三自由度气动机械手的设计

编号: 毕业论文(设计)题目三自由度气动机械手的设计指导教师学生姓名学号专业机械设计制造及其自动化教学单位目录摘要及关键词 (1)1引言 (1)2三自由度气动机械手的结构设计 (2)2.1机械手自由度分析 (2)2.2机械手气动分析 (3)2.3气动机械手的结构设计 (5)2.4机械手的特性分析 (7)3三自由度气动机械手控制系统的设计 (7)3.1控制系统的组成 (7)3.2系统控制算法设计 (9)3.3基于LabVIEW的控制系统设计 (9)3.4实验分析 (13)4结论 (14)参考文献 (14)谢辞 ................................................................................................. 错误！未定义书签。

三自由度气动机械手的设计摘要：本设计是基于一种三自由度气动机械手，应用三个气缸及其附属机构完成了一种气动的三自由度机械手。

它解决了目前机械手使用不便的问题，具有结构简单、操作方便、控制性能好、可实现多种运动形式并能牢固夹持工件，并且生产效率高，工作强度大，可夹持大工件等优点。

关键词：气缸；气动；牢固；夹持；控制1引言在机械加工及注塑加工行业，很多工位为物体的拾取操作。

这种操作一般动作简单，重复性很大。

目前针对这种需求，设计了很多拾取机械，这些拾取机械包括电动的、液动的以及气动的。

但是目前种种操作机械或机械手的主要结构形式为直角坐标式的，而在许多场合这种操作需要圆周运动，需要具有旋转功能的操作机械，但这种机械目前尚未见到。

针对上述现有技术的不足，本设计提供了一种结构简单、操作方便、可实现多种运动形式的三自由度气动机械手[1]。

气动技术是流体控制的一个重要分支，具有成本低廉、工作效率高、较高的功率重量比、无污染、使用维护方便以及对环境要求低等一系列优点，已经在工业生产各部门得到越来越广泛的应用。

随着计算机技术、微电子技术及控制理论的不断发展，较高精度的气动伺服系统已经实现，并为在机器人领域进一步应用奠定了基础。

机械手是传递机构中的重要部分，通过夹持机构将物料从某一位置和方位，按一定运动轨迹传递到另一位置和方位。

近年来，机械手在国内外自动化领域中，特别是在有毒、放射、易燃易爆等恶劣环境内，得到了越来越广泛的应用。

其中气动机械手与其它类型的机械手相比，具有结构简单、造价较低、易于控制、维护方便、寿命长等优点，因此气动控制机械手机构被很多场合所采用。

迄今为止，国内外学者应用控制理论的研究成果，如自适应控制、模糊与神经网络控制、变结构控制、鲁棒控制等，对气动位置伺服系统进行了大量研究并取得了一定进展。

但由于气体的压缩性较大以及气缸摩擦力等不确定因素的影响。

对气动位置系统进行高精度控制一直是个难题。

Bobrow等建立了气动系统模型使用扩展的自适应控制方法对三自由度气动关节机械手进行了力/位置混合控制。

杨庆俊等提出了气动统反馈线性化并实现了较高精度的位置控制。

本文采用前馈补偿极点配置自校正控制策略,利用LabVIEW实时模块构造了机械手关节控制系统，通过路径规划、运动学反解及关节控制器,完成了3个运动关节的实时控制。

在轨迹跟踪方面的实验取得了满意的效果,为进一步的工业化应用奠定了基础。

在工业自动化领域里大量采用传感器，智能元件的拼装式气动机械手克服了传统气动机械手的笨重、无通用性等缺点，具有很强的实用性和通用性。

同时，由于采用总线连接集成系统，特别是带集成PLC以及总线接口的阀岛，提高了气动控制系统的可靠性，简化了安装和装修。

国外发展的带新型智能型电磁阀的气动定位系统，采用反馈控制[2]。

机器人及机械手是机电一体化技术的典型产品，充分了解机器人或机械手的设计及应用对机电专业的学生有很重要的意义。

机器人或机械手对应用到的技术在工业自动化生产中占有重要的地位，以机器人或机械手作为机电方面学习的典型实验设备有其不可替代的优点。

但是，就目前的发展情况来看，机器人或机械手进入课堂及机电学科相关实验的很少。

目前市场上所提供的机器人或机械手一般价格在十几万元左右，且其不具开放性，即用户只能高端应用而无法进行低层次或高层次开发，因此，研制一种低成本开放性的机械手是非常必要的。

2三自由度气动机械手的结构设计2.1机械手自由度分析自由度是说“自由运动空间的维数”。

譬如一个构件，在空间上完全没有约束，那么它可以在3个正交方向上平动，还可以有三个正交方向的转动，那么就有6个自由度。

约束增加，自由度就减少，如果该构件的所有运动都被限制，那自由度就是0（相对惯性坐标系静止的构件）。

工件定位的实质就是要限制对加工有不良影响的自由度。

设空间有一固定点，工件的底面与该点保持接触，那么工件Z轴的位置自由度便被限制了。

本设计的3个自由度分别为：腰部有1个自由度，作回转运动；大臂和小臂各有1个自由度，作俯仰运动。

它的特点是工作范围大,动作灵活,通用性强,能抓取靠近机座的物体,并能绕过障碍物去抓取物体，所有三个自由度均采用气缸实现。

气缸引导活塞在其中进行直线往复运动工质在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能；气体在压缩机气缸中接受活塞压缩而提高压力。

据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力。

由此来选择气缸时应使气缸的输出力稍有余量。

若缸径选小了，输出力不够，气缸不能正常工作；但缸径过大，不仅使设备笨重、成本高，同时耗气量增大，造成能源浪费。

在夹具设计时，应尽量采用增力机构，以减少气缸的尺寸。

三自由度气动机械手属于关节串联式机器人，其结构如图1所示,它的运动类似人的手臂,由腰、大臂、小臂3个关节组成,腰部为旋转运动,由流量比例阀驱动摆缸来实现,旋转编码器通过1:4的同步带轮与腰部转动轴相连,以检测角度信号；大、小臂均为俯仰运动,由流量比例阀驱动单出杆双作用气缸来实现,旋转编码器通过1:4的同步带轮与对应的大、小臂关节俯仰运动轴相连,以检测角度信号[3]。

图1 结构图2.2机械手气动分析气动就是以压缩空气为动力源，带动机械完成伸缩或旋转动作。

因为是利用空气具有压缩性的特点，吸入空气压缩储存，空气便像弹簧一样具有了弹力，然后用控制元件控制其方向，带动执行元件的旋转与伸缩。

从大气中吸入多少空气就会排出多少到大气中，不会产生任何化学反应，也不会消耗污染空气的任何成分，另外气体的粘性较液体要小，流动速度快，所以说主要特点便是节能环保。

气动技术的优点：1）气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。

压力等级低、故使用安全；2）工作介质是取之不尽的空气、空气本身不花钱。

排气处理简单，不污染环境，成本低；3)输出力以及工作速度的调节非常容易。

气缸的动作速度一般为50~500mm/s，比液压和电气方式的动作速度快；4)可靠性高，使用寿命长。

电器元件的有效动作次数约为百万次，而SMC的一般电磁阀的寿命大于3000万次，小型阀超过2亿次；5)利用空气的压缩性，可贮存能量，实现集中供气。

可短时间释放能量，以获得间歇运动中的高速响应。

可实现缓冲。

对冲击负载和过负载有较强的适应能力。

在一定条件下，可使气动装置有自保持能力；6)全气动控制具有防火、防爆、防潮的能力。

与液压方式相比，气动方式可在高温场合使用；7)由于空气流动损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送。

气动技术的缺点：1)由于空气有压缩性，气缸的动作速度易受负载的变化而变化。

采用气液联动方式可以克服这一缺陷,气缸速度比液压要快；2)气缸在低速运动时候，由于摩擦力占推力的比例较大，气缸的低速稳定性不如液压缸；3)虽然在许多应用场合，气缸的输出力能满足工作要求，但其输出力比液压缸小。

气动回路原理如图2所示。

这样实现了单关节的闭环控制,进而通过相关的控制策略完成了机械手末端的空间运动控制[4]。

图2 气动回路2.3气动机械手的结构设计下面结合附图与实施例对本设计作进一步说明。

2.3.1结构组成及工作原理机械手的组成如图3所示，其结构由水平移动气缸、机架、底座、电机、水平移动导杆、气动手爪、垂直升降气缸、垂直升降导杆及齿轮装置所组成。

1.水平移动气缸2.水平移动导杆3.垂直气缸连接板4.垂直升降气缸5.垂直升降导杆6.电机7.机架8.小齿轮9.大齿轮 10.连接板 11.气动手爪 12.小气缸 13.底座图3 结构原理示意图所述水平移动气缸设置在水平机架上，水平移动导杆与垂直气缸连接板相连接，垂直升降气缸与垂直升降导杆安装在垂直气缸连接板上，气动手爪通过小气缸安装在垂直升降导杆下端部，电机连接在机架上，电机的上部连接在齿轮装置上，齿轮装置的下端固定地连接在机架上，齿轮装置通过旋转轴与电机相连接。

所述齿轮装置由相啮合的小齿轮和大齿轮组成，它们安装在机架顶部的底座上，通过连接与水平移动气缸连接。

本设计三自由度气动机械手，水平移动气缸充气时，在水平导杆的导向下，垂直气缸连接板带动垂直升降气缸及垂直升降导杆所组成的垂直升降组件在水平方向移动。

电机旋转带动齿轮转动，带动机械手臂作旋转运动，可以转动360°，从而完成手爪绕旋转轴的运动。

比单纯用气缸带动机械手臂的旋转自由度更大，方便了加工，提高了工作效率。

手爪部分采用齿轮齿条传动，并采用可靠性键连接，使手爪抓紧力增强，可承受大的工作强度的手爪在气体的作用下可开启和闭合，以及电机的旋转，这样产生了手爪的水平移动、垂直移动以及旋转移动。

所有的执行件为三个气缸与一个电机。

整个机械手通过底座安装在基础上。

在拾取物体时，水平移动气缸1收缩，在水平移动导杆2的导向作用下，垂直气缸连接板3带动垂直升降气缸4及垂直升降导杆5移向图示的机架3的左边，这时在垂直升降气缸4的作用下，垂直升降导杆5伸出，在垂直导杆5的导向下，气动手爪11向下移动，同时在小气缸11的作用下，手爪开启，到手爪到达其极限位置（即应拾取的物体的位置）时，在小气缸12的作用下，手爪闭合，夹持住物体。

此时在垂直升降气缸4的作用下，气动手爪11收缩，当气动手爪11移动到上极限位置时，水平移动气缸1伸长，使水平移动导杆2达到其右极限位置，此时在电机6的作用下，通过底座13上的小齿轮8，大齿轮9啮合，连接板10的连接下，整个机械手臂绕机架7转动，直至其所定极限位置，然后垂直升降气缸4伸出，直至气动手爪11达到其下端的极限位置，此时在小气缸12的作用下，手爪开启，物体在重力作用下，自由下落。

此为拾取物体的一个循环。

同样，物体可从三个气缸的6个极限位置实现的手爪的任一极限位置拾取和放置物体。

2.4机械手的特性分析本设计是通过以下技术方案实现的：一种三自由度气动机械手，主要由平移气缸、平移滑块、机架、底座、摆动气缸、平移导杆、手爪、垂直升降气缸、垂直升降导杆及摆动装置所组成，平移气缸和平移滑块相连接并设置在平移机架上，平移导杆与平移滑块相连接，垂直升降气缸与垂直升降导杆安装在平移滑块上，手爪安装在垂直升降气缸的下端部，摆动气缸的下端部连接在底座上，摆动气缸的上部连接在摆动装置上，摆动装置的下端固定地连接在机架上，摆动装置通过旋转轴与底座相连接。