气动机械手的应用现状及结构设计 2Word下载.docx

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人工智能

一、研究气动机械手的意义

近20年来,气动技术的应用领域迅速拓宽，尤其是在各种自动化生产线上得到广泛应用。

电气可编程控制技术与气动技术相结合，使整个系统自动化程度更高、控制方式更灵活、性能更加可靠。

气动机械手、柔性自动生产线的迅速发展对气动技术提出了更多更高的要求。

微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展。

现代控制理论的发展，使气动技术从开关控制进入闭环比例伺服控制，控制精度不断提高。

由于气动脉宽调制技术具有结构简单、抗污染能力强和成本低廉等特点，国内外都在大力开发研究。

从各国的行业统计资料来看。

近30多年来，气动行业发展很快。

20世纪70年代，液压与气动元件的产值比约为9:

1。

而30多年后的今天，在工业技术发达的欧美、日本国家，该比例已达到6:

4，甚至接近5:

5。

我国的气动行业起步较晚，但发展较快。

从20世纪80年代中期开始,气动元件产值的年递增率达20，以上，高于中国机械工业产值平均年递增率。

随着微电子技术、PLC技术、计算机技术、传感技术和现代控制技术的发展与应用。

气动技术已成为实现现代传动与控制的关键技术之一。

传统的机器人关节多由电机或液（气）压缸等来驱动。

以这种方式来驱动关节，位置精度可以达到很高，但其刚度往往很大，实现关节的柔顺运动较困难。

而柔顺性差的机器人在和人接触的场合使用时，容易造成人身和环境的伤害。

因此，在许多服务机器人或康复机器人研究中：

确保机器人的关节具有一定的柔顺性提高到了一个很重要的地位。

人类关节具有目前机器人所不具备的优良特性。

既可以实现较准确的位置控制又具有很好的柔顺性。

这种特性主要是由关节所采用的对抗性肌肉驱动方式所决定的。

目前模仿生物关节的驱动方式在仿生机器人中得到越来越多的应用。

在这种应用中为得到类似生物关节的良好特性，一般都采用具有类似生物肌肉特性的人工肌肉。

二、气动机械手在国内外的发展现状及应用

由于机器人或机械手都需要能快速、准确的抓取工件，因而对机器人或机械手提出了更高的要求，即他们必须具有高定位精度、能快速反应、有一定的承载能力、足够的空间和灵活的自由度以及在任意位置都能自动定位。

传统观点认为，由于气体具有压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难（尤其在高速情况下，似乎更难想象）。

此外，气源工作压力较低、抓举力较小。

气动技术作为机器人中的驱动功能已经被工业界广泛接受对于气动机器人伺服控制体系的研究起步较晚，但已取得了重要成果。

它在工业自动化领域应用正在受到越来越多的广泛关注。

90年代初，有布鲁塞尔皇家军事学院Y.Bando教授领导的综合技术部开发研制的电子气动机器人——“阿基里斯”六脚勘测员，也被称为FESTO的“六足动物”。

Y.Bando教授采用了世界上著名的德国FESTO生产的气动元件、可编程控制器和传感器等。

创造了一个在荷马史诗中最健壮最勇敢的希腊英雄——阿基里斯。

它能在人不易进入的危险区域、污染或放射性的环境中进行地形侦察。

六脚电子气动机器人的上方安装了一个照相机来探视障碍物，能安全的绕过它，并在行走过程中记录和收集数据。

六脚电子气动机器人行走的所有程序由FPC101-B可编程控制器控制，FPC101-B能在六个不同方向控制机器人的运动，最大行走速度0.1m/s。

通常如果有三个脚与地面接触，机器人便能以一种平稳的姿态行走，六脚中的每一个脚都有三个自由度，一个直线气缸把脚提起、放下，一个摆动马达控制脚伸展、退回，另一个摆动马达则负责围绕脚的轴心作旋转运动无级调速状态下工作。

控制气缸的阀内置在机器人体内，由FPC101-B可编程控制器控制。

当接通电源时，气动阀被切换到工作状态位置，当关闭电源时，他们便回到初始位置。

此外，操作者能在任何一点上停止机器人的运动，如果机器人的传感器在它的有效范围内检测到障碍物，机器人也会自动停止。

由汉诺威大学材料科学研究院设计的气动攀墙机器人，它能在两个相互垂直的表面上行走（包括从地面到墙面或者从墙面到天花板上）。

该机器人轴心的圆周边上装备着等距离（根据步距设置）的吸盘和气缸，一组吸盘吸力与另一组吸盘吸力的交替交换，类似脚踏似的运动方式，使机器人产生旋转步进运动。

这种攀墙式机器人可被用于工具搬运或执行多种操作，如在核能发电站、高层建筑物气动机械手位置伺服控制系统的研究或船舶上进行清扫、检验和安装工作。

机器人用遥控方式进行半自动操作，操作者只需输入运行的目标距离，然后计算机便能自动计算出必要的单步运行。

操作者可对机器人进行监控。

从上述实例可见，气动机器人己经取得了实质性的进展。

就它在三维空间内的任意定位、任意姿态抓取物体或握手而言“阿基里斯”六脚勘测员、攀墙机器人都显示出它们具有足够的自由度来适应工作空间区域。

气动技术发展至今，用直线气缸、旋转马达来解决气动机器人中一般的关节活动和空间自由度己经不成问题了，气缸低速运动平稳性这一点也不成问题了，很多场合使用低速气缸，其速度在5mm/s的情况下也能平稳运行。

因此从根本上改变了传统上的观点——“由压缩性的空气作为介质的气缸运动速度有冲击颤动或低速运行不平稳的缺陷”。

气缸的运行从低速5mm/s到高速5~10m/s，表明了它有一个十分丰富、宽广的速度区域，以适应各种层次的速度等级需要[5]。

气动技术经历了一个漫长的发展过程，随着气动伺服技术走出实验室，气动技术及气动机械手迎来了崭新的春天。

目前在世界上形成了以日本、美国和欧盟气动技术、气动机械手三足鼎立的局面。

我国对气动技术和气动机械手的研究与应用都比较晚，但随着投入力度和研发力度的加大，我国自主研制的许多气动机械手已经在汽车等行业为国家的发展进步发挥着重要作用。

随着微电子技术的迅速发展和机械加工工艺水平的提高及现代控制理论的应用，为研究高性能的气动机械手奠定了坚实的物质技术基础。

由于气动机械手有结构简单、易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等诸多独特的优点。

气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装，用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。

如酒、油漆灌装气动机械手，自动加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等。

三、机械手的组成

机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。

各系统相互之间的关系如方框图1所示。

图1机械手各系统相互关系

（一）执行机构

包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。

1、手部

即与物件接触的部件。

由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。

夹持式手部由手指（或手爪）和传力机构所构成。

手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。

回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。

平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。

手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位（是外廓或是内孔）和物件的重量及尺寸。

常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:

手指有外夹式和内撑式;

指数有双指式、多指式和双手双指式等。

而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。

传力机构型式较多时常用的有:

滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。

2、手腕

是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位（即姿势）

3、手臂

手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。

手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动。

4、立柱

立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。

机械手的立柱因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。

5、行走机构

当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。

滚轮式布为有轨的和无轨的两种。

驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。

6、机座

机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。

（二）驱动系统

驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。

常用的驱动系统有液压传动、气压传动、机械传动。

控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。

目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。

控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，

并记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。

（三）控制系统

控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。

（四）位置检测装置

控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置。

四、气动系统设计

图1为该机械手的气压传动系统工作原理图。

它的气源是由空气压缩机（排气压力大于0.4-0.6MPa）通过快换接头进入储气罐，经分水过滤器、调压阀、油雾器，进入各并联气路上的电磁阀，以控制气和手部动作。

图1压传动系统工作原理图

各执行机构调速。

凡是能采用排气口节流方式的，都在电磁阀的排气口安装节流阻尼螺钉进行调速，这种方法的特点是结构简单，效果尚好。

如手臂伸缩气缸在接近气缸处安装两个快速排气阀，可以加快启动速度，也可调节全程上的速度。

升降气缸采用进气节流的单向节流阀以调节手臂上升速度。

由于手臂可自重下降，其速度调节仍采用在电磁阀排气口安装节流阻尼螺钉来完成。

气液传送器气缸侧的排气节流，可用来调整回转液压缓冲器的背压大小。

为简化气路，减少电磁阀的数量，各工作气缸的缓冲均采用液压缓冲器。

这样可以省去电磁阀和切换调节阀或行程节流阀的气路阻尼元件。

电磁阀的通径，是根据各工作气缸的尺寸、行程、速度计算出所需压缩空气流量，与所选用电磁阀在压力状态下的公称使用流量相适应来确定的。

五、气动机械手的结构

气动机械手主要由起固定支撑作用的机架、机械臂和气爪三部分组成。

气动机械手能够实现4个自由度（由于机构运动确定，因此机构的自由度等于机构的原动件数目，此机构有4个原动件，因此可得有4个自由度）的运动，其各自的自由度的驱动全部由气动肌肉来实现。

最前端的气爪抓取物品，通过气动肌肉的驱动实现各自关节的转动，使物品在空间上运动，根据合理的控制，最终实现机械手的动作要求。

驱动第一肩关节的运动有2根气动肌肉组成，机架臂有4根气动肌肉组成，大臂上安装有4根气动肌肉，小臂上安装有4根气动肌肉。

关节的基本方式

在气动机械手设计中，有4个自由度，相当于4个独立的关节。

每个关节的驱动原理都是相同的，即由一对相当于人类拮抗的气动肌肉相互之间的对抗作用来驱动关节。

其原理如图所示。

这种方式驱动的关节，其刚度和两个肌肉的压力之和有关，而其位置则和2个肌肉的压力差有关，因此可以实现关节位置和刚度的独立控制。

图2气动机械手

（一）手臂伸缩气缸的尺寸设计与校核

根据实验设计要求，手臂伸缩气缸采用烟台气动元件厂生产的标准气缸，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，气缸用CTA型气缸，尺寸系列初选内径为63/63.

1、在校核尺寸时，只需校核气缸内径=63mm,半径R=31.5mm的气缸的尺寸满足使用要求即可,设计使用压强,

2、测定手腕质量和重物的质量之和为7kg,设计加速度

则惯性力

3、考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数为

总受力为

所以标准CTA气缸的尺寸符合实际使用驱动力要求

4、活塞杆的计算

（1）按强度条件计算

当活塞杆的长度L较小时（L≤10d），可以只按强度条件计算活塞杆直径d

式中气缸的推力（N）；

活塞杆材料的许用应力（Pa）,

材料的抗拉强度（Pa）；

安全系数，S≥1.4。

（2）按纵向弯曲极限力计算

（3）气缸承受轴向压力以后，会产生轴向弯曲，当纵向力达到极限力以后，活塞杆会产生永久性弯曲变形，出现不稳定现象。

该极限力与缸的安装方式、活塞杆直径及行程有关。

尺寸校核

（2）测定参与手臂转动的部件的质量m1=2kg,分析部件的质量分布情况，

质量密度等效分布在一个半径r=53mm的圆盘上，那么转动惯量：

=2×

0.053×

0.053/2

=0.03（

）

=0.03×

（180/1）=5.4N.M

考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定摩擦系数

=0.2×

5.4=1.08N.M

总驱动力矩

=5.4+1.08=6.48N.M

T>

M

设计尺寸满足使用要求。

六、结论

（一）本次设计的是气动通用机械手，相对于专用机械手，通用机械手的自由度可变，控制程序可调，因此适用面更广。

（二）采用气压传动，动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。

工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能。

阻力损失和泄漏较小，不会污染环境。

同时成本低廉。

（三）通过对气压传动系统工作原理图的参数化绘制，大大提高了绘图速度，节省了大量时间和避免了不必要的重复劳动，同时做到了图纸的统一规范。

（四）机械手采用PLC控制，具有可靠性高、改变程序灵活等优点，无论是进行时间控制还是行程控制或混合控制，都可通过设定PLC程序来实现。

可以根据机械手的动作顺序修改程序，使机械手的通用性更强。

参考文献

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北京理工大学出版社，1988

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