【文章內(nèi)容簡介】 非伺服多關(guān)節(jié)型。 機 械 手 臂 的 主 要 技 術(shù) 參 數(shù) 設(shè) 計 機 械 手 臂 的 自 由 度要想達(dá)到模仿人類的音樂指揮動作，通過仿生原理我最終采用 5 自由度的機械手臂來完成這一動作，其機器人機構(gòu)簡圖如圖（2—1）。 圖 2—1 五自由度機器人簡圖如圖所示機器人手臂在 xo1y 平面存在三個分別沿 o2z 和 o3z 及 o5z 軸的轉(zhuǎn)動 σ2 和 σ3 及σ5，在肩部還有一個沿 o1y 軸的轉(zhuǎn)動 σ1，同時腕部還存在一個在 o4x 的轉(zhuǎn)動 σ4。機器人的自由度越多，就越能接近人手的動作機能，通用性就越好；但是自由度越多，結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，對機器人的整體要求就越高，這是機器人設(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，運行速度快，機器人的自由度數(shù)可少一些；但是如果要便于產(chǎn)品更換，增加柔性，機器人的自由度要多一些。 機 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)盡量參考人的運動范圍，根據(jù)人的指揮手臂的氣動指揮機械手臂設(shè)計5動作要求和人機工程學(xué)的相關(guān)原理，制定機械手臂的工作空間，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。 機 械 手 臂 的 工 作 速 度機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械手臂的各個關(guān)節(jié)的運動速度進(jìn)行設(shè)定。 機 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 械 手 臂 的 控 制 方 式由于是要求同時控制五個氣缸的運動，而且對運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，具有較強的抗干擾能力。 (2) 功能強PLC 不但具有開關(guān)量控制、模擬量控制、算術(shù)運算、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，很容易裝在機械設(shè)備內(nèi)部，因而成為機電一體化產(chǎn)品及工業(yè)自動控制的主要控制設(shè)備。 機 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)致機器人氣動指揮機械手臂設(shè)計6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。 機 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。氣動指揮機械手臂設(shè)計73 機械手臂的模擬仿真運動 ADAMS 仿 真 軟 件 功 能 簡 介ADAMS 是專門用于機械產(chǎn)品虛擬樣機運動模擬的工具，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 動 過 程 仿 真由于對音樂指揮這一運動過程無法進(jìn)行各個運動參數(shù)的設(shè)定，所以必須首先進(jìn)行模擬運動，從中記錄下各運動的相關(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動方程來調(diào)節(jié)各部分的運動，用改變調(diào)節(jié)運動選項中 STEP SIZE和 END TIME 的方法調(diào)整整體運動的速度和仿真運動的時間，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）。機械手臂的運動過程如圖（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。氣動指揮機械手臂設(shè)計9氣動指揮機械手臂設(shè)計10 圖 3—2 仿真運動過程通過 ADAMS 軟件的后處理功能，對手臂的運動仿真過程進(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械手臂。氣動指揮機械手臂設(shè)計11 運 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，從而大體了解其運動規(guī)律。如圖（3—13）~圖（3—15）所示。氣動指揮機械手臂設(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)。氣動指揮機械手臂設(shè)計184 氣動回路設(shè)計 通 過 對 運 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動的周期，無法對氣缸的運動速度和行程進(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 處的運動。C 缸對應(yīng)的是 O3 處的運動。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)運動。氣動指揮機械手臂設(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