自動(dòng)換刀機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與PLC控制

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自動(dòng)換刀機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及PLC控制研究

摘要

數(shù)控機(jī)床的發(fā)展與應(yīng)用，大大降低了零件加工的輔助時(shí)間，極大的提高了生產(chǎn)率。?數(shù)控機(jī)床發(fā)展成了當(dāng)今普遍應(yīng)用的一種更新、更先進(jìn)的制造設(shè)備即加工中心。加工中?心帶有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀裝置，能對(duì)工件按預(yù)定程序進(jìn)行多工序加工的高度自動(dòng)化的多?功能的數(shù)字控制機(jī)床。氣動(dòng)機(jī)械手具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、動(dòng)作迅速、可靠、節(jié)能、?不污染環(huán)境、可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速、易實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換?刀上。?

為了加強(qiáng)機(jī)械手的通用性和互換性，使同一機(jī)械手由于應(yīng)用不同的模塊而具有不?同的功能，本文采用模塊化氣動(dòng)機(jī)械手，對(duì)基座、立柱、手臂、手部等模塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)?設(shè)計(jì)，通過模塊選擇與組合，以構(gòu)成一定范圍內(nèi)的不同功能或同功能不同性能、不同?規(guī)格的系列產(chǎn)品，并且在產(chǎn)品變化或臨時(shí)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行新任務(wù)分派時(shí)，可以允許便利?地改動(dòng)或重新設(shè)計(jì)其新部件，能很快地投產(chǎn)，降低安裝和轉(zhuǎn)換工作的費(fèi)用，便于機(jī)械?手的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和使用。在機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)分析中，根據(jù)???法建立了機(jī)械手?的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，確定各連接桿件與末端執(zhí)行器的空間位置和神態(tài)關(guān)系；根據(jù)拉格朗日?方程建立機(jī)械手動(dòng)力學(xué)模型，確定各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與作用力?或力矩?之間的關(guān)系。對(duì)機(jī)械?手的定位控制分析，采用電氣?氣壓伺服定位技術(shù)設(shè)計(jì)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，氣動(dòng)執(zhí)行?元件根據(jù)輸入系統(tǒng)的電氣信號(hào)而動(dòng)作，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載輸出相應(yīng)的物理量。系統(tǒng)采用???????????????????作為控制核心，根據(jù)機(jī)械手的工作流程制定控制方案，實(shí)現(xiàn)了機(jī)?械手的任意點(diǎn)定位和無級(jí)調(diào)速。?

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III

目錄

第?章?緒論?????????????????????????????????

?．??課題研究背景目的及意義?????????????????????????．??工業(yè)機(jī)械手的研究現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)外發(fā)展????????????????????．??本文主要研究?jī)?nèi)容及各章安排??????????????????????第?章?機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案???????????????????????????．??機(jī)械手類型???????????????????????????????．??機(jī)械手系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)???????????????????????????．??機(jī)械手的坐標(biāo)形式與自由度????????????????????????．??機(jī)械手工作過程及工步時(shí)間分派??????????????????????．??機(jī)械手的基本參數(shù)????????????????????????????．??模塊化設(shè)計(jì)???????????????????????????????．?．??模塊劃分的一般原則????????????????????????．?．??模塊設(shè)計(jì)的方法??????????????????????????．?．??模塊式機(jī)械手及組成???????????????????????

?．??機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)??????????????????????????．?．??機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案???????????????????????．?．??機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案?????????????????????????．?．??機(jī)械手的控制方案?????????????????????????．?．??機(jī)械手的設(shè)計(jì)流程?????????????????????????．??小結(jié)?????????????????????????????????第?章??機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析????????????????????????．??剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型?????????????????????????????．?．??剛體的位姿????????????????????????????．?．??坐標(biāo)變換?????????????????????????????．??機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程描述??????????????????????????．?．??連桿參數(shù)以及連桿坐標(biāo)系?????????????????????

?．?．??連桿變換和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程???????????????????????．??操作臂的雅可比矩陣???????????????????????????．??機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建?????????????????????????．?．??拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)方法????????????????????．?．??仿真??機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)方程實(shí)例???????????????????．??小結(jié)?????????????????????????????????第?章??機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)??????????????????????????．??機(jī)械手伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)???????????????????????????．?．??氣動(dòng)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)?????????????????????????．?．??電氣伺服閥????????????????????????????．??機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)???????????????????????????．?．??手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)????????????????????????????．?．??手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)????????????????????????????．?．??基座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)???????????????????????????

?．?．??氣動(dòng)輔助元件選取??????????????????????????．??小結(jié)?????????????????????????????????第?章????控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?????????????????????????????．??機(jī)械手控制系統(tǒng)???的選型與???點(diǎn)確定???????????????????．?．?????選型??????????????????????????????．?．??控制系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備與???點(diǎn)確定??????????????????．??步進(jìn)電機(jī)????????????????????????????????．?????編程?????????????????????????????????．?．?????編程時(shí)應(yīng)注意的問題???????????????????????．?．?????程序設(shè)計(jì)軟件?????????????????簡(jiǎn)介???????????????．?．?????梯形圖設(shè)計(jì)???????????????????????????．??小結(jié)?????????????????????????????????第?章??總結(jié)與展望???????????????????????????????．??總結(jié)??????????????????????????????????．??展望?????????????????????????????????

致???謝???????????????????????????????????

可實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手自動(dòng)化工作要求的自動(dòng)控制方式目前有大量種，其中包括氣動(dòng)?和電子一體化的氣電裝置、液壓和電氣、電子組合的液電裝置和電氣、電子的機(jī)電裝?置等，側(cè)重利用它們各自的優(yōu)點(diǎn)，組合最適合的控制方式。由于氣動(dòng)技術(shù)是以空氣為?介質(zhì)，它具有防火、防爆、防電磁干擾、不受放射線及噪聲的影響，且對(duì)振動(dòng)及沖擊?也不敏感，和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、成本低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，近幾年來氣動(dòng)技術(shù)得到?迅速的發(fā)展及普遍應(yīng)用?。?

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氣動(dòng)機(jī)械手由感知部分、控制部分、主機(jī)部分和執(zhí)行部分四個(gè)方面組成。氣動(dòng)伺?服定位系統(tǒng)代替了伺服電機(jī)或液壓伺服系統(tǒng)；氣缸、搖擺馬達(dá)完成原來由液壓缸或機(jī)?械所作的執(zhí)行動(dòng)作；主機(jī)部分采用標(biāo)準(zhǔn)型材輔以模塊化的裝配形式，使得氣動(dòng)機(jī)械手?能夠拓展成系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品。隨著生產(chǎn)自動(dòng)化程度的不斷提高，氣動(dòng)技術(shù)會(huì)逐?漸浮現(xiàn)小型化、集成化；組合化、智能化；縝密化；高速化；無油、無味、無菌化；?高壽命、高可靠性和自診斷功能；節(jié)能、低功耗；機(jī)電一體化；滿足某些行業(yè)的特別?要求；應(yīng)用新技術(shù)、新工藝、新材料；標(biāo)準(zhǔn)化；安全性等的特點(diǎn)。?

機(jī)械手技術(shù)的研究與應(yīng)用水平，反映著一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技發(fā)展水平，國(guó)?內(nèi)外對(duì)發(fā)展這一技術(shù)都很重視，紛紛投入大量力量對(duì)機(jī)械手進(jìn)行研究。近十幾年來，?歐洲的德國(guó)、意大利、法國(guó)及英國(guó)的機(jī)械手產(chǎn)業(yè)發(fā)展比較快。目前，世界上機(jī)械手無?論是從技術(shù)水平上，還是從已裝備的數(shù)量上，優(yōu)勢(shì)集中在以日美為代表的少數(shù)幾個(gè)發(fā)?達(dá)的工業(yè)化國(guó)家。?

我國(guó)于??????年開始研制工業(yè)機(jī)械手，數(shù)十家研究單位和院校分別開發(fā)了固定程?序、組合式、液壓伺服通用機(jī)械手，并開始了機(jī)構(gòu)學(xué)、計(jì)算機(jī)控制和應(yīng)用技術(shù)的研究。???世紀(jì)??年代，我國(guó)機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展得到政府的重視和支持，機(jī)械手步入了跨越?式發(fā)展時(shí)期。從?七五?科技攻關(guān)及實(shí)施???計(jì)劃開始，經(jīng)過??多年的研制和應(yīng)用，?目前在工業(yè)機(jī)械手的一些機(jī)種方面，如噴漆機(jī)械手、焊接機(jī)械手、搬運(yùn)機(jī)械手、裝配?機(jī)械手和特種機(jī)械手都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，基本把握了工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)制造技術(shù)和機(jī)?械手應(yīng)用中單元和生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)，有了一支具有一定技術(shù)水平的科技團(tuán)隊(duì)。?但是，我國(guó)工業(yè)機(jī)械手在總體技術(shù)上與世界先進(jìn)水平還有很大的差距，僅相當(dāng)于國(guó)外???年代中期的水平。為了促進(jìn)國(guó)內(nèi)機(jī)械手工業(yè)的發(fā)展，必需在以市場(chǎng)需求的前提下，?國(guó)家在政策上給以指導(dǎo)和勉勵(lì)。?

目前，國(guó)內(nèi)機(jī)械手的發(fā)展方向主要是逐步擴(kuò)大機(jī)械手應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄鍛、?

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熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，?相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還可以研制示教型機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組?合式機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、搖擺、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，以?及適于不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選?用不同的典型部件，即可組成各種不同用途的機(jī)械手，既便于設(shè)計(jì)制造、又便于改換?工作，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍?。同時(shí)要提高精度，減少?zèng)_擊，定位確鑿，以更好地發(fā)揮機(jī)?

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械手的作用。另外，對(duì)于高端機(jī)械手，國(guó)內(nèi)也進(jìn)行了相關(guān)的研究，如上海交通大學(xué)機(jī)?械手研究所開發(fā)了???六足微小型仿嶂螂機(jī)械手，在國(guó)外機(jī)械制造業(yè)中，工業(yè)機(jī)械手?應(yīng)用較多，發(fā)展較快，一般的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)相當(dāng)成熟，預(yù)計(jì)在????年到????年間，?全球工業(yè)機(jī)械手銷量預(yù)計(jì)年均增長(zhǎng)?????，到??????年增至??????萬臺(tái)。國(guó)外機(jī)械手的?發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某些智能的機(jī)械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界?條件的變化，做出相應(yīng)的變更，如位置發(fā)生稍些偏差時(shí)，即能更正，并自行檢測(cè)。?

1．3本文主要研究?jī)?nèi)容及各章安排

工業(yè)機(jī)械手是一種以手部動(dòng)作為主的機(jī)械手系統(tǒng)。合理的設(shè)計(jì)方案是提高機(jī)械手?工作性能、優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、降低制造成本的基礎(chǔ)；合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)、可靠的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、?安全便利的控制方式又是機(jī)械手工作的重要保證。文章采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將機(jī)械?手分為若干個(gè)模塊，并對(duì)各個(gè)模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后把這些模塊拼裝起來組成機(jī)械?手，可滿足不同工作條件的需要，對(duì)各執(zhí)行元件了分別進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。?

本文主要根據(jù)試驗(yàn)平臺(tái)的總體布局以及機(jī)械手的特點(diǎn)，確定試驗(yàn)平臺(tái)的總體方?案，分析并解決存在的技術(shù)難題。文章其次章由機(jī)械手的功能和預(yù)期完成的的動(dòng)作，?確定機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)及機(jī)械手的設(shè)計(jì)流程，并闡述模塊化設(shè)計(jì)思路；第三章系統(tǒng)地?對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，建立了機(jī)械手系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型和方程；?第四章詳細(xì)地介紹了氣動(dòng)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求和工作原理，繪制出氣動(dòng)伺服系統(tǒng)原理?圖，選取氣動(dòng)系統(tǒng)輔助元器件；論文第五章介紹采用可編制程序控制器?????對(duì)機(jī)械?手進(jìn)行控制，選取西門子????系列????，根據(jù)機(jī)械手的工作流程畫出程序流程圖。最?后進(jìn)行了全文總結(jié)，提出了下一步的改進(jìn)措施，并對(duì)該設(shè)備的發(fā)展前景進(jìn)行了探討。?

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第2章機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案

2．1機(jī)械手類型

?、按機(jī)械手的使用范圍分類?

???專用機(jī)械手一般只有固定的程序，而無單獨(dú)的控制系統(tǒng)。它附屬于某種機(jī)器?或生產(chǎn)線用以自動(dòng)傳送物件或操作某一工具。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，成本較低，適?用于動(dòng)作比較簡(jiǎn)單的大批量生產(chǎn)的場(chǎng)合。?

???通用機(jī)械手具有可變程序和單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)，不附屬于某種機(jī)器，而且?能自動(dòng)完成物件或操作某些工具的機(jī)械裝置。通用機(jī)械手按其定位和控制方式的不?同，可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種。簡(jiǎn)易型只是點(diǎn)位控制，故屬于程序控制類型，伺服?型可以是點(diǎn)位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù)字控制類型。這種機(jī)械手由?于手指可更換?或可調(diào)理?，程序可變，故適用于中、小批生產(chǎn)。但因其運(yùn)動(dòng)較多，結(jié)?構(gòu)較繁雜，技術(shù)條件要求高，故制造成本一般也較高。?

?、按機(jī)械手臂部的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)型式分類?

???直角坐標(biāo)式機(jī)械手臂部可以沿直角坐標(biāo)軸??、?、??三個(gè)方向移動(dòng)，亦即臂部?可以前后伸縮?定為沿?方向的移動(dòng)?、左右移動(dòng)?定位沿?方向的移動(dòng)?和上下升降?定?為沿?方向的移動(dòng)?。?

???圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手手臂可以沿直角坐標(biāo)軸的?和?方向移動(dòng)，亦可繞?軸轉(zhuǎn)?動(dòng)?定為繞?軸轉(zhuǎn)動(dòng)?，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉(zhuǎn)動(dòng)。?

???球坐標(biāo)式機(jī)械手臂部可以沿直角坐標(biāo)軸?方向移動(dòng)，還可以繞?軸和?軸轉(zhuǎn)?動(dòng)，亦即手臂可以前后伸縮?沿?方向移動(dòng)?、上下?lián)u擺?定為繞?軸搖擺?和左右轉(zhuǎn)動(dòng)??仍定為繞?軸轉(zhuǎn)動(dòng)?。?

???多關(guān)節(jié)式機(jī)械手這種機(jī)械手的臂部可分為小臂和大臂。其大小臂的連接?肘部??以及大臂和機(jī)體的連接?肩部?均為關(guān)節(jié)?鉸鏈?式連接，亦即小臂對(duì)大臂可繞肘部上下?搖擺，大臂可繞肩部搖擺多角，手臂還可以左右轉(zhuǎn)動(dòng)。?

?、按機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式分類????液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手以壓力油進(jìn)行驅(qū)動(dòng)????氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)?

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???電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械手直接用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)?

???機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械手是將主機(jī)的動(dòng)力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機(jī)構(gòu)等傳給機(jī)?械手的一種驅(qū)動(dòng)方式。?

?、按機(jī)械手的比例大小分類????微型機(jī)械手臂力小于???????小型機(jī)械手臂力為??????????中型機(jī)械手臂力為???????????大型機(jī)械手臂力大于?????

本課題采用了圓柱坐標(biāo)型氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。對(duì)氣動(dòng)機(jī)械手的基本要求是能夠快速?確鑿地拾放和搬運(yùn)物品，這就要求氣動(dòng)機(jī)械手具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能?力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)?械手的原則是充分分析作業(yè)對(duì)象?工件?的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工?藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件，明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，滿足定位精?度要求及抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)?構(gòu)及運(yùn)行控制的要求；盡量選用的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過程，兼顧通用性和專用?性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制?。?

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2．2機(jī)械手系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

加工中心的自動(dòng)換刀裝置常采用公用換刀機(jī)械手。公用換刀機(jī)械手有單臂式、雙?臂式、回轉(zhuǎn)式和軌道式等。除上述的公用機(jī)械手換刀方式外，還有好多機(jī)械手換刀方?式，如：不用機(jī)械手的直接換刀方式和刀庫(kù)中每把刀配有一個(gè)機(jī)械手的換刀方式。?刀庫(kù)的基本類型有轉(zhuǎn)塔式、鏈?zhǔn)胶捅P式等，如圖???所示。鏈?zhǔn)降稁?kù)的特點(diǎn)是存刀?較多、擴(kuò)展性好、在加工中心上配置位置靈活，但結(jié)構(gòu)繁雜。盤式和轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)的特?點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、適選中擇刀庫(kù)位置還可省略換刀機(jī)械手，但刀庫(kù)容量有限。根據(jù)用途，?加工中心刀庫(kù)的存刀量可為幾把到數(shù)百把，最常見的是??～??把。?

轉(zhuǎn)塔式?

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鏈?zhǔn)?

盤式?

圖?????加工中心刀庫(kù)的基本類型?

加工中心換刀時(shí)需從刀庫(kù)中選擇指定的刀具，主軸頭也必需回到換刀位置。從刀?庫(kù)中挑揀所需刀具的方法有順序選擇法、刀座編碼法、刀具編碼法和刀具刀座跟蹤記?憶法。其中，刀具刀座跟蹤記憶法在加工設(shè)備內(nèi)使用最為便利，刀具編碼法適合于????刀具的集中管理，所以在???中常將這兩種方式混合使用。?

加工中心的換刀時(shí)間有兩種定量方法：刀對(duì)刀換刀時(shí)間?主軸和刀庫(kù)刀座都回到?換刀點(diǎn)后交換刀具所需的時(shí)間?和加工對(duì)加工換刀時(shí)間?從上一把刀加工終止到刀具?交換點(diǎn)后下一把刀進(jìn)入加工所需的時(shí)間?。尋常加工中心的技術(shù)參數(shù)中給出的換刀時(shí)?間是刀對(duì)刀換刀時(shí)間?或稱凈換刀時(shí)間?，目前最快為?????，一般為??左右。換刀時(shí)?間取決于換刀機(jī)構(gòu)?如機(jī)械式快于機(jī)?液?氣?式?、刀柄規(guī)格?如小規(guī)格刀柄換刀速度?快?、刀具重量?如刀具輕換刀速度快?、機(jī)床規(guī)格、機(jī)械手尺寸和慣量等。因此，通?常刀柄號(hào)越大，換刀速度越低????????。?

加工中心對(duì)自動(dòng)換刀裝置有如下具體要求??、刀庫(kù)容量適當(dāng)??、換刀時(shí)間短??、換刀空間小??、動(dòng)作可靠、使用穩(wěn)定??、刀具重復(fù)定位精度高??、刀具識(shí)別確鑿?

依據(jù)上述內(nèi)容，可確定試驗(yàn)平臺(tái)基本方案。刀庫(kù)選用結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單的盤式刀庫(kù)，容?量為??把刀。以公用換刀機(jī)械手的方式，每次換刀機(jī)械手需旋轉(zhuǎn)???，一個(gè)完整的刀?

。?

6

對(duì)刀換刀時(shí)間為?秒左右。機(jī)械手挑揀指定刀具采用較為簡(jiǎn)單的刀座編碼法。?

2．3機(jī)械手的坐標(biāo)形式與自由度

按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合狀況，其坐標(biāo)形式可分為直角坐標(biāo)式、圓?柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式和多關(guān)節(jié)坐標(biāo)式，不同坐標(biāo)結(jié)構(gòu)機(jī)械手?機(jī)械手?的特點(diǎn)如下?一、直角坐標(biāo)系?

?．在三個(gè)直線方向上移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單想象??．計(jì)算比較便利?

?．由于可以兩端支撐，對(duì)于給定的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，其剛性最大??．要求保存較大的移動(dòng)空間，占用空間較大??．要求有較大的平面安裝區(qū)域?

?．滑動(dòng)部件表面的密封較困難，簡(jiǎn)單被污染?二、圓柱坐標(biāo)系??．簡(jiǎn)單想象和計(jì)算?

?．直線驅(qū)動(dòng)部分若采用液壓驅(qū)動(dòng)，則可輸出較大的動(dòng)力??．能夠伸入型腔式機(jī)器內(nèi)部?

?．手臂端部可以達(dá)到的空間受限制，不能到達(dá)靠近立柱或地面的空間??．直線驅(qū)動(dòng)部分難以密封、防塵及防衛(wèi)腐蝕性物質(zhì)??．后縮手臂工作時(shí)，手臂后端會(huì)碰見工作范圍內(nèi)的其他物體?三、?極坐標(biāo)系?

?．在中心支架附近的工作范圍較大??．兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置簡(jiǎn)單密封??．覆蓋工作空間較大?

?．坐標(biāo)系較繁雜，較難想象和控制??．直線驅(qū)動(dòng)裝置仍存在密封問題??．存在工作死區(qū)?四、多關(guān)節(jié)坐標(biāo)系?

?．動(dòng)作較靈活，工作空間大??．關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)處簡(jiǎn)單密封防塵?

7

?．工作條件要求低，可在水下等環(huán)境中工作??．適合于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)?

?．運(yùn)動(dòng)難以想象和控制，計(jì)算量較大??．不適于液壓驅(qū)動(dòng)?

機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)可以分為主運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)。手臂和立柱的運(yùn)動(dòng)稱為主運(yùn)動(dòng)，由于?他們能改變被抓取工件在空間的位置；手腕和手指的運(yùn)動(dòng)稱為輔助運(yùn)動(dòng)，由于手腕的?運(yùn)動(dòng)能改變被抓取工件的方位?即神態(tài)?。而手指的夾放不能改變工件的位置和方位，?故它不計(jì)為自由度數(shù)，其它運(yùn)動(dòng)均記為自由度數(shù)????????。?

由于本機(jī)械手在換刀時(shí)手臂具有升降、伸縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此采用圓柱坐標(biāo)形式，?相應(yīng)的，機(jī)械手具有三個(gè)自由度。另外，機(jī)械手將刀具從刀庫(kù)中提出后需要提升一小?段距離，為了彌補(bǔ)立柱升降運(yùn)動(dòng)行程較大并帶動(dòng)手臂伸縮機(jī)構(gòu)一起運(yùn)動(dòng)，造成較大振?動(dòng)的缺陷，增加手臂短行程升降機(jī)構(gòu)，即增加了一個(gè)手臂升降的自由度。由于被抓取?工件?刀具?是豎直抓取，然后豎直放置，搬運(yùn)過程中無需改變工件的神態(tài)，因此可以?省略手腕模塊。因此，機(jī)械手總共具有四個(gè)自由。圖???所示為機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖。?

圖?????機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖?

如遇到需抓取水平放置的工件時(shí)，要在手腕處設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的需?

8

要?？紤]到機(jī)械手的通用性，可以增加手腕模塊，將手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕?回轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)選用回轉(zhuǎn)氣缸。?

為了區(qū)分兩個(gè)升降部分，本文將左邊行程較大的升降部分稱作立柱，右邊行程較?小的升降部分稱作小臂。?

2．4機(jī)械手工作過程及工步時(shí)間分派

?、確定完成動(dòng)作及順序?

圖?????換刀機(jī)械手布局示意圖?

要確定換刀機(jī)械手的工作過程首先要了解各裝備的布局及機(jī)械手需要完成的動(dòng)?作。換刀機(jī)械手的布局示意圖如圖???所示。圖中換刀機(jī)械手的初始位置是手部正對(duì)?盤式刀庫(kù)，與刀架成???夾角，水平機(jī)構(gòu)和垂直機(jī)構(gòu)均設(shè)在極限位置。采用刀座編碼?

。?

法選擇好要使用的刀具時(shí)，盤式刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度，使被選擇的刀具轉(zhuǎn)到正對(duì)換刀?機(jī)械手下方的位置。換刀機(jī)械手為把刀庫(kù)上的被選擇刀具送到刀架上，需要以下幾個(gè)?動(dòng)作?

???水平伸出??機(jī)械手水平機(jī)構(gòu)伸出????，到達(dá)刀庫(kù)正上方。?

???豎直下降??小臂升降機(jī)構(gòu)下行????，使手部夾持機(jī)構(gòu)到達(dá)與刀柄水平的位?置。?

???夾緊??手臂機(jī)構(gòu)迅速夾緊刀柄。?

???豎直上升??待刀柄被夾緊后，小臂升降機(jī)構(gòu)上行????，將刀具提出刀庫(kù)。????水平收縮??水平機(jī)構(gòu)快速收縮????，整個(gè)機(jī)構(gòu)回到初始位置。????搖擺??機(jī)械手逆時(shí)針搖擺???

。?

，使機(jī)械手正對(duì)刀架。?

9

???豎直下降、松開??小臂升降機(jī)構(gòu)下行????，將刀具放在刀架上，同時(shí)手部?機(jī)構(gòu)松開工件。?

???豎直上升??小臂升降機(jī)構(gòu)上行????，回到原始極限位置。????搖擺??機(jī)械手順時(shí)針搖擺???，回到初始位置。?

。?

以上是機(jī)械手換刀動(dòng)作。當(dāng)換刀動(dòng)作完成后，刀架的推爪將放在刀架上的刀具推?到刀架的另一端。至此，整個(gè)機(jī)構(gòu)的一個(gè)完整動(dòng)作就完成了。?

?、工步時(shí)間分派?

前面已經(jīng)確定了機(jī)械手的完整刀對(duì)刀換刀時(shí)間為??，根據(jù)上述換刀機(jī)械手的動(dòng)作?以及各自的行程，對(duì)時(shí)間進(jìn)行分派，如表???所示：?

表???機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過程與時(shí)間分派?

工序號(hào)?????????????????????????????

工步名稱?水平伸出?豎直下降?夾緊?豎直上升?水平收縮?搖擺?逆時(shí)針??豎直下降?松開?

行程???????????

預(yù)分派時(shí)間????

?????????．??

??????

。?

???

??????????????

????

???

????????總計(jì)?

豎直上升?搖擺?順時(shí)針??

???

。????

??????????

2．5機(jī)械手的基本參數(shù)

?、主參數(shù)??最大抓重是機(jī)械手的主參數(shù)。由于該機(jī)械手的設(shè)計(jì)用途為學(xué)校的實(shí)?驗(yàn)平臺(tái)，所以抓重?zé)o需太大，可設(shè)定為???克。?

?、其他參數(shù)??運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出?了要求，設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍，而影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是手?

10

臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為??????，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為?

。???????。?

機(jī)械手動(dòng)作時(shí)有啟動(dòng)、中止，故有加速度、減速度的存在，用速度一行程曲線來?說明速度特性較為全面。由于平均速度與行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更?為符合速度特性。?

除了運(yùn)動(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械?手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)操作的空間。過大的伸縮行程和工作半?徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種狀況下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。根?據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為????，最大工作半徑約為?????。手臂?回轉(zhuǎn)行程范圍定為???。手臂升降行程定為?????。?

。?

定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為????～????。?

根據(jù)上述的表???機(jī)械手各關(guān)節(jié)的行程和時(shí)間分派，確定換刀機(jī)械手各部分的基?本參數(shù)如表???所示?

表?????機(jī)械手各關(guān)節(jié)基本參數(shù)?

伸縮范圍?

水平????速?機(jī)構(gòu)????度?

伸出??收縮??

?～?????????????垂直?機(jī)構(gòu)???????????????～???

。?

升降范圍?速?度?

上升??下降??

?～??????????????????????????

定位精度?搖擺角度?

搖擺?機(jī)構(gòu)?

定位精度?

解釋：???表示運(yùn)動(dòng)速度可調(diào)?

定位精度?

搖擺速度?

。?

???????手部?

抓取范圍?

???????

????

2．6模塊化設(shè)計(jì)

近幾十年來，產(chǎn)品更新速度越來越快，加之市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益猛烈，大量企業(yè)被迫走?上了多品種，中小批量的生產(chǎn)方式。因此，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和制造方式已無法適應(yīng)現(xiàn)?代化社會(huì)多樣化、快節(jié)奏的新要求。為適應(yīng)這一轉(zhuǎn)變，各種新思想、新方法，例如成?

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圖?????關(guān)節(jié)角?的跟蹤曲線?

圖?????關(guān)節(jié)角?的跟蹤曲線?

圖??????關(guān)節(jié)?跟蹤誤差曲線?

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圖??????關(guān)節(jié)?跟蹤誤差曲線?

從圖???至圖????可以看出，實(shí)際曲線與期望曲線接近，跟蹤誤差小于????????，?說明所建立的動(dòng)力學(xué)模型是正確的。?

3．5小結(jié)

本章從描述剛體的空間位置和神態(tài)著手，通過引入坐標(biāo)變換，分析了機(jī)械手的運(yùn)?動(dòng)學(xué)方程和動(dòng)力學(xué)方程。運(yùn)動(dòng)學(xué)方程用于將機(jī)械手末端執(zhí)行器的期望運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分?解，得到各關(guān)節(jié)的期望軌跡：動(dòng)力學(xué)方程則對(duì)于設(shè)計(jì)控制器，控制施加于各關(guān)節(jié)上的?力矩，使各關(guān)節(jié)沿期望的軌跡運(yùn)動(dòng)是十分有用的。并詳細(xì)地說明白機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)模?型，主要涉及機(jī)械手動(dòng)力學(xué)模型中的參數(shù)含義、模型不確切的原因、理論研究中對(duì)模?型的處理方法以及動(dòng)力學(xué)特性。最終給出了一個(gè)用于計(jì)算機(jī)仿真的?????串聯(lián)機(jī)械手?的動(dòng)力學(xué)模型，為控制器設(shè)計(jì)和仿真奠定了理論基礎(chǔ)。?

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第4章機(jī)械手的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4．1機(jī)械手伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4．1．1氣動(dòng)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本課題機(jī)械手要求能實(shí)現(xiàn)伸縮、回轉(zhuǎn)、升降等的動(dòng)作，每一個(gè)動(dòng)作都是由電氣??氣壓伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的，其原理一致。下面以機(jī)械手伸縮運(yùn)動(dòng)為例闡述伺服系統(tǒng)的工作?原理。?

如圖???所示為機(jī)械手伸縮運(yùn)動(dòng)電氣?氣壓伺服系統(tǒng)原理圖。?它主要由放大器?、?

?????

電氣伺服閥?、氣缸?、機(jī)械手手臂?、齒輪齒條機(jī)構(gòu)?、電位器?和步進(jìn)電機(jī)?等元件組?成，它是一個(gè)電氣?氣壓伺服系統(tǒng)。當(dāng)電位器的觸頭處于中位時(shí)，觸頭上沒有電壓輸?出。當(dāng)它偏離這個(gè)位置時(shí)，由于產(chǎn)生了偏差就會(huì)輸出相應(yīng)的電壓。電位器觸頭產(chǎn)生的?微弱電壓，經(jīng)放大器放大后對(duì)電氣伺服閥進(jìn)行控制。電位器觸頭由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)旋?轉(zhuǎn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的偏轉(zhuǎn)方向以及角位移和角速度由數(shù)字控制裝置發(fā)出的脈沖數(shù)和脈沖?頻率控制。齒條固定在機(jī)械手臂上，電位器殼體固定在齒輪上，所以當(dāng)手臂帶動(dòng)齒輪?轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電位器殼體同齒輪一起轉(zhuǎn)動(dòng)，形成負(fù)反饋。?

??放大器????電氣伺服閥????氣缸????機(jī)械手手臂?

??齒輪齒條機(jī)構(gòu)????電位器????步進(jìn)電機(jī)?圖?????機(jī)械手伸縮運(yùn)動(dòng)電氣?氣壓伺服系統(tǒng)原理圖?

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機(jī)械手伸縮運(yùn)動(dòng)伺服系統(tǒng)的工作原理是：由數(shù)字控制裝置發(fā)出一定數(shù)量的脈沖，?使步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)電位器的動(dòng)觸頭轉(zhuǎn)過一定的角度?假定為順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)?，動(dòng)觸頭偏?離電位器中位，產(chǎn)生微弱電壓，經(jīng)放大器放大后，輸入給電氣伺服閥的控制線圈，使?伺服閥產(chǎn)生一定的開口量。這時(shí)，壓縮空氣經(jīng)閥的開口進(jìn)入氣缸的左腔，推動(dòng)活塞桿?連同機(jī)械手手臂一起向右運(yùn)動(dòng)。由于齒輪和機(jī)械手手臂上齒條相嚙合，因而手臂向右?移動(dòng)時(shí)，電位器隨之作順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電位器的中位和觸頭重合時(shí)，偏差為零，?則動(dòng)觸頭輸出電壓為零，電氣伺服閥失去信號(hào)，閥口關(guān)閉，手臂中止移動(dòng)。手臂移動(dòng)?的行程決定于脈沖數(shù)量，速度決定于脈沖頻率。當(dāng)數(shù)字控制裝置發(fā)出反向脈沖時(shí)，步?進(jìn)電動(dòng)機(jī)逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，手臂縮回。?

根據(jù)模擬換刀機(jī)械手的動(dòng)作要求，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中氣缸的運(yùn)動(dòng)方式主要有兩種：????直線運(yùn)動(dòng)?缸體固定，活塞桿作直線運(yùn)動(dòng)?；???搖擺?缸體固定，活塞桿搖擺??？偟?電氣?氣動(dòng)系統(tǒng)原理圖如圖???所示。?

圖?????機(jī)械手氣動(dòng)伺服系統(tǒng)圖?

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4．1．2電氣伺服閥

電氣伺服控制屬于連續(xù)控制，其特點(diǎn)是輸出量隨輸入量的變化而變化，輸出量與?輸入量之間存在一定的關(guān)系。?

由于電氣元件具有多方面的適應(yīng)性，信號(hào)的檢測(cè)、傳輸、綜合、放大等都很便利，?而且?guī)缀醺鞣N物理量都能轉(zhuǎn)換成電量，故氣動(dòng)伺服系統(tǒng)中的輸入量以電信號(hào)居多，轉(zhuǎn)?換元件便以電磁式居多，其典型代表便是比例電磁鐵。它是利用電磁力作用在轉(zhuǎn)換元?件的可動(dòng)部件上，通過其中的彈性元件轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰?，通過此位移來調(diào)理氣動(dòng)放大器?放?大元件?的節(jié)流面積，從而控制通過氣動(dòng)放大器的氣體壓力或流量。?

電氣伺服閥是由電?機(jī)械轉(zhuǎn)換器?轉(zhuǎn)換元件?和氣動(dòng)放大器?放大元件?所組成。驅(qū)?動(dòng)電?機(jī)械轉(zhuǎn)換器的功率一般只需幾瓦，而氣動(dòng)放大器的輸出氣流的功率可達(dá)幾千瓦。?

氣動(dòng)放大器的結(jié)構(gòu)形式有滑閥、噴嘴擋板閥等。本機(jī)械手采用噴嘴擋板式的電氣?伺服閥，來確保連接機(jī)械手手臂的氣壓缸按所要求的控制規(guī)律和定位精度工作，工作?過程大致如下：?

如圖???所示，若伺服放大器輸出的偏差信號(hào)?即設(shè)定的指令信號(hào)與反饋信號(hào)之差??經(jīng)放大后，加到氣壓伺服閥的電磁線圈上，則永久磁鐵和電磁線圈間產(chǎn)生相吸或相斥?的電磁力，使端部裝有擋板的桿件偏離中間平衡位置繞支點(diǎn)左右搖擺，擋板使對(duì)稱布?置的兩個(gè)轉(zhuǎn)換器?結(jié)構(gòu)原理如圖????噴嘴處的氣體流量發(fā)生不均等的變化，因而造成?一側(cè)噴嘴背壓腔壓力升高，另一側(cè)轉(zhuǎn)換器噴嘴背壓腔壓力降低，則負(fù)載氣缸左右腔壓?力不等，活塞桿?連接機(jī)械手手臂?移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工作要求的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。現(xiàn)假定以右側(cè)轉(zhuǎn)?換器為例考察其動(dòng)作原理，當(dāng)桿件在偏差信號(hào)作用上偏離中向平衡位置移向右側(cè)轉(zhuǎn)換?器，由于擋板與噴嘴間隙減小，則隨著噴嘴背壓腔內(nèi)壓力升高，?腔壓力升高，使帶?有噴嘴的閥座右移，把菌狀提動(dòng)閥推向右方，使?腔菌狀閥閥口開大，而?腔的小菌狀?提動(dòng)閥閥口關(guān)閉，這樣，由進(jìn)氣口流入的控制氣流經(jīng)過節(jié)流閥調(diào)理針閥流向氣壓缸，?驅(qū)動(dòng)活塞桿工作；與此同時(shí)，相反一側(cè)的左轉(zhuǎn)換器?各腔符合同右側(cè)，只是符號(hào)右上?腳打???來表示左側(cè)，以下同?，由于桿件端部的擋板與噴嘴間的間隙增加，造成?左噴嘴背壓腔壓力降低，而使左側(cè)帶噴嘴的閥座在??腔?與右側(cè)?腔相對(duì)應(yīng)?壓力作用?下向右移動(dòng)，菌狀提動(dòng)閥在左側(cè)彈簧力作用下使左轉(zhuǎn)換器??腔的閥關(guān)小，而??腔的?閥開大，則氣缸左端與排氣孔相通，壓力下降，實(shí)現(xiàn)活塞桿向消除偏差信號(hào)方向移動(dòng)??即活塞左向移動(dòng)?：偏差信號(hào)為零時(shí)，左右側(cè)兩個(gè)轉(zhuǎn)換器的輸出相等，這樣氣缸活塞?

41

組技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)等應(yīng)運(yùn)而生，模塊化思想也是其中之一?。?

模塊化是用來描述公共單元的使用，以便實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的的各種變型，它的主要目標(biāo)?就是確定獨(dú)立的、標(biāo)準(zhǔn)化的或可改變的單元來滿足功能變化的要求。模塊化研究的理?論基礎(chǔ)來自于麻省理工學(xué)院?????的???教授提出的公理化設(shè)計(jì)理論???????????????????????，????。其中，???公理?獨(dú)立公理???????????????????????：保持功?能的獨(dú)立性，即每個(gè)功能可以被滿足而不用影響其它的功能。??因此，在可能的狀況?

?????

????

下，產(chǎn)品完成的每一個(gè)功能都應(yīng)獨(dú)立于產(chǎn)品完成的所有其他功能。這個(gè)公理就要求尋?找物理結(jié)構(gòu)獨(dú)立性與功能獨(dú)立性之間的統(tǒng)一。?2．6．1模塊劃分的一般原則

??

要建立模塊庫(kù)，首先必需要將產(chǎn)品劃分成若干模塊，劃分的一般原則為????

???盡量減少產(chǎn)品包含的模塊總數(shù)，簡(jiǎn)化模塊自身的繁雜程度，以免模塊組合時(shí)?產(chǎn)生混亂?

???以有限的模塊數(shù)來獲得盡可能多的實(shí)用組合方案，以滿足用戶的需要????劃分中應(yīng)使模塊具有一定的功能獨(dú)立性和結(jié)構(gòu)完整性????要充分注意模塊間的結(jié)合要素，以便于結(jié)合和分開????要考慮模塊的劃分對(duì)產(chǎn)品的精度、剛度帶來的影響????模塊單元的劃分必需考慮經(jīng)濟(jì)因素等?2．6．2模塊設(shè)計(jì)的方法

模塊設(shè)計(jì)的方法有好多，比較成熟的方法是基于功能結(jié)構(gòu)的模塊設(shè)計(jì)方法。這種?方法首先是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能分析。功能是系統(tǒng)必需完成的任務(wù)，也可以說是系統(tǒng)的用?

?

途?????。它是系統(tǒng)的輸入與輸出之間的總關(guān)系，各種系統(tǒng)都有一定的功能，功能基本上?

分為兩類：一種是必要功能，它包括用戶要求的基本功能，這在設(shè)計(jì)時(shí)是不能改變的；?另一種是非必要功能，它不是根據(jù)用戶的要求而是設(shè)計(jì)者主觀加上去的功能。功能分?析就是根據(jù)一定的規(guī)律關(guān)系把對(duì)象系統(tǒng)各組成部分的功能相互聯(lián)系起來，從局部功能?與整體功能的相互關(guān)系上研究對(duì)象系統(tǒng)的功能的一種方法。?

對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)，既存在一個(gè)構(gòu)造體系，也存在一個(gè)功能體系，而功能體系是更本?質(zhì)的東西。在系統(tǒng)的大量功能中存在著上下關(guān)系和并行關(guān)系，所謂功能的上下關(guān)系是?指在功能體系中，某些功能之間存在目的與手段的關(guān)系，目的功能稱為上位功能，手?段功能稱為下位功能。上位功能與下位功能都是相對(duì)的，一個(gè)功能對(duì)它的上位功能來?

12

說是手段，對(duì)它的下位功能來說是目的。功能的并列關(guān)系是指比較繁雜的功能體系中，?上位功能之后往往有幾個(gè)并列的功能存在，這些并列的功能有可能各自成為子體系，?構(gòu)成一個(gè)功能范圍。通過這些關(guān)系可以得到功能結(jié)構(gòu)圖，如圖???所示??代表一級(jí)功?

??

能，?，，?代表二級(jí)功能，???，????，??，，，?????代表三級(jí)功能?。????????????????????????????

???

圖?????功能結(jié)構(gòu)圖?

2．6．3模塊式機(jī)械手及組成

模塊式機(jī)械手是將一些通用部件，根據(jù)作業(yè)的要求，選擇必要的能完成預(yù)定機(jī)能?的單元部件，以基座為基礎(chǔ)進(jìn)行組合，配上與其相適應(yīng)的控制部分，即成為能完成特?殊要求的機(jī)械手。通過模塊選擇與組合，以構(gòu)成一定范圍內(nèi)的不同功能或同功能不同?性能、不同規(guī)格的系列產(chǎn)品，并且在產(chǎn)品變化或臨時(shí)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行新任務(wù)分派時(shí)，可?以允許便利地改動(dòng)或重新設(shè)計(jì)其新部件，能很快地投產(chǎn)，降低安裝和轉(zhuǎn)換工作的費(fèi)用。?各模塊劃分如圖???所示。?

13

圖?????氣動(dòng)機(jī)械手各模塊組成?

氣動(dòng)通用機(jī)械手按其功能分析可分為基座、立柱、手臂、小臂、手腕和手部模塊。?其中手臂模塊和手部模塊是該機(jī)械手的基本模塊，可以細(xì)分為不同功能的局部模塊。?立柱模塊和手腕模塊為可選模塊，如機(jī)械手不需要實(shí)現(xiàn)手臂的升降功能則可省略立柱?模塊。各部分連接件和關(guān)節(jié)具備一定的互換性和繼承性，夾持式和吸附式手部模塊可?以根據(jù)需要互換，根據(jù)各種實(shí)際狀況需要還可以增加或減少功能模塊。?

2．7機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)

2．7．1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)思想，機(jī)械手的各模塊化機(jī)構(gòu)分別為：立柱、手臂、小臂、手腕?和手爪幾個(gè)部分。如前所述，本機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)形式，共有四個(gè)自由度。根據(jù)工?作需要，本機(jī)械手只需要立柱、手臂、小臂和手爪幾個(gè)模塊構(gòu)成。氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)?示意圖如圖???所示。?

14

圖?????氣動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖?

??手臂搖擺氣缸????升降氣缸????伸縮氣缸????小臂????氣爪???基座????手臂關(guān)節(jié)????手腕關(guān)節(jié)????導(dǎo)向裝置????定位擋塊?

2．7．2機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案

尋常，工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電力驅(qū)動(dòng)三種基本類?型。各種驅(qū)動(dòng)方式的基本特點(diǎn)如下?一、液壓驅(qū)動(dòng)?

???驅(qū)動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力矩大，即功率重量比大，響應(yīng)速度快，重復(fù)精度高，壓力可?達(dá)??～?????。?

???液壓缸可直接用作機(jī)械手關(guān)節(jié)的一部分，實(shí)現(xiàn)直線驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊。????速度調(diào)理便利易控，可實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的無級(jí)調(diào)速和換向，簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。????液壓系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自我潤(rùn)滑，過載保護(hù)便利，使用壽命長(zhǎng)。?

但液壓驅(qū)動(dòng)需配置液壓系統(tǒng)，易產(chǎn)生泄露而影響運(yùn)動(dòng)精度。系統(tǒng)易發(fā)熱，出現(xiàn)故?障后較難找出原因。?

二、氣壓驅(qū)動(dòng)?

???氣源便利，氣源系統(tǒng)簡(jiǎn)單、清潔無污染。?

???壓縮空氣在管路中流速可達(dá)???????液壓油流速只有?????，所以動(dòng)作速度快。?

15

???與液壓相比，氣壓工作壓力低，尋常為??????????。氣動(dòng)系統(tǒng)體積大，由于?空氣可壓縮，因而運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)差，工作時(shí)噪聲大，位置精度低。一般用于中小負(fù)荷機(jī)械?手。?

三、電力驅(qū)動(dòng)?

電力驅(qū)動(dòng)可分為普通交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)?動(dòng)。?

普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，?適用于中型或重型機(jī)械手。伺服電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出力矩相對(duì)較小，控制性能好，?可實(shí)現(xiàn)速度和位置的確切控制。交、直流伺服電動(dòng)機(jī)一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進(jìn)?電動(dòng)機(jī)則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場(chǎng)合。表????

?

為各種驅(qū)動(dòng)方式及特點(diǎn)。????

表???各種驅(qū)動(dòng)方式及特點(diǎn)的比較?

驅(qū)動(dòng)方式?

輸出力?

特點(diǎn)?

控制性能????維修使用??結(jié)構(gòu)體積???使用范圍??制造成本?

可高速，沖擊較?

氣?壓?壓?力?維修簡(jiǎn)單，?

嚴(yán)重，確切定位?

低，輸出力?能在高溫、?中、小型專用?

困難。氣體壓縮?結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，?

粉塵等惡劣?機(jī)械手或機(jī)?較小，如需?

能源便利，?性大，阻尼效果?體積較大?氣壓驅(qū)動(dòng)?

械手都有應(yīng)?環(huán)?境?中?使?輸?出?力?大?

差，低速不易控?成本低?

用?用，泄漏無?時(shí)，其結(jié)構(gòu)?

制，不易與????

尺寸過大?影響?

連接?油液不可壓縮??中小型專用?

維修便利，在?輸出力?

壓力、流量均容?機(jī)械手或機(jī)液??壓?元?件?

液體對(duì)溫度相?同的情?壓力高，可?

易控制，可無級(jí)?械手都有應(yīng)成本較高，?

液壓驅(qū)動(dòng)??獲得大的輸?變化敏感，況下，體積?

調(diào)速，反應(yīng)靈?用，中型機(jī)械油?路?也?較?

出力?油液泄漏易比?氣壓驅(qū)?

敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)?手多為液壓繁雜?

著火?動(dòng)方式小?

軌跡控制?驅(qū)動(dòng)?

16

適用于速度?

控制性能較差，?需要減速?

動(dòng)機(jī)、直?低、抓重大物?維修使用方?

輸出力較大?慣性大，不易精?裝置，體積?成本低?

流?電?動(dòng)?便?體的專用機(jī)?

確定位?較大?電?

機(jī)?械手?力?

容?易?與?????連?可用于程序?

驅(qū)?

接，控制性能?繁雜、運(yùn)動(dòng)軌?步?進(jìn)?或?

動(dòng)?維修使用較?

伺?服?電輸出力較小?好，響應(yīng)快，可?體積較小?跡要求嚴(yán)格成本較高?

繁雜?

機(jī)?確切定位，但控?的工業(yè)機(jī)械?

制系統(tǒng)繁雜?速度較高，速度?與加速度均由?

自由度多適用于自由?

手?

異?步?電?

機(jī)構(gòu)控制。定位維修使用方時(shí)，機(jī)構(gòu)復(fù)度少，速度較結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，?機(jī)械聯(lián)動(dòng)??輸出力較大?

精度高，可與主便?雜，體積也高的專用機(jī)成本低?

機(jī)嚴(yán)格同步。不?易與???連接?

綜合比較，氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉、工作可靠、無污染、耐高溫、?防火、防爆、防電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了越來越多的重視，適合于中小?型機(jī)械手。?

2．7．3機(jī)械手的控制方案?、非伺服機(jī)械手?

非伺服機(jī)械手工作能力比較有限，機(jī)械手依照預(yù)先編好的程序順序進(jìn)行工作，使?用限位開關(guān)、制動(dòng)器、插銷板和定序器來控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。插銷板是用來預(yù)先規(guī)定?機(jī)械手的工作順序，而且往往是可調(diào)的。定序器是一種定序開關(guān)或步進(jìn)裝置，它能夠?依照預(yù)定的正確順序接通驅(qū)動(dòng)裝置的能源。驅(qū)動(dòng)裝置接通能源后，就帶動(dòng)機(jī)械手的手?臂、手腕和手部等裝置運(yùn)動(dòng)。當(dāng)他們移動(dòng)到由限位開關(guān)所規(guī)定的位置時(shí)，限位開關(guān)切?換工作狀態(tài)，給定序器送去一個(gè)工作任務(wù)已完成的信號(hào)，并使終端制動(dòng)器動(dòng)作，切斷?驅(qū)動(dòng)器能源，使機(jī)械手中止運(yùn)動(dòng)。??、伺服機(jī)械手?

較大?

械手?

17

伺服機(jī)械手比非伺服機(jī)械手有更強(qiáng)的工作能力。伺服系統(tǒng)的被控制量可為機(jī)械手?手部執(zhí)行裝置的位置、速度、加速度和力等。通過傳感器取得的反饋信號(hào)與來自給定?裝置的綜合信號(hào)，用比較器加以比較后，得到誤差信號(hào)，經(jīng)過放大后用以激發(fā)機(jī)械手?的驅(qū)動(dòng)裝置，進(jìn)而帶動(dòng)手部執(zhí)行裝置以一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)，達(dá)到規(guī)定的位置或速度等，這?是一個(gè)反饋控制系統(tǒng)。伺服控制機(jī)械手可分為點(diǎn)位伺服控制和連續(xù)伺服控制兩種。?

（?）點(diǎn)位伺服控制機(jī)械手的受控運(yùn)動(dòng)方式為從一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)移向另一個(gè)點(diǎn)位目?標(biāo)，只在目標(biāo)點(diǎn)上完成操作。機(jī)械手可以以最快的和最直接的路徑從一個(gè)端點(diǎn)移到另?一個(gè)端點(diǎn)。尋常，點(diǎn)位伺服控制機(jī)械手能用于只有終端位置是重要的而對(duì)編程點(diǎn)之間?的路徑和速度不做主要考慮的場(chǎng)合。點(diǎn)位控制主要用于點(diǎn)焊、搬運(yùn)機(jī)械手。?

（?）連續(xù)軌跡伺服控制機(jī)械手能夠平滑地跟隨某個(gè)規(guī)定的路徑，其軌跡往往是?某條不在予編程端點(diǎn)停留的曲線路徑。連續(xù)軌跡伺服控制機(jī)械手具有良好的控制和運(yùn)?行特性，由于數(shù)據(jù)是依時(shí)間采樣的，而不是依預(yù)先規(guī)定的空間點(diǎn)采樣，因此機(jī)械手的?運(yùn)行速度較快、功率較小、負(fù)載能力也較小。連續(xù)軌跡伺服控制機(jī)械手主要用于弧焊、?噴涂、打飛邊毛刺和檢測(cè)機(jī)械手。?

綜上所述，本設(shè)計(jì)采用點(diǎn)位伺服控制方案，并采用可編程序控制器?????對(duì)機(jī)械?手進(jìn)行控制?？紤]到機(jī)械手的通用性，當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變???程?序即可實(shí)現(xiàn)，十分便利快捷。?2．7．4機(jī)械手的設(shè)計(jì)流程?、機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析?

通過對(duì)機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，可以確定模擬換刀機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件與?末端執(zhí)行器空間的位置和神態(tài)關(guān)系以及各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與作用力之間的關(guān)系，進(jìn)而，進(jìn)行?機(jī)械手的控制設(shè)計(jì)。??、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?

抓重是機(jī)械手規(guī)格中的主要參數(shù)。先確定抓重的大小，初步選定所用氣缸缸徑，?根據(jù)行程范圍確定氣缸行程。然后選擇與氣缸相關(guān)的連接件和導(dǎo)向裝置，裝配成獨(dú)立?的功能模塊。各模塊都依次設(shè)計(jì)好后進(jìn)行部裝，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)流程如圖???所?示。圖中每一步不是必需的，如工件不需翻轉(zhuǎn)則可省略手腕模塊，手部模塊可直接安?

?

裝在手臂模塊上。?????

18

圖?????機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程?

?、氣動(dòng)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

如圖???所示是應(yīng)用電氣伺服閥的電氣?氣壓伺服系統(tǒng)。氣壓執(zhí)行元件?氣缸?根據(jù)?輸入系統(tǒng)的電氣信號(hào)而動(dòng)作，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載輸出相應(yīng)的物理量?如位移、速度、力等?。?輸出信號(hào)經(jīng)電氣測(cè)量反饋裝置測(cè)得并回輸?shù)较到y(tǒng)輸入端與輸入信號(hào)相比較，產(chǎn)生反映?二者偏差大小的電壓信號(hào)，即偏差信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過伺服放大器放大成具有一定功率?輸出的電流信號(hào)輸入電氣伺服閥。電氣伺服閥首先將輸入的電流信號(hào)通過電氣?機(jī)械?轉(zhuǎn)換裝置變換成控制閥閥芯的機(jī)械位移，從而改變了相應(yīng)的節(jié)流口狀態(tài)，輸出具有一?定壓力和流量的壓縮空氣，去驅(qū)動(dòng)氣壓執(zhí)行元件及負(fù)載，執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)到輸入信號(hào)與?

?

反饋信號(hào)完全一致，偏差信號(hào)消失為止。?????用電氣?氣壓伺服控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)任意?

位置定位可實(shí)現(xiàn)任意位置定位。?

19

圖?????電?氣伺服控制系統(tǒng)圖?

?、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

根據(jù)機(jī)械手的工作要求和運(yùn)動(dòng)規(guī)律，選用???作為控制系統(tǒng)的控制器。??、機(jī)械手的定位方式??用電氣?氣壓伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)任意位置定位。??、緩沖方式??氣緩沖?

2．8小結(jié)

本章首先介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，即換刀機(jī)械手的工作環(huán)境以及工作過程，并依?此確定了機(jī)械手坐標(biāo)形式和自由度以及各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。然后，簡(jiǎn)述了模塊化設(shè)計(jì)原?理以及氣動(dòng)機(jī)械手的模塊劃分。最終，介紹了機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)流程。?

20

第3章機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析

3．1剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

在機(jī)械手的操作過程中，無論是機(jī)械手的連桿、末端以及機(jī)械手的整體都將在空?間做繁雜的運(yùn)動(dòng)。假使將這些物體看成是剛體，那么就需要一種描述剛體空間位置和?方位的數(shù)學(xué)方法。在本節(jié)中，我們采用矩陣法來描述機(jī)械手的位姿。剛體上參考點(diǎn)的?位置和剛體的神態(tài)稱為剛體的位姿。剛體位姿的描述包括剛體所處位置的描述和對(duì)剛?體空間神態(tài)的描述。剛體的位置和神態(tài)確定之后，它在空間的狀態(tài)就得到了確定。?3．1．1剛體的位姿

?、位置的描述（位置矢量）?

空間任意一點(diǎn)?相對(duì)于直角坐標(biāo)系???的位置，可以用???列矢量????A?（稱位置矢量）?

p

??p???

x???????Ap????py??????????????p

其中，?p?ppz是點(diǎn)?在坐標(biāo)系???中的三個(gè)坐標(biāo)分量。????????x、y、?

z

(3‐1)

?、方位的描述（旋轉(zhuǎn)矩陣）?

為了確定空間某剛體?的方位，另設(shè)一個(gè)直角坐標(biāo)系???與此剛體固接。用坐標(biāo)系????的三個(gè)單位主矢量?x、yB、zB相對(duì)于坐標(biāo)系???的方向余弦組成的????矩陣?BRB來表示剛體?相對(duì)于坐標(biāo)系???的方位，?BR表達(dá)式如下：?

AB

A

xB

A

（3‐2）?

R?[AAyBAzB]

r13?r11r12??????A

或??rr22r23BR???21????

r33???r31r32?????

A

B

（3‐3）?

R稱為旋轉(zhuǎn)矩陣，上標(biāo)?代表參考坐標(biāo)系???，下標(biāo)?代表被描述的坐標(biāo)系???。BR中?

A

有九個(gè)元素，其中只有三個(gè)是獨(dú)立的。由于?B的三個(gè)列矢量?RxB、??yB、?z都是單位?B?主矢量，并且兩兩相互垂直，所以它的九個(gè)元素能夠滿足六個(gè)約束條件（稱正交條件）：?AxB??A?????AyB??AzB??AzB??AxByB?1

21

A

（3‐4）?

AxB??A????AzB??AzB??A??A??yByBxB0

因此，旋轉(zhuǎn)矩陣是正交的，并且滿足條件?

AB

AT?BAR?1R1?R；??

B

（3‐5）?

（3‐6）?

繞?軸、?軸、?軸旋轉(zhuǎn)?角的旋轉(zhuǎn)矩陣分別為：?0?10??

????R(x,?)???0cos??????sin??????????0sin??????cos????

??

??cos??????0sin??????0?R(y,?)???10???????sin?????0cos????????

?cos??????sin?????0??????R(z,?)???sin??????cos??0????

1????0??0

??

總之，采用位置矢量表示點(diǎn)的位置，而用旋轉(zhuǎn)矩陣描述物體的方位。??、位姿的描述?

為了完全描述剛體?在空間的位置和神態(tài)，尋常在剛體?上固接一個(gè)坐標(biāo)系???，????的坐標(biāo)原點(diǎn)一般選擇在剛體的特征點(diǎn)上，如質(zhì)心、對(duì)稱中心等。相對(duì)于參考坐標(biāo)?系???，由位置矢量??PBO和旋轉(zhuǎn)矩陣??BR分別描述坐標(biāo)系???的原點(diǎn)位置和坐標(biāo)軸的方?向。因此，剛體?的位姿可以由坐標(biāo)系???來描述，即?

AA

（3‐7）?

（3‐8）?

（3‐9）?

?B?????BAR??

A

BO

(3‐10)

APBO

說明：當(dāng)表示位置時(shí)，上式中的旋轉(zhuǎn)矩陣?B??R（單位矩陣）；當(dāng)表示方位時(shí)，那么?

位置矢量?P???3．1．2坐標(biāo)變換

空間任意一點(diǎn)?的位姿在不同的坐標(biāo)系中的描述是不同的，因此，很有必要說明??在各個(gè)坐標(biāo)系中的描述之間的關(guān)系。??、坐標(biāo)平移變換?

假設(shè)坐標(biāo)系???與???的方位一致，但是原點(diǎn)不重合，如圖???所示。用位置矢量?

A

A

PBO描述坐標(biāo)系???的原點(diǎn)在坐標(biāo)系???中的位置，把???PBO稱為坐標(biāo)系???相對(duì)于坐標(biāo)?

A

22

系???的平移矢量。假使點(diǎn)?在坐標(biāo)系???中的位置矢量為?

A的位置矢量?P可由矢量相加得出，即：?

A

AB

P???

P???PBO

B

P，則它相對(duì)于坐標(biāo)系????

(3‐11)

圖?????坐標(biāo)平移變換?

?、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換?

假設(shè)坐標(biāo)系???與???的坐標(biāo)原點(diǎn)一致，但是坐標(biāo)軸方位不同，如圖???所示。用旋?

A

轉(zhuǎn)矩陣?B描述???R相對(duì)于???的方位。任意一點(diǎn)?在兩個(gè)不同的坐標(biāo)系中???、???的描?AP和?B述?

P具有下面的變換關(guān)系：?AP???BRP

AB

（3‐12)

圖?????坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換?

?、復(fù)合變換?

23

一般的狀況是坐標(biāo)系???與???的方位不一致，而且坐標(biāo)原點(diǎn)的位置也不重合，如圖????

所示。這種狀況下，我們用矢量A?PBO描述坐標(biāo)系???的原點(diǎn)相對(duì)于???的位置；用旋轉(zhuǎn)?

矩陣?B描述???R相對(duì)于???的方位。任意一點(diǎn)?在兩個(gè)不同的坐標(biāo)系中???、???的描述?

AA

P和?P具有下面的變換關(guān)系：?

(3‐13)

A

B

ABP???APBO

P???BR

圖????坐標(biāo)的復(fù)合變換?

?、齊次坐標(biāo)和齊次變換?

我們可以把空間任意兩個(gè)直角坐標(biāo)系之間的關(guān)系都可以看成是平移變換和旋轉(zhuǎn)?變換的合成結(jié)果。考慮到上式對(duì)于點(diǎn)??是非齊次的，我們可以將它表示成等價(jià)的齊次?變換形式：?

AABA

??P???????PBO???P???BR??????????????????1???????01????1???

（3‐14）?

其中，???階的列向量表示三維空間的點(diǎn)，稱為點(diǎn)的齊次坐標(biāo)，依舊標(biāo)為??P、??P

AB

A上式簡(jiǎn)化得到：?TP??BP

AB

(3‐15)

比較上面兩式可以看出??ABT?綜合表達(dá)了平移變換和旋轉(zhuǎn)變換，稱為齊次變換矩陣。?A?后面的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等中都要應(yīng)用它。一般地，齊次變換矩陣BT具有如下性質(zhì)：BT

的原點(diǎn)在???中的位置矢量???BR則表?表示坐標(biāo)系???相對(duì)于???的描述，式中?P是???

ABO

A

24

A

示???在???中的神態(tài)。?

AB

若?T?為???相對(duì)于???的齊次變換矩陣，那么?BT?為???相對(duì)于???的齊次變換矩陣??C

???相對(duì)于???的齊次變換矩陣?CT?等于：?

A

C

T?????R

????0

AC

A

A

PC??????PBO??RRRBPCO??AB

????T????????BTC

11?????????0??

A

C

BC

AAB

(3‐16)

A

T?逆的一般形式為?

ATA??TAP????A1BRBRBB?????AT??T?

1???0B??

B

(3‐17)

需要注意的是，變換矩陣的左乘和右乘的運(yùn)動(dòng)解釋是不同的：變換順序?從右向?左?，說明運(yùn)動(dòng)是相對(duì)固定坐標(biāo)系而言的，變換順序?從左向右?，指明運(yùn)動(dòng)是相對(duì)?運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系而言的。?

3．2機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程描述

機(jī)械手是依靠各個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)值（即關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角值）的改變來運(yùn)行的。從機(jī)構(gòu)學(xué)的角?度來看，機(jī)械手的機(jī)械本體實(shí)際上是一個(gè)由轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)關(guān)節(jié)連接起來的開鏈?zhǔn)竭B桿系?統(tǒng)，每個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)決定機(jī)械手的一個(gè)自由度。機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)研究有兩類問題：?一類是正問題，即已知機(jī)械手各關(guān)節(jié)角度，計(jì)算機(jī)械手手爪的位置與神態(tài)；另一類是?逆問題，即已知手爪的空間位置和神態(tài)，求機(jī)械手各關(guān)節(jié)相應(yīng)的位移期望值。?3．2．1連桿參數(shù)以及連桿坐標(biāo)系

為了研究操作臂各連桿之間的關(guān)系，可在每個(gè)連桿上固接一個(gè)坐標(biāo)系，然后描述?這些坐標(biāo)系之間的關(guān)系。?

工業(yè)機(jī)械手為多連桿系統(tǒng)，為了用數(shù)學(xué)形式描述桿件之間的關(guān)系，建立機(jī)械手的?

?????

運(yùn)動(dòng)方程，先要探討相鄰兩連桿的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。???????和???????????于????年提出?

了一種為關(guān)節(jié)鏈中的每一桿件建立構(gòu)件坐標(biāo)系的矩陣方法，即???方法。???方法是為?每一關(guān)節(jié)處的桿件坐標(biāo)系建立???齊次變換矩陣，表示它與前一個(gè)桿件的坐標(biāo)系。以?此類推，通過矩陣變換，就可以將?手部坐標(biāo)?表示的末端執(zhí)行器變換到?基坐標(biāo)??下。???????和??????????提出了一種通用的方法，用一個(gè)???階的齊次變換矩陣描?述相鄰兩連桿的空間關(guān)系，從而推導(dǎo)出?手爪坐標(biāo)系?相對(duì)于?參考系?的等價(jià)齊次?變換矩陣，建立操作臂的運(yùn)動(dòng)方程。?

25

圖?????坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換?

連桿的特征是由連桿兩端的關(guān)節(jié)軸線規(guī)定的。以連桿???為例，其兩端的兩個(gè)關(guān)?節(jié)的軸線分別為???和?，兩個(gè)軸線的公法線長(zhǎng)度和夾角分別為??和????這樣，???和??

???????i1??????的特征，如????所示。??和???分別稱為連桿???的長(zhǎng)度和扭?????i完全定義了連桿1i1

?

角?????。?

相鄰兩個(gè)連桿?和???之間由關(guān)節(jié)?連接，所以關(guān)節(jié)軸線?有兩條公法線與它垂直，?每條公法線代表一個(gè)連桿，兩條公法線??和之間的距離?稱為兩條連桿之間的偏??????????i1置，??和之間的夾角?稱為兩個(gè)連桿之間的關(guān)節(jié)角。????????

??

每個(gè)連桿由四個(gè)參數(shù)??、、?來描述，??和???描述連桿本身的特征；??????????????i1、???i1i

?和描述連桿???和連桿?之間的關(guān)系。對(duì)于移動(dòng)關(guān)節(jié)?，?是關(guān)節(jié)變量；對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)???????i節(jié)?，?是關(guān)節(jié)變量。這種描述機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的方法稱為???方法。?

??

為了確定機(jī)械手各連桿之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，我們必需在各個(gè)連桿上固接一個(gè)坐?標(biāo)系。設(shè)與基座固接的坐標(biāo)系為???，與連桿?固接的坐標(biāo)系記為???。一般狀況下，?連桿坐標(biāo)系依照下面的原則規(guī)定：固接在連桿???上的坐標(biāo)系?????的?軸??與關(guān)節(jié)軸?

????

線???共線，方向任意；坐標(biāo)系?????的?x軸?x與連桿???的公垂線重合，指向從關(guān)節(jié)?

i1

???到關(guān)節(jié)?；坐標(biāo)系?????的?軸??按右手法則規(guī)定。坐標(biāo)系的原點(diǎn)取???與??的交點(diǎn)。?????????

????

26

3．2．2連桿變換和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

連桿坐標(biāo)系???相對(duì)于?????的齊次變換?

????

??稱為連桿變換，它與??、???、?、?i

這四個(gè)連桿參數(shù)有關(guān)。可以把它分解為坐標(biāo)系???的四個(gè)基本子變換問題，每個(gè)子變?i1

換只依靠于一個(gè)連桿參數(shù)，這四個(gè)子變換分別是：?

Rot(x,?????)?繞?x轉(zhuǎn)動(dòng)角???；?i1i1i1Trans(x,?????xi1移動(dòng)???；i1)：沿?i1?Rot(z,diz；?)：繞?i轉(zhuǎn)動(dòng)角??i?Trans(z,di)：沿?z；?i移動(dòng)di?

則?i1iT??Rot(x,?????)Trans(x,?????(z,??)Trans(z,di)i1i)1Roti

由上式右邊的四個(gè)子變換，可以得到連桿變換?????的通式如下：?

isin?i0??cos?

??sin???cos?i1cos??cosi1sin?i1

i???ii1iT???

??sin??isin??cos??isin??cos?i1i1i1??00??0

????

????????????????????

（3‐18）?

??

??di

??

??????dicosi1

??1??bi1

（3‐19）?

根據(jù)齊次變換矩陣的乘法，得?

0

n

T???T

01T?????nn1T（n為關(guān)節(jié)的個(gè)數(shù)）?0

nT稱為手臂變換矩陣，它是12?個(gè)關(guān)節(jié)變量?????的函數(shù)，表示末端連桿坐標(biāo)系????????????

（3‐20）?

???相對(duì)于基坐標(biāo)系???的描述，?

00

（3‐21）?

T(q)??????nn1T(qn)

上式就是運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的一般表達(dá)式。?nT(qq???q)???1T(q)

1

3．3操作臂的雅可比矩陣

n2

1212

雅可比矩陣在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)中具有重要的地位，由于它不僅用來表示操作空間與?關(guān)節(jié)空間之間速度線性映射關(guān)系，同時(shí)也用來表示兩空間之間力的傳遞關(guān)系。機(jī)械手?的操作速度與關(guān)節(jié)速度的線性變換定義為機(jī)械手的雅可比矩陣，可將其看作為從關(guān)節(jié)?空間向操作空間運(yùn)動(dòng)速度的傳動(dòng)比。?

用?、、?分別表示末端執(zhí)行器沿基座的?、?、?軸的線速度；?、?、?分????????

??

??

??

別為繞基座的?、?、?軸的角速度。?

一般的，對(duì)于?個(gè)自由度的機(jī)械手，借助于齊次變換矩陣，就可以求出末端手爪?

27

的角速度和線速度，假使將角速度和線速度合為一個(gè)向量?

0

x??????????n

??0

?????n

并設(shè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方程為?

（3‐22）?

x??F(?)

?與?之間的微分關(guān)系：?

x??J(?)

(3‐23)

代表操作空間?與關(guān)節(jié)空間?之間的位移關(guān)系。將式??????兩邊對(duì)時(shí)間?求導(dǎo)，即得出?

(3‐24)

式中，?稱為末端在操作空間的廣義速度，簡(jiǎn)稱操作速度；?為關(guān)節(jié)速度；??????稱為機(jī)械手的雅可比矩陣。?為???的機(jī)械手關(guān)節(jié)的位移向量，?J???F???，?JRn?n?為???直角坐標(biāo)速度向量，???雅可比矩陣?J(?)說明白機(jī)械手關(guān)節(jié)速度與末端手爪?直角坐標(biāo)速度之間的線性變換關(guān)系。?

對(duì)于兩關(guān)節(jié)機(jī)械手，該機(jī)械手的雅克比矩陣為???l1sin????l2sin(??????)2l2sin(??????)2?111?

??l1cos????lcos(?????2)l2cos(??????)??12112????J(?)???????00

??

00????

????00????

11????

（3‐25）?

3．4機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)模型構(gòu)建

動(dòng)力學(xué)是研究物體的運(yùn)動(dòng)和作用力之間的關(guān)系。機(jī)械手是一個(gè)繁雜的動(dòng)力學(xué)系?統(tǒng)，存在嚴(yán)重的非線性，是由多個(gè)關(guān)節(jié)和多個(gè)連桿組成，具有多個(gè)輸入和多個(gè)輸出，?

?

它們之間存在錯(cuò)綜繁雜的耦合關(guān)系。因此要分析機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)特性?????，必需采用非??

常系統(tǒng)的方法，現(xiàn)在所用的分析方法好多，有拉格朗日??????????方法?????

，牛頓???

歐拉??????????????方法，高斯???????方法，凱恩??????方法等等。拉格朗日方法?

不僅能以最簡(jiǎn)單的形式求得十分繁雜的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，而且具有顯式結(jié)構(gòu)。牛頓???歐拉方法也是最基本的方法之一，是基于運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系和達(dá)朗貝爾原理建立起來的，沒?有多余信息，計(jì)算速度快。?

無論是被控對(duì)象的控制器設(shè)計(jì)還是對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，均需預(yù)先建立較理想的系?統(tǒng)模型。對(duì)于機(jī)械手控制系統(tǒng)，首先要建立機(jī)械手系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。其中包括兩方?

28

面的問題?

???正動(dòng)力學(xué)問題：給定各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩?，計(jì)算各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、位移量??及其導(dǎo)數(shù)?、?，這是機(jī)械手動(dòng)態(tài)仿真所必需的?仿真模型?。?

???逆動(dòng)力學(xué)問題：對(duì)于給定的操作任務(wù)，求出各關(guān)節(jié)坐標(biāo)?的軌跡，計(jì)算出應(yīng)當(dāng)?施加的各關(guān)節(jié)力矩?。?

3．4．1拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程推導(dǎo)方法

由于拉格朗日方法僅需計(jì)算系統(tǒng)的動(dòng)能和勢(shì)能，因而與直接計(jì)算作用在機(jī)械手連?桿上的慣性力、哥氏力、離心力、驅(qū)動(dòng)力以及其它力的方法相比，