【正文】 1 所示機(jī)械手若不在原點(diǎn)則 PLC 向驅(qū)動(dòng)器一同時(shí)輸入 脈沖信號(hào)和電平信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)一反轉(zhuǎn)，橫軸后縮。當(dāng)旋鈕打 向手動(dòng)時(shí)，每一工步都要按下該工步按鈕才能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)旋鈕打向回原點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)地回到左上角位置待命。 機(jī)械手電氣控制系統(tǒng)多步驟，要求有連續(xù)和手動(dòng)控制操作方式。仿真對(duì)手指外展和內(nèi)收功能，抓取物體可分為三個(gè)階 段 ,接近并接觸物體、抓緊物體和抓起物體。進(jìn)行硬件手指控制部分程序的仿真，利用 matlab 軟件 ,對(duì)各種抓取功能和過(guò)程進(jìn)行了仿真。三個(gè)階段的控制涉及到機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、靜力學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型。線圈通電機(jī)械手放松，線圈斷電機(jī)械手夾緊。 ④兩個(gè)繼電器的吸合斷開來(lái)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向來(lái)實(shí)現(xiàn)基座和氣夾正反轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)器脈沖輸入步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，方向信號(hào)改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。=MPn(比例項(xiàng) )+MIn（積分項(xiàng)） +M n（微分項(xiàng)） （ 32） Mn 第 n 次采樣的調(diào)節(jié)器輸出， en 為第 n 次的輸入誤差，時(shí) 間增量 Tn=?t,積分增益Ki=KcTn/Ti 微分增益 Kd=KcTd/Tn 柔性機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過(guò)程大致描述： 實(shí)現(xiàn)工作方式有：手動(dòng)、單步、回位、單周期、連續(xù)。 （ 31） 其中 Kc 為比例增益， Ti 為積分時(shí)間常數(shù) Td 為微分時(shí)間常數(shù) M0 為初始值?？刂泼}沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，準(zhǔn)確定位 ， 控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度 來(lái)調(diào)速。步進(jìn)電機(jī)將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移。 PID 數(shù)學(xué)計(jì) 算： PLC 的 PID 運(yùn)算指令完成，定時(shí)中斷控制采樣周期 t，采用電壓調(diào)整方法，固定電壓直流電源開關(guān)頻率控制 PWM，從而改變負(fù)載兩端的電壓。 (4) 微處理器為基礎(chǔ)，發(fā)展智能模塊。例如 modi 公司的 984780、 984785 的最大開關(guān)量輸入輸出柔性機(jī)械手系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究 10 點(diǎn)數(shù)為 16384,西門子公司的 S555U為 10K 點(diǎn) Reliance Electric 公司的 DCS5000 為 12K 點(diǎn)。 (2) 多品種，目前開關(guān)量 I/O 點(diǎn)數(shù)達(dá)到 8192 點(diǎn)的大型 PLC 己較多。 四、 留有裕量，以滿足今后生產(chǎn)的發(fā)展和工藝的改進(jìn) 。 三、 使效益最大化，成本最小化。 二、 保證 PLC 控制系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行。 ⑤ 系統(tǒng)穩(wěn)定，可靠性高，濾波、屏蔽、隔離抗干擾，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境 。 ③ 控制精度高，可進(jìn)行復(fù)雜的程序控制，軟件實(shí)現(xiàn)大量開關(guān)量邏輯運(yùn)算。 ② 功能強(qiáng)大，編程方便，可單機(jī) /聯(lián)網(wǎng)使用、集中 /分布 /集散控制。 ④ 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)工作流程，編制出 PLC 程序，畫出梯形圖 表 31 機(jī)械手控制部分器件 Mechanical hand control part device 控制部分 器件 電器控制 繼電器、開關(guān)調(diào)速器、變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器 氣動(dòng)控制 電磁閥、氣控閥、單向閥、節(jié)流閥、快排閥、減壓閥 PLC 特點(diǎn) ： ① 反應(yīng)速 度快，噪音、能耗、體積小，輸入直流電壓低，價(jià)格實(shí)惠。本章綜合了許多知識(shí)點(diǎn)，要牢靠掌握。開閉環(huán)區(qū)別： 1 有無(wú)反饋、 2 是否對(duì)當(dāng)前控制起作用 估計(jì)控制的兩條途徑： （ 1）前饋反饋控制，前饋保證理想軌跡，反饋消除軌跡誤差并提供一定的魯棒性 （ 2）關(guān)系柔性分解。優(yōu)點(diǎn)小型設(shè)備；缺點(diǎn)硬 /軟件設(shè)工作量大，計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)多。優(yōu)點(diǎn)靈活擴(kuò)展性好；缺點(diǎn)中、大設(shè)備。優(yōu)點(diǎn)快速、實(shí)時(shí)；缺點(diǎn)工控機(jī)價(jià)高。優(yōu) 點(diǎn)精度高，適應(yīng)各種環(huán)境，抓取力度能更精確，得到數(shù)據(jù)在上位機(jī)上畫出曲線，對(duì)被抓取物受力分析；缺點(diǎn)成本高，系統(tǒng)復(fù)雜。優(yōu)點(diǎn)簡(jiǎn)單、方便，系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，低成本；缺點(diǎn)無(wú)反饋，無(wú)系統(tǒng)回路，無(wú)法準(zhǔn)確判斷實(shí)時(shí)控制的壓力，難發(fā)現(xiàn)障點(diǎn)；抗干擾能力低，適應(yīng)環(huán)境能力差。硬件結(jié)構(gòu)包括多方面，由控制方式、對(duì)象和要求決定，軟件控制程序由機(jī)械手控制目標(biāo)、功能和過(guò)程要求共同決定。 ⑦控 制方法：兩點(diǎn)控制閥、 PID、狀態(tài)反饋系統(tǒng)、極點(diǎn)配置和最優(yōu)、模糊、自適應(yīng)控制 [8]?？刂坡墒欠褚蕾嚱Y(jié)構(gòu)響應(yīng)或外界激勵(lì)：閉環(huán)開環(huán)開閉環(huán)。 ②輸入信號(hào)的變化規(guī)律：恒值控制和隨動(dòng)控制， ③系統(tǒng)內(nèi)部信號(hào)傳送特特點(diǎn)：連續(xù)控制和離散控制， ④被控對(duì)象的不同：機(jī)電氣動(dòng)液壓控制。由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且起源壓力較低。目前較少，發(fā)展前景廣闊，有待拓展研究。 電力傳動(dòng) 由特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī) /功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，不需中轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。分為專用和通用 柔性機(jī)械手系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究 6 表 24 按驅(qū)動(dòng)方式分類的機(jī)械手 Mechanical hand according to drive mode 驅(qū)動(dòng)方式分類 成本 穩(wěn)定性 使用環(huán)境 抓重 精度 特點(diǎn) 液壓 高 好，連續(xù)軌控 不宜高 /低溫 幾百公斤 高，嚴(yán)密封 動(dòng)作靈敏，結(jié)構(gòu)緊湊 氣壓 低 差，沖擊大 高速 /溫，輕載，大粉塵 小于 30公斤，輸出力小 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 動(dòng)作迅速，介質(zhì)源方便 機(jī)械傳動(dòng) 例如凸輪、連桿、齒輪、齒條。 點(diǎn)位控制 點(diǎn)到點(diǎn)只控制運(yùn)動(dòng)過(guò)程幾個(gè)點(diǎn)位置，不控制運(yùn)動(dòng)軌跡。 表 22 按用途分類的機(jī)械手 Tab22 Mechanical hand by use 用途分類 程序 控制系統(tǒng) 附屬主機(jī) 動(dòng)作 對(duì)象 批量生產(chǎn) 其它 專用 固定 不獨(dú)立 是 少 單一 大 單一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低 通用 可變 獨(dú)立 否 多 多 中小 精度高，通用性強(qiáng) 表 23 按控制方式分類的機(jī)械手 Mechanical hand according to control mode 控制方式分類 特點(diǎn) 連續(xù)軌跡控制 軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，無(wú)限設(shè)定點(diǎn)，控制著整個(gè)移動(dòng)過(guò)程，平穩(wěn)、準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)得以實(shí)現(xiàn)，使用范圍廣，電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。加大對(duì) 機(jī)械手及機(jī)器人研發(fā)投入，注重研究開發(fā)屬于我們自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新產(chǎn)品，打破國(guó)外利用自己特有技術(shù)對(duì)我們發(fā)展的限制，讓進(jìn)口他們的變成我們出口給他們。 本章總結(jié) 目前我國(guó)機(jī)械手的研發(fā)應(yīng)用跟美國(guó)日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大的差距，很多產(chǎn)品還需進(jìn)口，特別是高靈活、高精度的機(jī)械手。 機(jī)械手系統(tǒng)的發(fā)展致力于操作者與機(jī)械手生產(chǎn)的人機(jī)交互控制 。國(guó)家應(yīng)加大研發(fā)投入機(jī)械手及機(jī)器 人，積極開發(fā)出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，從根本上解決對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的進(jìn)口的依賴 [5]。 我國(guó)機(jī)械手的研發(fā)應(yīng)用處在發(fā)展的階段，與美國(guó)日本等發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大差距，很多產(chǎn)品還需進(jìn)口，特別是高靈活、高精度的機(jī)械手。生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械自動(dòng)化出現(xiàn)于大部分機(jī)械工業(yè)中使得加工、裝配生產(chǎn)連續(xù)。機(jī)械化表現(xiàn)在生活、軍事、科學(xué)探測(cè)、醫(yī)療等方方面面，因此世界各國(guó)都重視機(jī)械工業(yè)的發(fā)展。 機(jī)械手發(fā)展的意義 減輕人力勞動(dòng)，提高質(zhì)量，改善作業(yè)條件，提高自動(dòng)化水平和生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)、產(chǎn)品快速更新?lián)Q代，柔性機(jī)械手在高溫 、高 壓、低溫 、低 壓、粉塵、易爆、有毒、放射等柔性機(jī)械手系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究 4 惡劣環(huán)境取代人，進(jìn)行正常生產(chǎn)制造，保證了人身安全，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械自動(dòng)化，結(jié)合機(jī)械、柔性制造系統(tǒng)和單元，從根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。機(jī)械手性能上需要提速，減少?zèng)_擊，正確定位，來(lái)更好發(fā)揮其 作用。 發(fā)展通用和專用機(jī)械手， 研制示教式機(jī)械手， 利于機(jī)械手 推廣 ，讓更多人去學(xué)習(xí)研究機(jī)械手，推廣應(yīng)用，促進(jìn)更多自主產(chǎn)權(quán)的發(fā)現(xiàn)； 示教編程和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真；研制計(jì)控機(jī)械手，與計(jì)算機(jī)連用，使得編程更加方便，使用更加合理，計(jì)算機(jī)與機(jī)械化完美結(jié)合。第三代機(jī)械手工作過(guò)程中的任務(wù)獨(dú)立完成。第二代機(jī)械手擁有微電子計(jì)控系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力。 目前，機(jī)械手大部分主要依靠人工進(jìn)行控制，需向著降低成本和提高精度發(fā)展。裝備部隊(duì) 可采用軍用機(jī)械， 定位精度可以滿足微米及亞微米級(jí)要求，運(yùn)行速度 高達(dá) 4M/S，量產(chǎn)產(chǎn)品 多 達(dá)到 6 軸，負(fù)載 4 斤 的產(chǎn)品系統(tǒng)總重 超越 200 斤 。相信隨著新工藝、新材料以及新技術(shù)的不斷出現(xiàn)和發(fā)展，終將會(huì)得以解決 [3]。純水液壓傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：無(wú)污染、制造原料容易獲得，阻染安全性好、溫升小，介質(zhì)經(jīng)濟(jì)性好，監(jiān)測(cè)維護(hù)成本低，黏度與 溫度變化不敏感，壓力損失少，發(fā)熱小，傳動(dòng)效率高，流量穩(wěn)定性好，系統(tǒng)的剛性大。人類環(huán)保意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，科學(xué)技術(shù)也越來(lái)越完善發(fā)達(dá)，可使用高水基液壓以外液體介質(zhì)。柔性機(jī)械手向著四化（前面已提出，此處不贅述）發(fā)展 [1]。仿行：柔性噴涂 /復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā)，伺服軸軌跡規(guī)劃及控制系統(tǒng)開發(fā)。它越來(lái)越深入我們的生活。 七、 大范圍應(yīng)用機(jī)械化。 六、 遙控手更注重人機(jī)交互控制系統(tǒng)，能更精準(zhǔn)的發(fā)揮作用，充分表現(xiàn)機(jī)械和知識(shí)腦力完美結(jié)合。 四、 注重傳感器使用，采用位置、速 度、加速度、視覺、力覺傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制 五、 虛擬仿真到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。 Eg:關(guān)節(jié)模塊包含伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)，這三種模塊有機(jī)結(jié)合使用，重組方式構(gòu)造關(guān)節(jié)連桿模塊制造機(jī)械手整機(jī)，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外均有模塊化裝配機(jī)械手產(chǎn)品流向市場(chǎng)。按固定程序進(jìn)行抓取、裝配、搬運(yùn)，具有高負(fù)載自重比、低能耗、低成本，大的操作空間、高速 操作能力，追求多種指標(biāo)（速度、能量、動(dòng)力學(xué)特性）的最佳。在考慮系統(tǒng)柔性的前提下，討論其發(fā)展趨勢(shì)，包含柔性體在內(nèi)的多體系統(tǒng)。其動(dòng)力學(xué)分析研究?jī)?nèi)容是考慮運(yùn)動(dòng)過(guò)程中關(guān)節(jié)和連桿的柔性效應(yīng)帶來(lái)的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，主要研究目的有兩點(diǎn)：一建立更準(zhǔn)確反映實(shí)際物理系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型；二設(shè)計(jì)相應(yīng)控制策略抑制柔性機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過(guò)程因受到驅(qū)動(dòng)力、慣性力、重力作用下產(chǎn)生的變形和振動(dòng)，保證機(jī)械手末端位姿精度和準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)軌跡。早期研究主要為多剛體系統(tǒng)，各部件均視作剛體，忽略部件彈性變形因素，但是隨著航空航天、機(jī)械工程等領(lǐng)域輕型化、高速化不斷發(fā)展，考慮運(yùn)動(dòng)部件柔性備受關(guān)注。它的研究涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、高等機(jī)構(gòu)學(xué)、多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、傳感與信息融合技術(shù)、經(jīng)典控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科，這些相關(guān)學(xué)科的發(fā)展促進(jìn)機(jī)械手向高精度、高可靠、實(shí)時(shí)性良好方向發(fā)展。青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 現(xiàn)代科技的進(jìn)步促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，而機(jī)械手迅猛發(fā)展反過(guò)來(lái)推動(dòng)科技不斷進(jìn)步，從上世紀(jì) 60 年代開始經(jīng)過(guò)近五十年的發(fā)展，機(jī)械手開始應(yīng)用于各行各業(yè)。制造生產(chǎn)采用機(jī)械手，不僅大大提高生產(chǎn)率、縮短生產(chǎn)周期，而且保證產(chǎn)品質(zhì)量、改善工作環(huán)境。 機(jī)械手動(dòng)力學(xué)分析主要研究機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)，研究一直驅(qū)動(dòng)外力的情況下，利用所建立的動(dòng)力學(xué)方程求解速 度、加速度、位移，主要用于計(jì)算機(jī)仿真分析。柔性機(jī)械手作為典型多柔體系統(tǒng)廣泛用于研究。 針對(duì)柔性機(jī)械 手動(dòng)力學(xué)建模問(wèn)題，有 Lagrange 方程方法、 Kane 方法、旋轉(zhuǎn)代數(shù)法、NewtonEuler 方法等，對(duì) 幾個(gè) 動(dòng)力學(xué)建模方法分析對(duì)比，指出各種方法優(yōu)缺點(diǎn)，揭示不同建模存在問(wèn)題。 柔性機(jī)械手系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究 2 1 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用及發(fā)展 國(guó)內(nèi)外機(jī)械手領(lǐng)域發(fā)展趨勢(shì) 機(jī)械手是自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。 表 11 柔性機(jī)械手應(yīng)用 manipulator application 機(jī)械手 應(yīng)用 國(guó)內(nèi) 機(jī)床加工、鑄鍛、熱處理 國(guó)外 機(jī)械制造行業(yè)，目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料、點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，按指定程序作業(yè) 軍事設(shè)備、醫(yī)療儀器、安裝設(shè)備、家庭體力、航 空航海、國(guó)防核工業(yè)、汽車制造業(yè)、家電半導(dǎo)體行業(yè)、 機(jī)械手應(yīng)用 化肥和化工、食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事 、沖壓 鑄、鍛、焊接、熱處理、機(jī)械制造、電鍍 、噴漆、裝配、 輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè) 柔性機(jī)械手國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r ： 一、 性能提高 (高速度 /精度、高可靠性、便于操作 /維修 )，價(jià)格不斷下降 二、 模塊 /可重構(gòu)化。 三、 四化（高精、高速、多軸、輕量），控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，利于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化，集成度提高，控制柜日見小巧，采用模塊化結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。如使遙控機(jī)械手操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來(lái)操縱機(jī)械手。 Eg:美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)械手。機(jī)械手成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)，大到航空航天、醫(yī)療機(jī)械、生物研究、礦產(chǎn)探測(cè)；小到目前已有兒童玩具，比如小型吊車、娃娃機(jī)等。 青島科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 八、 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、通用、模塊、系列化設(shè)計(jì)。比如焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)。 液壓工作介質(zhì)礦物型液壓油，油的使用存在問(wèn)題：污染環(huán)境、易燃易爆、資源浪費(fèi)，當(dāng)今大家注重環(huán)保節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展，在一定程度上限制了液壓技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。比如純水介質(zhì)，近 20 年來(lái)使其在理論以及應(yīng)用研究方面都得到了持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。純水液壓傳動(dòng)缺點(diǎn)：泄漏與磨損、氣蝕、液壓沖擊、振動(dòng)和噪聲、材料腐蝕與老化。 仿人型機(jī)械手、機(jī)器化機(jī)械手 微型機(jī)械手、微操作系統(tǒng) 機(jī)械手新發(fā)展 智能機(jī)械手（智能化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控 制 算法，復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)） 國(guó)內(nèi)機(jī)械手領(lǐng)域發(fā)展 ： 由于我國(guó)工業(yè)轉(zhuǎn)型向非制造業(yè)和服務(wù)業(yè)發(fā)展， 機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域 也跟著大局勢(shì)發(fā)展。同時(shí)，隨著機(jī)械手微型化，機(jī)械手向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航