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三自由度機(jī)械臂工作原理篇一
機(jī)械手
機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展, 出現(xiàn)了數(shù)控加工中心,它在減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí), 大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。但數(shù)控加工中常見的上下料工序, 通常仍采用人工操作或傳統(tǒng)繼電器控制的半自動(dòng)化裝置。前者費(fèi)時(shí)費(fèi)工、效率低;后者因設(shè)計(jì)復(fù)雜, 需較多繼電器,接線繁雜, 易受車體振動(dòng)干擾,而存在可靠性差、故障多、維修困難等問題。可編程序控制器plc控制的上下料機(jī)械手控制系統(tǒng)動(dòng)作簡(jiǎn)便、線路設(shè)計(jì)合理、具有較強(qiáng)的抗干擾能力, 保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性,降低了維修率, 提高了工作效率。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。
一、工業(yè)機(jī)械手的概述
機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。在工資水平較低的中國，塑料制品行業(yè)盡管仍屬于勞動(dòng)力密集型，機(jī)械手的使用已經(jīng)越來越普及。那些電子和汽車業(yè)的歐美跨國公司很早就在它們?cè)O(shè)在中國的工廠中引進(jìn)了自動(dòng)化生產(chǎn)。但現(xiàn)在的變化是那些分布在工業(yè)密集的華南、華東沿海地區(qū)的中國本土塑料加工廠也開始對(duì)機(jī)械手表現(xiàn)出越來越濃厚的興趣，因?yàn)樗麄円鎸?duì)工人流失率高，以及為工人交工傷費(fèi)帶來的挑戰(zhàn)。
隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，特別是改革開發(fā)以后，自動(dòng)化程度的迅速提高，實(shí)現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操作釬焊、噴槍、扳手等工具進(jìn)行加工、裝配等作業(yè)自化，已愈來愈引起我們重視。
機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定的程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。
在現(xiàn)實(shí)生活中，你是否會(huì)發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)問題。在機(jī)械工廠里，加工零件裝料的時(shí)候是不是很煩的，勞動(dòng)生產(chǎn)率不高，生產(chǎn)成本大，有時(shí)候還會(huì)發(fā)生一些人為
事故，導(dǎo)致加工者受傷。想想看用什么可以來代替呢，加工的時(shí)候只要有幾個(gè)人巡視一下，且可以二十四個(gè)小時(shí)飽和運(yùn)作，人行嗎？回答是肯定的，但是機(jī)械手可以來代替它。
生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率;可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其是在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中能夠代替人進(jìn)行正常的工作。想到這里我就很想設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手，來用于生產(chǎn)實(shí)際中。
為什么選著設(shè)計(jì)機(jī)械手用氣動(dòng)來提供動(dòng)力：氣動(dòng)機(jī)械手是指以壓縮空氣為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。用氣壓驅(qū)動(dòng)與其他能源驅(qū)動(dòng)比較有以下優(yōu)點(diǎn)：1.空氣取之不竭，用過之后排入大氣，不需要回收和處理，不污染環(huán)境。（環(huán)保的概念）2.空氣的沾性很小，管路中壓力損失也很小（一般氣路阻力損失不到油路的千分之一），便于遠(yuǎn)距離輸送。3.壓縮空氣的工作壓力較低(一般為4～8公斤/每平方厘米)，因此對(duì)動(dòng)元件的材質(zhì)和制造精度要求可以降低。4.與液壓傳動(dòng)相比，它的動(dòng)作和反應(yīng)都快，這是氣動(dòng)突出的優(yōu)點(diǎn)之一。5.空氣介質(zhì)清潔，亦不會(huì)變質(zhì)，管路不易堵塞。但是也有它美中不足的地方：1.由于空氣的可壓縮性，致使氣動(dòng)工作的穩(wěn)定性差，因而造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度和定為精度不易控制。2.由于使用氣壓較低，輸出力不可能太大，為了增加輸出力，必然使整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸加大。
用氣壓驅(qū)動(dòng)與用其他能源驅(qū)動(dòng)比較有以下優(yōu)點(diǎn)：
空氣取之不竭，用過之后排入大氣，不需回收和處理，不污染環(huán)境。偶然的或少量的泄漏不致對(duì)生產(chǎn)發(fā)生嚴(yán)重的影響。
空氣的粘性很小，管路中壓力損失也就很小，便于遠(yuǎn)距離輸送。
壓縮空氣的工作壓力較低，因此對(duì)氣動(dòng)元件的材質(zhì)和制造精度要求可以降低。一般說來，往復(fù)運(yùn)動(dòng)推力在1~2噸以下采用氣動(dòng)經(jīng)濟(jì)性較好。
與液壓傳動(dòng)相比，它的動(dòng)作和反應(yīng)都快，這是氣動(dòng)的突出優(yōu)點(diǎn)之一。空氣介質(zhì)清潔，亦不會(huì)變質(zhì)，管路不易堵塞。
它可安全地應(yīng)用在易燃、易爆和粉塵大的場(chǎng)合。又便于實(shí)現(xiàn)過載自動(dòng)保護(hù).二﹑機(jī)械手的組成
機(jī)械手的形式是多種多樣的，有的較為簡(jiǎn)單，有的較為復(fù)雜，但基本的組成
形式是相同的，一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助裝置組成。
1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)
機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由手、手腕、手臂、支柱組成。手是抓取機(jī)構(gòu)，用來夾緊和松開工件，與人的手指相仿，能完成人手的類似動(dòng)作。手腕是連接手指與手臂的元件，可以進(jìn)行上下、左右和回轉(zhuǎn)動(dòng)作。簡(jiǎn)單的機(jī)械手可以沒有手腕。支柱用來支撐手臂，也可以根據(jù)需要做成移動(dòng)。
2.傳動(dòng)系統(tǒng)
執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作要由傳動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。常用機(jī)械手傳動(dòng)系統(tǒng)分機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電力傳動(dòng)等幾種形式。
3.控制系統(tǒng)
機(jī)械手控制系統(tǒng)的主要作用是控制機(jī)械手按一定的程序、方向、位置、速度進(jìn)行動(dòng)作，簡(jiǎn)單的機(jī)械手一般不設(shè)置專用的控制系統(tǒng)，只采用行程開關(guān)、繼電器、控制閥及電路便可實(shí)現(xiàn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按要求進(jìn)行動(dòng)作．動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械手則要采用可編程控制器、微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。三﹑ 機(jī)械手的分類和特點(diǎn)
機(jī)械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手。它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定的操作。它的特點(diǎn)是具備普通機(jī)械的性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號(hào)操作機(jī)來進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是用專用機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件送。這種機(jī)械手在國外稱為“mechanical hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。
主要特點(diǎn)：
(1)機(jī)械手（上下料機(jī)械手、裝配機(jī)械手、搬運(yùn)機(jī)械手、堆垛機(jī)械手、助力機(jī)械手、真空搬運(yùn)機(jī)、真空吸吊機(jī)、省力吊具、氣動(dòng)平衡器等）。
(2)懸臂起重機(jī)（懸臂吊、電動(dòng)環(huán)鏈葫蘆吊、氣動(dòng)平衡吊等）
(3)導(dǎo)軌式搬運(yùn)系統(tǒng)（懸掛軌道、輕型軌道、單梁起重機(jī)、雙梁起重機(jī)）
(4)工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用
機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。
機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用，例如：
(1)機(jī)床加工工件的裝卸，特別是在自動(dòng)化車床、組合機(jī)床上使用較為普遍。(2)在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機(jī)械行業(yè)中它可以用來組裝零部件。
(3)可在勞動(dòng)條件差，單調(diào)重復(fù)易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動(dòng)。(4)可在危險(xiǎn)場(chǎng)合下工作，如軍工品的裝卸、危險(xiǎn)品及有害物的搬運(yùn)等。(5)宇宙及海洋的開發(fā)。
(6)軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗(yàn)。
助力機(jī)械手:又稱平衡器、平衡吊、省力吊具、手動(dòng)移載機(jī)等，是一種無重力化手動(dòng)承載系統(tǒng)，一種新穎的、用于物料搬運(yùn)時(shí)省力化操作的助力設(shè)備,屬于一種非標(biāo)設(shè)計(jì)的系列化產(chǎn)品。針對(duì)客戶應(yīng)用需求，量身定制的個(gè)案創(chuàng)作。
一種模擬人手操作的自動(dòng)機(jī)械，它可按固定程序抓取﹑搬運(yùn)物件或操持工具完成某些特定操作。應(yīng)用機(jī)械手可以代替人從事單調(diào)﹑重復(fù)或繁重的體力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，代替人在有害環(huán)境下的手工操作，改善勞動(dòng)條件，保證人身安全。20世紀(jì)40年代后期，美國在原子能實(shí)驗(yàn)中，首先采用機(jī)械手搬運(yùn)放射性材料，人在安全室操縱機(jī)械手進(jìn)行各種操作和實(shí)驗(yàn)。50年代以后，機(jī)械手逐步推廣到工業(yè)生產(chǎn)部門，用于在高溫﹑污染嚴(yán)重的地方取放工件和裝卸材料，也作為機(jī)床的輔助裝置在自動(dòng)機(jī)床﹑自動(dòng)生產(chǎn)線和加工中心中應(yīng)用，完成上下料或從刀庫中取放刀具并按固定程序更換刀具等操作。機(jī)械手主要由手部機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。手部機(jī)構(gòu)隨使用場(chǎng)合和操作對(duì)象而不同，常見的有夾持﹑托持和吸附等類型。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般由液壓﹑氣動(dòng)﹑電氣裝置驅(qū)動(dòng)。機(jī)械手可獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)伸縮﹑旋轉(zhuǎn)和昇降等運(yùn)動(dòng)，一般有2～3個(gè)自由度。機(jī)械手廣泛用于機(jī)械製造
﹑冶金﹑輕工和原子能等部門。
能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。
機(jī)械手主要由手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)......機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置，它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手能代替人類完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。機(jī)械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)fms和柔性制造單元fmc中一個(gè)重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。當(dāng)工件變更時(shí)，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對(duì)路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。而目前我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。
附件2：外文原文
manipulator
robot developed in recent decades as high-tech automated production rial robot is an important branch of industrial features can be programmed to perform tasks in a variety of expectations, in both structure and performance advantages of their own people and machines, in particular, reflects the people's intelligence and accuracy of robot operations and a variety of environments the ability to complete the work in the field of national economy and there are broad prospects for the development of industrial automation, there has been cnc machining center, it is in reducing labor intensity, while greatly improved labor r, the upper and lower common in cnc machining processes material, usually still use manual or traditional relay-controlled semi-automatic former time-consuming and labor intensive, inefficient;the latter due to design complexity, require more relays, wiring complexity, vulnerability to body vibration interference, while the existence of poor reliability, fault more maintenance problems and other mmable logic controller plc-controlled robot control system for materials up and down movement is simple, circuit design is reasonable, with a strong anti-jamming capability, ensuring the system's reliability, reduced maintenance rate, and improve work technology related to mechanics, mechanics, electrical hydraulic technology, automatic control technology, sensor technology and computer technology and other fields of science, is a cross-disciplinary integrated , an overview of industrial manipulator robot is a kind of positioning control can be automated and can be re-programmed to change in multi-functional machine, which has multiple
degrees of freedom can be used to carry an object in order to complete the work in different wages in china, plastic products industry, although still a labor-intensive, mechanical hand use has become increasingly onics and automotive industries that europe and the united states multinational companies very early in their factories in china, the introduction of automated now the changes are those found in industrial-intensive south china, east china's coastal areas, local plastic processing plants have also emerged in mechanical watches began to become increasingly interested in, because they have to face a high turnover rate of workers, as well as for the workers to pay work-related injuries fee the rapid development of china's industrial production, especially the reform and opening up after the rapid increase in the degree of automation to achieve the workpiece handling, steering, transmission or operation of brazing, spray gun, wrenches and other tools for processing and assembly operations since, which has more and more attracted our is to imitate the manual part of the action, according to a given program, track and requirements for automatic capture, handling or operation of the automatic mechanical real life, you will find this a the machine shop, the processing of parts loading time is not annoying, and labor productivity is not high, the cost of production major, and sometimes man-made incidents will occur, resulting in processing were about what could replace it with the processing time of a tour as long as there are a few people, and can operate 24 hours saturated human right? the answer is yes, but the robot can come to replace tion of mechanical hand can increase the automation level of production and labor productivity;can reduce labor intensity, ensuring
product quality, to achieve safe production;particularly in the high-temperature, high pressure, low temperature, low pressure, dust, explosive, toxic and radioactive gases such as poor environment can replace the normal working i would like to think of designing a robot to be used in actual would a robot designed to provide a pneumatic power: pneumatic robot refers to the compressed air as power source-driven pressure-driven and other energy-driven comparison have the following advantages: inexhaustible, used later discharged into the atmosphere, does not require recycling and disposal, do not pollute the environment.(concept of environmental protection) stick is small, the pipeline pressure loss is small(typically less than asphalt gas path pressure drop of one-thousandth), to facilitate long-distance ssed air of the working pressure is low(usually 4 to 8 kg / per square centimeter), and therefore moving the material components and manufacturing accuracy requirements can be the hydraulic transmission, compared to its faster action and reaction, which is one of the advantages pneumatic air cleaner media, it will not degenerate, not easy to plug the there are also places where it fly in the ointment: the compressibility of air, resulting in poor aerodynamic stability of the work, resulting in the implementing agencies as the precision of the velocity and not easily the use of low atmospheric pressure, the output power can not be too large;in order to increase the output power is bound to the structure of the entire pneumatic system size pneumatic drive and compare with other energy sources drive has the following advantages: air inexhaustible, used later discharged into the atmosphere, without recycling and disposal, do not pollute the ntal or a
small amount of leakage would not be a serious impact on ity of air is small, the pipeline pressure loss also is very small, easy long-distance lower working pressure of compressed air, pneumatic components and therefore the material and manufacturing accuracy requirements can be general, reciprocating thrust in 1 to 2 tons pneumatic economy is ed with the hydraulic transmission, and its faster action and reaction, which is one of the outstanding merits of air medium, it will not degenerate, not easy to plug the can be safely used in flammable, explosive and the dust big easy to realize automatic overload , the composition, mechanical hand
robot in the form of a variety of forms, some relatively simple, some more complicated, but the basic form is the same as the composition of the , usually by the implementing agencies, transmission systems, control systems and auxiliary devices enting agencies manipulator executing agency by the hands, wrists, arms, are crawling institutions, is used to clamp and release the workpiece, and similar to human fingers, to complete the staffing of similar and fingers and the arm connecting the components can be up and down, left, and rotary movement.a simple mechanical hand can not s used to support the arm can also be made mobile as ission the actuator to be achieved by the transmission -transmission system commonly used manipulator mechanical transmission, hydraulic transmission, pneumatic and electric power transmission and other drive several l system manipulator control system's main role is to control the robot according to certain procedures, direction, position, speed of action, a simple mechanical hand is generally not set up a dedicated control system, using only trip switches, relays, control valves and circuits can be achieved dynamic drive system control, so that implementing agencies according to the requirements of will have to use complex programmable robot controller, the micro-computer , mechanical hand classification and characteristics
robots are generally spanided into three categories: the first is the general machinery does not require manual is an independent not affiliated with a particular host can be programmed according to the needs of the task to complete the operation of the is characterized with ordinary mechanical performance, also has general machinery, memory, intelligence ternary second category is the need to manually do it, called the operation of originated in the atom, military industry, first through the operation of machines to complete a particular job, and later developed to operate using radio signals to carry out detecting machines such as the in industrial manipulator also fall into this third category is dedicated manipulator, the main subsidiary of the automatic machines or automatic lines, to solve the machine up and down the workpiece material and mechanical hand in foreign countries known as the “mechanical hand”, which is the host of services, from the host-driven;exception of a few outside the working procedures are generally fixed, and therefore features: first, mechanical hand(the upper and lower material robot, assembly robot, handling robot, stacking robot, help robot, vacuum handling machines, vacuum suction crane, labor-saving spreader, pneumatic balancer, etc.).second, cantilever cranes(cantilever crane, electric chain hoist crane, air balance the hanging, etc.)third, rail-type transport system(hanging rail, light rail, single girder cranes, double-beam crane)four, industrial machinery, application of hand manipulator in the mechanization and automation of the production process developed a new type of recent years, as electronic technology, especially computer extensive use of robot development and production of high-tech fields has become a rapidly developed a new technology, which further promoted the development of robot, allowing robot to better achieved with the combination of mechanization and gh the robot is not as flexible as staff, but it has to the continuous duplication of work and labor, i do not know fatigue, not afraid of danger, the power snatch weight characteristics when compared with manual large, therefore, mechanical hand has been of great importance to many sectors, and increasingly has been applied widely, for example:(1)machining the workpiece loading and unloading, especially in the automatic lathe, combination machine tool use is more common.(2)in the assembly operations are widely used in the electronics industry, it can be used to assemble printed circuit boards, in the machinery industry it can be used to assemble parts and components.(3)the working conditions may be poor, monotonous, repetitive easy to sub-fatigue working environment to replace human labor.(4)may be in dangerous situations, such as military goods handling，dangerous goods and hazardous materials removal and so on.(5)universe and ocean development.(6), military engineering and biomedical research and mechanical hands: also known as the balancer, balance suspended, labor-saving spreader, manual transfer machine is a kind of weightlessness of manual load system, a novel, time-saving technology for material handling operations booster equipment, belonging to kinds of non-standard design of series er application needs, creating customized operation of a simulation of the automatic machinery, it can be a fixed program draws ﹑ handling objects or perform household tools to accomplish certain specific ation of robot can replace the people engaged in monotonous ﹑ repetitive or heavy manual labor, the mechanization and automation of production, instead of people in hazardous environments manual operation, improving working conditions and ensure personal late 20th century, 40, the united states atomic energy experiments, the first use of radioactive material handling robot, human robot in a safe room to manipulate various operations and experimentation.50 years later, manipulator and gradually extended to industrial production sector, for the temperatures, polluted areas, and loading and unloading to take place the work piece material, but also as an auxiliary device in automatic machine tools, machine tools, automatic production lines and processing center applications, the completion of the upper and lower material, or from the library take place knife knife and so on according to fixed procedures for the replacement body mainly by the hand and sports es with the use of hands and operation of objects of different occasions, often there are clamping ﹑ support and adsorption type of nt organs are generally hydraulic pneumatic ﹑ ﹑ electrical device lator can be achieved independently retractable ﹑ rotation and lifting movements, generally 2 to 3 degrees of are widely used in metallurgical industry, machinery manufacture, light industry and atomic energy mimic some of the staff and arm motor function, a fixed procedure for the capture, handling objects or operating tools, automatic operation can replace human labor in order to achieve the production of heavy mechanization and automation that can operate in hazardous environments to protect the personal safety, which is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electronics, light industry and nuclear power ical hand tools or other equipment commonly used for additional devices, such as the automatic machines or automatic production line handling and transmission of the workpiece, the replacement of cutting tools in machining centers, lly do not have a separate control operating devices require direct manipulation by humans;such as the atomic energy sector performs household hazardous materials used in the master-slave manipulator is also often referred to as mechanical lator mainly by hand and sports of hand is holding the workpiece(or tool)components, according to grasping objects by shape, size, weight, material and operational requirements of a variety of structural forms, such as clamp type, type and adsorption-based care such as organizations, so that the completion of a variety of hand rotation(swing), mobile or compound movements to achieve the required action, to change the location of objects by grasping and is the automated production of a kind used in the process of crawling and moving piece features automatic device, which is mechanized and automated production process developed a new type of recent
years, as electronic technology, especially computer extensive use of robot development and production of high-tech fields has become a rapidly developed a new technology, which further promoted the development of robot, allowing robot to better achieved with the combination of mechanization and can replace humans completed the risk of duplication of boring work, to reduce human labor intensity and improve labor lator has been applied more and more widely, in the machinery industry, it can be used for parts assembly, work piece handling, loading and unloading, particularly in the automation of cnc machine tools, modular machine tools more commonly present, the robot has developed into a fms flexible manufacturing systems and flexible manufacturing cell in an important component of the machine tool equipment and machinery in hand together constitute a flexible manufacturing system or a flexible manufacturing cell, it was adapted to small and medium volume production, you can save a huge amount of the work piece conveyor device, compact, and the work piece changes, flexible production system is very easy to change will help enterprises to continuously update the marketable variety, improve product quality, and better adapt to market present, china's industrial robot technology and its engineering application level and comparable to foreign countries there is a certain distance, application and industrialization of the size of the low level of robot research and development of a direct impact on raising the level of automation in china, from the economy, technical considerations are very ore, the study of mechanical hand design is very meaningful.
三自由度機(jī)械臂工作原理篇二
編號(hào)：
哈爾濱工業(yè)大學(xué)
大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目申請(qǐng)書
項(xiàng)目名稱： 三自由度機(jī)械臂 申請(qǐng)級(jí)別：校級(jí)
執(zhí)行時(shí)間：2014 年 4 月至 2014 年 7 月 負(fù)責(zé)人： 張猛 聯(lián)系電話： *** 學(xué)號(hào)： 電子郵箱： 院系及專業(yè)：機(jī)電工程學(xué)院指導(dǎo)教師： 王曉溪 聯(lián)系電話： *** 院系及專業(yè)：計(jì)時(shí)儀表
哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科生院
填表日期： 2014年4 月9日
職稱： 高級(jí)工程師 電子郵箱：
項(xiàng)目名稱：三自由度機(jī)械臂申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)：3000元
一、課題組成員：（包括項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、按順序）
二、指導(dǎo)教師意見：
三、院（系）專家組意見：
四、學(xué)校專家組意見：
五、立項(xiàng)報(bào)告
（一）項(xiàng)目簡(jiǎn)介
在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)一步發(fā)展,自動(dòng)化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱,無人車間、無人生產(chǎn)流水線等等，已經(jīng)隨處可見。同時(shí)，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場(chǎng)合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進(jìn)行操作。
機(jī)械臂是當(dāng)今在機(jī)械人學(xué)領(lǐng)域中得以最為廣泛應(yīng)用的先進(jìn)自動(dòng)化機(jī)器，在醫(yī)學(xué)治療、工業(yè)制造、娛樂服務(wù)、半導(dǎo)體制造、軍事以及太空研究等領(lǐng)域中都發(fā)揮著重要的作用，得到相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。雖然它們的形態(tài)不盡相同，但有著一個(gè)共同之處，那就是都可以接受指令，從而精準(zhǔn)地定位到二維空間乃至三維空間的某一確定點(diǎn)進(jìn)行工作。
工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新的技術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。工業(yè)機(jī)械手是提高生產(chǎn)過程自動(dòng)化、改善勞動(dòng)條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用得更為廣泛。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域里，有的時(shí)候并不需要機(jī)械臂一定具有完完全全的三個(gè)自由度，而僅僅需其中的某一個(gè)或某幾個(gè)自由度。直角坐標(biāo)系機(jī)械臂能夠通過單軸機(jī)械臂有機(jī)組合而成。單軸的機(jī)械臂作為一個(gè)單一的組件，其在工業(yè)中的應(yīng)用廣比較廣泛。單軸的機(jī)械臂的組件化，這樣一來就大大減少了工業(yè)設(shè)計(jì)的原有成本，因?yàn)橐恍I(yè)制造廠商擁有較好的質(zhì)量保證技術(shù)和批量生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，這使得用組件設(shè)計(jì)機(jī)械臂比自行設(shè)計(jì)機(jī)械臂更為具有優(yōu)勢(shì)。
（二）申請(qǐng)理由
小組成員們學(xué)習(xí)了電工技術(shù)、c語言程序設(shè)計(jì)、機(jī)械原理等相關(guān)課程，具備設(shè)計(jì)三自由度機(jī)械臂的最初步的知識(shí)。并且從圖書館借了一些單片機(jī)使用以及機(jī)械原理的相關(guān)書籍。通過各種實(shí)驗(yàn)和金工實(shí)習(xí)大家有了一定的動(dòng)手能力。
（三）立項(xiàng)背景 1.研究現(xiàn)狀
（1）結(jié)構(gòu)形式多種多樣。
機(jī)械臂之所以稱之為機(jī)械臂，其取名的由來是因?yàn)闄C(jī)械臂是為了模擬人的手臂來作業(yè)的，并且，從外形來看，其極似人的手，只是靈活性比人的手要差些。在機(jī)械臂所使用的各個(gè)領(lǐng)域之中，機(jī)械臂的外形并沒有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，沒有國標(biāo)化，也不需要國標(biāo)化。其外形的設(shè)計(jì)完全有適用環(huán)境而異，也因此機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)各不相同，種類繁多。在各領(lǐng)域中，機(jī)械臂發(fā)揮著你獨(dú)有的特性與優(yōu)越性，服務(wù)人類。
（2）機(jī)械臂的使用范圍、領(lǐng)域十分廣。
人們按照自己的需求，為了實(shí)現(xiàn)自己預(yù)設(shè)的構(gòu)想，進(jìn)而設(shè)計(jì)出了機(jī)械手，它被廣泛應(yīng)用與各個(gè)領(lǐng)域，小到家庭用具，大到國防科技，這些領(lǐng)域都是他的天堂，他都可以大展身手。它可以實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作也不僅僅只是簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)，還是蠻多的，比如說物體的搬移，位置的精準(zhǔn)定位，模擬系統(tǒng)等。
（3）智能化
對(duì)于機(jī)械臂來說，其中一個(gè)比較麻煩的事就是如何確定目標(biāo)在哪里，也就是定位目標(biāo)，經(jīng)過一段時(shí)間的研究，隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，這一類難題也慢慢得到解決。傳感器能夠反映機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)，及時(shí)形成有效信息并將其反饋到處理中心，中央處理中心并做出及時(shí)的分析計(jì)算，作出相應(yīng)的動(dòng)作，控制目標(biāo)。對(duì)于機(jī)械臂作業(yè)對(duì)象來說，其外形各不相同，隨時(shí)都會(huì)遇到不同情況，但機(jī)械臂能夠通過傳感器，準(zhǔn)確的判斷目標(biāo)的位置，并準(zhǔn)確的確定加持部位，將目標(biāo)物送往下一道程序流程，在車間中，可以采用機(jī)械臂操作，實(shí)現(xiàn)無人車間，目前也取得了喜人的成果。2.研究趨勢(shì)
（1）一手多用，多功能機(jī)械臂。
抑制手臂可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多重目標(biāo)的操作，實(shí)現(xiàn)多種動(dòng)作，適用于各種用途，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新功能。（2）具有高度模擬人的動(dòng)作。
例如研發(fā)雙臂機(jī)械臂，使它想人一樣，能夠靈活作業(yè)，實(shí)現(xiàn)各種功能。人機(jī)完美結(jié)合，通信完備準(zhǔn)確，適用于不同工況。
（3）高精度的定位。
通過采用各種傳感器，綜合而準(zhǔn)確的反映目標(biāo)精確位置，對(duì)目標(biāo)操作物精準(zhǔn)的操作，提高機(jī)械臂的定位精度。
（4）實(shí)現(xiàn)人工智能
研究的系統(tǒng)能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行定性和定量的分析，并做出及時(shí)的反應(yīng)。例如研發(fā)的系統(tǒng)設(shè)備具有類似于人的聽覺、觸覺、嗅覺、視覺和味覺等功能，能夠自行分析、判斷和處理，實(shí)現(xiàn)低成本，高要求，高水準(zhǔn)，高效率的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。3.研究意義
在最近幾十年的發(fā)展中，工業(yè)發(fā)展中出現(xiàn)了一位佼佼者——機(jī)器人。機(jī)器人的出現(xiàn)解決了很多人類難以解決的難題，為造福人類，解放發(fā)展做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。而機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)作業(yè)有很大一部分任務(wù)是有機(jī)械臂參與的，很大一部分工作由機(jī)械臂來承擔(dān)，可以說機(jī)械臂是機(jī)器人的主要執(zhí)行元件，直接參與作業(yè)。隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，尤其是現(xiàn)代工業(yè)，機(jī)械手越來越受到各廠家的親萊，它對(duì)提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，改善作業(yè)環(huán)境和促進(jìn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代起著舉足輕重的作用。
（四）項(xiàng)目實(shí)施方案
機(jī)械臂的任務(wù)是將目標(biāo)物從a點(diǎn)移到b點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際情況，機(jī)械臂要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作有：機(jī)械臂下降，機(jī)械臂夾取工件，機(jī)械臂上升，機(jī)械臂向右移動(dòng)，機(jī)械臂下降，機(jī)械臂松開工件，機(jī)械臂上升，機(jī)械臂向左移動(dòng)。機(jī)械臂到達(dá)各個(gè)位置的時(shí)候，相應(yīng)的控制器檢測(cè)相應(yīng)行程開關(guān)的通斷，進(jìn)而作出相應(yīng)的動(dòng)作，進(jìn)行控制。同時(shí)數(shù)碼管顯示搬運(yùn)的狀態(tài)。
大致流程圖如下
起始位置→ 向下運(yùn)動(dòng) → 夾持工件 → 向上運(yùn)動(dòng) → 向右運(yùn)動(dòng)↑↓ 向左運(yùn)動(dòng)←向上運(yùn)動(dòng)←松開工件←向下運(yùn)動(dòng)
小組成員分工
（1）手臂承載能力大、剛性好、自重輕。手臂一般都采用剛性較好的導(dǎo)向桿來加大手臂的剛度，各支承、連接件的剛性也要有一定的要求，以保證能承受所需要的驅(qū)動(dòng)力。
（2）動(dòng)作靈活。手臂的結(jié)構(gòu)緊湊小巧，運(yùn)動(dòng)輕快、靈活。
（3）位置精度高。采用先進(jìn)的控制方法，機(jī)械手的剛度、偏重力矩、慣性力及緩沖效果盡可能恰當(dāng)，加設(shè)定位裝置和行程檢測(cè)機(jī)構(gòu)以及選擇合理的機(jī)械手的坐標(biāo)形式。
（六）進(jìn)度安排
4月份，完成機(jī)械臂的設(shè)計(jì)圖紙及其動(dòng)畫設(shè)計(jì)，用軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的動(dòng)畫模擬，同時(shí)，開始嘗試了解機(jī)械臂控制方面的理論知識(shí)及軟件；
5月份，根據(jù)初步掌握的機(jī)械臂控制方面的理論知識(shí)，進(jìn)一步學(xué)習(xí)相關(guān)軟件，做到能進(jìn)行簡(jiǎn)單的程序編程，同時(shí)，通過各種方式加工出機(jī)械臂的相關(guān)零件；
6月份，根據(jù)機(jī)械臂設(shè)計(jì)圖紙，完成相關(guān)零件的制作，并根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行組裝，并嘗試為機(jī)械臂設(shè)置簡(jiǎn)單的動(dòng)作，并為這些動(dòng)作進(jìn)行編程；
7月份，將所編程序應(yīng)用到機(jī)械臂上，模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)械臂能否按照預(yù)先設(shè)計(jì)的動(dòng)作運(yùn)行，并對(duì)與預(yù)期不符的地方進(jìn)行改進(jìn)和改造，爭(zhēng)取達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，并邀請(qǐng)指導(dǎo)老師進(jìn)行評(píng)價(jià)及指導(dǎo)。
（七）中期及結(jié)題預(yù)期目標(biāo)（即中檢和結(jié)題時(shí)考核的依據(jù)，比如論文級(jí)別、專利、設(shè)計(jì)、產(chǎn)品、服務(wù)等）
用作圖軟件做出機(jī)械臂的圖紙，并對(duì)機(jī)械臂工作原理進(jìn)行動(dòng)畫模擬，初步掌握學(xué)習(xí)機(jī)械臂控制原理及控制技術(shù)，要求能夠運(yùn)用軟件編程控制最終機(jī)械臂成品；預(yù)期目標(biāo)：制作出三自由度機(jī)械臂成品并能控制其做簡(jiǎn)單的行動(dòng)。
（八）經(jīng)費(fèi)使用計(jì)劃單位：元
三自由度機(jī)械臂工作原理篇三
機(jī)械手
機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。它的特點(diǎn)是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展, 出現(xiàn)了數(shù)控加工中心,它在減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí), 大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。但數(shù)控加工中常見的上下料工序, 通常仍采用人工操作或傳統(tǒng)繼電器控制的半自動(dòng)化裝置。前者費(fèi)時(shí)費(fèi)工、效率低;后者因設(shè)計(jì)復(fù)雜, 需較多繼電器,接線繁雜, 易受車體振動(dòng)干擾,而存在可靠性差、故障多、維修困難等問題?？删幊绦蚩刂破鱬lc控制的上下料機(jī)械手控制系統(tǒng)動(dòng)作簡(jiǎn)便、線路設(shè)計(jì)合理、具有較強(qiáng)的抗干擾能力, 保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性,降低了維修率, 提高了工作效率。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。1．工業(yè)機(jī)械手的概述
機(jī)械手是一種能自動(dòng)化定位控制并可重新編程序以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可用來搬運(yùn)物體以完成在各個(gè)不同環(huán)境中工作。在工資水平較低的中國，塑料制品行業(yè)盡管仍屬于勞動(dòng)力密集型，機(jī)械手的使用已經(jīng)越來越普及。那些電子和汽車業(yè)的歐美跨國公司很早就在它們?cè)O(shè)在中國的工廠中引進(jìn)了自動(dòng)化生產(chǎn)。但現(xiàn)在的變化是那些分布在工業(yè)密集的華南、華東沿海地區(qū)的中國本土塑料加工廠也開始對(duì)機(jī)械手表現(xiàn)出越來越濃厚的興趣，因?yàn)樗麄円鎸?duì)工人流失率高，以及為工人交工傷費(fèi)帶來的挑戰(zhàn)。
隨著我國工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，特別是改革開發(fā)以后，自動(dòng)化程度的迅速提高，實(shí)現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操作釬焊、噴槍、扳手等工具進(jìn)行加工、裝配等作業(yè)自化，已愈來愈引起我們重視。
機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定的程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。
生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率;可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其是在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中能夠代替人進(jìn)行正常的工作。2．機(jī)械手的組成
機(jī)械手的形式是多種多樣的，有的較為簡(jiǎn)單，有的較為復(fù)雜，但基本的組成形式是相同的，一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助裝置組成。1.執(zhí)行機(jī)構(gòu)
機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由手、手腕、手臂、支柱組成。手是抓取機(jī)構(gòu)，用來夾緊和松開工件，與人的手指相仿，能完成人手的類似動(dòng)作。手腕是連接手指與手臂的元件，可以進(jìn)行上下、左右和回轉(zhuǎn)動(dòng)作。簡(jiǎn)單的機(jī)械手可以沒有手腕。支柱用來支撐手臂，也可以根據(jù)需要做成移動(dòng)。2.傳動(dòng)系統(tǒng)
執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作要由傳動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。常用機(jī)械手傳動(dòng)系統(tǒng)分機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電力傳動(dòng)等幾種形式。3.控制系統(tǒng)
機(jī)械手控制系統(tǒng)的主要作用是控制機(jī)械手按一定的程序、方向、位置、速度進(jìn)行動(dòng)作，簡(jiǎn)單的機(jī)械手一般不設(shè)置專用的控制系統(tǒng)，只采用行程開關(guān)、繼電器、控制閥及電路便可實(shí)現(xiàn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按要求進(jìn)行動(dòng)作．動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械手則要采用可編程控制器、微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。3．機(jī)械手的分類和特點(diǎn)
機(jī)械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手。它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定的操作。它的特點(diǎn)是具備普通機(jī)械的性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號(hào)操作機(jī)來進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是用專用機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件送。這種機(jī)械手在國外稱為“mechanical hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。主要特點(diǎn)：
(1)機(jī)械手（上下料機(jī)械手、裝配機(jī)械手、搬運(yùn)機(jī)械手、堆垛機(jī)械手、助力機(jī)械手、真空搬運(yùn)機(jī)、真空吸吊機(jī)、省力吊具、氣動(dòng)平衡器等）。
(2)懸臂起重機(jī)（懸臂吊、電動(dòng)環(huán)鏈葫蘆吊、氣動(dòng)平衡吊等）
(3)導(dǎo)軌式搬運(yùn)系統(tǒng)（懸掛軌道、輕型軌道、單梁起重機(jī)、雙梁起重機(jī)）4．工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用
機(jī)械手是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。
機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用，例如：
(1)機(jī)床加工工件的裝卸，特別是在自動(dòng)化車床、組合機(jī)床上使用較為普遍。(2)在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機(jī)械行業(yè)中它可以用來組裝零部件。
(3)可在勞動(dòng)條件差，單調(diào)重復(fù)易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動(dòng)。(4)可在危險(xiǎn)場(chǎng)合下工作，如軍工品的裝卸、危險(xiǎn)品及有害物的搬運(yùn)等。(5)宇宙及海洋的開發(fā)。
(6)軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗(yàn)。
應(yīng)用機(jī)械手可以代替人從事單調(diào)﹑重復(fù)或繁重的體力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，代替人在有害環(huán)境下的手工操作，改善勞動(dòng)條件，保證人身安全。20世紀(jì)40年代后期，美國在原子能實(shí)驗(yàn)中，首先采用機(jī)械手搬運(yùn)放射性材料，人在安全室操縱機(jī)械手進(jìn)行各種操作和實(shí)驗(yàn)。50年代以后，機(jī)械手逐步推廣到工業(yè)生產(chǎn)部門，用于在高溫﹑污染嚴(yán)重的地方取放工件和裝卸材料，也作為機(jī)床的輔助裝置在自動(dòng)機(jī)床﹑自動(dòng)生產(chǎn)線和加工中心中應(yīng)用，完成上下料或從刀庫中取放刀具并按固定程序更換刀具等操作。機(jī)械手主要由手部機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。手部機(jī)構(gòu)隨使用場(chǎng)合和操作對(duì)象而不同，常見的有夾持﹑托持和吸附等類型。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般由液壓﹑氣動(dòng)﹑電氣裝置驅(qū)動(dòng)。機(jī)械手可獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)伸縮﹑旋轉(zhuǎn)和昇降等運(yùn)動(dòng)，一般有2～3個(gè)自由度。機(jī)械手廣泛用于機(jī)械製造﹑冶金﹑輕工和原子能等部門。
機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置，它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手能代替人類完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。機(jī)械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。
三自由度機(jī)械臂工作原理篇四
1機(jī)械臂設(shè)備的工作原理
研究所使用的機(jī)械臂設(shè)備是固高科技(深圳)有限公司自行研究、開發(fā)的一款高性能二自由度串聯(lián)機(jī)械臂系統(tǒng)(gp．8．200．sv)，它可進(jìn)行簡(jiǎn)單的二維圖形的繪制，機(jī)械臂實(shí)體圖如圖1所示。該機(jī)械臂采用交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，通過行星齒輪減速器直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，與電機(jī)耦合的增量式光電編碼器對(duì)機(jī)械臂的兩個(gè)控制軸進(jìn)行位置定位。該機(jī)械臂使用基于dsp的運(yùn)動(dòng)控制器作為底層實(shí)時(shí)控制設(shè)備，pc機(jī)作為上層的控制系統(tǒng)，整個(gè)機(jī)械臂系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
始于原點(diǎn)的控制軸為關(guān)節(jié)1，與其相連接的為關(guān)節(jié)2。機(jī)械臂通過控制這2個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)安裝在關(guān)節(jié)2末端的繪筆完成繪圖任務(wù)。機(jī)械臂接收到繪制曲線的指令后，以當(dāng)前位置的直角坐標(biāo)為繪圖的起始點(diǎn)，根據(jù)所要繪制曲線的參數(shù)方程及繪制精度均勻取曲線上的h個(gè)點(diǎn)，獲得完成繪圖任務(wù)所需的h個(gè)目標(biāo)位置，然后利用運(yùn)動(dòng)學(xué)反解公式，將這些目標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為2個(gè)關(guān)節(jié)相對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)坐標(biāo)，再將關(guān)節(jié)坐標(biāo)系下的目標(biāo)位置、最大速度、加速度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成伺服驅(qū)動(dòng)器能夠識(shí)別的脈沖量，輸入到運(yùn)動(dòng)控制器中驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)。機(jī)械臂關(guān)節(jié)位置的反饋信息由增 量式光電編碼器獲得，先將所得到的脈沖量轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)坐標(biāo)值，再進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)正解，就可以得到當(dāng)前機(jī)械臂繪筆位置的直角坐標(biāo)。圖3二自由度機(jī)械臂在平面直角坐標(biāo)系中的投影圖 根據(jù)圖3，直接應(yīng)用平面幾何的知識(shí)，即可得到 關(guān)節(jié)2末端坐標(biāo)的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解與反解的公式㈣。
當(dāng)機(jī)械臂的繪筆在畫紙上進(jìn)行實(shí)際繪圖時(shí)，觀察到以下問題。首先，機(jī)械臂實(shí)際繪出的圖形與光電編碼器反饋數(shù)據(jù)還原后的圖形有較大差異，表明反饋信息并不能真實(shí)反映實(shí)際輸出，而這個(gè)偏差是由于電機(jī)與機(jī)械臂關(guān)節(jié)之間存在傳動(dòng)部件的耦合松動(dòng)。其次，機(jī)械臂的繪筆在不同的位置、沿不同的方向繪出的圖形也有比較明顯的差別，而這往往是因?yàn)殛P(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)所固有的機(jī)械特性。此外，繪出的圖線有小鋸齒狀，不平滑，仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)，繪圖過程中機(jī)械臂有輕微的 抖動(dòng)，這可能是由于關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度過快等原因造成的。圖5就是機(jī)械臂在畫紙上繪制四葉玫瑰線的實(shí)際圖形。因?yàn)闊o法改變機(jī)械臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的機(jī)械特性，于是僅針對(duì)在一個(gè)確定的起始位置、沿一個(gè)確定的方向的繪圖過程進(jìn)行補(bǔ)償，如果起始點(diǎn)更換到其他
位置，補(bǔ)償思想不變。當(dāng)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)l處于60。同時(shí)關(guān)節(jié)2處于80‘的位置時(shí)，關(guān)節(jié)2末端的繪筆剛好
位于繪圖板的中部，因此以下的研究均以這個(gè)位置作 為繪圖的起始位置。
圖5機(jī)械臂實(shí)際繪制的四葉玫瑰線
fig．5 four-leafrose practically drawn by robot ann 由于光電編碼器反饋回的數(shù)據(jù)與實(shí)際輸出有較
大差距，為獲得較好的實(shí)際結(jié)果，所以根據(jù)實(shí)測(cè)的間 隙值設(shè)定其補(bǔ)償量，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的參考輸入進(jìn)行修 正。以改進(jìn)圖5為例，進(jìn)行簡(jiǎn)單的常數(shù)補(bǔ)償。四葉玫 瑰線的中心點(diǎn)坐標(biāo)為‰，yo)，可以看到x
在圖5的基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)償后，機(jī)械臂已經(jīng)能夠繪
制出比較準(zhǔn)確的曲線，但其平滑度還不夠理想。下面 針對(duì)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行分析，期望通過降低速度來 消除曲線上的抖動(dòng)，以獲得更好的繪圖效果。機(jī)械臂 的控制軸按照梯形速度曲線模式運(yùn)動(dòng)，即運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)從 當(dāng)前位置點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的過程中經(jīng)歷3個(gè)階 段，第l階段速度根據(jù)設(shè)定的加速度值從零加速到最 大速度，第2階段加速度為零，速度保持已達(dá)到的最 大速度運(yùn)行，第3階段速度再按設(shè)定的負(fù)向加速度減 速到零．并且此時(shí)到達(dá)要求的目標(biāo)位置。寫入運(yùn)動(dòng)控 制器的每一條指令都含有目標(biāo)位置、最大速度和加速 度這3個(gè)參數(shù)。加速度在系統(tǒng)初始化時(shí)已設(shè)定。而最
1一一i 大速度被定義為v=—iv-—1"01step time，其中內(nèi)和p分別j。i 表示當(dāng)前點(diǎn)位置和下一目標(biāo)點(diǎn)位置，step time是時(shí) 間參數(shù)。很顯然，當(dāng)圖形軌跡的離散點(diǎn)完全確定以后． step time就決定著最大速度的取值，其系統(tǒng)默認(rèn)值 為0 000 8。增大step time．則2個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)速 度會(huì)相應(yīng)減小。圖6顯示了補(bǔ)償之后取step time= 0．001 1時(shí)的實(shí)際繪圖結(jié)果，可以看出．曲線形狀已經(jīng) 比較標(biāo)準(zhǔn)，且抖動(dòng)被消除。
第二章機(jī)械臂控制系統(tǒng)概述
2．1二自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
2．1．1機(jī)械臂工作空間分析
機(jī)械臂的工作空間定義為：機(jī)械臂正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)械臂末端連桿上的工具原點(diǎn)在空
間的最大范圍。工作空間一般是一塊或多塊空間體積，它們具有一定的邊界曲面，邊界 曲面上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的操作機(jī)的位置和姿態(tài)稱為機(jī)械臂的奇異位形，與這些奇異位形對(duì)應(yīng)的
機(jī)械臂的速度雅可比矩陣是奇異的。由于硬件設(shè)計(jì)上的限制，該二自由度機(jī)械臂的工作 空間被限制在如圖2—1所示的空問內(nèi)，空間段近似為(弧ab+弧bcd+弧de+直線ef+弧fpg +直線ga)所圍成的封閉平面，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)也必須限制在這個(gè)空間內(nèi)完成。
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第二章機(jī)械臂控制系統(tǒng)概述
2．1．2機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)解
機(jī)械臂通常具有兩種運(yùn)動(dòng)方式：關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)和直角坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)。關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)模式
是指機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)直接由各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)來確定，所有關(guān)節(jié)變量構(gòu)成一個(gè)關(guān)節(jié)矢量。所有關(guān)節(jié)矢量構(gòu)成的空間稱為關(guān)節(jié)空間。所謂關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)模式，就是直接操作各個(gè)關(guān) 節(jié)的運(yùn)動(dòng)來完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。直角坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)模式是指機(jī)械臂術(shù)端工具的位置和方位通 常是在直角坐標(biāo)空間中描述。直角坐標(biāo)空間運(yùn)動(dòng)模式通過指定機(jī)械臂術(shù)端工具在直角坐 標(biāo)空間中的運(yùn)動(dòng)來完成機(jī)械臂操作任務(wù)。
機(jī)械臂的實(shí)際運(yùn)行是通過對(duì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軸的伺服控制來實(shí)現(xiàn)的，也就是最終的機(jī)械臂 的控制是在關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間進(jìn)行的，但是對(duì)操作者來說，直角坐標(biāo)空間更容易讓人理解和 接受，操作者對(duì)機(jī)械臂的操作一般是在直角坐標(biāo)空間中進(jìn)行的，這樣就需要建立一種關(guān) 節(jié)坐標(biāo)空間和直角坐標(biāo)空間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。也就是說，如果已知機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)參 數(shù)，就需要求解機(jī)械臂木端在直角坐標(biāo)空間中的坐標(biāo)；反過來如果已知機(jī)械臂末端在直 角坐標(biāo)空間的坐標(biāo)就需要求解各個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)參數(shù)。前一個(gè)問題稱為機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng) 學(xué)正解，后一個(gè)問題稱機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解。
設(shè)機(jī)械臂的關(guān)節(jié)坐標(biāo)空問中的變量記為q；【ql，q2?，吼】，機(jī)械臂木端工具在直角坐標(biāo) 空間中的坐標(biāo)記為x—k，y，z，0?】，關(guān)節(jié)變量和直角坐標(biāo)空間坐標(biāo)存在如下運(yùn)動(dòng)學(xué)約束：，@，口)一0(2．1)這是一個(gè)隱式方程。如果能夠從式(2．1)求解出： x一，(g)(2．2)即由關(guān)節(jié)坐標(biāo)變量表示的直角坐標(biāo)變量，這就是機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)j下解。一般地，可以得 到機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)的惟一正解。如果能夠從式(2．1)求解出： q=g(x)(2．3)也就是已知機(jī)械臂末端工具的直角坐標(biāo)參數(shù)，求解出對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)坐標(biāo)空間中的各個(gè)關(guān)節(jié)變 量，這就是運(yùn)動(dòng)學(xué)的反解。通常，難以得到解析的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解，而且運(yùn)動(dòng)學(xué)反解一般不 是唯一的，實(shí)際應(yīng)用中通常采用幾何機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)解。1．二自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)正解
已知：關(guān)節(jié)1連桿長(zhǎng)度‘，關(guān)節(jié)變量為ql(關(guān)節(jié)控制軸l角度位置)；關(guān)節(jié)2連桿長(zhǎng) 度l，關(guān)節(jié)變量為q，(關(guān)節(jié)控制軸2角度位置)。
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第二章機(jī)械臂控制系統(tǒng)概述
求解：關(guān)節(jié)連桿末端工具安裝點(diǎn)在直角坐標(biāo)空間的坐標(biāo)x=b，y】。
運(yùn)動(dòng)學(xué)所研究的主要問題包括兩個(gè)方面：正向運(yùn)動(dòng) 學(xué)，即給定機(jī)器人各關(guān)節(jié)角度，計(jì)算機(jī)器人末端的 位置與姿態(tài)；逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)，已知機(jī)器人末端的位置 與姿態(tài)，來計(jì)算機(jī)器人對(duì)應(yīng)這個(gè)位置與姿態(tài)的全部 關(guān)節(jié)角，運(yùn)動(dòng)學(xué)方程是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的數(shù)學(xué) 基礎(chǔ)。
利用d．h方法對(duì)每一個(gè)連桿建立
坐標(biāo)系如圖l所示，根據(jù)圖l所建立的坐標(biāo)系，得到 各連桿的d—h參數(shù)和關(guān)節(jié)變量(表1)。各連桿之 間的齊次變換矩陣為，一般表達(dá)式為：
三自由度機(jī)械臂工作原理篇五
基于閱讀機(jī)械臂研究的簡(jiǎn)單總結(jié) 機(jī)械臂研究的目的
現(xiàn)今社會(huì)中要求的是生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大、自動(dòng)化程度提高。而機(jī)械臂作為物料搬運(yùn)的重要設(shè)備在現(xiàn)代化建設(shè)、生產(chǎn)過程中發(fā)揮著越來越重要的作用。并且在全球化的市場(chǎng)中，激烈的國際、國內(nèi)市場(chǎng)也越來越依賴于科學(xué)技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)，這些都是促使工程機(jī)械臂設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)向大型化、高可靠性、高速化、自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展的原因。工程機(jī)械臂的機(jī)械設(shè)計(jì)者面臨著新的、更嚴(yán)格的挑戰(zhàn)。其主要問題即為隨著機(jī)械臂機(jī)構(gòu)速度的提高，構(gòu)件柔度的加大，精度要求的增加，工程機(jī)械臂生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生較大的慣性力，會(huì)導(dǎo)致彈性部件的變形。當(dāng)臂架機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)入高速區(qū)域時(shí)，只有將運(yùn)動(dòng)部件作柔性體的假設(shè)，形成所謂的柔性機(jī)構(gòu)。此時(shí)，由于機(jī)構(gòu)部件間的剛體運(yùn)動(dòng)與其彈性變形賴合等問題，動(dòng)力學(xué)模型將變得很復(fù)雜，給實(shí)際問題的解決帶來很大的困難。事實(shí)上關(guān)于柔性體運(yùn)動(dòng)與其自身變形的復(fù)合動(dòng)力學(xué)問題已經(jīng)是目前的普遍性的難題。機(jī)械臂系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀
在通過三遍文章的閱讀中，多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是國內(nèi)外研究工程機(jī)械臂架系統(tǒng)最普遍的多體系統(tǒng)。多體動(dòng)力學(xué)是力學(xué)一個(gè)新的并迅速發(fā)展的分支，它是相互連接的機(jī)體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的非線性動(dòng)力學(xué)。首先介紹多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。多體系統(tǒng)的物理模型定義為由物體鉸力元和外力等要素組成且具有一定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是研究多體系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué): 包括多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和多柔體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)。多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究?jī)?nèi)容主要包括剛、柔體動(dòng)力學(xué)建模理論及其計(jì)算方法、微分方程的數(shù)值求解、計(jì)算效率、機(jī)構(gòu)綜合分析、柔性效應(yīng)、控制理論、優(yōu)化方法、實(shí)時(shí)仿真虛擬樣機(jī)技術(shù)、并行計(jì)算和可靠性等?，F(xiàn)在多體動(dòng)力學(xué)已經(jīng)形成了比較系統(tǒng)的分析和建模方法。其中主要有工程中常用的以拉格朗日方程為代表的分析力學(xué)的方法、以牛頓-歐拉方程為代表的矢量學(xué)方法、圖論方法、凱恩方法和變分方法等。工程機(jī)械臂主要研究方向
工程機(jī)械臂架系統(tǒng)是工程機(jī)械設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，機(jī)械臂系統(tǒng)的合理與否將直接關(guān)系到整個(gè)工程機(jī)械的性能以及作用。經(jīng)過三篇相關(guān)文獻(xiàn)的閱讀，了解到目前對(duì)于工程機(jī)械臂的研究大致分為以下幾個(gè)部分: 3.1工程機(jī)械臂系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)微分方程的研究。工程機(jī)械臂架系統(tǒng)屬于典型的多體系統(tǒng)，釆用多體動(dòng)力學(xué)的方法建模。多體動(dòng)力學(xué)的常規(guī)建模方法主要有羅伯森-維滕伯格方法、牛頓-歐拉方法、拉格朗曰法、凱恩方法以及休斯敦法代表文獻(xiàn): 鄧子龍等基于kane方程的huston方法建立了液壓挖掘機(jī)機(jī)械臂多體動(dòng)力學(xué)微分方程;于國飛等采用拉格朗日功能平衡法建立了液壓挖掘機(jī)機(jī)械臂多體動(dòng)力學(xué)微分方程劉杰等釆用拉格朗曰方程和虛功原理建立混凝土系車臂架系統(tǒng)的柔性多體動(dòng)力學(xué)方程。任會(huì)禮等建立了描泊起重船吊臂的動(dòng)力學(xué)微分成并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)特性求解。上述文獻(xiàn)釆用拉格朗曰方法在廣義坐標(biāo)系中建立液壓挖掘機(jī)工作裝置機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模型簡(jiǎn)圖和鍋泊起重船機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)圖的剛體動(dòng)力學(xué)方程，并采用數(shù)值求解的方法進(jìn)行求解，為分析工作裝置及回轉(zhuǎn)裝置力與運(yùn)動(dòng)之間關(guān)系、控制作業(yè)規(guī)劃和仿真提供了理論基礎(chǔ)。3.2工程機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)仿真研究。主要采用動(dòng)力學(xué)分析軟件或數(shù)值求解的方法對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行仿真。張思奇等運(yùn)用matlab軟件與adams軟件對(duì)混凝土泵車臂架進(jìn)行聯(lián)合仿真；周淑文采用adams軟件ansys軟件相結(jié)合對(duì)泵車臂架的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究;王欣等利用adams軟件對(duì)履帶起重機(jī)臂架后傾動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真。各文獻(xiàn)的大致內(nèi)容
4.1 王相兵博士的論文中完成的研究工作以及主要成果有如下幾個(gè)方面：研究了工程機(jī)械臂的多剛體動(dòng)力學(xué)方程及柔性多體動(dòng)力學(xué)方程的建模方法，討論了等效有限元方法和拉格朗日定理，對(duì)柔性梁的多體動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)進(jìn)行了研究。根據(jù)柔性多體動(dòng)力學(xué)理論，用模態(tài)函數(shù)描述臂架的彈性變形，用lagrange 定理和虛功原理建立液壓挖掘機(jī)臂架系統(tǒng)剛?cè)狁詈系姆蔷€性動(dòng)力學(xué)方程，并通過數(shù)值求解、動(dòng)力學(xué)仿真的方法對(duì)建立的動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行分析。
對(duì)已建立的動(dòng)力學(xué)方程利用matlab進(jìn)行求解，運(yùn)用仿真軟件adams建立液壓挖掘機(jī)機(jī)械臂剛?cè)狁詈夏Ｐ筒⒎治?，?duì)比了二者結(jié)果。
考慮大型船用挖掘機(jī)機(jī)械臂的軸向變形，采用拉格朗日定理建立其柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)方程，采用數(shù)值求解的方法，利用復(fù)模態(tài)分析中的狀態(tài)矢量法對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)控制方程進(jìn)行了解耦，得到機(jī)械臂在標(biāo)稱運(yùn)動(dòng)附近振動(dòng)固有頻率和大范圍剛性轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的關(guān)系。柔性機(jī)械臂的固有頻率不是一個(gè)固定的值，其值隨柔性機(jī)械臂大范圍剛性轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的變化而改變，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度越高，固有頻率越大。當(dāng)大范圍剛性運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度低，低于彈性振動(dòng)的基頻時(shí)，剛?cè)狁詈嫌绊懣梢院雎圆挥?jì)，此時(shí)固有頻率可視為一個(gè)常數(shù)。
應(yīng)用ug、nastran、adams等軟件建立了柔性臂架、柔性變幅繩、柔性抓 斗提升鋼絲繩、剛性支架、剛性回轉(zhuǎn)平臺(tái)的船用挖掘機(jī)虛擬樣機(jī)模型。根據(jù)船用挖掘機(jī)機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工況特點(diǎn)，施加載荷并進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，通過后處理模塊，得到系統(tǒng)位移、速度、加速度等動(dòng)態(tài)性能，以及連接點(diǎn)的鉸接力和動(dòng)臂的動(dòng)態(tài)應(yīng)力等特性。
研究液壓挖掘機(jī)機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃及運(yùn)動(dòng)控制。分析了工程機(jī)械臂控制策略理論基礎(chǔ)，根據(jù)控制原理及機(jī)械臂鏟斗運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制表達(dá)式，建立工作裝置機(jī)械臂pid控制模型及基于rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的pid控制模型，運(yùn)用matlab及相關(guān)軟件對(duì)控制模型進(jìn)行仿真計(jì)算，分析了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差，并得出基于rbf神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的pid控制優(yōu)于常規(guī)控制的結(jié)論，能夠?qū)崿F(xiàn)挖掘機(jī)工裝軌跡的智能控制。
利用模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析確定對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能影響最大的模態(tài)頻率，以此為基礎(chǔ)構(gòu)建動(dòng)態(tài)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，再利用靈敏度分析縮減設(shè)計(jì)變量以提高動(dòng)態(tài)優(yōu)化的效率。利用有限元分析軟件中的優(yōu)化模塊對(duì)液壓挖掘機(jī)工作裝置機(jī)械臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
采用拉格朗日乘子法將液壓挖掘機(jī)工作裝置機(jī)械臂結(jié)構(gòu)約束動(dòng)態(tài)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為無約束的動(dòng)態(tài)優(yōu)化問題，得到此拉格朗日函數(shù)的極小值點(diǎn)并且此拉格朗日函數(shù)極值點(diǎn)將逐步逼近原目標(biāo)函數(shù)的約束最優(yōu)點(diǎn)，由收斂準(zhǔn)則可得近似最優(yōu)解。以有限元分析為基礎(chǔ)，將正交試驗(yàn)法與bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，建立了工作裝置機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量與動(dòng)態(tài)特性之間的非線性映射關(guān)系的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，用遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得到最優(yōu)解。
4.2陳辛研究生的文獻(xiàn)中以建立機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型為重點(diǎn)，采用動(dòng)力學(xué)方法建立各類機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)所得模型進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真和分析： 首先，研究了機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)特性的研究我們得出了機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)量隨時(shí)間變化的關(guān)系。運(yùn)動(dòng)學(xué)控制是傳統(tǒng)機(jī)械臂的控制方法，但是隨著高速、柔性機(jī)械臂的出現(xiàn)顯示了運(yùn)動(dòng)控制的很多不足。
其次，應(yīng)用分析力學(xué)的第二類拉格朗日方程建立了普通機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型。在建立動(dòng)力學(xué)模型的過程中，采用了符號(hào)運(yùn)算的方法，大大地減少了人工運(yùn)算時(shí)間，并且對(duì)所得模型進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真。
第三，應(yīng)用帶有虛擬質(zhì)量、耗散函數(shù)形式的第二類拉格朗日方程建立了水下受流體阻力作用的機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型。通過對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程的仿真，我們可以定性的看出機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)特性，即粘性阻力在一定范圍內(nèi)是可以忽略的，但是流體阻力和虛擬質(zhì)量是不能忽略的。另外，操縱力矩可能出現(xiàn)操縱反效的可能，這對(duì)控制來說是非常重要的問題。
第四，應(yīng)用凱恩方法、模態(tài)展開方法建立了柔性機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型。并且對(duì)所得模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，發(fā)現(xiàn)當(dāng)柔性機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候會(huì)存在小幅振動(dòng)，機(jī)械臂停止轉(zhuǎn)動(dòng)后由于機(jī)械臂之間空間幾何關(guān)系上的耦合，會(huì)導(dǎo)致小幅振動(dòng)激發(fā)機(jī)械臂繞軸的整體轉(zhuǎn)動(dòng)，繞軸的整體轉(zhuǎn)動(dòng)又會(huì)引起機(jī)械的彈性小幅振動(dòng)，這對(duì)機(jī)械臂的空間定位和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是十分不利的。
4.3常明華同志的文章對(duì)工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，文章中對(duì)目前的結(jié)構(gòu)特性的研究的深度以及方向進(jìn)行了詳細(xì)的說明，以此，我在總結(jié)中多次引用。并且文章對(duì)于機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)特性的缺點(diǎn)表達(dá)了自己的想法。
4.4各文獻(xiàn)的聯(lián)系
其中兩邊文章對(duì)工程機(jī)械臂結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，尤其以王相兵博士的文獻(xiàn)，以機(jī)械臂的用處分類對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行了很專業(yè)的研究，以至于我很多看不懂。而常明花同志則以總結(jié)為主。三遍文章都對(duì)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)特性在不同的角度進(jìn)行了不同闡述。
4結(jié)論
綜上所述，國內(nèi)外針對(duì)各種工程機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)及其動(dòng)態(tài)性能，釆用各種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)建模、數(shù)值求解及仿真分析、結(jié)構(gòu)模態(tài)分析技術(shù)、動(dòng)力學(xué)智能控制、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化技術(shù)等方面開展了許多研究并取得了卓越成效的成果，一定程度上提髙了工程機(jī)械臂架結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能，但仍存在如下不足。4.1結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究基本采用瞬時(shí)結(jié)構(gòu)假設(shè)，單獨(dú)考慮剛體運(yùn)動(dòng)，忽略彈性變形及剛?cè)岬満袭a(chǎn)生的非線性動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，對(duì)于液壓機(jī)械臂亦沒有同時(shí)考慮液壓敘的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，因此不能精確描述機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方程，相應(yīng)地，結(jié)構(gòu)的模態(tài)計(jì)算和動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析無法通過數(shù)值求解的方法實(shí)現(xiàn)。
4.2數(shù)值求解及仿真分析沒有充分、綜合運(yùn)用數(shù)字化設(shè)計(jì)手段對(duì)其進(jìn)行全面分析，在數(shù)值求解方法及精度、剛?cè)狁詈蠙C(jī)構(gòu)聯(lián)合仿真、動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析等方面分析還很不完善，在軟件接口、數(shù)據(jù)傳遞、模型簡(jiǎn)化、約束處理等還、需改進(jìn)。
參考文獻(xiàn)
王相兵.工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及特性研究.浙江大學(xué).2014.7 常明華.工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性研究現(xiàn)狀與展望.江西建材.2014.9 陳辛.機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)研究.哈爾濱工程大學(xué).2008.6
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