柔性机器人的设计与制造
柔性机器人
四、实用类文本阅读(12 分)阅读下面的作品，完成 18～20 题。
材料一：近年来，在自动化需求的强劲带动下，全球掀起了一股机器人发展的热潮，形形色色、各具功能的机器人产品，开始频繁出现在我们的视野之中。
但不管是工业级的搬运、分拣、切割等机器人，还是消费级的扫地、医疗、教育等机器人，它们“钢铁战士”般的形象不仅拉远了与人的距离，还在一定程度上限制了自身的应用。
在这样的背景下，“柔性机器人”概念开始逐渐被提出。
通过柔软材料的利用，驱动方式的创新，人们希望机器人能拥有更好的环境适应性、安全性以及人机互动能力。
毫无疑问，柔性机器人作为一种新型产品，充满了科学家式的浪漫，但这却不是科学家们“柏拉图”式的空想。
从逐渐面世的产品中，我们发现柔性电子器件具有超薄、柔性、可延展的“类皮肤”特性，在能源、医疗、通信等领域拥有广阔前景。
现有的柔性机器人虽然有着诸多优点，但由于大多处于实验室阶段，依然面临“硬伤”，比如需要依赖传统的刚性传感元件和电路，这严重阻碍了其性能的实现。
现代社会的需求急切呼唤“全柔性”机器人的出现。
（摘编自《光明日报》2019 年 11 月 14 日）材料二：我国现有的柔性机器人主要被分为两种，一种是工业柔性机器人，另一种是生物柔性机器人，因为应用领域不同，其定义也相去甚远。
其中工业柔性机器人是从制造业的角度定义，专指运用机器视觉的六轴以上的工业机器人，比如工业上使用的机器人手臂。
德国一家自动化公司曾开发出了一款可抓取异形物体的柔性夹具。
而生物柔性机器人则是从生物学角度来讲，主要指模拟生物柔性与灵活性创造的仿生机器人。
比如毛毛虫机器人，它们“柔若无骨”。
目前来看，工业柔性机器人在国内的应用更为广泛，而生物柔性机器人的研究范围更广。
从工业柔性机器人来看，首要的技术难点可能是材料。
因为要保障工业机器人的柔性化作业，打破人机关系间的“工业围栏”，促进人机交互的安全、顺畅进行，传统的刚性连接器和外壳就无法继续使用，通过 3D 打印等方式寻找新材料或是首要任务。
105机器人培训软体机器人结构设计理论与技术专题培训
软体机器人结构设计理论与技术专题培训2019年9月17日软体机器人技术是新工科建设最具代表性的前沿交叉学科，现如今柔软性材料或者可延展材料制成的软体机器人成为机器人领域发展的新方向，与刚性机器人相比，软体机器人能够大幅度弯曲或者高曲率扭曲，能模拟生物系统连续不断的变形，具有超强的灵活性和对非结构化环境的适应性，同时也能够吸收碰撞所产生的能量，提高人机协作的安全性，具有良好的共融能力。
然而，由于软体机器人是当下才发展起来的新型领域，如何设计、制造并控制软体机器人使其最终和刚性机器人一样形成一个可靠的理论体系是现阶段面临的主要问题。
为了提高从业人员的技术水平，更好地与机器人研究领域的专家学者们分享、交流在研究领域中的心得、经验，具体相关事宜通知如下：一、目标：1、本课程将以软体机器人为背景和主题，深入讲解：(1) 软体机器人的关节设计方法；(2) 有限元分析技巧；(3) 力学模型的建立方法；(4) 基于MATLAB与视觉识别技术的软体手柔性抓取控制与实验等内容，学习并探讨软体机器人结构设计、柔性制造、运动控制、装配和调试等内容，使学员熟练应用控制工程理论、自动化、材料力学、机械原理、机械设计、3D打印等基础知识，培养和提高学员对软体机器人目标分析、模型建立、设计制作和实验测试的能力；2、通过课堂上跟老师和同行的面对面交流快速有效的解决学员疑问，激发学员探索软体机器人理论体系的求知求真欲望，培养学员对未知领域难题的解决思路和能力。
节约学员的宝贵时间，提高工程、科研效率。
参加一次培训，后期可以免费再参加一次。
“软体机器人结构设计理论与技术”专题培训内容一、软体机器人的基础知识1.软体机器人的概念、分类和发展进程2.设计原则和驱动方法概述2.1 电机驱动2.2 气压驱动2.3 智能材料驱动2.4 其他方法驱动3.面临的主要科学问题和应用前景1. 软体机器人关节设计方法简介1.1 刚性关节1.2 柔性关节1.3 变刚度关节2. 软体机器人关节定量设计2.1 目标确定2.2 拓扑结构设计二、软体机器人的关节设计2.3 驱动器选择与设计2.4 传感器选择与设计3. 常见软体机器人设计实例3.1 无轴向形变软体机械手的制作3.2 有轴向形变软体机械手的制作3.3 爬行机器人的制作3.3.1 水平面爬行3.3.2 垂直面爬行3.4 软体机器人鱼的制作3.5 其他类型软体机器人的制作三、软体机器人有限元分析1. ANSYS的基本功能介绍1.1 前处理功能模块1.2 分析计算模块1.3 后处理模块2.超弹性材料柔性手指的形变分析2.1 参数设置2.2 仿真结果3.硅胶材料柔性机器人的形变分析3.1 硅胶柔性关节单驱动3.2 硅胶柔性关节多驱动四、软体机器人力学设计1. 软体机器人的模型概述2. 软体机器人运动学分析2.1 传统刚性机器人运动学2.2 软体机器人运动学实例分析（以matlab仿真为例）3. 软体机器人静力学分析3.1 静力学分析方法简介3.2 不考虑重量和负载情况的静力学分析3.3 考虑重量和负载情况的静力学分析3.4 基于Cosserat 理论的静力学建模（以柔性手指为对象，Matlab为仿真工具）4. 软体机器人动力学分析与实例4.1 动力学分析方法简介4.1.1 电机驱动方式动力学模型4.1.2 气压驱动方式动力学模型4.1.3 智能材料驱动方式动力学模型5. 实战案例：变刚度软体机械手的位移实时控制5.1 无模型控制理论(重点介绍PID控制、模糊PID控制、滑模控制、神经网络控制等控制理论）5.2 有模型控制理论(重点介绍迟滞理论等模型）5.3 混合模型控制方法的简介及应用五、基于matalab与视觉识别技术的软体手柔性抓取控制与实验1. Matlab与机器人的通讯方法设计1.1通讯建立的技术路线1.2 Matlab与ROS间的通信1.3 ROS与cobotta机器人间的通信2. 机器人逆运动学求解2.1 DH参数与坐标系的建立2.2 Matlab中建立机器人模型2.3 逆运动学求解2.4 关节角的修正2.5 求解的分析及筛选3. 视觉处理方法设计3.1 摄像头连接与图像的获取3.2 图像处理3.3 坐标转化计算4. 应用开发与抓取实验六、辅助课程1.软体机器人高水平SCI科技论文的写作技巧及案例分析2.博士毕业论文的写作技巧及案例分析3.自然科学基金写作技巧探索。
工业机器人操作中的路径规划技巧及柔性控制
工业机器人操作中的路径规划技巧及柔性控制工业机器人是现代制造业中不可或缺的重要设备之一，通过其精准、高效的操作能力，提高了生产线的自动化水平和生产效率。
在实际生产中，工业机器人的路径规划和柔性控制是关键的技术要素，它们决定了机器人的操作能力和效率。
路径规划是指工业机器人在执行任务时选择最佳的路径，使其能够以最小的时间和能耗完成工作。
在路径规划中，有几个常见的技巧可以帮助工业机器人实现高效的操作。
首先，优化路径选择。
工业机器人执行任务时，需要考虑空间布局、障碍物等因素，选择能够有效避开障碍物、减少运动距离的路径。
针对复杂的工作环境，可以运用路径搜索算法，如A*算法、Dijkstra算法等，通过寻找最短路径或者最优路径，实现机器人的高效操作。
其次，规划插值点。
在工业机器人的操作中，往往需要过渡到不同的位置和姿态，以完成不同的任务。
规划插值点可以帮助机器人平滑过渡，避免突然的位置和姿态变化，减小机器人在操作过程中的震动和振动，从而提高机器人的精度和稳定性。
再次，考虑工具干涉。
在工业机器人的操作中，工具往往会与工作环境接触，避免干涉是非常重要的一步。
通过对工具姿态和工作空间的合理设计，可以避免工具在执行任务时与其他物体发生碰撞或干涉，保障机器人的安全性和操作效果。
柔性控制是指工业机器人在执行任务时，能够根据需要灵活调整自身的运动和力度，以满足不同的需求。
柔性控制可以实现机器人的高速、高精度的运动，同时保证机器人与工作环境的配合度。
首先，运用传感器技术。
通过安装不同类型的传感器，如力传感器、视觉传感器等，可以实时反馈机器人与工作环境之间的交互力或视觉反馈信息。
机器人根据传感器反馈的信息，可以实现根据环境需求自适应的姿态和力度调整，从而更加灵活地执行任务。
其次，采用模型控制技术。
工业机器人的动力学模型和控制算法是柔性控制的关键。
通过建立机器人的动力学模型，可以精确估计机器人在执行任务时的运动特性。
在控制算法中引入模型预测和优化技术，可以实现机器人运动的预测和优化，从而实现柔性的、高效的操作。
车身关键部件制造的柔性化技术——机器人滚边技术
２ 滚 边 设 备
２ １ 滚边 夹具 系统 不 同车 型 的零件 差 别很 大 ，零件 不 同部 位材 料成 形特 点迥 然 不 同 ，所 以确定
具体 的压 合参 数 要从 实 际 出发 ，充 分考 虑诸 多 因素 的 影 响 ，切 不可 盲 目照 搬 。 图 １ 是顶 盖 天 窗 滚 边 的成 形
个过 程 中没 有窜动 。 内板定 位优选 专 用定位 孔 ，因为
滚 边过程 中 ，定位 孔每 个 方向上都 可 能 受力 ，而且 受
求 ，确 定 不 同部位 的压 合 参数 （ 包括 压合 角 度 、压合
过 程。
天 窗外 板
力、压 合 轨迹 、压 合 轮 的极 限参 数等 ） 冲 压件 相 关 和 部 位 的要 求。
（ａ）
ｂ）
在 生 产 四 门、 前 盖 、后 盖 、 乙字 板 等 部 件 时 ，
滚 边过 程 ～般 分 ２ ４ 完成 ：在 生产 顶 盖 时 ，滚 边过 ～ 次
本 ，也能 给） ｑ 、安装 带来 方便 。 ３ － ｎ （ 定位 夹 紧机构 ２）
项 盖外板
底 模
顶盖 内板
定 位夹 紧机构
图２ 顶 盖滚 边夹具 系统
图３ 后盖 滚 边 夹具 系统 。底 模 是整 体铸 造 数控 是
加 工成 形 的。外板 定位 用 外板 的外形 和外 板型 面 ，内 板 选用基 ； 隹孔做 定 位。定 位夹 紧机 构采用 摆动机 构。
定位 夹紧 机构 的作用 是保 证工 件 的准 确定 位和 可
靠 夹紧 ，是保 证滚 边质 量 的重要 组成 部分 。定位 方式
柔性制造系统
第四章制造自动化技术主要内容：1. 概述2. 数控加工技术3. 工业机器人技术4. 柔性制造系统14.4 柔性制造系统(FMS)4.4.1 概述1. FMS的产生CNC、CAD/CAM/CAPP、机器人技术等新技术的出现，对刚性自动生产线产生了冲击。
所谓刚性自动线，即物流设备和加工工艺是相对固定的，它只能加工一个零件，或加工几个相类似的零件。
如需改变加工产品的品种，刚性自动线必须做较大的改动，在投资时间方面的耗资很大，难以满足市场化的需求。
但是刚性自动线的设备利用率高，生产率高。
结合刚性自动线和机电一体化、数控技术的特点，20世纪60年代，英国Molins公司的David Williamson提出了“柔性制造系统”的概念。
2柔性制造技术(flexible manufacturing technology, FMT)是为了适应多品种、中小批量生产而诞生的一项制造自动化技术。
所谓柔性是指制造系统(企业)对系统内部及外部环境的一种适应能力，也就是指制造系统能够适应产品变化的能力。
FMS是先进制造技术的一部分。
据统计，1985年投入运行的FMS有500多套，1988年800套，1990年1000套，目前约有3000多套FMS正在运行。
我国1984年开始研制FMS，1986年从日本引进第一套FMS。
32. FMS的定义、组成和类型(I)FMS的定义和组成“中华人民共和国国家军用标准”有关“武器装备柔性制造系统术语”的定义：FMS是数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统。
它包括柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、中等批量生产。
4美国制造工程师协会(计算机辅助系统和应用分会)的定义：FMS是使用计算机控制柔性工作站和集成物料运储装置来控制并完成零件族某一系列工序的，或一系列工序的一种集成制造系统。
5国内给出的定义：柔性制造系统是由数控加工设备、物料储运装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统，包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速调整，适用于多品种、中小批量生产。
柔性机器人技术的应用和发展方向
柔性机器人技术的应用和发展方向柔性机器人技术作为一种新兴的机器人技术，具有灵活性高、适应性强等特点，被广泛应用于许多领域。
本文将探讨柔性机器人技术的应用领域，并分析其发展的方向。
一、医疗领域柔性机器人技术在医疗领域中有着广泛的应用前景。
在手术中，柔性机器人能够模拟人手的灵活性，通过微创手术的方式减少患者的伤痛。
比如，柔性机器人可以用于胃镜、肠镜等内窥镜手术中，提高手术的精确性和安全性。
此外，还可以用于康复机器人，帮助患者进行康复训练，恢复活动能力。
二、制造业柔性机器人技术在制造业中的应用也越来越广泛。
传统的机器人往往需要事先编写固定的程序来完成特定任务，而柔性机器人可以通过传感器和智能控制系统实时感知和响应环境变化，具有更高的灵活性和适应性。
在制造流程中，柔性机器人能够根据实时生产需求进行自主调整，提高生产效率和灵活性。
三、农业领域农业是另一个柔性机器人技术的重要应用领域。
柔性机器人可以应用于农田作业和农产品采摘等环节。
相比传统的农业机械，柔性机器人能够更好地适应复杂多变的农田环境，进行高效精准的农业作业。
例如，柔性农机可以根据植物的生长情况进行精准的植株剪枝和浇水，提高农作物的产量和质量。
四、服务领域柔性机器人技术在服务领域也有广泛的应用。
例如，柔性机器人可以用于餐饮业，自动化地制作食物或服务顾客。
另外，柔性机器人还可以用于个人护理、家庭助理等服务场景，提供更加智能和高效的服务。
柔性机器人具备与人类进行良好互动的能力，能够更好地融入人们的生活。
未来柔性机器人技术的发展方向：1. 感知能力的提升：柔性机器人需要通过丰富的传感器系统来感知环境，提高对复杂环境的适应能力，例如通过视觉、触觉和听觉等感知技术，实现更加精准的操作和判断。
2. 学习能力和智能化：柔性机器人需要具备学习和适应能力，能够通过数据分析和机器学习等技术不断优化自身的行为和决策，实现更加智能化和灵活的应用。
3. 构造材料和传动机制的改进：柔性机器人需要采用柔性的构造材料和高效的传动机制，以实现更好的灵活性和自由度，从而适应各种复杂环境和工作任务。
柔性制造
论文（设计）题目：柔性制造技术 学 院： 专 业： 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师：
2014年4月30日 1
柔性制造技术 xxx
目录 绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
第一章 柔性制造技术概述„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 1.1柔性制造的概念„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2 1.2柔性的概念及表现„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2
第二章 柔性制造的规模„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 2.1柔性制造系统（FMS）„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 3 2.2柔性制造单元（FMC）„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„3 2.3柔性制造线（FML）„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4 2.4柔性制造工厂（FMF）„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4
第三章 柔性制造所采用的关键技术 „„„„„„„„„„„„„„„„„4 3.1计算机辅助设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4 3.2模糊控制技术„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 3.3专家系统及智能传感器技术„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 5 3.4人工神经网络技术 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 3.5综合控制系统„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5
第四章 柔性制造系统的优势„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5 第五章 柔性的发展趋势„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 结论 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 参考文献 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„7 2
摘要 柔性制造技术是集数控技术、计算机技术、机器人技术以及现代管理技术为一体的现代制造技术。自20世纪60年代以来，为满足产品的不断更新，适应多品种、小批量生产自动化需要，柔性制造技术得到了迅速发展，出现了柔性制造系统（FMS）、柔性制造单元（FMC）、柔性制造自动线（FML）等一系列现代制造设备和系统，他们对制造业进步和发展发挥了重大的推动和促进作用。
柔性制造系统知识框架
一、柔性制造系统（FMS）1、从自动线到柔性制造2、柔性制造系统的功能及适用范围：组成、功能、适用范围3、柔性制造系统的结构与分类：结构：加工设备、检测设备、输送设备、交换装置、装卸站、物料保管装置、信息管理及设备控制装置、辅助设备分类柔性零件加工系统：柔性制造单元（FMC）、柔性制造单元群、典型的柔性制造系统、柔性自动线（FTL）FMC（柔性制造单元）与FMS（典型的柔性制造系统）的区别二、柔性装配系统（FAS）1、柔性装配系统的特征装配流水线和柔性装配系统2、柔性装配系统的控制技术：机器人控制器、可编程逻辑控制器、故障监控3、柔性装配系统的传感技术视觉传感器：结构、应用（电阻检测、零件识别、电子元件组装、工件搬运）光电传感器：组成、分类、应用（二极管色标检测、螺母正反面判别、螺孔检测、安全光栏）位移传感器：分类、工作原理、应用（底板翘曲检测、电子元件插入高度判别、玻璃厚度测定）接近传感器：原理、分类、应用（机器人紧握信号的传送、螺钉拧紧状态监测、零件计数）压力传感器4、柔性装配系统实例：电风扇装配三、人与柔性制造自动化1、“人机合一”的制造观：人与机器的同一性、劳动力资源与柔性制造自动化、超现实“无人化工厂”的弊端、“人机合一”的制造观、人在柔性制造自动化系统中的定位2、面向操作人员的数控机床：传统数控机床的缺陷、数控机床面向操作人员面向操作人员的人机界面（加工过程的可视化、让机床操作部件产生触感、定性与定量相结合的信息显示）3、面向现场工作人员的柔性制造自动化系统：特点、结构4、人机协调的柔性装配系统：人与机器的互补性、人机协调的柔性装配系统（特征、技术支持）机器向人学习人与机器相互学习、共同进步四、柔性制造自动化系统的机床特征1、适用于柔性制造系统的机床特征2、面向柔性制造系统的加工中心：加工中心的改造、选用、重要功能（刀具存储与自动换刀、工件自动交换、接触传感器、加工尺寸检测与自动补偿、功率监控）3、车削中心：概述、主要结构特点（主轴箱、刀架、对置式刀架）、主要工艺特点（多轴数控加工、加工综合化、加工节奏快）、功能拓展五、柔性制造自动化系统的刀具及刀具管理1、柔性制造自动化系统对刀具的要求及对策：要求：控制刀具的数量、刀具自动交换、高可靠性对策：可靠性对策、超常刀具自动交换对策、刀具数量控制对策（产品设计模块化和标准化、刀具设计模块化和标准化、开发车削和铣削的通用刀具、采用复合刀具和多刃刀具、充分利用机床的数控功能）2、刀具室管理的设备配置：刀具管理系统、实例3、刀具识别和刀具预调：刀具编码与编码环视别、标识块识别系统、刀具预调4、刀具管理系统的运作过程（制订刀具准备计划、刀具准备、刀具入库）5、刀具监控：直接监控、间接监控、刀具破损声发射监测六、工业机器人1、工业机器人及其结构：概述、结构（执行系统、驱动系统、控制系统、检测系统）2、工业机器人的分类及选用3、工业机器人的应用：选用目的、工业机器人在柔性制造自动化系统中的应用七、自动仓库和自动导向小车1、自动仓库：作用、种类、结构、管理和控制2、自动导向小车：作用、构成、制导技术、准停和安全保护、控制八、柔性制造自动化的控制和监视技术1、概述2、面向柔性制造自动化的PLC技术：PLC的功能拓展（继电器顺序控制器与PLC）PLC编程语言、PLC的模块化3、面向柔性制造自动化的数控系统：面向柔性制造系统的数控技术特点（通用数控系统的技术局限、面向柔性制造自动化的数控系统特点）数控系统的功能拓展4、DNC系统：应用实例、软件、物理结构、地位5、多级分布式控制系统：物理结构、单元控制器、计算机网络、应用实例6、柔性制造自动化的监视技术：自动监视系统的结构、制造过程监视、系统故障监视、设备运行监视、精度监视、安全监视九、柔性制造系统的计算机管理软件1、柔性制造系统的管理软件2、系统管理软件：地位、功能3、刀具管理软件：功能、道具特征数据及其管理4、刀具室管理软件：刀具室管理软件的职能和逻辑结构、对刀具室中刀具的管理5、生产规划软件：职能和逻辑结构、技术描述6、作业规划软件：职能和逻辑结构、技术特征7、统计报告软件：职能和逻辑结构、技术特征8、预防维护软件：职能和逻辑结构、功能十一、柔性制造系统的设计1、柔性制造系统的设计步骤2、柔性制造系统的初步设计：确定采用柔性制造系统的目标、分析工厂生产状态确定零件谱、零件谱的工艺分析、初步规划柔性制造系统的结构3、柔性制造系统的详细设计：零件谱及其制造工艺的再分析、选用制造设备和工具（柔性制造系统的运行效率、工件自动交换、刀具自动交换、夹具）、选定物流系统（物料输送设备、物料输送设备的选定）柔性制造系统的方案设计（设计准则、绘制平面布局图、方案确定）控制系统（分类、群管理、多级分布式控制）软件规划柔性制造系统的作业状态和故障的监测制造系统拓展性和柔性的讨论4、柔性制造系统的布局设计：柔性制造系统的布局与评价（概述、基于故障分析表的柔性制造系统的布局评价）影响柔性制造系统布局的技术因素（厂房与柔性制造系统布局、工艺流程与柔性制造系统布局、基本制造设备与柔性制造系统的布局、物流系统与柔性制造系统布局）5、柔性制造系统设计方案的评价：评价依据、经济性的评价方法（投资回收期法、投资流法）综合评价方法、经济性与柔性、评价实例6、设计实例。
刚柔耦合动力学———轻量化协作机器人设计与控制的力学基础———解读机器人刚柔耦合动力学
第２９卷第２４期中国机械工程V o l ．２９㊀N o ．２４２０１８年１２月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．３０２０Ｇ３０２３导语传统机器人采用厚实的结构来保证其具有足够的刚度,以减小机器人的结构振动,但是这种 粗笨 结构的机器人存在高能耗㊁适应性差等问题.为了提高机器人的节能性,要对机器人的结构进行轻量化设计,但轻量化设计又会导致其柔性结构振动,这就需要对机器人进行动态控制,以提高其动态刚度来减小结构振动.另外,能感知人协作意图㊁适应环境与目标变化的机器人因具有柔顺结构而适应性能良好,也存在柔性结构振动的可能.因此,利用柔性结构带来轻量节能与适应能力的前提是减小柔性结构振动,这需要研究柔性结构的动态控制,这些动态控制的力学基础都是刚柔耦合动力学.刚柔耦合动力学 轻量化协作机器人设计与控制的力学基础解读«机器人刚柔耦合动力学»尹海斌武汉理工大学湖北省数字制造重点实验室,武汉,４３００７０收稿日期:２０１８０８０８１㊀机器人技术的发展趋势１．１㊀背景与现状随着技术的发展㊁社会的进步,人们越来越意识到人与自然和谐相处的重要性,其中最重要的一条就是减少对大自然的索取与排放,为此,人们提出了工业发展的节能减排约束机制.机器人技术的发展也应该遵循这一工业化发展的大趋势,向节能化方向发展.另外,随着用工成本的上升㊁社会老龄化的加剧,机器人越来越被看好,它是一个可以替代人工去做很多繁重和重复性工作的工具;要提高机器人的人工替代率,机器人必须具有一定的智能.因此,节能与智能是机器人技术发展的两大趋势.现有的绝大多数机器人结构设计是结构刚度最大化,以减小机器人结构的振动而实现精确的运动定位.但是,这种最大化刚度结构的机器人用材多㊁不经济,结构笨重不节能,惯量大而动态性能差,生产效率低.况且,不存在绝对的刚性结构,一定条件的输入会激励出一定频率的振动,即使设计成最大化刚度结构,机器人在高速重载的工作条件下同样面临着结构振动的问题.因此,要提高机器人运动的精度(降低柔性结构振动),往往会以牺牲其性能指标(节能经济㊁动态性㊁效率㊁工作条件)为代价.机器人大量应用于工农业生产,但其人工替代率仍不足１％,这是因为机器人还不能够如人一般自主适应外界环境和目标的变化,进行自主安全的运动和操作.柔顺结构或柔顺关节具有很好的适应性能,能够适应环境和目标的变化,能够感知操作者的动作意图,但同时也会存在结构振动从而带来运动控制精度的问题.柔性机器人轻量节能,对环境和目标的变化具有适应性,但也存在因为结构刚度较低而导致的结构振动的问题.要想充分利用柔性结构的优点,关键是要解决柔性结构带来的振动问题.为此,国内外许多研究人员对柔性机器人的各种关键技术进行了大量研究.１．２㊀发展概述对柔性机器人关键技术的研究就是对其共性问题刚柔耦合动力学综合问题的研究.首先,需要建立一个能代表真实系统的精确模型来预测分析其动态行为.在这一研究领域,有大量的关于柔性臂动态建模与分析的研究,D w i v e d y 发表了一篇这个领域的评论文章,分析了１９７４－２００５年间的主要研究成果.根据这些已发表的研究论文,用于计算柔性机器人动力学的柔性描述方法可以归纳为３种.最常见㊁应用最广泛的方法是线性的弹性变形描述,大量的文献中都采用了这种最常见的线性描述方法来建立柔性机器人的动力学模型.近２０年来,也有一些研究论文讨论了二次变形描述方法,它考虑了轴向缩短和横向弯曲;在连续柔性结构的离散计算中,二次变形描述中只有横向弯曲被认为是柔性位移.２００５年,L e e 提出了一种新的变形描述方法推导柔性梁的动态方程,这个新的变形描述方法基本上等效于二次变形描述方法,不同的是横向弯曲与轴向缩短被综合为一个向量来用作柔性位移.这个新方法很少被用于柔性机器人的动态建模与分析,«机器人刚柔耦合动０２０３力学»(下称 本专著 )中详细讨论了如何用这个方法建立柔性机器人动态模型.除此之外,柔性机器人的动态控制也是一个很重要的研究课题.在过去的数十年中,许多研究人员对柔性机器人的动态控制进行了研究.２００４年,B e n o s m a n 提出了柔性机器人动态控制的综述文章,分析总结出４类目标和２０种方法(表１).这些动态控制方法一般基于具体的柔性机器人动态模型与分析,因此,采用上述新的变形描述方法建立柔性机器人动态模型,需要研究与之相应的动态控制器设计方法.这些相关的研究成果是机器人刚柔耦合动力学发展过程的体现,也是本专著的主要内容.表１㊀柔性机器人动态控制目标与方法４类控制目标２０种控制方法(１)无时间限制的点到点运动(２)有时间限制的点到点运动(３)关节空间内的轨迹跟踪(４)工作空间内的轨迹跟踪前馈轨迹规划输入整形技术,优化轨迹规划主动控制P D /P I D 控制,二次型最优控制,滑模变结构控制,奇异摄动控制,逆动态控制,力矩控制被动控制控制Ｇ结构优化设计,耦合结构智能控制神经网络控制,自适应控制,鲁棒控制,基于动态反馈的精确线性化特殊控制方法边界控制,机械波法,代数控制,输出再定义,超前滞后控制,极点配置２㊀«机器人刚柔耦合动力学»主要内容２．１㊀内容涵盖范围机器人种类繁多,从构型上看,可以归纳为机器人手臂㊁移动机器人以及人形机器人.机器人手臂又分为串联式和并联式,移动机器人可分为陆地移动型和空中飞跃型,人形机器人是前两者的集大成,是可以移动的机械臂或四肢.因此,在机器人构型研究中,机械臂和移动机器人是典型的代表.本专著中所介绍的机器人也主要指这两类机器人,其结构中采用了柔性单元,分别为柔性机械臂和柔性悬挂移动机械臂.２．２㊀内容介绍表２详细列出了本专著的主要内容,包括３个部分和８个章节.第一部分是概述,介绍了机器人动力学研究的意义;第二部分主要介绍柔性机械臂的研究成果,共四章;第三部分主要介绍柔性悬挂移动机械臂的研究成果,共三章.为了便于读者对专著有一个大致了解,下面主要对柔性机械臂与柔性悬挂移动机械臂的研究内容及研究关系做一个介绍.表２㊀«机器人刚柔耦合动力学»主要内容概述(１)机器人动力学研究意义柔性机械臂(２)刚柔耦合机械臂的建模与分析(３)刚柔耦合机械臂动态控制器设计(４)刚柔耦合机械臂动态控制仿真与实验(５)旋转刚柔耦合系统动力学建模方法的比较研究柔性悬挂移动机械臂(６)悬挂轮式移动机械臂的振动控制(７)多要素作用下的移动机械臂跟踪控制(８)路面激励下移动机械臂的动态稳定性控制㊀㊀本专著中,柔性机械臂的研究成果主要涉及柔性机械臂的动态建模与分析㊁动态控制与实验㊁建模方法的比较研究等内容.柔性机械臂建模时,采用了一种新的变形描述方法计算柔性变形.在模型分析计算时,一种情况认为,柔性臂关节轨迹的角度函数与其柔性状态之间保持独立;另外一种情况认为,驱动关节刚度不足时,柔性臂关节轨迹的角度函数将会受到其柔性状态的影响.因此,前者不用考虑关节柔性,后者需要考虑关节柔性.上述动态模型分析指出,柔性臂的动力学模型是一个强非线性系统且系统惯量矩阵的逆存在奇异.为了避免计算惯量矩阵的逆时出现奇异,并减小高阶复杂模型的计算难度,全阶的动力学模型被分解为一个柔性子系统和一个刚性子系统.基于这两个动力学子系统,提出了一个分解的动态控制方法,它由柔性动态控制模块(F D C )和刚性动态控制模块(R D C )组成.F D C 模块旨在寻找期望的轨迹,尽可能减小激励振动;R D C模块的任务则是跟踪期望的轨迹并补偿不确定的动态.控制器设计后,实验证明了分解的动态控制是有效的.前期的研究表明,柔性机械臂动态模型仍不够准确,会造成动态控制器的设计更加复杂.为了更加准确地预测动态行为㊁降低动态控制的设计难度,建立一个更加准确的柔性机械臂动态模型是非常必要的.通过柔性机械臂动态建模方法的比较研究发现,建模中采用的柔性梁边界条件比柔性变形描述方法对柔性机械臂动态模型的精度影响更明显;研究提出了一种用于精确建立柔性机械臂动态模型的边界条件的辨识方法.另外,柔性悬挂移动机械臂的研究成果涵盖柔性悬挂移动平台振动控制㊁移动机械臂轨迹规划㊁移动机械臂稳定性研究等内容.柔性悬挂移动平台振动控制研究了两种情况下的问题:一是机械臂静止而柔性悬挂平台运动时,最优的多输入整形法能有效抑制振动;二是机械臂和柔性悬挂平台都运动时,混沌粒子群优化１２０３ 刚柔耦合动力学 轻量化协作机器人设计与控制的力学基础 解读«机器人刚柔耦合动力学»尹海斌算法可以通过寻找时间与加加速度的综合最优路径来有效地减小振动.柔性悬挂移动机械臂的轨迹追踪问题考虑了多种因素:理想的轮子纯滚动,非理想的轮子滑动,柔性悬挂移动平台与机械臂之间的相互作用.为了让多要素作用下移动机械臂的动态控制器都能精确地追踪轨迹,使用了模糊补偿器来减少不确定性因素的影响.为了解决柔性悬挂移动机械臂在通过不平路面时的稳定性问题,提出了一种半主动的变阻尼器,建立了与半主动悬架的变量相关的振动微分方程,最后得出封闭形式的移动机器人稳定性计算方法,并通过引入机器人小车的重量与不平路面引起的重心位置变化量,对动态稳定性计算方法进行了改进.３㊀机器人刚柔耦合动力学研究的科学意义３．１㊀刚柔耦合动力学研究的本质问题刚柔耦合动力学的研究包罗万象,但本质上是柔性机器人系统动力学综合优化问题.为了理解其研究的意义,我们首先来回顾一下动力学的概念及其任务.动力学源于力学的研究,它是理论力学的分支学科,主要研究物体的运动与力之间的关系.后来,动力学的概念被引申用于更多学科的研究,出现了系统动力学的概念:系统动力学主要研究系统输入与系统状态之间的关系.比如经济动力学,海洋环流动力学㊁气象动力学及生物动力学等.可见,动力学不再局限于物体的运动与力之间的关系,而是一个应用广泛的概念.图１所示为机电系统动力学问题的一般描述,在一个系统上有一定的输入作用,就会有一定的输出响应.系统的输入㊁输出及系统本身是一个系统动力学的三要素.系统动力学的研究就是对这三个要素进行研究.图１㊀机电系统动力学三要素动力学三要素对应动力学的３个任务.如图２所示,当系统未知或待求解时,需要进行系统建模或者系统辨识(m o d e l i n g o r i d e n t i f i c a t i o n ),这是第一个研究任务;当系统输出未知或需要分析系统输出状态时,需要进行系统仿真(s i m u l a t i o n )研究;当系统输入未知㊁需要确定输入时,需要研图２㊀系统动力学三任务究系统动态控制问题(c o n t r o l).对于较高要求的机电系统设计,这３个任务是相互关联的,需要整体考虑.假定某一系统动力学模型可描述如下:M (s ,K ,X )＝u其中,u 和X 为系统输入和输出状态;s 和K 为结构参数和动态控制参数.在系统输入u 的作用下,有输出状态X 的响应,该响应将受到结构参数s 与控制参数K 的影响.要想获取期望的输出响应,可以设计输入u ㊁结构参数s 和控制参数K ,三者之间是相互关联的.例如,机械臂系统设计中,期望的性能指标是要求快速并精确定位,结构轻量化设计(调整结构参数s )能提高快速性,但这又会导致刚度不足,降低定位精度.我们可以通过规划输入轨迹u 来减小激励振动,或者调整反馈控制参数K 来抑制振动.因此,柔性机器人动态控制实质上是一个统筹考虑机械臂动力学的输入㊁系统结构和反馈参数的综合优化问题,涉及到机器人动力学的建模㊁分析与控制等内容.３．２㊀机器人刚柔耦合动力学研究的意义机器人刚柔耦合动力学的研究有助于我们理解如下几类工程实践问题.对于刚性机械臂,追踪期望的轨迹时,基于动力学模型的位置控制能够提高轨迹跟踪的实时性和精度,通过内环力矩控制模式实现外环轨迹的跟踪(图３a).对于柔性机械臂,比如轻型机械臂㊁细长机械臂㊁高速重载机械臂等都属于柔性臂的范畴,它们都面临柔性结构振动的共性问题.对柔性臂进行研究就是要研究如何减小柔性结构振动㊁提高机械臂的动态性能.我们可以把这些研究归纳为两类问题:一类是性能提升(图３b ),主要是针对现有的机械臂,通过反馈控制提高机械臂动态刚度来减小因系统输入性能的提升而出现的结构振动,比如要提高某一机械臂的工作速度或负载质量;另一类是轻量优化设计(图３c),就是利用现２２０３ 中国机械工程第２９卷第２４期２０１８年１２月下半月代设计方法,依据动力学模型,设计满足约束条件和目标要求的轻型机械臂.因此,柔性机械臂动力学研究的意义在于:能够提高机械臂的轻量化程度㊁提高工作空间范围㊁提升工作性能等.对于移动机器人,纯刚性设计会出现较差的平顺性能和较弱的环境适应能力,因此,要提升移动机器人的平顺性和对环境的适应性,就要有针对性地设计具有柔顺机构的移动机器人,研究柔顺机构移动机器人平台的刚柔耦合动力学问题,确定其结构刚度与动态刚度的关系.这也可以归类为图３c中的优化设计问题.在人机动态交互过程中,刚性关节不能感知交互意图;利用机器人柔顺关节对力矩敏感的特征能够感知人机交互的意图,但是柔顺关节在运动过程中也会存在柔性结构振动的问题(图３d),协作机器人柔顺关节的阻抗控制需要跟踪力矩目标和振动控制.总之,机器人刚柔耦合动力学的研究能够提升机器人的动态性能和适应能力,具有重要的科学意义和工程实践价值.４㊀结语«机器人刚柔耦合动力学»一书对柔性机器人的建模㊁仿真与动态控制等方面的内容作了较全面的分析和介绍,主要介绍了两种典型的机器人:柔性机械臂和柔性悬挂移动机械臂.柔性机械臂的研究内容有刚柔耦合动力学建模方法㊁动力学分析与动态控制器设计,这些研究为机械臂的振动控制提供了理论与方法.柔性悬挂移动机械臂的研究内容有柔性悬挂移动机器人振动控制方法㊁多要素作用下移动机械臂的跟踪控制和路面激励下移动机器人的动态稳定性控制,这些方法为柔性悬挂移动机器人动态控制奠定了理论基础.图３㊀机器人刚柔耦合动力学研究原理图作者力图总结在机器人刚柔耦合动力学研究领域取得的一些研究成果.这些研究成果的总结能够为提高机器人的性能与品质提供理论基础和实践方法,使读者能够借鉴并用于机电设备的减振降噪㊁机器人的精确控制和性能提升㊁机械臂的轻量优化设计㊁细长等特种机械臂的设计㊁柔顺平台的开发和人机协作机器人柔顺关节的动态控制等方向.该书可以作为机械工程㊁自动化与控制工程等相关学科方向的教师㊁研究人员的参考资料,也可以作为机器人技术领域的广大工程技术人员,特别是产品开发技术人员学习和工作的参考书.(编辑㊀王旻玥)作者简介:尹海斌,男,１９７９年生,副教授㊁博士.«机器人刚柔耦合动力学»第一作者.３２０３刚柔耦合动力学 轻量化协作机器人设计与控制的力学基础 解读«机器人刚柔耦合动力学» 尹海斌。
多功能柔性机器人夹具的设计与应用
２０２０年３月第４８卷第５期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＭａｒ ２０２０Ｖｏｌ ４８Ｎｏ ５ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０２０ ０５ ０１７本文引用格式：徐平凡，肖文勋，王哲，等．多功能柔性机器人夹具的设计与应用［Ｊ］．机床与液压，２０２０，４８（５）：７８－８０．ＸＵＰｉｎｇｆａｎ，ＸＩＡＯＷｅｎｘｕｎ，ＷＡＮＧＺｈｅ，ｅｔａｌ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＭｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌＦｌｅｘｉｂｌｅＲｏｂｏｔＧｒｉｐｅｒ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０２０，４８（５）：７８－８０．收稿日期：２０１８－１２－１１基金项目：广东省青年创新人才项目（自然科学）（２０１７ＧｋＱＮＣＸ０８６）；广东省中山市科技项目（２０１９ＳＹＦ７）；中山职业技术学院重大科技项目（２０２０ＫＱ０１）作者简介：徐平凡（１９８３ ），男，硕士，副教授，研究方向为工业自动化技术与装置㊂Ｅ－ｍａｉｌ：ｐｆｘｕ０２２＠１６３ ｃｏｍ㊂多功能柔性机器人夹具的设计与应用徐平凡１，肖文勋２，王哲３，王文彬１（１．中山职业技术学院机电工程学院，广东中山５２８４０４；２．华南理工大学电力学院，广东广州５１０６４０；３．广东国哲自动化设备有限公司，广东中山５１８０００）摘要：为了解决搬运码垛机器人利用率低和更换夹具比较麻烦等问题，设计了一种多功能柔性自动切换机器人夹具，包括机架㊁夹取装置㊁吸取装置和驱动装置等㊂该夹具同时具有吸取功能和夹取功能，并可通过机械臂驱动夹具做三维运动及旋转㊂结合机器视觉识别，可在工作范围内对工件采用不同的方式进行夹取，实现一台机器人同时服务２种不同类型工件或２条生产线，大大提高了机器人的利用率㊂该夹具已应用在壁挂炉生产线的搬运机器人上，使得搬运码垛工人的数量从１０人降低到１人，工人的劳动强度大幅度降低，约１８个月收回投入成本，效果很好㊂关键词：机器人夹具；夹取装置；吸取装置；搬运码垛中图分类号：ＴＰ２４９；ＴＨ１２２ＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＭｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌＦｌｅｘｉｂｌｅＲｏｂｏｔＧｒｉｐｅｒＸＵＰｉｎｇｆａｎ１，ＸＩＡＯＷｅｎｘｕｎ２，ＷＡＮＧＺｈｅ３，ＷＡＮＧＷｅｎｂｉｎ１（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＺｈｏｎｇｓｈａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ，ＺｈｏｎｇｓｈａｎＧｕａｎｇｄｏｎｇ５２８４０４，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒ，ＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＧｕａｎｇｚｈｏｕＧｕａｎｇｄｏｎｇ５１０６４０，Ｃｈｉｎａ；３．ＧｕａｎｇｄｏｎｇＧｕｏｚｈｅＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＺｈｏｎｇｓｈａｎＧｕａｎｇｄｏｎｇ５１８０００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｌｏｗｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｔｈｅｐａｌｌｅｔｉｚｉｎｇｒｏｂｏｔａｎｄｔｒｏｕｂｌｅｓｏｍｅｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｇｒｉｐｅｒ，ｅｔｃ．，ａｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｆｌｅｘｉｂｌｅａｕｔｏｍａｔｉｃｓｗｉｔｃｈｉｎｇｒｏｂｏｔｇｒｉｐｅｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｒａｃｋ，ｃｌａｍｐｉｎｇｄｅｖｉｃｅ，ｓｕｃｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅａｎｄｄｒｉｖ⁃ｉｎｇｄｅｖｉｃｅ．Ｔｈｅｇｒｉｐｅｒｈａｄｂｏｔｈａｓｕｃｔｉｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄａｇｒｉｐｐｉｎｇｆｕｎｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｏｂｏｔｃｏｕｌｄｄｒｉｖｅｔｈｅｆｉｘｔｕｒｅｔｏｐｅｒｆｏｒｍｔｈｒｅｅ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ⁃ａｌｍｏｔｉｏｎａｎｄｒｏｔａｔｉｏｎ．Ｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｍａｃｈｉｎｅｖｉｓｉｏｎｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｗｏｒｋｐｉｅｃｅｃｏｕｌｄｂｅａｃｃｅｓｓｅｄｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｙｓｗｉｔｈｉｎａｃｅｒｔａｉｎｒａｎｇｅｔｏｒｅａｌｉｚｅｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｓｅｒｖｉｃｅｏｆｏｎｅｒｏｂｏｔ．Ｏｎｅｒｏｂｏｔｃｏｕｌｄｓｅｒｖｅｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆｗｏｒｋｐｉｅｃｅｓｏｒｔｗｏｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｉｎｅｓａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔ．Ｔｈｅｆｉｘｔｕｒｅｈａｄｂｅｅｎａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｗａｌｌ⁃ｈｕｎｇｂｏｉｌｅｒｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｌｉｎｅ．Ｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｐａｌｌｅｔｉｚｅｄｗｏｒｋｅｒｓｈａｄｂｅｅｎｒｅｄｕｃｅｄｆｒｏｍ１０ｔｏ１ｐｅｒｓｏｎ．Ｔｈｅｌａｂｏｒｉｎｔｅｎｓｉｔｙｏｆｔｈｅｗｏｒｋｅｒｓｈａｓｂｅｅｎｇｒｅａｔｌｙｒｅｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｉｎｐｕｔｃｏｓｔｉｓｒｅｃｏｖｅｒｅｄｉｎａｂｏｕｔ１８ｍｏｎｔｈｓ，ａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｓｖｅｒｙｇｏｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｒｏｂｏｔｇｒｉｐｐｅｒ；Ｇｒｉｐｐｉｎｇｄｅｖｉｃｅ；Ｓｕｃｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅ；Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｐａｌｌｅｔｉｚｉｎｇ０㊀前言随着国家煤改气工作的推进，北方对壁挂炉的需求量大幅度提升，而壁挂炉制造公司主要集中在珠三角地区，近几年南方一线劳动力持续紧缺，工业机器人成了家电制造企业生产必不可少的设备，如货物的搬运和码垛㊂在搬运应用中，工业机器人上需要安装夹具来对工件进行夹持，现有的夹具大部分都是只有一种工作方式，夹取工件或吸取工件，这２种工作方式各有各的特色，但在某些场合既需要夹取工序又需要吸取工序，因此需要设置２台机器人或更换夹具，投入成本较高㊂针对机器人夹具的快速转换，国内很多科研人员提出了不同的解决措施，主要有：（１）机器人自动换夹具［１－４］，需要单独２套夹具，更换夹具工序耗时较多；（２）采用不同分工机器人［５－６］，占地较多且成本较高；（３）夹具的改造设计［７－９］，有一定的借鉴作用，但设计复杂㊁制造难度较大，很难在实际中应用㊂为了解决工业机器人夹具的单一功能性和夹具更换效率低等问题，设计了一种多功能柔性自动切换机器人夹具，包括机架㊁夹取装置㊁吸取装置和驱动装置等㊂１㊀整体机械结构设计夹具的整体设计如图１所示㊂包括：夹具底座㊁夹取装置㊁吸取装置㊁低压装置和驱动装置等㊂其中，夹取装置和吸取装置均安装在夹具底座上，用于夹取工件和吸取工件㊂图１㊀整体机械结构图夹取装置与吸取装置分别设置于夹具底座两侧㊂吸取装置为真空吸盘，夹取装置包括２块夹板和托板，夹板一端安装于夹具底座上，托片安装于夹板远离夹具底座的另一端，可延伸至２块夹板之间㊂整个夹具还包括一条滑轨，设置在夹具底座上，滑块可沿滑轨上滑动，夹板安装在滑块上㊂抵压装置位于夹板之间，靠近夹具底座的一侧㊂驱动机构设置在夹取装置上，与托片连接并驱动托片旋转㊂２㊀机器人夹具的设计如图２所示为工装夹具的详细结构图㊂主要由夹具底座㊁夹取装置和吸取装置组成㊂夹具底座为Ｔ字型，吸取装置和夹取装置分别设置在夹具底座对称的两侧，吸取装置采用真空吸盘，通过吸真空的方式对工件进行吸取㊂在工件类型不同时，还可采用电磁吸盘等吸取方式㊂夹取装置采用多种夹手进行夹取，对不同的工件可采用不同的夹手进行夹取㊂夹取装置包括２块夹板㊁托片和抵压装置，其一端安装于夹具底座上，２块夹板互相平行；托片安装于夹板远离夹具底座的另一端，可延伸至２块夹板之间；抵压装置位于夹板之间，设置于夹板靠近夹具底座的一侧，２个抵压装置在２块夹板之间对称布置㊂对壁挂炉进行夹取时，夹取装置伸向壁挂炉，壁挂炉进入２块夹板之间的空隙，然后通过驱动机构驱动托片旋转以伸向２块夹板之间，托住壁挂炉，另一端的抵压装置向下抵压，通过抵压装置和托片共同固定住壁挂炉㊂夹板上开设有通孔，托片一端可以穿过通孔与驱动机构相连接，可使夹取装置更为简洁㊂图２㊀工装夹具结构图３㊀滑轨及驱动装置的设计为了使机器人夹具能够夹取多种规格的工件，夹具还包括一条滑轨，图３所示为滑块装置结构图㊂滑轨设置于夹具底座上，滑块可在滑轨上滑动，夹板安装于滑块上，通过滑轨与滑块可以调节２块夹板之间的距离，从而可适应多种不同规格的壁挂炉，实现简单的柔性化生产㊂图３㊀滑块装置的结构图驱动机构设置于夹取装置上，驱动机构可驱动托片运动和旋转，托片通过旋转延伸至２块夹板之间㊂工业机器人的机械臂与夹底座相连接，可驱动夹具进行三维运动及旋转㊂４㊀应用验证为了验证设计的可行性，完成了机器人夹具的制造，如图４所示为夹具３Ｄ效果图和实物图㊂㊃９７㊃第５期徐平凡等：多功能柔性机器人夹具的设计与应用㊀㊀㊀图４㊀３Ｄ效果图和实物图该夹具已安装在ＫＵＫＡ重型６轴机器人（ＫＲ１０００）上，并应用于某壁挂炉制造公司，经过试运行，获得的改造前后对比数据如表１所示㊂表１㊀改造前后对比数据工人数／人劳动强度单工位节拍（搬运和码垛）／（ｓ㊃件－１）投入成本改造前９ １１强４６约４０万／年改造后１弱９５８万㊀㊀从数据表看出：改造前，为满足生产要求，每条产线至少由３ ４人负责搬运和码垛工作，由于壁挂炉较重，工人劳动强度极大，且另需额外１名工人对码垛状态进行调整，效率低下；改造后，搬运和码垛均由机器人完成，工人仅需将底板放置在指定位，并协调和管理托运工人完成货物的装运，大大降低了现场工人的劳动强度，生产节拍达到９ｓ／件，每台机器人可以同时服务２条生产线，提高了生产效率和机器人的利用率㊂成本投入方面，大约１８个月可收回机器人应用成本，满足客户的要求㊂５㊀总结设计了一种多功能柔性自动切换机器人夹具，包括机架㊁夹取装置㊁吸取装置和驱动装置等㊂使夹具既能使用吸取方式又能使用夹取方式取用工件，并可以通过机械臂驱动夹具做三维运动及旋转㊂结合机器视觉识别，可在一定范围内对工件采用不同的方式进行取用，实现一台机器人同时服务２条生产线，大大提高了工业机器人的利用率㊂夹具已经安装在实际码垛机器人应用上，其生产节拍达到９ｓ／件，每台机器人可以同时服务２条生产线，人工数从改造前１０人降低到１人，大约１８个月可收回机器人应用成本，满足客户的要求㊂该设计依然存在待改进的地方，为了降低成本，该夹取装置和吸取装置设计成一体，所以要求货物的类型和尺寸在一定范围内㊂为解决该问题，后期应将其改成独立夹具，拼装而成㊂参考文献：［１］李万民．立板回转式快换夹具的设计和在精益生产中的应用［Ｊ］．工具技术，２０１４，４８（５）：６５－６８．ＬＩＷＭ．ＤｅｓｉｇｎｏｆＵｐｒｉｇｈｔＰｌａｔｅＲｏｔａｒｙＱｕｉｃｋＣｈａｎｇｉｎｇＦｉｘｔｕｒｅａｎｄｉｎＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＬｅａｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ［Ｊ］．ＴｏｏｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１４，４８（５）：６５－６８．［２］陈宝江，葛田子，王建治．一种包装机械手及其控制的研究［Ｊ］．包装工程，２０１４，３５（７）：９０－９４．ＣＨＥＮＢＪ，ＧＥＴＺ，ＷＡＮＧＪＺ．ＣｏｎｔｒｏｌＭｅｔｈｏｄｓａｎｄｔｈｅＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒＵｓｅｄｆｏｒＰａｃｋａｇｉｎｇｔｈｅＦｉｌｉｆｏｒｍＴｙｐｅＭａｔｅｒｉ⁃ａｌｓ［Ｊ］．ＰａｃｋａｇｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１４，３５（７）：９０－９４．［３］郝建豹，许焕彬，林炯南．基于ＲｏｂｏｔＳｔｕｄｉｏ的多机器人柔性制造生产线虚拟仿真设计［Ｊ］．机床与液压，２０１８，４６（１１）：５４－５７．ＨＡＯＪＢ，ＸＵＨＢ，ＬＩＮＪＮ．ＶｉｒｔｕａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎｏｆＭｕｌｔｉ⁃ｒｏｂｏｔＦｌｅｘｉｂｌｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＬｉｎｅＢａｓｅｄｏｎＲｏｂｏｔＳ⁃ｔｕｄｉｏ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０１８，４６（１１）：５４－５７．［４］赵建平，汪永超，夏吉兵，等．面向绿色制造的机床夹具优化选择研究［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术，２０１３（１２）：１２６－１２９．ＺＨＡＯＪＰ，ＷＡＮＧＹＣ，ＸＩＡＪＢ，ｅｔａｌ．ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＳｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆＦｉｘｔｕｒｅｆｏｒＧｒｅｅｎＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ［Ｊ］．ＭｏｄｕｌａｒＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆ＡｕｔｏｍａｔｉｃＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅ，２０１３（１２）：１２６－１２９．［５］李红果，刘新乐，徐德众，等．一种多垛型机器人码垛系统的设计［Ｊ］．包装工程，２０１７，３８（５）：４０－４３．ＬＩＨＧ，ＬＩＵＸＬ，ＸＵＤＺ，ｅｔａｌ．ＤｅｓｉｇｎｏｆＰａｌｌｅｔｉｚｉｎｇＲｏ⁃ｂｏｔＳｙｓｔｅｍｆｏｒＭｕｌｔｉｐｌｅＳｔａｃｋＴｙｐｅｓ［Ｊ］．ＰａｃｋａｇｉｎｇＥｎｇｉ⁃ｎｅｅｒｉｎｇ，２０１７，３８（５）：４０－４３．［６］叶寒，郭映芝，刘华，等．制动器箱体零件液压自动夹具的设计［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术，２０１６（５）：１４７－１５０．ＹＥＨ，ＧＵＯＹＺ，ＬＩＵＨ，ｅｔａｌ．ＤｅｓｉｇｎｏｆＨｙｄｒａｕｌｉｃＡｕｔｏ⁃ｍａｔｉｃＦｉｘｔｕｒｅｆｏｒＢｒａｋｅＢｏｘＰａｒｔｓ［Ｊ］．ＭｏｄｕｌａｒＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆ＡｕｔｏｍａｔｉｃＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｉｑｕｅ，２０１６（５）：１４７－１５０．［７］余和青，奚源．木底托上线机器人及其可调控柔性夹具的应用［Ｊ］．制造业自动化，２０１５，３７（５）：８４－８６．ＹＵＨＱ，ＸＩＹ．ＴｈｅＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＷｏｏｄｅｎＰｅｄｅｓｔａｌＯｎ⁃ｌｉｎｅＲｏｂｏｔａｎｄＡｄｊｕｓｔａｂｌｅＦｌｅｘｉｂｌｅＦｉｘｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒ⁃ｉｎｇＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，２０１５，３７（５）：８４－８６．［８］朱耀祥，融亦鸣，朱剑，等．计算机辅助组合夹具设计系统的研究．机械工程学报，１９９４，３０（５）：４０－４６．ＺＨＵＹＸ，ＲＯＮＧＹＭ，ＺＨＵＪ，ｅｔａｌ．ＳｔｕｄｙｏｎＣｏｍｐｕｔｅｒ⁃ａｉｄｅｄＭｏｄｕｌａｒＦｉｘｔｕｒｅＤｅｓｉｇｎＳｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅ⁃ｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９４，３０（５）：４０－４６．［９］张艳朋，胡建，葛丽敏，等．一种铅锭搬运机器人真空吸附夹具的设计与分析［Ｊ］．机床与液压，２０１６，４４（５）：１４２－１４５．ＺＨＡＮＧＹＰ，ＨＵＪ，ＧＥＬＭ，ｅｔａｌ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＦｉｘｔｕｒｅｏｆＲｏｂｏｔｆｏｒＬｅａｄＩｎｇｏｔＨａｎｄｌｉｎｇＢａｓｅｄｏｎＶａｃｕｕｍＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎ［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０１６，４４（５）：１４２－１４５．（责任编辑：卢文辉）㊃０８㊃机床与液压第４８卷。
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柔性机器人的设计与制造
柔性机器人是一种新型的机器人，它们使用柔软的材料和结构，具有高度的柔韧性和可人性化的特性。
这种特殊的设计，使柔性
机器人能够适应复杂的工作环境，拥有强大的可操作性和主动性
能力，因此得到了广泛的应用。
柔性机器人的设计
在柔性机器人设计中，一个核心因素就是机器人的灵活度。
柔
性机器人的边界条件比较复杂，因此它的设计也显得更加困难。
相对于传统的机器人设计，柔性机器人的设计者需要考虑到以下
几个方面：
一、材料选用。
柔性机器人的制造需要使用柔软、柔韧性高的
材料，这些材料常见的有柔性合金、硅胶、橡胶等材料。
二、关节设计。
相对于传统机器人需要使用刚性的结构，柔性
机器人的关节必须是柔软并可弯曲的。
因此，关节的设计需要考
虑到可弯曲度、耐久性等方面。
三、控制系统。
柔性机器人具有高度的可变性，因此控制系统的设计需要考虑到机器人柔性化的特性。
确保这些因素协调统一，并且满足特定任务要求和使用环境，是柔性机器人设计的核心挑战。
柔性机器人的制造
对于柔性机器人的制造来说，首先需要确定机器人的结构和材料。
在确定成型材料后，需要进行它的加工和形成。
最常见的成型方法是注塑成型或立体打印。
而关于结构的部分，因为柔软的机器人无法使用传统的机床加工，因此需要确保生产效率和质量的同时，考虑到柔性机器人无需精准加工的需求，使用一些新的技术，比如选择性激光熔化等。
柔性机器人在工业、医疗等各个领域的应用
柔性机器人的适应性非常强，它们可以满足各种不同的行业和应用场合的需求，尤其在医疗保健、航空工业等领域。
一、医疗保健。
在手术中，柔性机器人可以显著减少人工操作
的不确定性，并且可以进入更难到达的病灶进行治疗。
柔性机器
人比传统刚性机器人更加形态自由，通过相关反馈控制，可以更
准确地对人体进行细致操作。
二、航空工业。
柔性机器人可以应用在航空领域和航天领域，
对于航空器的维护、修理等方面，能够发挥出它很高的可操作性
和针对多变性的优势。
因为飞机或卫星内部空间狭小，有时候需
要对悬挂在那里的工具或设备进行操作，传统操作方式有些困难，这时就可以利用柔性机器人的优劣，在狭小空间内进行操作。
总之，随着人工智能和机器人技术的不断发展，柔性机器人的
应用前景将会越来越广阔。
尽管目前还面临一些设计和制造上的
挑战，但随着技术和工艺的不断进步，柔性机器人将成为未来最
重要的机器人开发方向之一。