合。對(duì)一般凸幾何體．如球、圓柱等，可以用緊包圍它的凸多面體來(lái)近似。然后用凸多面體間的距離近似原凸幾何體之間的距離。 機(jī)械手基本形式的選擇常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài),按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標(biāo)型機(jī)械手。(2)圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手。 (3)球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機(jī)械手。 (4)多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)型。圖21 是機(jī)械手搬運(yùn)物品示意圖。圖中機(jī)械手的任務(wù)是將傳送帶A上的物品搬運(yùn)到傳送帶B。其工藝流程：機(jī)械手原位→機(jī)械手下降→機(jī)械手抓取并夾緊→機(jī)械手上升→機(jī)械手正轉(zhuǎn)→機(jī)械手前伸→機(jī)械手下降→機(jī)械手松開→機(jī)械手上升→機(jī)械手后退→機(jī)械手逆轉(zhuǎn)→退至原位停止。圖21 機(jī)械手基本形式示意圖 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng)在圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，為了滿足設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有3個(gè)自由度：手臂伸縮；機(jī)身回轉(zhuǎn)；機(jī)身升降。本設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要由3個(gè)大部件和3個(gè)氣缸組成：（1）手部，采用一個(gè)氣爪，通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手爪的張合。（2）臂部，采用直線缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮。（3）機(jī)身，采用一個(gè)直線缸和一個(gè)回轉(zhuǎn)缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分, 工業(yè)機(jī)械手的性能價(jià)格比在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)方案及其裝置。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。氣動(dòng)機(jī)械手因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、重量輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、安全、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動(dòng)化的各個(gè)行業(yè)。因此，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案選擇氣壓驅(qū)動(dòng)。 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表一、用途：車間皮帶機(jī)之間的搬運(yùn)二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)：抓重：2Kg (夾持式手部)自由度數(shù)：3個(gè)自由度坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo)最大工作半徑：335mm機(jī)身最大中心高：415mm主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)：手臂伸縮行程：200mm 手臂伸縮速度：200mm/s機(jī)身升降行程：100mm 機(jī)身升降速度：100mm/s機(jī)身回轉(zhuǎn)范圍：0 190176。 機(jī)身回轉(zhuǎn)速度：60176。/s 氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)機(jī)械手氣動(dòng)回路的設(shè)計(jì)主要是選用合適的控制閥，通過(guò)控制和調(diào)節(jié)各個(gè)氣缸壓縮空氣的壓力、流量和方向來(lái)使氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)獲得必要的力、動(dòng)作速度和改變運(yùn)動(dòng)方向，并按規(guī)定的程序工作，設(shè)計(jì)的氣動(dòng)回路圖如圖22所示。圖22 機(jī)械手氣動(dòng)回路圖本設(shè)計(jì)的氣動(dòng)機(jī)械手完成各個(gè)運(yùn)動(dòng)的氣缸只有完全伸出和完全縮回兩個(gè)狀態(tài)，選擇兩位五通換向閥控制各個(gè)氣缸的運(yùn)動(dòng)方向，氣缸的進(jìn)出口回路各設(shè)置一個(gè)單向節(jié)流閥，通過(guò)控制進(jìn)出口空氣流量的大小來(lái)控制氣缸執(zhí)行器動(dòng)力的大小和運(yùn)動(dòng)速度。設(shè)計(jì)中采用PLC控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)各種規(guī)定的預(yù)定動(dòng)作，既可以簡(jiǎn)化控制線路，節(jié)省成本，又可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。 3 氣動(dòng)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器是裝在機(jī)械手臂的末端處，用于機(jī)械手完成作業(yè)任務(wù)而專門設(shè)計(jì)的裝置。末端執(zhí)行器種類繁多，與機(jī)械手的用途密切相關(guān)，根據(jù)其用途，末端執(zhí)行器可分為搬運(yùn)用、加工用和測(cè)量用等種類。搬運(yùn)用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來(lái)抓取或吸附被搬運(yùn)的物體。加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機(jī)器人附加裝置，用來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)。測(cè)量用末端執(zhí)行器是裝有測(cè)量頭或傳感器的附加裝置，用來(lái)進(jìn)行測(cè)量及檢驗(yàn)作業(yè)。在設(shè)計(jì)機(jī)械手末端執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)注意以下問(wèn)題；。一個(gè)新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機(jī)械手新的應(yīng)用場(chǎng)所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機(jī)械手末端執(zhí)行器，將不斷的擴(kuò)大機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域。、被抓取物體的重量及操作力和機(jī)械手容許的負(fù)荷力。因此，要求機(jī)械手末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。萬(wàn)能末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很難實(shí)現(xiàn)，例如，仿人的萬(wàn)能機(jī)器人靈巧手，至今尚未實(shí)用化。目前，能用于生產(chǎn)的還是那些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、萬(wàn)能性不強(qiáng)的機(jī)械手末端執(zhí)行器。從工業(yè)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開發(fā)各種專用的、高效率的機(jī)械手末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手多種作業(yè)功能，而不主張用一個(gè)萬(wàn)能的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。因?yàn)檫@種萬(wàn)能的執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價(jià)昂貴。，萬(wàn)能性是指一機(jī)多能，而通用性是指有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機(jī)械手，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和積木化。，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。用計(jì)算機(jī)控制最方便的是電氣式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主流是電氣式，其次是液壓式和氣壓式（在驅(qū)動(dòng)接口中需要增加電液或電氣變換環(huán)節(jié)）。末端執(zhí)行器即機(jī)械手手爪，多為雙指手爪。按手指的運(yùn)動(dòng)方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型，按夾持方式來(lái)分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。機(jī)械手夾持器（手爪）的驅(qū)動(dòng)方式主要有三種 這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是用電磁閥來(lái)控制手爪的運(yùn)動(dòng)方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)其運(yùn)動(dòng)速度。由于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)價(jià)格較低，所以氣動(dòng)夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動(dòng)手爪的抓取運(yùn)動(dòng)具有一定的柔順性，這一點(diǎn)是抓取動(dòng)作十分需要的。 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動(dòng)力和力矩。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式可實(shí)現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動(dòng)方式不能用于有防爆要求的條件下，因?yàn)殡姍C(jī)有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)剛度大，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置控制。利用楔塊與杠桿來(lái)實(shí)現(xiàn)手爪的松開和夾緊，來(lái)實(shí)現(xiàn)抓取工件。 當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過(guò)銷子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。這種手爪在活塞的推力