四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现毕业设计论文(编辑修改稿)

四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

个手臂上下摆动的自由度 . 四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现 14 图 21 机械手的运动示意图 Sketch Map of the Motion of Manipulator 机械手的手部结构方案设计 为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时， 使用夹持式手部。 当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。 四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现 15 机械手的手腕结构方案设计 考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。 因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。 机械手的手臂结构方案设计 按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降 (或俯仰 )运动。 手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。 手臂的各种运动由气缸来实现。 机械手的驱动方案设计 由 于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。 机械手的控制方案设计 考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器 (PLC)对机械手进行控制。 当机械手的动作流程改变时，只需改变 PLC程序即可实现，非常方便快捷。 机械手的主要参数 ，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为 5公斤 是机械手主要的基本参数。 操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。 而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。 该机械手最大移动速度设计为 sm/。 最大回转速度设计为 s/90。 平均移动速度为 sm/。 平均回转速度为 s/60。 机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有 关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。 除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。 大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。 过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。 在这种情况下宜采用自动传送装置为好。 根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为 600mm,最大工作半径约为mm1400。 手臂升降行程定为 mm120。 定位精度也是基本参数之一。 该机械手的定位精度为 mm1。 机械手的技术参数列表 一、用途 : 用于自动输送线的上下料。 四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现 16 二、设计技术参数 : 抓重 : kg5 自由度数 :4个自由度 座标型式 :圆柱座标 最大工作半径 : mm1400 手臂最大中心高 : mm1250 手臂运动参数 : 伸缩行程 mm1200 伸缩速度 smm/400 升降行 程 mm120 升降速度 smm/250 回转范围  1800  回转速度 s/90 手腕运动参数 回转范围  1800  回转速度 s/90 手指夹持范围 :棒料 : mmmm 15080   定位方式 :行程开关或可调机械挡块等 定位精度 : mm1 1驱动方式 :气压传动 1控制方式 :点位程序控制 (采用PLC) 图 26 机械手的工作范围 Work Range of Manipulator 四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现 17 3 手部结构设计 为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部 :如果有实际需要，还可以换成气压吸盘式结构 . 夹持式手部结构由手指 (或手爪 )和传力机构所组成。 其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。 夹持式是最常见的一种，其 中常用的有两指式、多指式和双手双指式 :按手指夹持工件的部位又可分为内卡式 (或内涨式 )和外夹式两种 :按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型 (或称直进型 )，其中以二支点回转型为基本型式。 当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指。 同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。 回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。 移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。 (一 )具有足够的握力 (即夹紧力 ) 在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。 (二 )手指间应具有一定的开闭角 两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。 手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。 对于移动型手指只有开闭幅度的要求。 (三 )保证工件准确定位 为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指 形状。 例如圆柱形工件采用带“ V”形面的手指，以便自动定心。 (四 )具有足够的强度和刚度 手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。 (五 )考虑被抓取对象的要求 根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成 V型，其结构如附图所示。 的设计 手部驱动力计算 四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现 18 本课题气动机械手的手部结构如图 32所示， 图 32 齿轮齿条式手部 Gear Wheel Hand 其工件重量 G=5公斤， V形手指的角度 1202  ， mmRmmb 241 2 0  ,摩擦系数为 f (1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为 : Rbp 2 N (2)根据手指夹持工件的方位 ，可得握力计算公式 : )(   tgN )(25 )42560(39。 N tg  所以 Rbp 2 N )(245N 四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现 19 (3)实际驱动力 :  21KKpp 实际 I,因为传力机构为齿轮齿条传动，故取  ，并取 K。 若被抓取工件的最大加速度取 ga 3 时，则 : 412  gaK 所以 )( Np 实际 所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为 N1563。 气缸的直径 本气缸属于单向作用气缸。 根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为 : zt FFPDF  421  式中 : 1F 活塞杆上的推力， N tF 弹簧反作用力， N zF 气缸工作时的总阻力， N P 气缸工作压力， Pa 弹簧反作用按下式计算 : )1( sGF ft  nDGdGf 3141 Gf =nDGd31418 式中 : fG 弹簧刚度， N/m 1 弹簧预压缩量， m s 活塞行程， m 1d 弹簧钢丝直径， m 1D 弹簧平均直径， . n 弹簧有效圈数 . 四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现 20 G 弹簧材料剪切模量，一般取 PaG  在设计中，必须考虑负载 率 的影响，则 : tFpDF  421  由以上分析得单向作用气缸的直径 : p FtFD )(4 1  代入有关数据，可得 fG nDGd31418 4333915)1030(8 )(    )/( 77 mN )1( sGF ft  )( 7 73N  所以 : DpnFtF )1(4  )(4   )( mm 查有关手册圆整，得 mmD 65 由 Dd ,可得活塞杆直径 : mmDd )(  圆整后，取活塞杆直径 mmd 18 校核，按公式 ][)4//( 21  dF 有 : ])[/14( Fd  其中， [ ] MPa120 ， NF 7501  则 : )120/4904(  d  满足实际设计要求。 3,缸筒壁厚的设计 缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。 一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于 1/10，其壁厚 可按薄壁筒公式计算 : 四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现 21 ][2/  pDP 式中 :6 缸筒壁厚， mm D 气缸内径， mm pP 实验压力，取 PPp  , Pa 材料为 :ZL3,[ ]=3MPa 代入己知数据，则壁厚为 : ][2/  pDP )( )1032/(1066565mm  取  ，则缸筒外径为 : )( mmD  4 手腕结构设计 考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。 因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。 手腕的自由度 手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。 手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。 由于本机械手抓取的工 件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕 x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，应用最多的为回转油 (气 )缸，因此我们选用回转气缸。 它的结构紧凑，但回转角度小于 360 ，并且要求严格的密封。 4. 2手腕的驱动力矩的计算 手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与缸径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以及由 于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩 .图四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现 22 41所示为手腕受力的示意图。 图 41手腕回转时受力状态 Bear Force Condition of Wrist When Rotating 手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算 : 封摩偏惯驱 MMMMM  式中 : 驱M 驱动手腕转动的驱动力矩 ( cmN )。 惯M 惯性力矩 ( cmN )。 偏M 参与转动的零部件的重量 (包括工件、手部、手腕回转缸的动片 )对转动轴线所产生的偏重力矩 ( cmN ).,。 封M 手腕回转缸的动片与定片、缸径、端盖等处密封装置的 摩擦阻力 矩 ( cmN )。 下面以图 41所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算 : 手腕加速运动时所产生的惯性力矩 M悦 若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为  ，起动过程所用的时间为 t ，则 : 四自由度多用途气动机器人结构设计及控制实现 23 ).(1 cmNtJJM  ）（惯 式中 :J 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量 )..( 2scmN。 1J 工件对手腕转动轴线的转动惯量 )..( 2scmN `。 若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量 1J 为 : gGJJ c 11  21e 式中 : cJ 工件对过重心轴线的转动惯量 )..( 2scmN : 1G 工件的重量 (N)。 1e 工件的重心到转。