气动指挥机械手臂设计(编辑修改稿)

气动指挥机械手臂设计(编辑修改稿)内容摘要：

，就越能接近人手的动作机能，通用性就越好；但是自由度越多，结构 就 越复杂，对机器人的整体要求就越高，这是机器人设计中的一个矛盾。 自由度的选择与生产要求有关，若批量大，操作可靠性要求高，运行速度快，机器人的自由度数可少一些； 但是 如果要便于产品更换，增加柔性，机器人的自由度要多一些。 机械手臂的工作空间设计 对于拟人的指挥手臂而言，工作空间应尽 量 参考人的运动范围，根据人的指挥手臂的动作要求 和人机工程学的相关原理 ，制定机械手臂的工作空间，这一过程我将应用 ADAMS动态仿真软件完成，从 而设计出合理的工作空间。 气动指挥机械手臂设计 5 机械手臂的工作速度 机械手的工作速度对于模拟人的指挥是至关重要的，这一过程 同样也需要事先用软件进行模拟 ， 从而 才能真正的对机械手臂的各个关节 的 运动速度进行设定。 机械手臂的工作载荷 指挥手臂的工作载荷可以忽略不计， 只要能够承受自身重量要求即可，所以这里就不再讨论了。 机械手臂的控制方式 由于是要求同时控制 五 个气缸的运动，而且对运动的周期还有较高要求，所以我选择用PLC 进行控制。 PLC 有以下特点： (1) 可靠性高 PLC 采用了许多抗干扰措施，如对 CPU 模 块进行电磁屏蔽、在电源和 I/O 模块中设置滤波电路等等， 具有较强的抗干扰能力。 (2) 功能强 PLC 不但具有开 关量控制、模拟量控制、算术运算、数据通信、中断控制等功能，还能 很方便地进行功能及容量的扩展。 (3) 编成简单，使用方便 PLC 提供了多种面向用户的编成语言，常用的有梯形图、指令语句等，其中梯形图语言与继电器控制系统的电气原理图类似，很容易掌握。 (4) 体积小，结构紧凑 由于应用了 现代 集成电路，使其结构紧凑，体积小巧，很容易装在机械设备内部，因而成为机电一体化产品及工业自动控制的主要控制设备。 机械手臂的驱动方式 这里根据设计要求采用气压 驱动方式。 与气压驱动相近还有液压驱动，气压传动与液压传动相比，气压驱动有如下特点： (1) 压缩空气黏度小， 比较 容易达到高速（ 1m/s）； (2) 可 用工厂集中的空气压缩机站供气，不必添加动力设备； (3) 空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业； (4) 气动元件工作压力低，故制造成本 也比液压元件低； (5) 不足之处是，压缩空气常用压力为 ~，若要获得较大的力，其 外型 结构就要相对增大； (6) 空气压缩性大，工作平稳性 较 差，速度控制困难，要达到准确的位置控制比较 困难； (7) 压缩空气的 水分 问题是一个很重要的问题，处理不当会使刚类零件生锈，导致机器人失灵。 此外，排气还会造成噪声污染。 综合所述，可以选用气压驱动这种驱动方式。 气动指挥机械手臂设计 6 机械手臂的精度、重复精度和分辨率 因为是模拟人的指挥动作，所以对精度要求并不高， 但是需要重复的运动 ，因为重复的精度越高，指挥动作的可重复 次数也就越多，所以要求还是要尽可能的提高重复精度。 因为选择了气压 这种驱动方式，所以机械手臂的分辨率不会高，但模拟指挥同样也不需要高的分辨率，所以这点也不会造 成影响。 气动指挥机械手臂设计 7 3 机械手臂的模拟仿真运动 ADAMS 仿真软件功能简介 ADAMS 是专门用于机械产品虚拟样机 运动模拟 的工具，通过虚拟实验和测试，在产品开发阶段就可以帮助设计者发现设计缺陷，并提出改进的方法。 ADAMS 研究复杂系统的运动学关系 和动力学关系，它以计算多体系统动力学为理论基础，结合高速计算机 对产品进行仿真计算，得到各种试验数据，帮助设计者发现问题和 解决问题。 应用 UG 建立实体模型 并导入 ADAMS 在建立模型阶段，先以一定的比例关 系 在 UG 中 建立 零件 模型， 然后装配成整体 ， 通过parasolid 格式导入 ADAMS， 并在其中 添加 约束和 运动副，最后是 在 驱动部分添加 驱动 ，从而完成整个实体模型的建立。 在模型的建立完成后，对各驱动的参数进行调试，并选择最佳方案。 运动过程仿真 由于对音乐指挥这一运动过程无法进行各个运动参数的设定，所以必须首先进行模拟运动，从中记录下各运动 的 相关信息。 如图（ 3— 1）所示，在用软件进行模拟的过程中，可以通过改变各气缸的运动方程来调节各部分的运动，用改变调节运动选项中 STEP SIZE和 END TIME 的方法 调整 整体 运动的速度 和仿真运动的时间 ，从而配合每种不同速度的音乐。 通过该软件还可以容易的绘制出指挥棒末端的轨迹，并对各转动副之间的相对位移、速度、加速度等 相关 物理量进行测量。 气动指挥机械手臂设计 8 图 3— 1 仿真模型 首先通过前期设计要求做出模型，然后对各个部分的驱动 参数 进行修改，从而让整体运动状态模拟人的指挥动作（其中黑色空间曲线为指挥棒末端所画出的轨迹）。 机械手臂的运动过程如图（ 3— 2）所示。 同时可以通过数据分析采集计算出 个 气缸所需行程及速度和耗气量。 气动指挥机械手臂设计 9 气动指挥机械手臂设计 10 图 3— 2 仿真运动过程 通过 ADAMS 软件的后处理功能，对手臂的运动 仿真 过程 进行录制，生成一个循环 动作视频， 再 经后期的视频剪辑处理， 并 添加 背景 音乐效果，最终生成一个指挥 机械手臂。 气动指挥机械手臂设计 11 运动仿真参数分析 在对某一数据采集后，进入 PostProcess 模块进行数据处理，如图（ 3— 3） ~图（ 3— 10）所示。 图 3— 3 A 缸角度随时间变化曲线 根据图（ 3— 3）曲线可以得出， A 的角度幅值 为 ，其控制部分为 肩部的转动。 图 3— 4 A 缸 角 速度曲线 A 的 角 速度是 肩 部的旋转 速度。 因为在实际的操作过程中无法输出正弦信号，所以这里只对气缸作近似计算，选其 有效值 作为参照标准，从图（ 3— 4）中的曲线可以得出其 有效 速度是。 气动指挥机械手臂设计 12 图 3— 5 B 缸位移曲线 根据图（ 3— 5）中曲线可以得出， B 的幅值 41mm，其控制部分为 大臂 部 位 的旋转。 图 3— 6 B 缸速度曲线 B 的速度是 大臂 部的旋转 速度。 根据图（ 3— 6）中的曲线可以得出其 有效 速度是。 气动指挥机械手臂设计 13 图 3— 7 C 缸位移曲线 根据图（ 3— 7）中曲线可以得出， C 的幅值 41mm，其控制部分为 肘部 的旋转。 图 3— 8 C 缸速度曲线 C 的速度 是 肘部 的旋转 速度。 根据图（ 3— 8）中的曲线可以得出其 有效 速度是。 气动指挥机械手臂设计 14 图 3— 9 D 缸随时间的角度变化曲线 根据图（ 3— 9）中曲线可以得出， D 的转动角度幅值 57deg，其控制部分为 手腕 的转动。 图 3— 10 D 缸 角 速度曲线 D 的转动角速度是 手腕 的转动 速度。 根据图（ 3— 10）中的曲线可以得出其 有效 角速度是。 气动指挥机械手臂设计 15 图 3— 11 E 缸位移曲线 根据图（ 3— 11）中的曲线可以得出， E 缸的幅值为 32mm，其控制部分为手掌的摆动。 图 3— 12 E 缸速度曲线 E 缸的速度为手掌的摆动速度。 根据图（ 3— 12）中的曲线可以得出， E 缸的 有效 速度为。 然后 通过软件对指挥棒末端的位移、速度、加速度随时间的变化曲线进行绘制，从而大体了解其运动规律。 如图（ 3— 13） ~图（ 3— 15）所示。 气动指挥机械手臂设计 16 图 3— 13 指挥棒末端位移随时间的曲线 图 3— 14 指挥棒末端速度随时间的曲线 气动指挥机械手臂设计 17 图 3— 15 指挥棒末端加速度随时间的曲线 通过 以上各组 数据可以计算出气缸所需行程。 同时通过对运动的模拟，初步得到相关数据，这 为 接下来 气缸的 选择和 PLC 程序编制 奠定 了 基础。 气动指挥机械手臂设计 18 4 气动回路设计 通过对运动状态的模拟设计相应的气动回路 因为在这个气动系统中控制部分由 PLC 来完成，所以该气动系统只由气压传动部分组成。 在整个系统中 PLC 只是单纯的控制气缸运动的周期，无法对气缸的运动速度和行程进行控制，所以在气动部分，要使用调速阀和压力表，对气缸和马达运动加以控制调节。 进气和出气口下分别接入了调速阀， 以便 调节气缸往复运动时的速度。 同时在三位五通电磁换向阀下又接了一个安全阀和减压阀，其中安全阀可以保证气压传动系统安全，而减压阀则可 以调节输入压力，并使输入的气流更加平稳。 各气缸所对应的运动部分是： A 缸对应的是 O1 处的转动。 B 缸对应的是 O2 处的运动。 C 缸对应的是 O3 处的运动。 D 缸对应的是 O4 处的 转 动。 E 缸对应的是 O5 处的运动 根据模拟结果绘制气动系统的逻辑原理图和气动回路图，如图（ 4— 1）和图（ 4— 2）。 图 4— 1 逻辑原理图 以 B 缸为例，在得到启动信号 q 以后， B 的气缸活塞杆伸出，在经过 后缩回，同样在经过 后，气缸活塞杆再次伸出，如此循环运动。 气动指挥机械手臂设计 19 图 4— 2 气动回路图 1气压发生装置 2气罐 3过滤器 4减压阀 5油雾器 6压力表 对气压传动系统的分析 气源的处理 首先由气压发生装置产生的气体进入储气罐，通过储气罐可以调节气流，减少输出气流的压力脉动，使输出气流具有流 动 连续和气压稳定的性能，同时它还可以作为应急气源使用。 也能分离部分油污和水分。 接下来压缩空气进。