【正文】 （1）確定 L根據(jù)氣動肌肉的型號，選定沒有充氣時長度為230mm 的氣動肌肉，其最大運動行程是原始長度的 20%，在運動的開始位置，取其最大收縮長度的一半，即是207mm，再加上氣動肌肉本身結(jié)構(gòu)（如圖 25）的 長 度 ，兩 個 鉸 鏈 點 的 長 度 L=207+67=274mm， L 的 范 圍 是（ 274 23） mm。假 定 CAOEC1 是第二肩關(guān)節(jié)開始的運動位置，鉸鏈點 A，E 可繞 O 點旋轉(zhuǎn)，逆時針的極限位置是 A1OE1，即當 CA1O 在同一條直線上，連接AO，A1O，EO，E 1O。?CB1=CO B1O=CO R=?22OFCBF???= 250mm (33)22()()dabLdab??由公式(33)可得 mm (34)??已知 C1OE1=2?? (35)222 21EOCEOcos30??????其中 C1O=CO= = F2()dabL? E1O=R= =2B = arctan arctan?dab??ab?代入公式(35)可得 mm (36)??根據(jù)氣動肌肉的結(jié)構(gòu)，在安裝時，2d 24mm， ?即 d 12mm (37)?有(34)、(36)、(37)式得 ?由公式(32)知 tan = ，由于 dL， ?2())Lab?2d，所以取最大的 d 時，可以得到最大的 tan ，也就是最大的())abL? ?,在這里取 d=36mm。???= BOC= FBO FCO=arctan arctan?OFB?C=arctan arctan (31)dab?dabL?由公式（31 ）可知：tan = = =?1dabL???2())dLab())abd? (32)?2())?由于 tan 在 是單調(diào)增函數(shù)，b，L 為已知，所以當 a 取得最小值?(0,)??時，tan 取得最大值，即 取得最大值。（1）確定 bb 是肌肉連接件的鉸鏈點到肩部肌肉連接件的距離，根據(jù)結(jié)構(gòu)可得b=35mm。 肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計 第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計第一肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖 31 所示。其在X軸方向上的結(jié)構(gòu)簡圖如圖217(a)所示，Z軸如圖217(b) 所示。腕關(guān)節(jié)和小臂的連接件和肘關(guān)節(jié)的連接件一樣（如圖213），是兩個方向單一的鉸鏈點。如浙 江 理 工 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )17圖214 （左圖）所示，當前面的兩根氣動肌肉組成一對，即兩根肌肉有相同的運動形式，可知后面的是一對，在運動過程中可以實現(xiàn)繞Y軸的轉(zhuǎn)動。圖213 氣動肌肉連接件肘關(guān)節(jié)是連接大臂與小臂的重要關(guān)節(jié)。本研究采用氣動肌肉，可以方便地對這種機構(gòu)進行控制，實現(xiàn)兩個自由度的運動。最靈活的關(guān)節(jié)形式就是球鉸，有3個自由度，但是其實現(xiàn)復(fù)雜，控制難度比較大。其中肩部連接腕固定在肩部連接軸上，在機架臂的帶動下，使得大臂、小臂及氣爪整體繞 X 軸的轉(zhuǎn)動，其另一功能是連接大臂的 4 根氣動肌肉。浙 江 理 工 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )13 圖 29(a) 第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)簡圖 圖 29(b) 第一肩關(guān)節(jié)三維結(jié)構(gòu)圖2) 第 二 肩 關(guān) 節(jié) 的 設(shè) 計第 二 肩 關(guān) 節(jié) 和 其 下 的 4 根 機 架 臂 相 連 接 ， 為 的 是 實 現(xiàn) 繞 X 軸 旋 轉(zhuǎn) 這 1 個自 由 度 ， 其 結(jié) 構(gòu) 簡 圖 如 圖 210a 所 示 。其原理如圖 28 所示。最前端的氣爪抓取物品，通過氣動肌肉的驅(qū)動實現(xiàn)各自關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，使物品在空間上運動，根據(jù)合理的控制，最終實現(xiàn)機械手的動作要求。在三維模擬仿真階段，由于氣動肌肉所做的是拉圖 25 二維簡化模型浙 江 理 工 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )11圖 26 三維簡化模型伸運動，為了實現(xiàn)肌肉的這種運動形式，把氣動肌肉中部的隔膜軟管的圓柱體改為長方體,并且為了定義滑動桿運動形式的方便，把每一根氣動肌肉看做是由左右兩根等長的半根氣動肌肉組成（如圖 26） 。對用作“氣彈簧”的氣動肌肉而言，預(yù)拉伸力和彈簧剛度都是變化的。假設(shè)氣動肌肉上該負載一直存在，在沒有壓力的情況下，肌肉將從原始狀態(tài)被拉伸一段長度，這是考慮氣動肌肉的技術(shù)特性的一種理想工作狀態(tài)：當加壓時，氣動肌肉在預(yù)拉伸狀態(tài)下有最大的輸出力和最佳動態(tài)性能，并且耗氣量最小。2) 氣動肌肉長度和負載的關(guān)系氣動肌肉的額定長度是在無壓力，無負載的情況下定義的。拉伸力在收縮開始時最大，并與行程成線形比例關(guān)系減小。氣動機械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動學(xué)仿真分析8第 2 章 氣動機械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)形式設(shè)計 氣動肌肉結(jié)構(gòu)、特性及模型 氣動肌肉的基本結(jié)構(gòu)圖 21 氣動肌肉圖 22 氣動肌肉的結(jié)構(gòu) 材料：精制鋁合金，光亮陽極氧化； 材料：精制鋁合金，藍色陽極氧化； 材料：精制鋁合金，光亮陽極氧化； 材料：鋼；浙 江 理 工 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文 )9 材料：NBR； 材料：芳香族物質(zhì)，CR 氣動肌肉的特性1) 氣動肌肉的工作方式氣動肌肉是一種拉伸驅(qū)動器，它模仿自然肌肉的運動，氣動肌肉由一個收縮系統(tǒng)和合適的連接器組成。因為智能閥島本來就是模塊化的設(shè)備，特別是緊湊型CP閥島，它對分散上的集中控制起了十分重要的作用，特別對機械手中的移動模塊。由于模塊化氣動機械手的驅(qū)動部件采用了特殊設(shè)計的滾珠軸承，使它具有高剛性、高強度及精確的導(dǎo)向精度。氣動機械手的重復(fù)精度將越來越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等 [2]。重復(fù)精度是指如果動作重復(fù)多次，機械手到達同樣位置的精確程度。氣動伺服定位技術(shù)可使氣缸在氣動機械手位置伺服控制系統(tǒng)的研究高速運動3mm/s情況下實現(xiàn)任意點自動定位。在70年代，由于與電子技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，在自動化領(lǐng)域得到廣泛的推廣。在國外，氣動被稱為“廉價的自動化技術(shù)”。盡管氣動技術(shù)上有一些缺點，但它的優(yōu)點還是主要的，所以氣動技術(shù)能在各個工業(yè)部門中得到日益廣泛的應(yīng)用。氣動機械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動學(xué)仿真分析6當然，氣動技術(shù)也有其缺點:(1)壓縮空氣需要進行除塵、除水處理。(7)氣壓傳動本身有過載保護性能。(3)氣動系統(tǒng)清潔，即使有泄漏，也不會像液壓系統(tǒng)那樣污染產(chǎn)品和環(huán)境，不受電磁干擾，電子系統(tǒng)則有之。作為工作介質(zhì)的壓縮空氣的物理性質(zhì)，是氣動技術(shù)在廣泛的各種應(yīng)用具有安全、方便和費用低的優(yōu)點。人類對空氣進行利用，以其為傳遞能量的介質(zhì)可追溯到幾千年以前。如：氣動自動調(diào)節(jié)病床 [15]，Robodoc機器人，daVinci 外科手術(shù)機器人等 [17]。對加速度限制十分嚴格的芯片搬運系統(tǒng)，采用了平穩(wěn)加速的SIN氣缸 [16]?，F(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝是焊接的生產(chǎn)線，大多采用了氣動機械手。由于氣動機械手有結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護、易實現(xiàn)復(fù)雜的動作等諸多獨特的優(yōu)點。氣動技術(shù)經(jīng)歷了一個漫長的發(fā)展過程，隨著氣動伺服技術(shù)走出實驗室，氣動技術(shù)及氣動機械手迎來了嶄新的春天。就它在三維空間內(nèi)的任意定位、任意姿態(tài)抓取物體或握手而言，“阿基里斯”六腳勘測員、攀墻機器人都顯示出它們具有足夠的自由度來適應(yīng)工作空間區(qū)域。這種攀墻式機器人可被用于工具搬運或執(zhí)行多種操作，如在核能發(fā)電站、高層建筑物氣動機械手位置伺服控制系統(tǒng)的研究或船舶上進行清掃、檢驗和安裝工作。當接通電源時，氣動閥被切換到工作狀態(tài)位置，當關(guān)閉電源時，他們便回到初始位置。六腳電子氣動機器人行走的所有程序由FPC101B可編程控制器控制，F(xiàn)PC101B 能在六個不同方向控制機器人的運動。90年代初，制的電子氣動機器人——“阿基里斯”六腳勘測員，也被稱為FESTO的“六足動物”。 氣動機械手在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用由于機器人或機械手都需要能快速、準確的抓取工件，因而對機器人或機械手提出了更高的要求，即他們必須具有高定位精度、能快速反應(yīng)、有一定的承載能力、足夠的空間和靈活的自由度以及在任意位置都能自動定位。氣動肌肉最簡單和最常見的使用方式是利用一對氣動肌肉以生物體中拮抗肌的形式驅(qū)動關(guān)節(jié)，這種方式克服了氣動肌肉變化長度較小的缺點，能夠?qū)崿F(xiàn)大的轉(zhuǎn)動位移。目前模仿生物關(guān)節(jié)的驅(qū)動方式在仿生機器人中得到越來越多的應(yīng)用。而柔順性差的機器人在和人接觸的場合使用時，容易造成人身和環(huán)境的傷害。從20世紀80年代中期開始,氣動元件產(chǎn)值的年遞增率達20％以上，高于中國機械工業(yè)產(chǎn)值平均年遞增率?，F(xiàn)代控制理論的發(fā)展，使氣動技術(shù)從開關(guān)控制進入閉環(huán)比例伺服控制，控制精度不斷提高；由于氣動脈寬調(diào)制技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、抗污染能力強和成本低廉等特點，國內(nèi)外都在大力開發(fā)研究 [1]。 Structural design。目標：滿足氣動機械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。本課題重點在于氣動機械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計和其可行性分析。通過此次設(shè)計過程，鞏固了專業(yè)基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)了我綜合應(yīng)用機械設(shè)計課程及其他課程的理論知識和應(yīng)用生產(chǎn)實際知識解決工程實際問題的能力，在設(shè)計的過程中還培養(yǎng)出了我們的團隊精神，為今后的學(xué)習(xí)和工作過程打下基礎(chǔ)。氣動機械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動學(xué)仿真分析24 指令語句表實踐心得機械手的 PLC 控制課程設(shè)計通過了 1 周的課程設(shè)計使我對機械設(shè)計過程有進一步了解，對機電產(chǎn)品的有關(guān)的控制知識有了深刻的認識。在各步進順控末行，都以 RET 結(jié)束本步進順控程序塊。從第 67 行到第 129 行為自動操作程序。因此步進順控的編程，比起用基本指令編程較為容易，可讀性較強。延時時間到，T1 接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到 S26 上升。S23 驅(qū)動 Y3 右移。 自動操作程序自動操作狀態(tài)轉(zhuǎn)移見圖 6 所示。用 S10~S12 作回零操作元件。再把旋鈕置于手動，則 X6 接通，其常閉觸頭打開，程序不跳轉(zhuǎn)（CJ 為一跳轉(zhuǎn)指令，如果 CJ 驅(qū)動，則跳到指針 P 所指 P0 處） ，執(zhí)行手動程序。以下是設(shè)計該機械手控制程序的步驟和方法。工作方式的選擇可以很方便地在操作面板上表示出來。這是因為輸入采樣階段僅在輸入刷新階段進行，PLC 在一個工作周期的大部分時間是與外設(shè)隔離的，而工業(yè)現(xiàn)場的干擾常常是脈沖、短時間的，誤動作將大大減小。顯然掃描周期的長短主要取決于程序的長短。 輸出刷新階段當所有指令執(zhí)行完畢后，將輸出狀態(tài)寄存器中的內(nèi)容，依次送到輸出鎖存電路（輸出映像寄存器） ，并通過一定輸出方式輸出，驅(qū)動外部相應(yīng)執(zhí)行元件工作，這才形成 PLC 的實際輸出。完成輸入端刷新工作后，將關(guān)閉輸入端口，轉(zhuǎn)入程序執(zhí)行階段。對每個程序，CPU 從第一條指令開始執(zhí)行，按指令步序號做周期性的程序循環(huán)掃描，如果無跳轉(zhuǎn)指令，則從第一條指令開始逐條執(zhí)行用戶程序，直至遇到結(jié)束符后又返回第一條指令，如此周而復(fù)始不斷循環(huán)，每一個循環(huán)稱為一個掃描周期。因此 PLC 對電源的基本要求：①能有效地控制、消除電網(wǎng)電源帶來的各種干擾；②電源發(fā)生故障不會導(dǎo)致其它部分產(chǎn)生故障；③允許較寬的電壓范圍；④電源本身的功耗低，發(fā)熱量?。虎輧?nèi)部電源與外部電源完全隔離；⑥有較強的自保護功能。一般交流電壓波動在+10%(+15%)范圍內(nèi)，可以不采取其它措施而將PLC 直接連接到交流電網(wǎng)上去。輸出公共端（COM） 公共端與輸出各組之間形成回路，從而驅(qū)動負載。 繼電器輸出型具有較大的輸出電流，AC250V 以下的電路電壓可驅(qū)動純電阻負載 2A/1 點、感性負載 80VA 以下（AC100V 或 AC200V）及燈負載 100W 以下（AC100V 或 200V）的負載；Y0、Y1 以外每輸出 1 點的輸出電流是，但是由于溫度上升的原因，每輸出 4 合計為 的電流，輸出晶體管的ON 電壓約為 ，因此驅(qū)動半導(dǎo)體元件時，請注意元件的輸入電壓特性。這也是其 I/O 設(shè)計的優(yōu)點之處，經(jīng)過了電氣隔離后，信號才送入 CPU 執(zhí)行的,防止現(xiàn)場的強電干擾進入。 （3）用戶程序存儲區(qū) ： 用戶程序存儲區(qū)存放用戶編制的用戶程序。一個開關(guān)量 I/O 占用存儲單元中的一個位，一個模擬量 I/O 占用存儲單元中的一個字。它和硬件一起決定了該 PLC 的性能。 PLC 存儲空間的分配 ： 雖然各種 PLC 的 CPU 的最大尋址空間各不相同，但是根據(jù) PLC 的工作原理，其存儲空間一般包括以下三個區(qū)域： （1）系統(tǒng)程序存儲區(qū)（2）系統(tǒng) RAM 存儲區(qū)（包括 I/O 映象寄存區(qū)和系統(tǒng)軟設(shè)備等） 。在斷電情況下，存儲器內(nèi)的所有內(nèi)容保持不變。 存儲器 可編程序控制器的存儲器分為系統(tǒng)程序存儲器和用戶程序存儲器。當 PLC 投入運行時，首先它以掃描的方式采集現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并分別存入 I/O 映象寄存區(qū)，然后從用戶程序存儲器中逐條讀取用戶程序，經(jīng)過命令解釋后按指令的規(guī)定執(zhí)行邏輯或算數(shù)運算并將結(jié)果送入 I/O 映象寄存區(qū)或數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)。 基本結(jié)構(gòu) PLC可編程序控制器實施控制，其實質(zhì)就是按一定算法進行輸入輸出變換，并將這個變換與以物理實現(xiàn)。其后日本、德國等相繼引入，可編程序控制器迅速發(fā)展起來，但是主要應(yīng)用于順序控制，只能進行邏輯運算，故稱為可編程邏輯控制器，簡稱 PLC。但編程要比計算機簡單易學(xué)、操作方便。 PLC 發(fā)展歷史