四自由度多用途氣動(dòng)機(jī)器人（機(jī)器手）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制實(shí)現(xiàn)

【摘要】近幾十年，隨著全球科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和信息化水平不斷提高，出于解放勞動(dòng)力、提高生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益和減少生產(chǎn)成本的目的，很多工業(yè)領(lǐng)域開始使用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)作。為了加深對(duì)機(jī)器人從設(shè)計(jì)到工業(yè)應(yīng)用具體是怎樣實(shí)現(xiàn)的，文章先對(duì)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展背景進(jìn)行闡述，再對(duì)機(jī)器人（機(jī)械手）的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，其中包括手部、手腕、手臂等的設(shè)計(jì)，最終利用可編程序控制器對(duì)機(jī)器人（機(jī)械手）進(jìn)行有效控制，使機(jī)器人（機(jī)械手）能夠正常運(yùn)作，進(jìn)而出現(xiàn)在在更多生產(chǎn)企業(yè)的工作線上。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)機(jī)器人；機(jī)械手；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可編程序控制器

0.引言

機(jī)器人（Robot）一詞最早出現(xiàn)在國(guó)外，二十世紀(jì)中后期開始才得到人們的廣泛關(guān)注，并被人們所熟悉，現(xiàn)如今，在國(guó)外，甚至國(guó)內(nèi)有些工廠、企業(yè)都可以看得機(jī)器人的身影。現(xiàn)代的工業(yè)機(jī)器人（機(jī)器手）主要有可編程、擬人化、通用性、運(yùn)用廣泛這四個(gè)特點(diǎn)?？茖W(xué)技術(shù)的提高和不斷創(chuàng)新，使得當(dāng)今的工業(yè)機(jī)器人逐漸具備行走、感知、交流等多種能力。目前，美國(guó)和日本在機(jī)器人的研發(fā)方面處于世界領(lǐng)先水平，對(duì)全球機(jī)器人的發(fā)展最具影響。絕大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人都是由主體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三個(gè)部分組成。其中主機(jī)包括臂部、腕部、手部等，大多數(shù)機(jī)器人有3-6個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，文章以下以四個(gè)自由度為例進(jìn)行描述。機(jī)器人（機(jī)械手）在工業(yè)生產(chǎn)過程中能夠代替人做些單調(diào)、頻繁或者重復(fù)率強(qiáng)的長(zhǎng)時(shí)間工作，但是機(jī)器人又不是簡(jiǎn)單意義上的完全復(fù)制了人工的勞務(wù)，而是在綜合了人的工作性能的基礎(chǔ)上再結(jié)合了機(jī)器人其專有的特長(zhǎng)。機(jī)械手是模仿人手和手臂的某些功能，在設(shè)置的特定程序下抓取、搬運(yùn)物件或者操作工具的自動(dòng)操作裝置。機(jī)器人的發(fā)展歷史經(jīng)歷了一系列階段，其中機(jī)械手則是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用能夠有效地減省工人、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品的品質(zhì)提升工廠形象，尤其是在某些特殊的環(huán)境下，如高溫高壓、有毒有害、易燃易爆、放射性較大等，機(jī)器手得到了廣泛的運(yùn)用。

1.機(jī)器人（機(jī)器手）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是通用氣動(dòng)上下料機(jī)械手，其在工業(yè)生產(chǎn)有較為廣泛的運(yùn)用。

1.1手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

對(duì)手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以設(shè)計(jì)成可更換的結(jié)構(gòu)，按照實(shí)際情況使用的是夾持式手部還是氣壓吸盤式結(jié)構(gòu)。夾持式常用的有兩指、多指和雙手雙指式。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮手指的夾緊力，慣性力和振動(dòng)性，避免因?yàn)樽チΣ粔蚨率刮锲返袈?，?duì)手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還要考慮一定的開閉角和抓取的對(duì)象，因地制宜，這樣才能發(fā)揮出機(jī)器手的最大作用。由于手抓的物品大多數(shù)為圓柱形，所以手指形狀應(yīng)該設(shè)計(jì)成V型。在設(shè)計(jì)時(shí)首先計(jì)算出手部驅(qū)動(dòng)力的大小，然后計(jì)算出氣缸的直徑，最后計(jì)算出缸筒的壁厚。

1.2手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

對(duì)于手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要充分理解手腕的工作原理，手腕是連接手部和手臂的重要部件，起到的是調(diào)整和改變物品的方位，考慮到機(jī)器手所抓取的物品是水平放置的，所以手腕在設(shè)計(jì)的過程中，必須要設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)是回轉(zhuǎn)氣缸。因此此次設(shè)計(jì)選擇的是回轉(zhuǎn)氣缸[1]。對(duì)回轉(zhuǎn)氣缸的設(shè)計(jì)首先要計(jì)算出手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩；手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和物品的偏重會(huì)產(chǎn)生一個(gè)偏重力，具體表現(xiàn)在是對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸產(chǎn)生的一個(gè)偏重力矩，所以這時(shí)需要計(jì)算出這個(gè)偏重力矩的大?。皇滞筠D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也會(huì)產(chǎn)生摩擦，所以還需要計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)軸對(duì)軸頸處造成的摩擦阻力矩；再對(duì)回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行計(jì)算和尺寸進(jìn)行校核，

1.3手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

機(jī)器手手臂作為手腕和手部的牽引部分，有三種氣缸模式，手臂伸縮氣缸、手臂升降氣缸和手臂回轉(zhuǎn)氣缸。在進(jìn)行手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，要計(jì)算出這三種氣缸的尺寸，并進(jìn)行校核。同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，機(jī)器手臂在伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置，可以有效地增加手臂的剛性，避免手臂繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)[2]。

2.可編程序控制器對(duì)機(jī)器人（機(jī)器手）的有效控制

可編程控制器是在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝備。此次設(shè)計(jì)控制的對(duì)象是圓柱座標(biāo)氣動(dòng)機(jī)械手，對(duì)機(jī)器人的有效控制可以分成四個(gè)過程。可編程序控制器有四個(gè)階段，首先CPU對(duì)輸入輸出狀態(tài)暫存器清零，隨后進(jìn)行自診斷，當(dāng)顯示一切硬件正常工作后進(jìn)入第二個(gè)階段；然后處理輸入信號(hào)，把獲得的各個(gè)輸入端子的狀態(tài)信息存放到輸入輸出狀態(tài)暫存器中；接著再對(duì)用戶程序進(jìn)行掃描、運(yùn)算和處理，將結(jié)果寫入輸出狀態(tài)暫存器中，最后把暫存器中的信號(hào)取出，送到輸出鎖存電路，驅(qū)動(dòng)輸出繼電器線圈，控制與被控制設(shè)備進(jìn)行各種相應(yīng)的動(dòng)作[3]。周而復(fù)始，使機(jī)器手能夠不斷運(yùn)作。

3結(jié)論

文章對(duì)四自由度機(jī)器人（機(jī)器手）進(jìn)行研究，提出了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制實(shí)現(xiàn)的具體方法。機(jī)器人（機(jī)器手），作為一種全新的能為企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的工具，在今后的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中必然會(huì)發(fā)揮出其巨大的優(yōu)勢(shì)。我國(guó)也應(yīng)該學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)的有關(guān)機(jī)器人的科學(xué)技術(shù)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，勇于創(chuàng)新，加速機(jī)器人研發(fā)步伐，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速穩(wěn)定發(fā)展注入一股新的力量。

【參考文獻(xiàn)】

[1]羅紹維、吳振順.四自由度多關(guān)節(jié)機(jī)器人自適應(yīng)控制系統(tǒng)的研究[J]. 機(jī)器人，2009.06：40-44.

[2]李桂海.全氣動(dòng)多自由度關(guān)節(jié)型機(jī)器人的研制[D].南京理工大學(xué).2005.12（5）：37-39

[3]金茂青、曲忠萍、張桂華.國(guó)外工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展勢(shì)態(tài)分析.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用.2010.2（8）：21-25

作者簡(jiǎn)介：

譚焓（1970—），男，漢族，湖北武漢人，武漢理工大學(xué)工程碩士，武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，副教授，研究方向：機(jī)械制造及控制自動(dòng)化