【正文】 15 4 機(jī)械手手部 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)及計(jì)算 手部結(jié)構(gòu) 本課題中采用夾持式手部結(jié)構(gòu)，由手指 (或手爪 )和傳力機(jī)構(gòu)所組成。 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程分析 工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程中各動(dòng)作如表 所示。 圖 工作空間圖 基于 PLC控制的機(jī)械手控制電路設(shè)計(jì) 14 （ 3）機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)類型 圓柱坐標(biāo)型為本設(shè)計(jì)所采用方案，這種運(yùn)動(dòng)形式是通過一個(gè)轉(zhuǎn) 動(dòng)，兩個(gè)移動(dòng)，共三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)（代號(hào) RPP），工作空間圖形為圓柱形。 本設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副兩種運(yùn)動(dòng)副，具有手臂伸降，旋轉(zhuǎn)，前后往復(fù)三自由度 ,如圖 。（最大速度 : 90 度每秒） 7. 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù) 伸縮行程： 100mm 伸縮速度： 100mm/s 升降行程： 200mm 升降速度： 100mm/s 8. 機(jī)械手（重復(fù)）定位精度： ? 基于 PLC控制的機(jī)械手控制電路設(shè)計(jì) 13 3 機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)概述 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，可從該機(jī)械手的自由度，工作空間和機(jī)械結(jié)構(gòu)類型等三方面來討論。 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) : 1. 機(jī)械手最大抓重 : 1kg 2. 工件尺寸： 直徑約 ～ 2cm 3. 自由度數(shù) : 3 個(gè)自由度 4. 坐標(biāo)型式 : 圓柱坐標(biāo) 5. 手指開合 角度： 60176。它的基本作用是從指定位置抓取工件運(yùn)送到另一個(gè)指定的位置進(jìn)行裝配。 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 用途 搬運(yùn) :用于車間搬運(yùn) 在工業(yè)生產(chǎn)線中，機(jī)械手具有很廣泛的用途。 C 交流驅(qū)動(dòng) : 維護(hù)簡單 ,使用環(huán)境不受限制 ,成本較低 ,調(diào)速性差。 （ 3）電驅(qū)動(dòng)方式 : A 步進(jìn)驅(qū)動(dòng) : 功率小 ,開環(huán)控制 ,控制簡單 ,可能失步。 （ 2）液壓方式 : 功率重量比大 ,低速平穩(wěn) ,需液壓動(dòng)力源 ,漏油和油性變化會(huì)影響系統(tǒng) ,各軸耦合較強(qiáng) ,成本較高。但難以準(zhǔn)確控制位置和速度。根據(jù)動(dòng)力源的不同 , 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式共有三種方式 :氣動(dòng)方式 ,液壓方式 ,電驅(qū)動(dòng)方式 [7]。 圖 工業(yè)機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)形式 基于 PLC控制的機(jī)械手控制電路設(shè)計(jì) 11 其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單 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。 （四）位置檢測裝置 控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位 (或機(jī)械擋塊定位 )系統(tǒng)組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、 氣壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng) [5]。 （二）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的。機(jī)械手的立柱因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等 )與驅(qū)動(dòng)源 (如液壓、氣壓或電機(jī)等 )相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。 （ 2）手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和 平移型。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。 （一）執(zhí)行機(jī)構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令， 必要時(shí)可對機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 （ 5） 機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 本機(jī)械手?jǐn)M采用可編程序控制器 (PLC)對機(jī)械手進(jìn)行控制，本課題將要選取 PLC型號(hào)，根據(jù)機(jī)械手的工作流程編制出 PLC程序，并畫出梯形圖 基于 PLC控制的機(jī)械手控制電路設(shè)計(jì) 9 2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案 機(jī)械手的系統(tǒng)工作 原理 及組成 機(jī)械手的工作原理：機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。 為了使通用性更強(qiáng)，手部設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，不僅可以應(yīng)用于夾持式手指來抓取棒料工件，在工業(yè)需要的時(shí)候還可以用氣流負(fù)壓式吸盤來吸取板料工件。 （ 2）選取機(jī)械手的座標(biāo)型式和自由度。 總之， PLC的發(fā)展趨勢是：高功能、高速度、高集成度、 容量大、體積小、成本低、通信聯(lián)網(wǎng)功能強(qiáng)。系統(tǒng)的開放使第三方的軟件能方便地在符合開放系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的 PLC上得到移植。 PLC向大型化方向發(fā)展，主要表現(xiàn)在大中型 PLC向多功能、大容量、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展．使之能與計(jì)算機(jī)組成集成按制系統(tǒng)，對大規(guī)模、復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行 綜合的自動(dòng)控制 o PLC向小型化方向發(fā)展，主要表現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：為了減小體積、降低成本，向高性能的整體型發(fā)展；在提高系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上．產(chǎn)品的體積越來越小，功能越來越強(qiáng)；應(yīng)用的專業(yè)性，使得控制質(zhì)量大大提高。從近幾年召開的學(xué)術(shù)會(huì)議及有關(guān)文獻(xiàn)介紹可見．我國研制尤其是應(yīng)用 PLC技術(shù)日益廣泛，更加成熟。 1995年廣州第二電梯廠，尾巴 PLC成功的應(yīng)用于技術(shù)要求更加復(fù)雜的高層電梯控制上， 并已投入批量生產(chǎn)。進(jìn)幾年來國外 PLC產(chǎn)品大量進(jìn)入我國市場，我國已有許多單位在消化吸收 PLC技術(shù)的基礎(chǔ)上仿制或研制了 PLC產(chǎn)品。 20世紀(jì) 80年代初以前發(fā)展較慢。 PLC技術(shù)已成為工業(yè)自動(dòng)化四大技術(shù)（ PLC技術(shù)，數(shù)控技術(shù)，機(jī)器人，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和分析）支柱之一。并且發(fā)展很快，年銷售增產(chǎn)率 20％以上。 1971年日本從美國引進(jìn) PLC技術(shù)，很快就研制出日本第一臺(tái) DSC8型 PLC，早在 1984 年日本就有 30多個(gè) PLC的生產(chǎn)廠家，產(chǎn)品達(dá) 60種以上。據(jù)資料介紹．美國一家公司曾經(jīng)對美國石油化工、冶金、食品、制藥、機(jī)械等行業(yè) 400多個(gè)工廠企業(yè)進(jìn)行凋查的結(jié)果表明， PLC的需求占各類自動(dòng)化儀表或自動(dòng)化控制設(shè)備之首。 20世紀(jì) 70年代中期在 PLC引入了微機(jī)技術(shù)、使 PLC的功能不斷增強(qiáng)，質(zhì)量不斷 的提高．應(yīng)用日益廣泛。在發(fā)達(dá)的工業(yè)化國家，現(xiàn)代 PLC已經(jīng)廣泛應(yīng)用在所靳的工業(yè)部門。這樣使得 LC在 軟、硬件功能上都發(fā)生了巨大變化。 3,近期的 PLC（ 20世紀(jì) 80年代中、后期至今 ) 進(jìn)入 20世紀(jì) 80年代中、后期，由于放大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展．微處理器的市場價(jià)格大幅度下跌．使得各種類型的 PLC所采用的微處理器的檔次普遍提高。 中期的 PLC在硬件方面，除了保持原有的開關(guān)模塊以外，還增加了模擬且模塊、遠(yuǎn)程 I/O模塊和各種其他特殊功能的模塊；擴(kuò)大了存儲(chǔ)器的容量，增加了各種邏輯線明的數(shù)量；還提供了一定數(shù) 量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，使 PLC應(yīng)用范圍擴(kuò)大。 2．中期的 PLC(20世紀(jì) 70年代個(gè)期至 80年代中、后期 ) 20世紀(jì) 70年代初期．出現(xiàn)了微處理器．由于體積小、功能強(qiáng)、價(jià)格便宜，很快被用于 PLC。因此，早期的 LC的性能要優(yōu)于繼電器控制裝置，其優(yōu)點(diǎn)包括簡單易懂、便于安裝、體積小、能耗低、有故降指示、能重復(fù)使用等。另外還采取了一些措施，以提高其抗干擾能力。 早期的 PLC在硬件上以準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的形式出現(xiàn)，在 I/O接口電路上做了改進(jìn)以適應(yīng)工業(yè)控制現(xiàn)場的要求。PLC是是當(dāng)代工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的主要手段和重要的自動(dòng)化控制設(shè)備，具有能力強(qiáng)、可靠性高、配置靈活、編程簡單等優(yōu)點(diǎn) PLC的發(fā)展 1．早期的 PLC(20世紀(jì) 60年代來至 20世紀(jì) 70年代中期 ) 一般稱為可編程邏輯控制器?？删幊炭刂破骷捌溆嘘P(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體、易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。 1982年，國際電電工委員會(huì)頒布了 PLC標(biāo)準(zhǔn)草案第 1稿， 1985年提交了第 2稍．并在1987年的第 3稿中對 PLC作了如下的定義： PLC是一種數(shù)字運(yùn)算的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。美國電氣制造商協(xié)會(huì) (NEKA)經(jīng)過 4年的調(diào)查工作，于 ]980年正式將可編程控制器命名為 PC(Programmable controller）。 PLC 概念的由來和產(chǎn)生 PLC的產(chǎn)生 早期的可編程控制器在功能上只能實(shí)現(xiàn)邏輯控制，從而被稱為可編程邏緝控制器(Programmable Logic Controller)，簡稱 PLC。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展和機(jī)械加工工藝水平的提高及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用 , 為研究高性能的氣動(dòng)機(jī)械手奠定了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。目前在世界上形成了以日本、美國和歐盟氣動(dòng)技術(shù)、氣動(dòng)機(jī)械手三足鼎立的局面。如 : 氣動(dòng)自動(dòng)調(diào)節(jié)病床 ,機(jī)械手 ,外科手術(shù)機(jī)械手等 [3]。如酒、油漆灌裝氣動(dòng)機(jī)械手；自動(dòng)加蓋、安裝和擰緊氣動(dòng)機(jī)械手 , 牛奶盒裝箱氣動(dòng)機(jī)械手等。對加速度限制十分嚴(yán)格的芯片搬運(yùn)系統(tǒng) , 采用了平穩(wěn)加速的 SIN氣缸。高頻率的點(diǎn)焊、力控的準(zhǔn)確性及完成整個(gè)工序過程的高度自動(dòng)化 , 堪稱是最有代表性的氣動(dòng)機(jī)械手應(yīng)用之一。 現(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線 , 尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線 , 大多采用了氣動(dòng)機(jī)械手。而氣動(dòng)機(jī)械手作為機(jī)械手的一種 , 它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù) 、易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的動(dòng)作等優(yōu)點(diǎn)。 TronX電子氣動(dòng)機(jī)械手集電子技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)和人工智能為一體 , 它告訴我們 , 氣動(dòng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手中最難解決的靈活的自由度 , 具有在足夠工作空間的適應(yīng)性、高精度和快速靈敏的反應(yīng)能力。 TronX電子氣動(dòng)機(jī)械手 , 能與人親切地握手 ,它的頭部、腰部、手能與人類一樣彎曲運(yùn)動(dòng) , 并且有良好的柔韌性。 90年代初 , 由布魯塞爾皇家軍事學(xué)院 Bando教授領(lǐng)導(dǎo)的綜合技術(shù)部開發(fā)研制的電 子氣動(dòng)機(jī)械手 —— “阿基里斯”六腳勘探員 , 是氣動(dòng)技術(shù)、 PLC控制技術(shù)和傳感技術(shù)完美結(jié)合產(chǎn)生的“六足動(dòng)物” 6個(gè)腳中的每一個(gè)腳都有 3個(gè)自由度 , 一個(gè)直線氣缸把腳提起、放下 , 一個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)控制腳伸展 /退回運(yùn)動(dòng) , 另一個(gè)擺動(dòng)馬達(dá)則負(fù)責(zé)圍繞腳的軸心做旋轉(zhuǎn)之用。 氣動(dòng)機(jī)械手作為機(jī)械手的一種 , 它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動(dòng)作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。 80年代進(jìn)入氣動(dòng)集成化、微型化的時(shí)代。 60年代，開始構(gòu)成工業(yè)控基于 PLC控制的機(jī)械手控制電路設(shè)計(jì) 4 制系統(tǒng) , 自成體系 , 不再與風(fēng)動(dòng)技術(shù)相提并論。 20世紀(jì) 30年代初 , 氣動(dòng)技術(shù)成功地應(yīng)用于自動(dòng)門的開閉及各種機(jī)械的輔助動(dòng)作上。 大約開始于 1776年 , Johnwilkimson發(fā)明能產(chǎn)生 1個(gè)大氣壓左右壓力的空氣壓縮機(jī)。隨著微電子技術(shù)、 PLC技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用 , 氣動(dòng)技術(shù)已成為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代傳動(dòng)與控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。我國的氣動(dòng)行業(yè)起步較晚 , 但發(fā)展較快。 從各國的行業(yè)統(tǒng)計(jì)資料來看 , 近 30多年來 , 氣動(dòng)行業(yè)發(fā)展很快。 微電子技術(shù)的引入 , 促進(jìn)了電氣比例伺服技術(shù)的發(fā)展 , 現(xiàn)代控制理論的發(fā)展 , 使氣動(dòng)技術(shù)從開關(guān)控制進(jìn)入閉環(huán)比例伺服控制 , 控制精度不斷提高 。 氣動(dòng)機(jī)械手的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景 氣動(dòng)技術(shù)及氣動(dòng)機(jī)械手的發(fā)展過程 近 20年來 , 氣動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速拓寬 , 尤其是在各種自動(dòng)化生產(chǎn)線上得到廣泛應(yīng)用。其實(shí)，機(jī)械手的制作絕對并非只是液壓機(jī)械與電子產(chǎn)品的混成物，要將機(jī)械手造得越來越有人性化，就要兼及生命醫(yī)學(xué)、傳感、光學(xué)及創(chuàng)造性的文化產(chǎn)業(yè)等方面，比如機(jī)械手的關(guān)節(jié)就需要研究中醫(yī)的經(jīng)絡(luò)學(xué)、生物學(xué)上的神經(jīng) 刺激反應(yīng)以及文化產(chǎn)品的某種造型特征（其中很重要的是民族特征的外表）等等。 雖然 我國的機(jī)械手研發(fā)工作基本上屬于科學(xué)研究的項(xiàng)目， 但 據(jù)說，中國科學(xué)院目前已造出說話時(shí)嘴唇能夠活動(dòng)、眼睛能轉(zhuǎn)動(dòng)、具視覺功能的機(jī)械手，其水準(zhǔn)可媲美日本同行，但這臺(tái)機(jī)械手體形甚大，卻未能以雙腳走路。 經(jīng)過 80年代尤其是后 50年的努力，吸引了 160多個(gè)單位從事機(jī)械手及其相關(guān)技術(shù)的研究力量，形成了京津、東北、華東、華南等機(jī)械手技術(shù)地區(qū)和十幾家優(yōu)勢單位，培養(yǎng)了一支 2021多人的工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)、研制、應(yīng)用隊(duì)伍，造就了一 批機(jī)械手專家，使我國的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)發(fā)展基本上可以立足于國內(nèi)。 為了跟蹤國外高技術(shù)， 80年代在國家高技術(shù)計(jì)劃中，安排了智能機(jī)械手的研究開發(fā)，包括水下無纜機(jī)械手，高功能裝