《機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計文獻綜述3500字》

氣動控制的機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計文獻綜述1.氣動機械臂研究（1）國外研究綜述機器人領(lǐng)域中，氣動技術(shù)最早是應(yīng)用在工業(yè)機器人的末端夾具中，而氣壓驅(qū)動機械臂是近些年隨著氣動技術(shù)發(fā)展而來的一種新型的機械臂類型。從20世紀(jì)80年代開始，國外著名的氣動元件公司，如德國FESTO公司，日本SMC氣動元件公司相繼成功研發(fā)出了電氣伺服閥、電氣比例閥和高速開關(guān)閥等高性能的氣動控制元件，這些元器件的研發(fā)成功為氣動機械臂的誕生做出了開創(chuàng)性的成果。早期的氣動機械臂都是由人工肌肉作為主驅(qū)動器實現(xiàn)的。20世紀(jì)_50年代美國原子物理學(xué)家JosephL.McKibben為他患病的女兒設(shè)計出第一個氣動人工肌肉，用于驅(qū)動假肢運動，它被稱作McKibben肌肉。之后學(xué)者們相繼又研制出Morin肌肉、Yarlott型肌肉等，以人工肌肉為驅(qū)動的機械臂開始被研制出來。如Festo公司研發(fā)的氣動機械臂Airic'sarm，骨骼與肌肉結(jié)構(gòu)完全按照人體骨骼構(gòu)成，“肌肉”即是用“氣動肌鍵”所構(gòu)成，它的優(yōu)點在于可以方便的控制設(shè)備的剛度和力度。日本東京理科大學(xué)小林宏教授同樣采用McKibben型人工肌肉設(shè)計了一款可穿戴助力型的機械臂，該類機械臂都是由金屬骨架和人工肌肉來模仿人的手臂進行研究的，從而開辟了氣動機械臂的應(yīng)用先河。麻省理工學(xué)院Krebs等人研發(fā)出平面動作機械手臂MIT-MANUS系統(tǒng)，訓(xùn)練時病人用患側(cè)握在機械手臂末端，輔助病人做上肢康復(fù)運動，利用Video-games，病人依靠屏幕上所顯示的目標(biāo)來移動機械手臂，由視覺、聽覺、觸覺回饋來完成手臂動作。當(dāng)病人無法對視覺或聽覺的提示做出反應(yīng)時，機械手臂會輔助來帶動病人的手。利用系統(tǒng)上的感測器可記錄病人手部動作軌跡及位置、速度、力量等物理量，控制力量輸出的大小，能確保病人與機械手臂接觸做練習(xí)時的安全，緩和機器震動，維持整體的穩(wěn)定性。機械手具有反向可驅(qū)動性，阻抗控制；主要輔助或阻礙肩和肘的平面運動，并可以通過計算機屏幕為患者提供力場反饋。學(xué)者Lum與斯坦福大學(xué)合作開發(fā)了使用名為MirrorImageMovementEnabler的系統(tǒng)，此系統(tǒng)是有兩個可移動的胳膊支撐，一個六自由度的機械手臂組成。MIME有三種單側(cè)操作方式和一種雙側(cè)操作方式，單側(cè)操作方式有12種預(yù)定的軌跡可選，雙側(cè)操作方式中，健肢運動是由監(jiān)測的傳感器和光電編碼器記錄運動，通過PUMA機械手鏡像至患者肢體。當(dāng)運動阻力超過預(yù)定值時，機械手停止動作。意大利帕多瓦大學(xué)GiulioRosati等人設(shè)計的繩驅(qū)動三自由度機械手NeReBot，可以幫助中風(fēng)患者進行手臂的康復(fù)運動訓(xùn)練。在機械手的中間位置有一個托板，它分別由支撐架上的三根繩吊著，繩子分別由三個電機驅(qū)動來控制。通過電機轉(zhuǎn)動來控制三根繩子長短的變化，從而帶動托板在空間運動?；颊咴谶M行康復(fù)運動訓(xùn)練時，首先需要把病人的手臂固定在托板上，通過電機轉(zhuǎn)動，帶動患者的手臂在三個自由度方向上運動，而且托盤的運動軌跡是通過示教再現(xiàn)的方式進行規(guī)劃控制的。（2）國內(nèi)研究綜述雖然國內(nèi)起步較晚，但也有不少學(xué)者對此進行研究，如哈爾濱工程大學(xué)隋立明等人研制的基于人工肌肉的四自由度的機械臂，該機械臂肩部采用虎克鉸的形式，基本滿足了人手臂的柔順性運行的要求;之后北京理工大學(xué)彭光正課題組在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種七自由度的仿人機械臂，該機械臂在設(shè)計上擁有較多的自由度，因此靈活性上得到了大大的提升。上海交通大學(xué)的洪熠通過高速開關(guān)閥研究了基于氣動人工肌肉的六自由度的機械臂的設(shè)計和控制研究，較為完整的探究了氣動機械臂柔順性和靈活性。雖然人工肌肉的使用從一定程度上促進了氣動機械臂的發(fā)展，但由于其較小的負(fù)載承受能力以及較大的柔性限制了其在工業(yè)上的應(yīng)用，同時在實際應(yīng)用過程中，經(jīng)常會使用多個人工肌肉并聯(lián)才能達到預(yù)期的使用效果，因此這些都在一定程度上限制了其應(yīng)用的范圍。臺灣學(xué)者陳秋旺設(shè)計出一應(yīng)用于中風(fēng)病人上肢復(fù)健之機械手臂，如，林棟煌、董憲奇延續(xù)進行軟硬件的改良及測試。其機器手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計采用Asada所提出的“五連桿平行驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計”方法來設(shè)計，并利用模糊理論來進行位置及力量的控制，應(yīng)用伺服馬達驅(qū)動機械手臂，可記錄復(fù)健過程中的軌跡路徑、速度及機械手臂與被訓(xùn)練者手部之間的接觸力量。近些年來，隨著高性能氣動伺服閥的研制成功，國內(nèi)外的一些學(xué)者也開始使用傳統(tǒng)的氣缸作為驅(qū)動器研究機械臂，使得氣動機械臂在機械結(jié)構(gòu)和運動精度上逐漸的接近于電機驅(qū)動的傳統(tǒng)機械臂。這其中最具有代表性的是氣動元件制造巨頭德國FESTO公司研制的BioriicCobot和BioriicSoftArm氣動機械臂，該機械臂設(shè)計為七自由度，使用擺動氣缸為作為驅(qū)動，通過電氣比例伺服閥進行控制氣腔的壓力的控制進而控制每個關(guān)節(jié)的運動，由于氣體的可壓縮性，其機械臂在運動過程中，相對于傳統(tǒng)的電機驅(qū)動機械臂柔順性更好，更加接近于人類手臂，同時比傳統(tǒng)的人工肌肉剛性更好，使其能夠完成更多的復(fù)雜和較繁重的任務(wù).在國內(nèi)，通過使用傳統(tǒng)氣動執(zhí)行器作為驅(qū)動研究機械臂則相對落后，部分學(xué)者使用直線氣缸做驅(qū)動，通過設(shè)計相關(guān)結(jié)構(gòu)使直線運動變?yōu)檗D(zhuǎn)動從而控制機械臂關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，如哈爾濱工業(yè)大學(xué)的毛新濤研制了一款應(yīng)用于工業(yè)涂膠的三自由度串聯(lián)式氣動機械手。該機械臂腰部采用擺動氣缸控制，大臂和小臂采用直線氣缸控制，并配以比例流量閥控制腔內(nèi)壓力大小從而控制關(guān)節(jié)運動。該研究通過建立機械手運動學(xué)模型，并進行正運動學(xué)和逆運動學(xué)分析。通過氣動機械手的運動學(xué)模型，采用基于逆運動學(xué)模型的角度規(guī)劃軌跡方法，進行多種軌跡的仿真分析研究，樣機試驗結(jié)果表明其運動精度控制在2%以內(nèi)。2.氣動伺服控制系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀（1）國外研究現(xiàn)狀長期以來，為解決氣動技術(shù)的高精度伺服控制的難題，國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者進行了不懈的努力和探索，自從1997年德國亞探工業(yè)大學(xué)WBacke教授研制出的世界上第一個氣動伺服閥之后，氣動伺服控制系統(tǒng)開始發(fā)展起來。80年代初，T.Eun等人研制出了一種新的氣動開關(guān)伺服結(jié)構(gòu)，并深入研究了該結(jié)構(gòu)的魯棒性和精度。而PWM開關(guān)伺服控制是日本的則次俊郎首先開始引入研究，他首次將PWM電-氣開關(guān)/伺服系統(tǒng)應(yīng)用于輸送機中。之后又最先把PCM控制技術(shù)應(yīng)用于氣動系統(tǒng)的控制。美國的JingYihLai等人以自由度機械臂為控制對象進行了PWM氣動控制理論分析和實驗研究。而國內(nèi)，周洪博士等人較早的對電一氣伺服系統(tǒng)及其控制進行了研究;隨后哈爾濱工業(yè)大學(xué)許耀銘教授主持進行了電一氣伺服系統(tǒng)及其電一氣伺服器件的開發(fā)研究;同時國內(nèi)眾多學(xué)者開始對氣動伺服技術(shù)進行深入研究。氣動旋轉(zhuǎn)位置伺服系統(tǒng)相對于直線位置伺服系統(tǒng)更復(fù)雜，模型建立更加困難，產(chǎn)生的非線性因素也更多，因此對它的研究也相對較晚。近些年隨著工業(yè)自動化領(lǐng)域中對旋轉(zhuǎn)運動需求的增多，以擺動氣缸和氣馬達為主要執(zhí)行器的研究逐漸增多。如李尚義等人對PCM開關(guān)閥控氣馬達轉(zhuǎn)角位置控制系統(tǒng)進行了初步研究運用控制理論對其穩(wěn)定性和誤差進行了定量分析。Tillett,N.D研究了擺動氣缸的非線性結(jié)構(gòu)和影響摩擦力的因素，建立了系統(tǒng)的非線性模型，較精確的反映了系統(tǒng)的特性。對于氣動伺服控制，其中一個重要的問題就是解決氣缸的低速爬行的問題，而產(chǎn)生低速爬行的一個重要的原因就是因為動靜摩擦力之間差值所造成的位置跳動不受控的問題，目前學(xué)者們對氣缸所產(chǎn)生的摩擦力已經(jīng)進行了較深入的研究，如最早對氣缸摩擦力進行研究的意大利學(xué)者G.Belforte教授，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)總結(jié)了相關(guān)性因素得出了氣缸摩擦力的計算公式。同時該研究得到了不同密封下的摩擦力系數(shù)，對與尋找低摩擦力氣缸與密封之間的關(guān)系具有指導(dǎo)價值。日本工業(yè)大學(xué)的寺島幸雄等人，通過仿真和實驗，研究了排氣節(jié)流中的氣缸爬行現(xiàn)象，根據(jù)得到的不同工況下的摩擦力，建立了氣缸的Stribeck摩擦力模型，并總結(jié)提出了爬行速度這一概念。（2）國內(nèi)研究綜述北京理工大學(xué)的王鵬基于比例壓力閥的齒輪齒條式擺動氣缸位置伺服控制中，通過模糊PID和模型參考自適應(yīng)控制算法進行研究，在線調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)，但控制性能不夠理想，超調(diào)量較高。南京理工大學(xué)的李小寧課題組對比例流量閥控葉片式擺動氣缸進行了深入研究，通過非線性補償?shù)姆椒?，并通過速度+壓力差反饋控制策略，使誤差達到了±0.5°的精度。上海交通大學(xué)的王旭永通過深入研究擺動氣缸的特性，對于控制系統(tǒng)容易受到干擾的特點分別分析了傳統(tǒng)PID控制和滑模變結(jié)構(gòu)控制的特點。對滑膜變結(jié)構(gòu)控制特有的抖振現(xiàn)象進行了分析并采用飽和趨近率的方法來削弱抖振。在氣動伺服控制方面，北京理工大學(xué)張百海等人通過出口節(jié)流調(diào)速的方法對氣缸摩擦力特性進行了研究，得出氣缸的動摩擦力和速度的擬合關(guān)系是二次曲線的結(jié)論。南京理工大學(xué)的柏艷紅通過建立擺動氣缸的仿真模型，并對其進行