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附件1
基于路徑幾何約束的高效機(jī)械手控制算法
Kang G. Shin and Neil D. McKay
Department of Electrical and Computer Engineering
The University of Michigan
Ann Arbor， Michigan 48109
摘要：傳統(tǒng)上，機(jī)械手控制運(yùn)算法則被區(qū)分為兩級(jí)，即路徑規(guī)劃和路徑跟蹤（或路徑控制）。這種劃分方法已經(jīng)被主要地應(yīng)用于減輕復(fù)雜連結(jié)的機(jī)械手動(dòng)力學(xué)。不幸的是，這種簡(jiǎn)單的劃分方法是以犧牲機(jī)械手的工作效率為代價(jià)的。
為了改善這種低效率的情況，本文認(rèn)為要使機(jī)械手在最短時(shí)間內(nèi)沿著一條指定的幾何路徑移動(dòng)受到輸入扭矩/扭力的限制。我們首先采用幾何學(xué)路徑約束引入避免碰撞和操作需求的變量函數(shù)來(lái)描述機(jī)械手動(dòng)力要求，然后將輸入扭矩/扭力的限制參數(shù)轉(zhuǎn)變成這些變量。最后最短時(shí)間的求解就可用相平面技術(shù)進(jìn)行推導(dǎo)運(yùn)算求解。
1、前言
在過(guò)去的幾年人們主要關(guān)注于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)，尤其是使用通用機(jī)器人技術(shù)。由于工業(yè)機(jī)器人的目的是為了提高生產(chǎn)力，如何使每1美元的機(jī)器人控制投入獲得盡可能多的效益成為越來(lái)越突出的問(wèn)題。通常固定成本在生產(chǎn)項(xiàng)目成本中占主導(dǎo)地位，所以人們總希望在給定的時(shí)間中生產(chǎn)盡可能多的產(chǎn)品。
有多種算法可用于最短時(shí)間或接近最短時(shí)間機(jī)械手控制運(yùn)算。這些算法通常劃分為兩個(gè)層次。第一個(gè)層次是所謂的路徑規(guī)劃，第二個(gè)層次是所謂的路徑跟蹤或路徑控制。通常路徑控制的定義是企圖實(shí)現(xiàn)讓機(jī)器人的實(shí)際位置和速度匹配理想的位置和速度。這種控制用控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂破鹘邮丈弦淮斡?jì)算的理想位置值與速度值進(jìn)行路徑位置描述，然后通過(guò)路徑跟蹤系統(tǒng)跟蹤機(jī)械手實(shí)際位置和速度得到運(yùn)動(dòng)偏差。
這樣分開(kāi)控制方案是基于機(jī)械手控制程序，如果把控制作為一個(gè)整體考慮將會(huì)非常復(fù)雜，由于幾乎最簡(jiǎn)單的機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)之后是高度地非線性甚至更復(fù)雜。把控制分為兩部分來(lái)分別處理使得整個(gè)控制過(guò)程變得簡(jiǎn)單。路徑追蹤通常是一個(gè)線性的控制算法，機(jī)械手動(dòng)力學(xué)的非線性在這一個(gè)水平時(shí)常不被考慮，如此的追蹤控制通常能得到需要的軌道并使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)與實(shí)際要求保持非常接近。使得精密加工得以實(shí)現(xiàn)，例如解析運(yùn)動(dòng)速度控制（參考文獻(xiàn)[1] ） ，突然的加速度控制（參考文獻(xiàn)[2] ）， 及斷續(xù)速度變化控制（參考文獻(xiàn)[3]-[5] ）。
不幸的是，單純地劃分為路徑規(guī)劃和路徑追蹤是以犧牲效率為代價(jià)的。效率低下的根源是路徑規(guī)劃，為了提高機(jī)械手的效率，路徑規(guī)劃時(shí)必須了解該機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性，以及準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)模型。然而，規(guī)劃運(yùn)算法則的大部份的路徑計(jì)算只與數(shù)據(jù)計(jì)算有關(guān)，有關(guān)機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)計(jì)算非常少。通常假定機(jī)械手的速度和加速度為恒定或按一定規(guī)律變化的（參考文獻(xiàn)[6，7]），并具有一定的區(qū)域邊界約束。事實(shí)上，這些約束因位置，負(fù)載大小，甚至隨有效載荷面積而改變。因此為了使邊界約束為有效的恒定值，速度面積法的邊界取值必須是速度和加速度的整體最低值；換句話說(shuō)，對(duì)于最壞情況的限制必須有效。由于機(jī)械手關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加速度有限制，可能被三個(gè)或更多的條件所約束，這些多出的約束造成機(jī)械手的效率低下。
為了提高效率，本文提出了一種依據(jù)幾何路徑和輸入扭矩/扭力上的最短時(shí)間機(jī)械手路徑控制解決方案，方案以路徑運(yùn)算法則的方式加入機(jī)械手動(dòng)力學(xué)運(yùn)算。
路徑規(guī)劃輸出真實(shí)的最短時(shí)間，作為其它可被測(cè)量的路徑規(guī)劃的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)。
注意，本文提到的問(wèn)題和解決辦法與參考文獻(xiàn) [8，9] 中的接近最短時(shí)間控制理論不同。
本文分為五個(gè)部分分別論述，第二部分描述了使機(jī)械手輸入扭矩的動(dòng)態(tài)約束方程更易于處理和控制的方法；第三部分考慮公式化－時(shí)間控制的細(xì)節(jié)問(wèn)題；第四部分用狀態(tài)－平面的技術(shù)求解最優(yōu)解；第五部分是本文亮點(diǎn)，推導(dǎo)產(chǎn)生最佳的運(yùn)動(dòng)軌跡的運(yùn)算法則；最后部分是該方法則使用意義討論。
2、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)與約束
在進(jìn)行最短時(shí)間控制問(wèn)題研究前，先考慮對(duì)系統(tǒng)的行為進(jìn)行控制，即機(jī)器人的手臂動(dòng)力學(xué)模型。有多種方法獲得的機(jī)器人臂的動(dòng)力學(xué)方程，即方程中有關(guān)位置處的綜合力和扭矩，速度扭矩和加速度。最常使用的兩種方法是拉格朗日和牛頓、歐拉公式。牛頓、歐拉公式雖然計(jì)算效率高，但卻很難用于控制問(wèn)題的遞推計(jì)算。拉格朗日雖然計(jì)算效率不高，但確實(shí)產(chǎn)生一組非常適用于機(jī)械手控制問(wèn)題的微分方程式。在這里動(dòng)力方程僅用于獲得分析結(jié)果，我們使用拉格朗日的方法得出以下機(jī)械手動(dòng)力學(xué)方程(參考文獻(xiàn)[12，13])。
qi=vi (1a)
ui=Jijqvj+Rijvj+Cijkqvjvk+Giq (1b)
式中
qi=ith 廣義坐標(biāo)
vi=ith 廣義速度
ui=ith 廣義力
Jij= 慣性矩陣
Gi = 在 ith 加上重力的力
Cijk= 科氏陣列
Rij= 粘性摩擦矩陣
愛(ài)因斯坦求和約束的使用使所有指數(shù)從1到n包含在n自由度機(jī)器人中。
慣性矩陣Jij的比例常數(shù)是施加于ith的總的扭矩/扭力與Jij上的總加速度?？评飱W利數(shù)列描述了結(jié)合 j 和 k 的速度進(jìn)入Cijk的力。粘性摩擦矩陣R給出由于速度 j 產(chǎn)生的 i 而受到的摩擦力。注意這個(gè)矩陣為對(duì)角矩陣，所有輸入數(shù)值無(wú)負(fù)值。
機(jī)器人的手臂運(yùn)動(dòng)當(dāng)然不會(huì)完全不受約束。事實(shí)上，在關(guān)節(jié)處機(jī)器人手臂必須限制在一個(gè)固定的空間運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)軌跡為給定的參數(shù)化曲線。曲線被由參數(shù) λ 的n個(gè)函數(shù)集決定，所以我們有
qi=fiλ ， 0≤λ≤λmax (2)
其中λ為理想軌跡的一個(gè)參數(shù)，當(dāng)λ從 0 到λmax變化時(shí)坐標(biāo) qi 也連續(xù)地變化且路徑不重復(fù)，即λ0=0 ，λtf=λmax .
應(yīng)當(dāng)指出，在實(shí)際空間的運(yùn)動(dòng)軌跡是建立在笛卡爾坐標(biāo)上。一般很難把曲線從笛卡爾坐標(biāo)完全轉(zhuǎn)換到機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間坐標(biāo)中，相對(duì)地執(zhí)行單個(gè)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換卻很容易。在笛卡爾的路徑上拾足夠多的點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換，利用插值法技術(shù) （例如 三次樣條函數(shù)）獲得機(jī)械臂關(guān)節(jié)空間的一個(gè)相似的軌跡。（見(jiàn)［10］為一個(gè)例子）
回到之前的問(wèn)題，我們用時(shí)間來(lái)區(qū)分參數(shù)化的qi 得到
其中μ =λ 運(yùn)動(dòng)方程沿著曲線（Le．幾何學(xué)的路徑）變成
注意，如果λ表示沿著路徑的弧長(zhǎng)，那么μ和μ分別表示沿著路徑的速度和加速度。
基于這種參數(shù)化有兩個(gè)狀態(tài)變量，即λ和μ，但有（n + 1）個(gè)方程。選擇方程λ=μ和剩余方程序之一為狀態(tài)方程，其他方程作為輸入 μ 的約束。將ith乘以dfi(λ)dλ 就可以從給出的n個(gè)方程中得到一個(gè)狀態(tài)方程
這個(gè)公式有個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)，在約束函數(shù)導(dǎo)出的向量中參數(shù)μ是二次的，當(dāng)一階導(dǎo)數(shù)存在時(shí)曲線可以進(jìn)行參數(shù)化，且慣性矩正定，整個(gè)的方程能被正的、非零的參數(shù)μ分開(kāi)，由λ和μ得到μ的一個(gè)解?，F(xiàn)在得到二個(gè)狀態(tài)方程，而最初的n個(gè)方程則由輸入和 μ 約束（關(guān)于這方面將在后面討論）。
通過(guò)變換，狀態(tài)方程變?yōu)?
現(xiàn)在考慮由|ui|≤umaxi和公式（4a）限制的約束，動(dòng)態(tài)方程（4a）可以寫(xiě)成這樣的形式：ui=gi(λ)u+hi(λ，μ). 對(duì)于一個(gè)給定的狀態(tài)，也就是給定的 h 和，u，這是一個(gè)參數(shù)p的一組線性參數(shù)方程，約束存在于輸入變化區(qū)間及因輸入變化形成的約束矩陣中。因此把矩陣約束在u上，通過(guò)方程參數(shù)使輸入扭矩/扭力變化的所有位置、速度在路徑上彼此限制，給出初始的(λ，μ）及u的大小，如果知道機(jī)械手關(guān)節(jié)處的輸入扭矩、扭力這樣就能用數(shù)的處理來(lái)代替n個(gè)矢量的處理進(jìn)而得到一系列的約束（路徑狀態(tài)方程）。
因?yàn)樾阅芡耆蓇決定，我們用-umaxi≤ui≤+umaxi于是有：
簡(jiǎn)化：
于是得到：
注意：前面的方程都是λ的函數(shù)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，功能的依賴性在下面的計(jì)算不再指出。
給出的控制不等式：
另一種格式：
LBi≤u≤UBi，這些參數(shù)由n決定，u滿足：maxLBi≤u≤minUBi 或者
GLB(λ，μ)≤u≤LUB(λ，μ) （7e）
路徑計(jì)劃要呈現(xiàn)的運(yùn)算法則與之前依照慣例得到方程的不同，可知參數(shù)λ 是笛卡爾的空間的弧長(zhǎng)，μ是速度，μ是幾何加速度。傳統(tǒng)路徑規(guī)劃把加速度劃分為幾個(gè)常數(shù)間隔，于是：
GLB(λ，μ)≤umin≤u≤umax≤LUB(λ，μ)
式中umin 和 umax是常數(shù)。傳統(tǒng)方法把加速度進(jìn)行了過(guò)多的約束，使速度也有過(guò)多的約束。
3、最佳控制問(wèn)題的公式化
現(xiàn)在我們得到根據(jù)幾何路徑和輸入系統(tǒng)規(guī)定參數(shù)的機(jī)械手動(dòng)力方程，就可以分析實(shí)際控制問(wèn)題了。機(jī)械手控制的目的是以最小的輸入得到最大的動(dòng)力輸出，這可以用最佳控制語(yǔ)言來(lái)描述，常用的方法使龐特里亞金最大值原理[11]。最大值問(wèn)題即點(diǎn)的連接問(wèn)題，除了一些簡(jiǎn)單的點(diǎn)不能使用閉環(huán)控制，而且很難以數(shù)字的方式解決。我們使用最大值原理獲得加工質(zhì)量而不僅僅是獲得方程的解，這個(gè)解將用于之后的最小時(shí)間求解。
考慮實(shí)際情況，最低成本即最短加工時(shí)間，就是求機(jī)械手運(yùn)動(dòng)最大速度，可以表示為：
C=0tf l ? dt (8)
這里tf由電子激光器決定，價(jià)值函數(shù)C必須服從下面給出的3個(gè)約束：機(jī)械手的動(dòng)力微分方程約束（即式（6a），(6b)）;輸入量要求，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器輸入扭矩允許范圍要求（即|ui|≤umaxi）；第三個(gè)參數(shù)是空間參數(shù)設(shè)置，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到達(dá)指定工位不能與如何物體相碰。假定理想的幾何方程已經(jīng)把最小時(shí)間控制參數(shù)化，就像之前希望的（即等式（3）），但最初的點(diǎn)為λ=0，結(jié)束點(diǎn)為λ=λmax且dfidλ存在，這樣保證（6a），（6b）存在，同時(shí)當(dāng)λ從0到λmax方程是單調(diào)的。把這些代入動(dòng)力方程，我們得到如下的最短時(shí)間方程（簡(jiǎn)稱MTPP）。
MTPP：求出x0=λ0，μ0和ui0 通過(guò)將式（8）代入（6a），(6b)， |ui|≤umaxi ，及邊界條件
μ0=μ0 , μtf=μf (9a)
λ0=0 , λtf=λmax (9b)
3.1、最大原則的應(yīng)用
為了使0≤λ≤λmax需要增加一個(gè)第三個(gè)狀態(tài)方程，第三狀態(tài)v，并要求：
v=λ2l-λ+λmax-λ2lλ-λmax (10)
其中：lx=1 (x≥0) 0 (x<0)
v≥0要求邊界約束v0=vtf=0這樣v無(wú)限接近0，當(dāng)λ在0≤λ≤λmax中間隔取值使v無(wú)限接近0。
在對(duì)狀態(tài)方程進(jìn)行變化前，先定義函數(shù)：
這樣就可以簡(jiǎn)化公式，得到：
區(qū)間M表示機(jī)械手功能的二次形式，如果把參數(shù)qi加入到動(dòng)能方程，得到K=Mμ2/2 ；Q表示科里奧利的組成和沿著路勁加上參數(shù)化的地心引力；區(qū)間R表示摩擦力，S給出沿著路勁的地心引力，U表示輸入重力區(qū)間。
之前的MTPP可以這樣變化
將（8）代入（11a），(11b)，(11c)，(7d)，(9a)，(9b)求y0=λ0，μ0，v0和U0的極小值，通過(guò)MTPP變換哈米爾頓函數(shù)變?yōu)椋?
或使用前面的替換得到哈米爾頓函數(shù)
對(duì)μ求導(dǎo)，
對(duì)λ求導(dǎo)，
最后對(duì)v求導(dǎo)，
應(yīng)用最大值原理，我們需求出H在（12b）中的最小值，聯(lián)合各式（11a），(11b)，(11c)，(9a)及（7b），且H必須滿足邊界條件。
這里y是矢量（λ，μ，v）的狀態(tài)向量，我們得到一個(gè)簡(jiǎn)單的輸入?yún)^(qū)間
在式（14）中知道H不明確依賴t，也可以看作 是由約束（9）和vtf=0得到。
注：哈米爾頓函數(shù)（12b）在U上線性，且由于ui和dfidλ在[0，λmax]有界使得U有界，這就要求U的最優(yōu)解必須滿足繼電氣控制邏輯，
在最優(yōu)軌跡上任意點(diǎn)的式（12b）中U的解是U的最大或最小值，通過(guò)對(duì)ui求導(dǎo)得到U的極值，關(guān)于ui的等式約束為ui=gi(λ)μ+ hi (λ，μ)，得到
由于U的繼電器控制和給定的參數(shù)（λ，μ）U的大小線性地跟隨μ，μ也必須滿足繼電氣控制邏輯。因此μ等于GLB(λ，μ)或LUB(λ，μ)。再考慮三維空間，μ作用于不均等加工時(shí)輸入等式約束線上一點(diǎn)，如果 i－th 的聯(lián)合輸入在約束的一邊慢慢趨近于最大值，將推使機(jī)械手向正方向推動(dòng)。
無(wú)論輸入的系數(shù)是否為零以上的推論都成立，即p2在（13a）中不為0。如果p2只在孤立的點(diǎn)處為0，則得到各處的最佳控制。另一方面，如果p2在某些區(qū)間內(nèi)為0，我們有下列的定理。
定理1：如果p2在區(qū)間[t1，t2] (t1
S0>Umin(0) 則p2(0)<0，p2(tf)>0 ;
證明：已知0≤λ≤λmax則當(dāng)t=tf有μ≤0，又μtf=0，則當(dāng)tλmax。但在tf處μtf=M-1U-S<0，又M>0于是U-S<0，在時(shí)間tf時(shí)H的值為0，則
如果p2(tf)≤0，那么Htf>0，矛盾，故有p2(tf)>0；
確定p2(0)的符號(hào)及μ（0）的大小，同理可得μ0>0 ，則U-S>0，使用繼電器控制于是有U=Umax否則 U=Umin且Umin-S<0，但如果U=Umax則p2<0，于是p2(0)<0.
這些理論的一個(gè)重要原則是開(kāi)關(guān)點(diǎn)個(gè)數(shù)為奇數(shù)，如果開(kāi)關(guān)點(diǎn)個(gè)數(shù)為偶數(shù)，p2(tf)的符號(hào)將和p2(0)的符號(hào)相同，則sinp2tf=（-1）msin( p20)其中m為符號(hào)變化次數(shù)。
4、相平面解釋
在相位平面中審查系統(tǒng)行為，相位平面軌跡的方程由方程（11 b ）及（11 a）獲得
有趣的是整個(gè)時(shí)間T從開(kāi)始到結(jié)束可以寫(xiě)為
然后將得到給定的整體最小參數(shù)，這就希望μ越大越好。
參數(shù)μ有兩個(gè)影響因數(shù)：運(yùn)動(dòng)軌跡的斜率和μ值的大小。用μ除以μ得到dμdλ=μμ ；為了得到μ就必須考慮μ的范圍，通過(guò)λ和μ的特征值，我們有LUB(λ，μ)< GLB(λ，μ)， μ不存在允許值。對(duì)于λ的每個(gè)值，對(duì)應(yīng)一個(gè)由不等式UBi(λ，μ)- LBi (λ，μ)≥0決定的μ值。對(duì)于所有的i，j不等式UBi(λ，μ)- LBi (λ，μ)≥0都成立。不等式?jīng)Q定的區(qū)間重合處相平面的軌跡不能丟失，這一區(qū)域?qū)?huì)作為i和j不等式最大、最小相位檢測(cè)區(qū)，即
對(duì)不等式進(jìn)行變化
或
除以Mi?Mj
左邊是關(guān)于μ的二次方程，如果對(duì)于所有的i，Si≤umaxi成立，則μ=0時(shí)上面的不等式成立，就能從二次方式中得到μ的邊界值。
引入簡(jiǎn)化方程：
不要把Cij和C或Cijk弄混了，于是不等式簡(jiǎn)化為：
Aijμ2+Bijμ+Cij+Dij≥0 (17b)
注：由定義Aij=-Aji，Bij=-Bji，Cij=-Cji，Dij=-Dji，對(duì)于所有的i和j能被互相交換、對(duì)稱或者系數(shù)的反對(duì)稱，得到不等式
-Aijμ2-Bijμ+Cij-Dij≥0 (17c)
當(dāng)i≠j時(shí)，有n(n-1)/2對(duì)方程，n為機(jī)械手自由度數(shù)。
5、最佳軌跡確定
為了說(shuō)明我們先找出一個(gè)無(wú)摩擦機(jī)械手最優(yōu)軌跡的運(yùn)算法則，運(yùn)算法則包含普通情況，在零磨擦情況，我們有n（n -1)/2 個(gè)關(guān)于μ的解，每一個(gè)解都是關(guān)于μ=0對(duì)稱的。在相平面內(nèi)沒(méi)有需要避開(kāi)的孤島，唯一的限制是 μ由一對(duì)連續(xù)的曲線軌跡分段連續(xù)導(dǎo)出。最佳的軌跡能構(gòu)建在叫做構(gòu)建無(wú)摩擦最優(yōu)軌跡運(yùn)算法則（簡(jiǎn)稱ACOTNF）。
第一步：從λ=0，μ=μ0構(gòu)建具有最大加速度值的軌跡，延長(zhǎng)這一曲線直到它在相平面內(nèi)穿越過(guò)可行域或越過(guò)λ=λmax，注意“離開(kāi)可行域 " 暗示如果軌道的一部份碰巧與可行域接口的一個(gè)斷面重合，那么軌跡應(yīng)該沿著接口被延長(zhǎng)，直到碰觸到可行域的邊緣，否則軌跡將不連續(xù)。
第二步：從λ=λmax，μ=μf 轉(zhuǎn)折點(diǎn)建立第二個(gè)曲線軌跡，它是一個(gè)減速曲線。這一個(gè)曲線應(yīng)該被延長(zhǎng)，直到它離開(kāi)可行域或越過(guò)λ=0。
第三步：這兩個(gè)曲線交點(diǎn)即轉(zhuǎn)折點(diǎn)，從λ=0到轉(zhuǎn)折點(diǎn)的第一條曲線和從轉(zhuǎn)折點(diǎn)到λ=λmax的第二條曲線組成運(yùn)動(dòng)的最佳軌跡。運(yùn)算法則到此次結(jié)束。
第四步：如果兩條曲線在區(qū)域內(nèi)不相交，那么它們一定離開(kāi)可行域，稱加速度離開(kāi)可行域的點(diǎn)為λ1，這是可行域邊界曲線上的一個(gè)點(diǎn)。如果邊界曲線由μ=g(λ)給出，從λ1處沿著曲線搜索，直到找到點(diǎn)使 dμdλ=dgdλ 。這個(gè)點(diǎn)作為下一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)，記為λd。
第五步：從λd向后建立一個(gè)減速曲線，直到它與加速曲線相交，這樣得到另一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。
第六步：從λd建立一個(gè)加速曲線，延長(zhǎng)曲線直到它與減速曲線相交或者離開(kāi)可行域。如果它與減速曲線相交，那么得到另一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。如果曲線離開(kāi)可行域，那么重新計(jì)算第四步。
這個(gè)運(yùn)算法則依次交替加速減速計(jì)算給出最佳的運(yùn)動(dòng)軌跡，在討論軌道的最優(yōu)性之前，必須保證ACOTNF 的所有階段是可行的而且 ACOTNF 會(huì)結(jié)束。
回到最初的問(wèn)題，步驟1、2、3、5、6明確可行，但是第4步要求找到函數(shù)的0點(diǎn)。在給定的狀態(tài)之下，函數(shù)至少存在一個(gè)零點(diǎn)嗎？回答是的，可由下證明：
注意，在λ=λ1處 ，曲線軌跡從可行域溢出。
同樣地，在點(diǎn)λ=λ2 處減速曲線在可行域外經(jīng)過(guò)，軌跡一定穿過(guò)內(nèi)部。如果在這些點(diǎn)處可行域的邊界曲線的斜率連續(xù)，那么我們有
g(λ)是可行域邊界方程，dμdλ=dg（λ）dλ的值必須在λ1和λ2之間變化。如果 g（λ ）在這一范圍內(nèi)連續(xù)，那么至少存在一個(gè)零點(diǎn)。然而， g（ λ ）只是大體上分段地可見(jiàn)，所以可能導(dǎo)出不連續(xù)的點(diǎn)，這種情況有可能「零點(diǎn)不存在」，事實(shí)上零點(diǎn)總是存在的，我們通過(guò)下列的定理證明。
定理3a：左導(dǎo)數(shù)使?λ=dμdλ-dg（λ）dλ，如果?λ1>0且?λ2<0，則?λ在區(qū)間[λ1，λ2]至少存在一個(gè)零點(diǎn)。
證明：如果g（ λ ）的微分在區(qū)間[λ1，λ2]連續(xù)，那么一定存在一個(gè)零點(diǎn)。如果g（ λ ）不連續(xù)，假設(shè)不存在零點(diǎn)，則在g（ λ ）溢出區(qū)間存在一個(gè)或更多的點(diǎn)，符號(hào)變化發(fā)生于這一個(gè)或更多的這些點(diǎn)。
如果不是這樣，那么在g（ λ ）存在一個(gè)符號(hào)變化的點(diǎn)使g（ λ ）微分連續(xù)，而且因此會(huì)有一個(gè)零點(diǎn)。兩個(gè)限制參數(shù)記為g1，g2;g1作用于λ<λd，g2作用于λ>λd，由limλ>0>limφλ有
對(duì)于ε>0我們有代入約束，由g（ λ ）=min gi（ λ ）得g1 λd+ε λdi的約束解，和假設(shè)矛盾。這樣至少存在一個(gè)點(diǎn)使?λ為零。這一個(gè)定理的圖解意義在圖 7 說(shuō)明。從圖中看出， g（ λ ）一定超出區(qū)域，且?λ是分段連續(xù)的，曲線向上跳躍。證明完畢。
為了要證明ACOTNF 結(jié)束，我們對(duì)函數(shù)fi(λ) 進(jìn)行一些假設(shè) ，假設(shè)fi可分段求解且由有限個(gè)不含實(shí)際價(jià)值的數(shù)組成。非正式地，因?yàn)閼T性矩陣，科里奧利數(shù)列，重力加速度等是全局解析函數(shù)，而且自從路徑被限制之后是分段求解的，我們已經(jīng)處理的所有函數(shù)也是分段求解的，函數(shù)?λ也是分段求解的，于是將會(huì)因此在每個(gè)區(qū)域中產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)或有限個(gè)零點(diǎn)。如果?λ間隔地為0，軌跡將沿著邊界停止在間隔結(jié)束的地方，相同的零間隔不會(huì)引起問(wèn)題。只有間隔的最右面點(diǎn)可能是一個(gè)交換點(diǎn)，因此只有如此有限的間隔會(huì)引起ACOTNF 有限的反復(fù)。如此收斂被保證，因此有限數(shù)目的解域我們有下列的定理：
定理3b：如果函數(shù)fi有有限個(gè)實(shí)際價(jià)值解，那么函數(shù)?λ存在一定數(shù)量的間隔結(jié)束于區(qū)域外的零。
證明：慣性矩陣，科里奧利陣列，重力加速度在 qi 中分段解，fiλ在λ處的解等等作為λ函數(shù)（就像公式（4a）和(4b)）的分段解或有限的單解。公式（7b）中的M，Q，R，S也是單個(gè)的解。一個(gè)在有限區(qū)間內(nèi)沒(méi)有奇點(diǎn)的實(shí)際價(jià)值的解析函數(shù)，一定存在有限個(gè)零點(diǎn)或同一零點(diǎn)，工程量M必須在區(qū)間內(nèi)為零。如果假設(shè)
我們可以得到所有的Mi零點(diǎn)。如果其中一個(gè)Mi不為零，就不存在邊界曲線，就沒(méi)有零點(diǎn)。只要有兩個(gè)或更多不為零的點(diǎn)，就可得到邊界曲線。坐標(biāo)i，j代入式(17b)(用=代替≥)得到曲線，式（17b）中系數(shù)A，B，C，D排除在Mi中的零之外，由于Mi存在零點(diǎn)，考慮用Mi中的零點(diǎn)進(jìn)行區(qū)間分割。在每個(gè)小區(qū)間內(nèi)，只有一個(gè)（17b）方程有效。在區(qū)間內(nèi)μ是λ的一個(gè)解，邊界曲線g（ λ ）是特解，?λ也是特解且在每個(gè)區(qū)間內(nèi)存在一個(gè)或數(shù)個(gè)零點(diǎn)。由于?λ在區(qū)間內(nèi)存在一個(gè)或數(shù)個(gè)零點(diǎn)，因此區(qū)間個(gè)數(shù)是有限的，且結(jié)束于區(qū)域外的零。證明完畢。
定理4：由ACOTNF產(chǎn)生的任何軌跡在最短時(shí)間控制上是最優(yōu)的。
證明：該定理的證明是直接證明。假設(shè)一個(gè)軌跡比由ACOTNF算法產(chǎn)生的軌跡有更小的運(yùn)動(dòng)時(shí)間。由等式（8）可知，必然存在λ使新軌跡上的點(diǎn)（λ，μ’）高于ACOTNF軌跡上的點(diǎn)（λ，μ），即μ’>μ。否則，就不存在一個(gè)運(yùn)動(dòng)時(shí)間更短的軌跡。我們根據(jù)最大原則分析可知解不唯一，即存在數(shù)條最大加減速曲線，所以我們只能應(yīng)用那些不確定的軌跡。現(xiàn)在有四種可能，（λ，μ’）可能位于ACOTNF軌跡初始的加速段，也可能位于最后的減速段，也有可能位于其他的加速或減速軌跡上。在第一種情況下，新軌跡的初始值必須大于ACOTNF的初始值。否則，新的軌跡必須在某些點(diǎn)上具有比ACOTNF更大的加速度，而這是不可能的，因?yàn)锳COTNF軌跡擁有可允許的最大加速度。新軌跡因此就可能達(dá)到合適的臨界條件。第二種情況與之類(lèi)似。因?yàn)椋é?，μ’）點(diǎn)在ACOTNF軌跡上，新軌跡必須比擁有最大的減速度的ACOTNF軌跡減速更快才能達(dá)到相同的臨界條件。這也是不可能的，因?yàn)锳COTNF使用最大的減速度。在第三種情況下，（λ，μ’）在其他的加速軌跡上，在這種情況下，通向（λ，μ’）點(diǎn)的軌跡必須移出可行域的邊界。否則，這些軌跡必須通過(guò)ACOTNF軌跡的加速階段，因?yàn)樗鼈兺ㄟ^(guò)邊界上的一個(gè)點(diǎn)。新軌跡在該相交點(diǎn)的加速度將大于ACOTNF的軌跡，同樣，這也是不可能的。最后一種情況與前者類(lèi)似。從（λ，μ’）出發(fā)的加速或者減速軌跡必須要么與可行域的邊界相交，要么比ACOTNF減速軌跡減速快，因此，無(wú)解。證明完畢。
這種產(chǎn)生最優(yōu)軌跡的方法可以在相位平面內(nèi)任何有可行域的情況下工作，而不只是無(wú)摩擦的情況?；舅枷胧菬o(wú)限接近可行域的邊緣而不超出它。因此軌跡僅僅是沒(méi)有接觸到非可行域。在實(shí)際中這當(dāng)然會(huì)很危險(xiǎn)，因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)輸入和測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)的小錯(cuò)誤都將很可能使機(jī)器人偏離預(yù)定的軌跡。然而從理論上說(shuō)，這個(gè)軌跡是最節(jié)約時(shí)間的。
我們現(xiàn)在考慮一般的情況，即摩擦力足以使相位平面產(chǎn)生孤島。在這種情況下，該算法必須用一種超微不同的形式來(lái)展現(xiàn)。因?yàn)榇嬖跀?shù)條邊界曲線而不是一個(gè)，不可能像ACOTNF中做的那樣只研究零點(diǎn)的一個(gè)函數(shù)。因此我們不再在算法過(guò)程中尋找零點(diǎn)，而是一次性的全找出來(lái)。然后建立沒(méi)有邊界的軌跡，不管這些邊界是可行域的邊緣還是孤島的邊緣。合適的軌跡可以通過(guò)搜索結(jié)果曲線圖找到——一直選擇盡可能高的軌跡，有必要的話回溯。更正式的，最優(yōu)軌跡建立算法是：
第一步：建立初始的加速軌跡。（與ACOTNF相同）
第二步：建立最終的減速軌跡。（與ACOTNF相同）
第三步：計(jì)算可行域邊線和所有的孤島邊線的函數(shù)?（λ）。在每一個(gè)零點(diǎn)，建立一個(gè)以零點(diǎn)為轉(zhuǎn)換點(diǎn)的軌跡，就像ACOTNF的第五步和第六步。轉(zhuǎn)換方向（加速到減速或者反過(guò)來(lái)）應(yīng)該以不使軌跡離開(kāi)可行域?yàn)闇?zhǔn)來(lái)選擇。延長(zhǎng)每條軌跡，使它或者離開(kāi)可行域或者通過(guò)λmax.
第四步:找到軌跡的所有交點(diǎn)。這是潛在的轉(zhuǎn)換點(diǎn)。
第五步：從λ=0，μ=μC穿過(guò)網(wǎng)格，這些網(wǎng)格是由從起始點(diǎn)到終點(diǎn)的最高的軌跡形成的。這在下面的網(wǎng)格穿越算法中有介紹。
穿越有上面的第三步和第四步產(chǎn)生的軌跡形成的網(wǎng)格是對(duì)曲線圖的一個(gè)搜索，目的是要找到最終的減速軌跡。如果設(shè)想一個(gè)人沿著這些軌跡搜索這些網(wǎng)格，那么如果這可能的話他就會(huì)一直左轉(zhuǎn)。如果一個(gè)轉(zhuǎn)向引向了死角，那么就有必要回溯，然后就向右轉(zhuǎn)了。整個(gè)過(guò)程是遞歸的，就像瀏覽樹(shù)狀圖的過(guò)程一樣。
算法包含兩個(gè)過(guò)程，一個(gè)是搜索加速曲線，另一個(gè)搜索減速曲線。算法是：
加速搜索：在當(dāng)前的（加速）軌跡上，找到最后一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)。在這一點(diǎn)，當(dāng)前的軌跡到達(dá)一個(gè)減速軌跡。如果那條曲線是最終的減速軌跡，那么現(xiàn)在考慮的轉(zhuǎn)換點(diǎn)就是最終的最優(yōu)軌跡的一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)。否則，從當(dāng)前的轉(zhuǎn)換點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行減速搜索。如果減速搜索成功，那么當(dāng)前的點(diǎn)就是最優(yōu)軌跡的一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)。否則，沿當(dāng)前的加速曲線回到前一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)，重復(fù)這個(gè)過(guò)程。
減速搜索：在當(dāng)前的（減速）軌跡，找到第一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)。從該點(diǎn)開(kāi)始應(yīng)用加速搜索。如果成功，那么當(dāng)前的點(diǎn)就是一個(gè)最優(yōu)軌跡的轉(zhuǎn)換點(diǎn)，則前移至下一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)并重復(fù)這個(gè)過(guò)程。
這兩個(gè)算法一直是首先尋找速度最高的曲線，因?yàn)榧铀偎阉骺偸菑募铀偾€的末端開(kāi)始，而減速搜索總是從減速曲線的開(kāi)端開(kāi)始。因此算法找到（如果有可能）速度最快的軌跡，因此搜索時(shí)間最短。
這個(gè)算法的最優(yōu)性和一致性的證明實(shí)質(zhì)上與ACOTNF是一樣的，這里不再重復(fù)。注意在ACOTNF的一致性證明中，在零摩擦情況下只存在一條邊界曲線的事實(shí)沒(méi)有用到；因此同樣的證明也適用于高摩擦條件下。
6.討論和總結(jié)
在這篇文章里，我們展示了一種獲得在提供理想的幾何軌跡和輸入扭轉(zhuǎn)約束力的條件下機(jī)械手運(yùn)動(dòng)最小時(shí)間控制軌跡的方法。
就像前面提出的，最優(yōu)軌跡可能接觸到可行域的邊界，產(chǎn)生相當(dāng)危險(xiǎn)的情況。但是，如果在計(jì)算中使用略微保守的扭轉(zhuǎn)約束值，那么實(shí)際的可行域就會(huì)略微大于計(jì)算可行域，留出失誤的空間。
在高摩擦和低摩擦情況下的算法都已經(jīng)展示了。在這兩種情況下，算法產(chǎn)生“僅僅丟失”非可行域的軌跡，不管丟失的非可行域部分是一個(gè)孤島還是有較高的速度限制形成的域。
假設(shè)機(jī)器人的輸入轉(zhuǎn)矩被約束，我們得到一個(gè)測(cè)試機(jī)器人沿給定的空間路徑運(yùn)動(dòng)的最小時(shí)間開(kāi)環(huán)控制的算法。但是，對(duì)不同的輸入?yún)?shù)也應(yīng)該可能獲得解。因?yàn)樵撍惴óa(chǎn)生真正的最小時(shí)間解，而不是一個(gè)近似值，所以該算法的結(jié)果能夠?yàn)槠渌穆窂皆O(shè)計(jì)算法提供一個(gè)絕對(duì)的測(cè)量參考。
參考文獻(xiàn)
[1] D. E. Whitney, "Resolved motion rate control for manipulators and human prostheses", IEEE Trans on Man-Manchine Systems, vol. MMS-10, pp. 47-53, June 1969.
[2] J. Y. S Luh, M. W. Walker, and R. P. C. Paul, "Resolved acceleration control of mechanical manipulators", IEEE Trans on Automatic Control, vol. AC-25, no. 3, pp. 468-474, June 1980.
[3] S. Dubowsky and D. T. DesForges, 'The application of model-referenced adaptive control to robot manipulators",ASME J DSUC, vol. 101, pp. 193-200, September 1979.
[4] A.J. Koivo, and T. -H. Guo, "Adaptive linear controller for robotic manipulators", IEEE Trans. on Automatic Control.vol. AC-28, no. 2, pp. 162-1 70, February 1983.
[5] B.K. Kim, and K. G. Shin, "An adaptive podel following control of robotic manipulators", to appear in IEEE Trans Aerospace and Electronic Systems.
[6] J.Y. S. Luh and M. W. Walker, "Minimum-time aiong the path for a mechanical manipulator", Proc . of the IEEE CDC, Dec. 7-9, 1977, New Orleans, pp. 755-759.
[7] J.Y. S. Luh, and C. S. Lin, "Optimum path planning for mechanical manipulators", .4,5,VE Jounzal 3f Dynarzic Systems, Mearurement and Control , vol. 2, pp. 330-335, June 1981.
[8] M.E. Kahn and B. E. Roth, "The near minimum-time control of open-loop articulated kinematic chains", .ASME J . DSMC, vol. 93, no. 3, pp. 164-1 72, September 1971.
[9] B.K. Kim and K. G. Shin, "Near-optimal control of industrial manipulators with a weighted minimum time fuel criterion", to appear in Proc. 22nd CDC: San Antonio, TX., Dec. 1983.
[10] C.-S. Lin, P.-R. Chang, and J. Y. S. Luh, "Formulation and optimization of cubic polynomial joint trajectories for mechanical manipulators", Proc . 21 CDC, Orlando, FL., Dec. 1982.
[11] D. E. Kirk, Optimal control theory: an introduction , Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1971, pp, 227-238.
[12] R. P. C. Paul, Robot manipulators: Mathematics. programming. and control, MIT Press, Cambridge, Mass., 1981, pp. 157-1 95.
[13] D. Ter Haar, Elements of Hamiltonian mechanics , Secondedition, Pergamon Press, 1971, pp. 35-49.
附圖：
附件2
外文資料
沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯成績(jī)?cè)u(píng)定
沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)于2015 年 6 月 5 日 審查了 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專(zhuān)業(yè) 1103班 的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）。
設(shè)計(jì)（論文）題目： 上料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)（論文）專(zhuān)題部分： 上料機(jī)械手結(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)（論文）共 34 頁(yè)，設(shè)計(jì)圖紙 3 張
指導(dǎo)教師：
評(píng) 閱 人：
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)意見(jiàn)：
成績(jī)：
學(xué)院答辯委員會(huì)
主任委員（簽章）
年 月 日
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)答辯記錄
專(zhuān)業(yè)班級(jí):機(jī)制 1103 學(xué) 號(hào)：311202411 姓 名:張輝
答辯內(nèi)容記錄:
記錄人：
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)閱教師評(píng)閱意見(jiàn)表
專(zhuān)業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班級(jí)
1103
姓名
張輝
題目
上料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
評(píng)
閱
人
評(píng)
語(yǔ)
張輝同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)題目為上料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，經(jīng)檢查得出以下結(jié)論：
1．完成圖紙和設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)的規(guī)定畢業(yè)設(shè)計(jì)的工作量。
2．設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)參數(shù)選取及計(jì)算正確，應(yīng)用基礎(chǔ)理論知識(shí)的能力較強(qiáng)，文中插圖較合理。
3．結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較好， 視圖表達(dá)較為清晰，能用計(jì)算機(jī)進(jìn)行繪圖。
4．具有良好的專(zhuān)業(yè)知識(shí)基礎(chǔ)，能夠結(jié)合題目進(jìn)行分析運(yùn)算，基礎(chǔ)概念清楚。
5．能夠結(jié)合題目查閱技術(shù)文獻(xiàn)，參考文獻(xiàn)較多。
可以參加答辯。
簽字： 2015年 5月 25日
沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院
本科畢業(yè)論文
題 目： 上料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)： 1103
學(xué)生姓名： 張輝
指導(dǎo)教師： 趙艷春
論文提交日期： 2015 年 6 月 1 日
論文答辯日期： 2015 年 6 月 5 日
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2020年5月13日
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摘要
工業(yè)機(jī)械手是近十幾年新興發(fā)展的一個(gè)高科技行業(yè)，它的發(fā)展可謂是突飛猛進(jìn)，機(jī)械手的迅猛發(fā)展體現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人的進(jìn)步，它的特點(diǎn)是可通過(guò)編輯好的程序來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上以兼?zhèn)淙撕蜋C(jī)器的各自優(yōu)點(diǎn)而獨(dú)具特色，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性，機(jī)器的耐勞性和不具危險(xiǎn)的能力，在各大領(lǐng)域的發(fā)展前景一片明朗，伴隨著工業(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)，大大升華了勞動(dòng)生產(chǎn)率，但數(shù)控加工中常見(jiàn)的上下料工序，習(xí)以為常的采用人工操作或傳統(tǒng)繼電器控制的半自動(dòng)化裝置，前者耗費(fèi)時(shí)間、效率低下、而后者因結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，需大量的繼電器，接線比較繁瑣復(fù)雜，容易被車(chē)體抖動(dòng)所干擾，而存在較多的不可靠性、容易發(fā)生故障、維修不方便等問(wèn)題，可編程序操控器PLC控制的上下料機(jī)械手控制系統(tǒng)動(dòng)作簡(jiǎn)易、線路排列合理、具備很強(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，是一門(mén)跨學(xué)科領(lǐng)域的全面性技術(shù)。
我們?cè)O(shè)計(jì)一臺(tái)上料機(jī)械手，用于輸送物料。通過(guò)對(duì)機(jī)械手各主要組成部分（手部、手腕、手臂和機(jī)身等）分析，從而確定各主要組成部分的結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上對(duì)機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，從而確定裝配總圖。
關(guān)鍵詞: 機(jī)械手; 設(shè)計(jì)； 手部; 手臂； 機(jī)身； 結(jié)構(gòu)
Abstract
Industrial manipulator is nearly 10 years emerging development of a high-tech industry, its development is by leaps and bounds, the rapid development of robots reflected the progress of the industrial robot, its characteristic is by editing the homework tasks to complete various expected good programs, to have both humans and machines on structure and performance of their respective advantages and unique, especially reflects people's intelligence and adaptability, the hardiness of the machine and the ability to not hazardous, in each big development prospects in the field of a clear, with the development of industrial automation, CNC machining center, it while reduce the labor intensity of workers, sublimate the labor productivity greatly, but common loading during the n c machining process, habitual use manual or semi-automatic device of traditional relay control, time-consuming, low efficiency, while the latter because of the complexity of the structure, need a lot of relay, compare the complex wiring, easy to interference by body shaking, and there are more unreliability, prone to failure, it is not convenient to maintenance, PLC programmable control device control lines of manipulator control system is up and down movement of simple and easy, have very strong anti-interference ability, reasonable arrangement, ensure the reliability of the system operation, reduce the maintenance rate, improve the working efficiency. Manipulator technology relates to mechanics, mechanical, electrical hydraulic technology, automatic control technology, sensor technology and computer technology, etc., is an interdisciplinary field of comprehensive technology.
We design a manipulator on stage, used for conveying materials. Through to the manipulator's main part (the hand, wrist, arm, and the fuselage, etc.), to determine the main component of the structure, on the basis of design for the manipulator is calculated, which determine the general assembly.
Key words: Manipulator; design; hand; arm; fuselage; structure
目 錄
第一章引言 1
1.1機(jī)械手簡(jiǎn)介 1
1.2 機(jī)械手的分類(lèi) 3
第二章上料機(jī)械手的設(shè)計(jì) 5
2.1機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
2.2機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
2.3機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
2.3.1缸筒內(nèi)徑的設(shè)計(jì) 8
2.3.2缸筒壁厚的設(shè)計(jì) 8
2.3.3缸筒壁厚的驗(yàn)算 9
2.3.4活塞桿校核計(jì)算 10
2.3.5缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 10
2.3.6其他元件的確定 11
2.3.7擺動(dòng)缸校核計(jì)算 11
2.4機(jī)械手的仰俯缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
2.4.1缸筒內(nèi)徑的設(shè)計(jì) 14
2.4.2缸筒壁厚的設(shè)計(jì) 14
2.4.3缸筒壁厚的驗(yàn)算 15
2.4.4活塞桿校核計(jì)算 16
2.4.5缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 17
2.4.6大小力臂機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)計(jì)算 18
2.4.7其他元件的確定 21
第三章液壓系統(tǒng)傳動(dòng)方案的確定 22
3.1各液壓缸的換向回路 22
3.2調(diào)速方案 22
第四章液壓元件 23
4.1閥的應(yīng)用 23
4.1.1壓力控制閥 23
4.1.2流量（速度）控制閥 23
4.1.3泵. 23
4.2閥類(lèi)的選擇原則 24
4.3液壓系統(tǒng)中的輔助裝置 24
結(jié)論 26
參考文獻(xiàn) 27
致謝 28
沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第一章引言
第一章引言
1.1 機(jī)械手簡(jiǎn)介
機(jī)械手作為新時(shí)代的應(yīng)運(yùn)而生的產(chǎn)物，它得到了太多的傾媚，它是見(jiàn)證時(shí)代發(fā)展的機(jī)器，它讓這個(gè)時(shí)代更加的方便，讓人們得到了得到了意想不到的收獲，它給了世界太多的驚喜。不管從農(nóng)業(yè)還是工業(yè)上來(lái)說(shuō)，它都代表了一個(gè)劃時(shí)代的產(chǎn)物。機(jī)械手是模仿著人手的部分工作，它更加安全，可靠，讓人們遠(yuǎn)離危險(xiǎn)，在各種惡劣的環(huán)境下都可以平穩(wěn)的工作。給了我們不一樣的收獲。因?yàn)閷?duì)機(jī)械手的認(rèn)知，崇拜，我對(duì)機(jī)械手未來(lái)的發(fā)展充滿的希望。所有我以老師給的這篇上料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主題來(lái)發(fā)表我的一些感慨，通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)與對(duì)機(jī)械手的介紹給自己一個(gè)完美的答復(fù)。
機(jī)械手本身的要求不高，但是因?yàn)樗某杀靖?，?zhuān)用的機(jī)械手適用范圍還少，它的限制性大大的增加。只有可以改變程序的機(jī)械手才能適應(yīng)小批量的要求。因此，對(duì)于有特殊用途的場(chǎng)合，我們得制造出專(zhuān)用的機(jī)械手，來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，這樣可以提高產(chǎn)品的成本。
機(jī)械手的特點(diǎn)：
a對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng) 能代替人從事危險(xiǎn)，侵害的工作。在長(zhǎng)時(shí)間工作對(duì)人體有害的場(chǎng)所，機(jī)械手不受影響，只要判斷出工作環(huán)境的情況來(lái)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，挑揀適用的材料和結(jié)構(gòu)，機(jī)械手就可以在異常高溫或低溫，異常壓力和有害氣體，粉塵，等危險(xiǎn)環(huán)境里工作，讓我們遠(yuǎn)離危機(jī)。
b機(jī)械手耐久長(zhǎng)，不知道累的特性是我們無(wú)法比擬的，它可以把人從勞累的環(huán)境中解放出來(lái)，大大的提高了生產(chǎn)的效率，替代了人們長(zhǎng)久以來(lái)的辛苦勞作，讓我們更加的不用勞累。
c由于機(jī)械手程序的設(shè)定，它動(dòng)作穩(wěn)定準(zhǔn)確，因此它對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量有了遠(yuǎn)超過(guò)人們想象的貢獻(xiàn)，它提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，可以避免人為的操作失誤。
d機(jī)械手特點(diǎn)比較靈活多變，通用性比較強(qiáng)，能很好的適應(yīng)產(chǎn)品的不斷變化，以
滿足柔性生產(chǎn)需要.因此采用機(jī)械手最明顯的特點(diǎn)是提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低成本。近年來(lái),隨著大量電子技術(shù)的涌進(jìn)，特別是電子計(jì)算機(jī)的大范圍運(yùn)用，機(jī)器人的研究和生產(chǎn)工藝已經(jīng)作為高科技領(lǐng)域中快速發(fā)展的一個(gè)新行業(yè)，它能促進(jìn)機(jī)械手的發(fā)
1
展，使得機(jī)械手能夠更理想化的表現(xiàn)出應(yīng)有的價(jià)值，讓自動(dòng)化和機(jī)械化完美穩(wěn)定的結(jié)合。機(jī)械手雖然不像我們?nèi)耸帜菢拥撵`活方便，但它具備了我們沒(méi)有的特點(diǎn)，它能不斷的重復(fù)工作，不斷的勞動(dòng)。它不知道疲倦，不怕任何危險(xiǎn)，能拿起來(lái)的東西也比人力沉的多，所以現(xiàn)在機(jī)械手已經(jīng)受到了廣大部門(mén)的重視，并且已經(jīng)得到了大范圍的運(yùn)用與投放。 例如：在機(jī)床加工，裝配作業(yè)，勞動(dòng)條件差，單調(diào)重復(fù)易于疲勞的工作環(huán)境以及在危險(xiǎn)場(chǎng)合下工作等。
在國(guó)內(nèi)，在實(shí)際生產(chǎn)中的工業(yè)機(jī)器人不斷增加，屢見(jiàn)不顯，在計(jì)算機(jī)控制方面也有所運(yùn)用。在國(guó)外，計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人占有相當(dāng)大比例的作業(yè)運(yùn)作。帶有各種感覺(jué)的智能機(jī)器人正處于研發(fā)階段，相信不久的將來(lái)會(huì)給我們帶來(lái)意想不到的結(jié)果。所以帶有智能化的工業(yè)機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的主要方向，我們應(yīng)為之努力奮斗。
機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。為了抓住任何在空間對(duì)象的位置和方向,需要六個(gè)自由度。自由是機(jī)器手規(guī)劃的關(guān)鍵參數(shù)。自由度的多少?zèng)Q定了機(jī)械手的靈活性和通用性，它的結(jié)構(gòu)有些復(fù)雜多變,一般專(zhuān)用的機(jī)械手在3個(gè)自由度左右。它的運(yùn)作時(shí)由每個(gè)自由度電機(jī)來(lái)控制。它可以通過(guò)傳感器感知到的信息來(lái)形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制，最后功能促成的編程。
機(jī)械手用于機(jī)床或其他機(jī)器設(shè)備的附加使用裝置，它可以代替人們操作遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的場(chǎng)所，機(jī)械手在鍛造行業(yè)也有更長(zhǎng)足的運(yùn)用，它讓鍛造的能力更加完美，改善熱、累等勞動(dòng)條件。
上料機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)作方便，它是機(jī)電一體化的設(shè)備，它取代了操作人員的不間斷的取料，增加了效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)械手的編程和設(shè)計(jì)中可以提高他們的工程素質(zhì)、創(chuàng)新能力、綜合素質(zhì)和實(shí)踐應(yīng)用能力。為此我們要培養(yǎng)出全方位人才來(lái)運(yùn)用與研制機(jī)械手。
機(jī)械手誕生很早，最初使用在工業(yè)領(lǐng)域里，之后機(jī)械手行業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，一發(fā)不可收拾。如火箭升空般突進(jìn)。不斷更新?lián)Q代，其主要經(jīng)歷分為三代：
第一代機(jī)械手主要靠人工進(jìn)行控制，控制方式為開(kāi)環(huán)式，沒(méi)有識(shí)別能力；需要我們改進(jìn)的東西很多，主要方向是要講制作成本降低，提高工藝精度。第二代機(jī)械手較比之第一代，它具有了人體各種感官模式，讓機(jī)械手更加人性化，自由化。第三代機(jī)械手則能夠獨(dú)立完成各種工程的任務(wù)，它跟電腦完美的結(jié)合，保持了長(zhǎng)久的聯(lián)系。性能的改變，它的應(yīng)用領(lǐng)域不斷的擴(kuò)大，現(xiàn)在大范圍的使用在了農(nóng)業(yè)、海洋業(yè)和太空的
3
事業(yè)發(fā)展中。機(jī)械手技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用水平能反映出一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技水平機(jī)，國(guó)內(nèi)外對(duì)此都很重視，大量的人才涌進(jìn)這個(gè)行業(yè)，從目前看來(lái)機(jī)械手雖然不能像人手那樣的靈活，但它的不知疲勞、不怕危險(xiǎn)的能力讓我們嘗到了甜頭，它的抓舉能力比人手大太多，所以應(yīng)用很廣泛。例如：(1)機(jī)床加工工件的裝卸，普遍性強(qiáng)。(2)在機(jī)械行業(yè)可以組裝零部件(3)可在勞動(dòng)環(huán)境不好的情況下來(lái)代替人的勞動(dòng)。(4)頂替人在危險(xiǎn)場(chǎng)合的工作。讓人們遠(yuǎn)離危險(xiǎn)，珍愛(ài)生命。
1.2 機(jī)械手的分類(lèi)
⑴ 按機(jī)械手的使用范圍分類(lèi)
a專(zhuān)用機(jī)械手一般只有固定的程序，它沒(méi)有單獨(dú)的控制系統(tǒng)，它是一個(gè)固定的工具，它方便了我們的生產(chǎn)。這個(gè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)易，成本很低，他適用于大部分簡(jiǎn)單的生產(chǎn)工程。
b通用機(jī)械手具有程序可變性，和單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)，它不屬于某種機(jī)器人，能夠單獨(dú)的完成任務(wù)。通用機(jī)械手按照定位和控制方式我們可以分為幾個(gè)類(lèi)型。簡(jiǎn)易型屬于點(diǎn)控制的程序類(lèi)型。伺服型的是數(shù)字控制類(lèi)型，有連續(xù)的運(yùn)動(dòng)軌跡。這種機(jī)械手可以更換，程序我們可以變化，他適用大范圍的中小型生產(chǎn)中。但是運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，技術(shù)含量高，所以最后造成它的成品很高。
（2）按機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式分類(lèi)
a液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手以壓力油進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；
b氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；
c電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械手直接用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；
d機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械手是將主機(jī)的動(dòng)力通過(guò)凸輪、連桿、齒輪、間歇機(jī)構(gòu)等傳給機(jī)械手的一種驅(qū)動(dòng)方式。
（3）按機(jī)械手的比例大小分類(lèi)
a微型機(jī)械手臂力小于1kg；
b小型機(jī)械手臂力為1．10kg；
c中型機(jī)械手臂力為l0-30kg；
d大型機(jī)械手臂力大于30kg。
綜上所述，可以看出，液壓機(jī)械手種類(lèi)繁多在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的占有重要作用，它可以衡量出一個(gè)國(guó)家的工業(yè)發(fā)展水平，它是重要標(biāo)志之一。同世界的工業(yè)大國(guó)相比較，我國(guó)的液壓工作還是比較的落后，我們應(yīng)大量的發(fā)展這方面的人才，積極面對(duì)，穩(wěn)步進(jìn)取，所有以后靠我們這些人才發(fā)展國(guó)家，我們應(yīng)該腳踏實(shí)地，放眼未來(lái)，我們共同努力讓我國(guó)的液壓工業(yè)更上一層樓，步入新的天地。
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沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第二章上料機(jī)械手的設(shè)計(jì)
第二章上料機(jī)械手的設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)生產(chǎn)需求和在操作過(guò)程的人性化，機(jī)械手由回轉(zhuǎn)、伸縮、仰俯等結(jié)構(gòu)組成，通過(guò)液壓缸的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手部分的仰俯。在結(jié)構(gòu)規(guī)劃時(shí)，應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，從而升高剛度。為降低運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑行摩擦。其結(jié)構(gòu)圖如下2-1。
圖2-1機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖
2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)工作位置和工作環(huán)境的需要，決定采用圖2-2所示手部。
圖2-2手部
假設(shè)被抓取物件的重量為Q=25N，握力以N表示。
在計(jì)算時(shí)可依照以下三種狀態(tài)來(lái)考慮。
第一種狀態(tài)：重力方向垂直紙面向下(即y軸的負(fù)方向)，依靠手指對(duì)物件接觸部位的摩擦力F與物件的重力Q相平衡而約束住物件。
第二種狀態(tài)：物件重力方向是z軸的負(fù)方向，依靠?jī)蓚€(gè)手指下部的斜面托住物件。
第三種狀態(tài)：物件重力方向與x同向或相反，用下邊一個(gè)手指托住物件。
在分析這三種狀態(tài)時(shí)， 首先均假定物件重心與手指夾持中心重合。
注： f ——————物件與手指接觸處的摩擦系數(shù)
——————手指的抓取半角=60 ao
——————手部機(jī)械效率=0.9 h
K ——————安全系數(shù)=1.3 1
K ——————工作情況系數(shù)=1.8 2
第一種狀態(tài)：
(2-1)
(2-2)
第二種狀態(tài)：
（2-3）
（2-4）
第三種狀態(tài)：
（2-5）
（2-6）
經(jīng)比較第二種狀態(tài)時(shí)受力最大，最大活塞桿傳動(dòng)力= =316.33N 需P 需 2P
2.3 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
手臂是機(jī)械手的舉足輕重的執(zhí)行部件。它的作用是支承腕部和手部，并帶動(dòng)它們作空間轉(zhuǎn)動(dòng)?？渴植克偷娇罩蟹秶鷥?nèi)的任意一點(diǎn)。具備兩個(gè)自由度，左右旋轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)。
手臂的運(yùn)動(dòng)由油缸驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)促成，工作中直接承受腕部，手部和工件的靜動(dòng)載荷，而本身運(yùn)動(dòng)又較多，故受力冗雜。因而，它的組織，工作范圍，靈活性以及抓重大小和定位精密度等都直接影響機(jī)械手的工作性能。
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從而提高剛度。為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。
除此之外，要求機(jī)械手同用性要好，能正好做種作業(yè)的要求；工藝性要好，便于加工和安裝；用于熱加工的機(jī)械手，還要考慮隔熱，制冷；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手，還要設(shè)防塵裝置等。 根據(jù)生產(chǎn)需要做機(jī)械手臂如下圖2-3
圖2-3機(jī)械手臂
2.3.1 缸筒內(nèi)徑的設(shè)計(jì)
液壓缸的負(fù)載推力，液壓缸的理論輸出力F 可按下式計(jì)算:
（2-7）
——活塞的實(shí)際作用力（N）；
——負(fù)載力，一般取0.5-0.7；
——液壓缸機(jī)械效率，一般取0.9；
查表液壓缸的工作壓力，初選；
由公式； （2-8）
查表可選液壓缸的內(nèi)徑D=60mm。
2.3.2 缸筒壁厚的設(shè)計(jì)
初步選定，按厚壁圓筒計(jì)算公式計(jì)算：
； （2-9）
——缸筒材料的許用應(yīng)力，；
（2-10）
由于缸筒的材料一般要求有足夠的強(qiáng)度和沖擊韌性，則選用45 鋼；
由查表得；而知液壓缸為沖擊載荷，
安全系數(shù)n=8，
；
已選
則
初選
則知初選壁厚成立。
綜上所述知道液壓缸
液壓缸壁厚為
2.3.3 缸筒壁厚的驗(yàn)算
額定工作壓力應(yīng)低于一定極限值，以確保安全。
（2-11）
——缸筒材料的屈服強(qiáng)度； ——缸筒外徑; ——缸筒內(nèi)徑；
故可得
則知。
為了避免缸筒在工作時(shí)發(fā)生塑性變形，液壓缸的額定工作壓力值應(yīng)于塑性變形壓力有一定的比例范圍
——缸筒發(fā)生塑性變形的壓力；
而
則去
本液壓缸最大工作壓力為，故設(shè)計(jì)選擇的壁厚符合要求。
2.3.4 活塞桿校核計(jì)算
設(shè)定活塞桿的直徑d 為16mm，驗(yàn)證活塞桿的強(qiáng)度。
（2-12）
活塞桿在穩(wěn)定的工作狀態(tài)下，只受軸向推力或者拉力，
（活塞桿選用45 鋼）
——活塞桿材料的許用壓應(yīng)力；
——活塞桿材料的屈服應(yīng)力；
n ——安全系數(shù)，一般。
故可知，所以滿足工作時(shí)的強(qiáng)度要求。
2.3.5 缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算
缸蓋用受軸向載荷的螺釘組連接。
工作載荷（N）
(Z=6) (2-13)
則
——剩余預(yù)緊力；
(對(duì)于有緊密性要求的連接);
螺釘強(qiáng)度條件：
即
——材料的許用應(yīng)力；
n——安全系數(shù)，取為2；
則選用標(biāo)準(zhǔn)六角螺釘M6。
2.3.6 其它元件的確定
缸蓋的材料：缸蓋本身又是活塞桿的導(dǎo)向套，故缸蓋選用鑄鐵。
活塞的材料：擬定45 鋼。
密封圈的選擇：選用O 型橡膠密封圈，型號(hào)為GB3452.1-82。
2.3.7 擺動(dòng)缸校核計(jì)算
手部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由擺動(dòng)缸擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)從油孔進(jìn)油時(shí)。推動(dòng)動(dòng)片連同軸套一起回轉(zhuǎn)，軸套的端部通過(guò)聯(lián)軸器把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞到轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸端部的法蘭盤(pán)與手部用螺栓連接，故手部與轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動(dòng)即促成手部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，以便使手部夾持熱鑄件的手指不靠近油缸，此機(jī)械手運(yùn)用了切斷性裝置，減少熱鍛件的熱量對(duì)油液的影響，以保證油缸的正常工作和密封。
初步擬定回轉(zhuǎn)油缸的旋轉(zhuǎn)角速度 。需要輸入回轉(zhuǎn)油缸的流量Q 為：
（2-14）
式中：D：回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)徑（mm）；
d：輸出軸與動(dòng)片連接處的直徑（mm）；
b：動(dòng)片寬度（mm）；
：輸出軸的角速度（弧度/秒）。
動(dòng)片螺釘：
即的
式中:
Q：每個(gè)螺釘?shù)念A(yù)加鎖緊力（N）；
b：動(dòng)片的寬度（mm）；
P：回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力（N）；
D：動(dòng)片外徑，即回轉(zhuǎn)油缸的內(nèi)徑（mm）；
d：動(dòng)片與輸出軸配合處得直徑（mm）；
Z：螺釘數(shù)目取為4；
f：被連接件配合面間的摩擦系數(shù)f=0.15.
螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為：
剩余鎖緊力對(duì)于要求緊密的連接。
取K=1.6
材料的許用應(yīng)力；
n：安全系數(shù)，n=2；
（mm），
取標(biāo)準(zhǔn)螺釘M4x60.
擺動(dòng)缸的其它元件：
連接螺釘?shù)淖饔檬鞘箘?dòng)片與輸出軸緊密接觸不留間隙，當(dāng)油腔進(jìn)液壓油時(shí)候，動(dòng)片受油壓作用，使動(dòng)片轉(zhuǎn)動(dòng)。
動(dòng)片與鋼壁之間，定片與輸出軸之間均采用O 型密封圈進(jìn)行密封，軸與缸蓋處得密封也采用O 型密封圈進(jìn)行密封，以保證不發(fā)生漏油。
2.4 機(jī)械手的仰俯缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
仰俯缸的作用實(shí)現(xiàn)手臂的上下仰俯，要求達(dá)到一定的角度，與臂部的連接通過(guò)鉸鏈連接。
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，從而提高剛度。為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。
除此之外，要求機(jī)械手同用性要好，能適度的做好作業(yè)的要求；工藝性要好， 便于加工和安裝；用于熱加工的機(jī)械手，還要設(shè)計(jì)隔熱，冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手，還要立防塵設(shè)施等。
根據(jù)生產(chǎn)需要和工作要求仰俯伸縮缸的結(jié)構(gòu)下圖2-4
圖2-4 仰俯伸縮缸
2.4.1 缸筒內(nèi)徑的設(shè)計(jì)
液壓缸的負(fù)載推力，液壓缸的理論輸出力F 可按下式計(jì)算:
——活塞的實(shí)際作用力（N）；
——負(fù)載力，一般取0.5-0.7；
——液壓缸機(jī)械效率，一般取0.9；
查表液壓缸的工作壓力，初選
由公式
查表可選液壓缸的內(nèi)徑D=60mm。
2.4.2 缸筒壁厚的設(shè)計(jì)
初步選定=0.3，按厚壁圓筒計(jì)算公式計(jì)算：
——缸筒材料的許用應(yīng)力，
由于缸筒的材料一般要求有足夠的強(qiáng)度和沖擊韌性，則選用45 鋼；
由表查得而知液壓缸為沖擊載荷，
安全系數(shù)n=8，
則
初選
由表查得
則知初選壁厚成立。
綜上所述知道液壓缸=75mm，
液壓缸壁厚為
2.4.3 缸筒壁厚的驗(yàn)算
額定工作壓力n P 應(yīng)低于一定極限值，以確保安全。
——缸筒材料的屈服強(qiáng)度； ——缸筒外徑；D ——缸筒內(nèi)徑；
故可得
則知
為了避免缸筒在工作時(shí)發(fā)生塑性變形，液壓缸的額定工作壓力 值應(yīng)于塑性變形壓力有一定的比例范圍
——缸筒發(fā)生塑性變形的壓力；
而
則去
本液壓缸最大工作壓力為1.8MPa，故設(shè)計(jì)選擇的壁厚符合要求。
2.4.4 活塞桿校核計(jì)算
設(shè)定活塞桿的直徑d 為16mm，驗(yàn)證活塞桿的強(qiáng)度。
（活塞桿選用45 鋼）
——活塞桿材料的許用壓應(yīng)力（）；
——活塞桿材料的屈服應(yīng)力（）；
n ——安全系數(shù)，一般n 3 1.4。
故可知，所以滿足工作時(shí)的強(qiáng)度要求。
2.4.5 缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算
缸蓋用受軸向載荷的螺釘組連接。
工作載荷（N）
則
——剩余預(yù)緊力；
(對(duì)于有緊密性要求的連接);
；
螺釘強(qiáng)度條件：
即
則選用標(biāo)準(zhǔn)六角螺釘M6。
2.4.6 大臂和小臂機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)計(jì)算
小臂擺動(dòng)采用鉸接的雙作用活塞油缸推動(dòng)杠桿支架而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)油缸的上下兩腔分別進(jìn)壓力油時(shí)，活塞桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)杠桿支架繞O軸作90度的擺動(dòng)，為了減少摩擦在軸的兩端安裝單列軸承。簡(jiǎn)圖如圖1.1
對(duì)小臂伸縮竿的安全性進(jìn)行校核：
⑴ 分析桿的受最大力時(shí)的位置
當(dāng)小臂伸到最長(zhǎng)時(shí)的受力最大，受最大的偏重彎矩。
⑵ 計(jì)算各部分的重力G。
G=mg=
其中：m —質(zhì)量單位kg；
g—重力加速度單位取g=9.8 m/s2；
V—工件的體積單位m3；
ρ—材料密度單位kg/m3,取密度為7800kg/m3；
G—重力單位N。
? 待加工件
m=50kg
G=mg=50′9.8=490N
?手部
V=3.14′ 252 ′48′4 + (120′150 -110′80)′150
=1500000 3 mm =0.0015 3 m
G= =0.0015 ′ 7800 ′ 9.8
=114.66N
?夾緊油缸
3.14 75 30 2 3.14 (60 40 ) 110 3.14 40 40 2 2 2 2 V = ′ ′ ′ + ′ - ′ + ′ ′
=2000000 3 mm
=0.002 3 m
G = =0.002 ′ 7800 ′ 9.8
=152.88N
④ 橫移機(jī)構(gòu)
V=35×30×115×2+60×20×115×2+20×100×115+60×25×165×2+30×20×165×2+120×25×165+3 .14×20×402+3.14×152×100+3.14×(252-202)×100×2+3.14×402×40×2
=2415000+2760000+495000+198000+495000+100531+70686
=2650213mm3
=0.0027m3
G==0.0027×7800×9.8
=206.39N
⑶ 簡(jiǎn)化力學(xué)模型
如圖3.1受力簡(jiǎn)圖
圖3.1 受力簡(jiǎn)圖
伸縮桿所受的彎矩如圖3.2。
圖3.2 彎矩圖
伸縮桿的截面如圖3.3。
圖3.3 伸縮桿截面圖
伸縮桿材料采用45號(hào)鋼并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，其硬度為217~255HBS屈服限[σ]=60MPa
計(jì)算抗彎截面系數(shù)W
=343437.5mm3
所以伸縮桿受到的彎曲應(yīng)力為
所以伸縮桿安全大臂的擺動(dòng)也采用鉸接的雙作用活塞油缸，推動(dòng)大臂杠桿實(shí)現(xiàn)。
2.4.7其它元件的確定
缸蓋的材料：缸蓋本身又是活塞桿的導(dǎo)向套，故缸蓋選用鑄鐵。
活塞的材料：擬定45 鋼。
密封圈的選擇：選用O 型橡膠密封圈，型號(hào)為GB3452.1-82。
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沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第三章液壓系統(tǒng)傳動(dòng)方案的確定
第三章液壓系統(tǒng)傳動(dòng)方案的確定
3.1 各液壓缸的換向回路
除驅(qū)動(dòng)料架回轉(zhuǎn)的鉸接活塞油缸采用二位四通電磁滑閥外，其余各油缸均采用三位四通電磁滑閥控制。在系統(tǒng)的回油路設(shè)置了單向閥，使系統(tǒng)在油泵停止工作時(shí)，不致使油液流空而進(jìn)入空氣，以保證起動(dòng)平穩(wěn)。
3.2 調(diào)速方案
整個(gè)液壓系統(tǒng)應(yīng)采用O型結(jié)構(gòu)，O形密封圈具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封好，摩擦力較小的特點(diǎn)，為了保證密封性能，安裝O形密封圈的溝槽尺寸和表面光潔度應(yīng)符合要求，可查閱“機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)”。使用O形密封圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的配合表面。
機(jī)械手的手臂仰俯采用兩個(gè)單向節(jié)流調(diào)速閥來(lái)實(shí)現(xiàn)，則進(jìn)油達(dá)到最大允許速度來(lái)調(diào)節(jié)，當(dāng)無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)，其速度就減少于最大允許速度，但仍然符合設(shè)計(jì)要求。
在一般情況下的各個(gè)部位是分別動(dòng)作的，我們可以選擇單泵供油系統(tǒng)，也可以選擇雙泵供油系統(tǒng)。 小臂擺動(dòng)采用鉸接的雙作用活塞油缸推動(dòng)杠桿支架而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)油缸的上下兩腔分別進(jìn)壓力油時(shí)，活塞桿做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)杠桿支架繞O軸作90度的擺動(dòng)，為了減少摩擦在軸的兩端安裝單列軸承。由于大小手臂在擺動(dòng)時(shí)，要克服阻力力矩（包括偏重力矩，慣性力矩，摩擦力矩），要求驅(qū)使大小臂的油缸能產(chǎn)生足夠的驅(qū)動(dòng)力。但在大小臂向下擺動(dòng)時(shí)，大小臂和工件的重力使大小臂加速下擺，如果液壓系統(tǒng)或油缸采用相應(yīng)措施,大前臂到終點(diǎn),將產(chǎn)生很大的沖擊，為了防止此想象的發(fā)生又不至使液壓系統(tǒng)復(fù)雜，而在大小手臂活塞油缸的端蓋上，設(shè)置了緩沖節(jié)流小孔和帶三角節(jié)流槽的柱塞。
單泵供油系統(tǒng)要以所有液壓缸中需求流量最大的來(lái)選擇泵的流量。優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，所需的元件較少，經(jīng)濟(jì)性好，缺點(diǎn)是當(dāng)所需流量較少的液壓缸動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)的溢流損失較大，能源利用較低，對(duì)于系統(tǒng)功率較小的場(chǎng)合是可取的。 雙供油系統(tǒng)，它在需要大流量動(dòng)作的缸運(yùn)動(dòng)時(shí)，雙泵同時(shí)為其供油，在需小流量動(dòng)作液壓缸動(dòng)作時(shí)，則用小流量泵供油，而大流量泵低壓卸荷，雙泵供油系統(tǒng)避免了溢流損失過(guò)大，而可以用雙泵代替單泵，其優(yōu)點(diǎn)與單泵供油系統(tǒng)相反。
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沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第四章液壓元件
第四章液壓元件
4.1 閥的應(yīng)用
4.1.1 壓力控制閥
壓力控制閥(簡(jiǎn)稱壓力閥)它的作用主要是控制系統(tǒng)中油液的壓力，用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手執(zhí)行所需要的輸出力(或力矩)。這類(lèi)閥包括溢流閥、液壓閥、安全閥和壓力繼電器等。
4.1.2 流量(速度)控制閥
流量(速度)控制閥(流量閥)它的作用主要使控制液壓系統(tǒng)中油液流量的大小，用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)所要求的運(yùn)動(dòng)速度，如節(jié)流閥、調(diào)速閥。
控制系統(tǒng)也包含著以下概括：該機(jī)械手所以其任務(wù)單一，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。為經(jīng)濟(jì)適用、節(jié)省成本起見(jiàn)，設(shè)計(jì)繼電器-接觸器控制系統(tǒng)作為該機(jī)械手自動(dòng)控制方案之一。
但是，傳統(tǒng)的機(jī)械手的自動(dòng)化控制通常采用繼電器控制系統(tǒng)。但是繼電器控制系統(tǒng)的控制電路要使用大量的控制電器，其致命的缺點(diǎn)是，如果工件稍有改變，控制電路必須隨之相應(yīng)的改變，耗時(shí)且費(fèi)力。而且，由于器件的老化、脫焊、觸電的抖動(dòng)以及出典電弧等現(xiàn)象不可避免的，大大降低了系統(tǒng)的可靠性。
隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，更加智能、高效、可靠的機(jī)械手越來(lái)被青睞。采用PLC控制系統(tǒng)的的機(jī)械手就是其中之一。所以機(jī)械手自動(dòng)控制的第二套方案采用PLC控制系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)比較，日本歐姆龍公司生產(chǎn)的PLC，具有下列幾個(gè)特點(diǎn)：功能強(qiáng)大；編程語(yǔ)言是梯形圖和語(yǔ)句表并重，編程簡(jiǎn)單，易掌握；特殊功能模塊和智能模塊品種多，使用方便；PLC的網(wǎng)絡(luò)配置簡(jiǎn)單、實(shí)用、造價(jià)底；具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)及良好的售后服務(wù)系統(tǒng)。在小型機(jī)領(lǐng)域很受歡迎。所以選擇其OMRON公司的CPM1A系列PLC做為該機(jī)械手的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
4.1.3 泵
⑴ 油泵的啟動(dòng)過(guò)程
在上料機(jī)械手進(jìn)行調(diào)整和自動(dòng)工作之前，先啟動(dòng)油泵電機(jī)，過(guò)程如下：按下啟動(dòng)按鈕QA,使交流接觸器C通電，其常開(kāi)觸點(diǎn)c閉合進(jìn)行自鎖和將油泵電機(jī)電路接通，油泵電機(jī)回轉(zhuǎn)帶動(dòng)油泵向液壓系統(tǒng)供油。TA是油泵電機(jī)停止按鈕。
⑵ 手動(dòng)控制過(guò)程
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如開(kāi)關(guān)置于手動(dòng)位置，分別按下啟動(dòng)按鈕1QA~11QA，使換向閥的電磁鐵1DT~DT分別通電控制上料機(jī)械手各油缸動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)手指的夾放，手腕左右橫移，小臂伸縮和上下擺動(dòng)，大手臂上下擺動(dòng)及料架轉(zhuǎn)位等獨(dú)立的調(diào)整工作。
4.2 閥類(lèi)的選擇原則
閥類(lèi)的選擇原則是根據(jù)閥門(mén)的流量，工作壓力及要求的通路等因素結(jié)合產(chǎn)品的規(guī)格型號(hào)進(jìn)行選取。 上料機(jī)械手的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部分均由液壓直接驅(qū)動(dòng)。因該機(jī)械手要抓取重40~50公斤的舉升油缸，故要求有足夠大的握力，所以采用了雙聯(lián)葉片泵YB1 6.3/16 –5/16，利用5公升/分的小流量泵對(duì)機(jī)械手手指夾緊油缸單獨(dú)供油，這樣可以排除其它油缸對(duì)手指夾緊有剛油缸的干擾。驅(qū)動(dòng)油泵的電機(jī)功率為5.5千瓦。除驅(qū)動(dòng)料架回轉(zhuǎn)的鉸接活塞油缸采用二位四通電磁滑閥外，其余各油缸均采用三位四通電磁滑閥控制。選擇適當(dāng)?shù)挠透坠ぷ鲏毫κ莻€(gè)很重要的問(wèn)題。如果已有現(xiàn)成的油泵可用，就應(yīng)選擇現(xiàn)成的油泵使用。這時(shí)，所選擇的油缸工作壓力p要比油泵的額定壓力低一些，使油缸工作鏜深孔專(zhuān)業(yè)機(jī)床上料機(jī)械手 壓力的液壓系統(tǒng)的壓力損失之和不超過(guò)泵的額定壓力。如果沒(méi)有現(xiàn)成的泵，而是要按油缸工作壓力來(lái)選擇油泵，那就要從結(jié)構(gòu)尺寸、經(jīng)濟(jì)性等方面來(lái)全面考慮。一般來(lái)說(shuō)，油缸壓力p選擇高,可以減少缸直徑的大小和其他執(zhí)行器,機(jī)械臂結(jié)構(gòu)緊湊,但是應(yīng)該選擇更昂貴的高壓油泵和高壓力控制閥,并使密封裝置復(fù)雜化；若油缸壓力選低些，就會(huì)增大油缸內(nèi)徑及其它執(zhí)行機(jī)構(gòu)的尺寸，將使手臂結(jié)構(gòu)龐大，但是可簡(jiǎn)化封閉裝置。
4.3 液壓系統(tǒng)中的輔助裝置
a油管有紫銅管、塑料管、尼龍管和軟管等，應(yīng)根據(jù)油管的壓力，流量、裝置條件和工作部位等不同進(jìn)行選取。紫銅管彎曲較方便，容易裝配，承受壓力65 -100公斤/厘米以下，對(duì)機(jī)械手來(lái)說(shuō)一般還是夠用的，故采用較多。橡皮管多用于高壓和有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件上較為方便。尼龍和塑料管己逐漸廣泛采用。尼龍管跟其他管不同，它可以用于高壓等環(huán)境?？梢杂糜谟邢鄬?duì)運(yùn)動(dòng)的部件上，方便實(shí)用。
b管接頭在所有的管路中應(yīng)該采用管接頭來(lái)連接管路，但要注意管于管之間的緊湊、美觀、整潔平齊。有的油缸中，如果外部有很多的軟輸油管，就會(huì)大大的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，很容易損壞油管。因此，我們常常把液壓操作板上的油管遠(yuǎn)離手部處集中輸入，然后利用結(jié)構(gòu)的各種特點(diǎn)在油缸或活塞桿等內(nèi)部將油液輸向手部的動(dòng)作油缸內(nèi)。
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c濾油器它的主要作用是慮油，以保證油液的清潔，防止各個(gè)工件之間發(fā)生摩擦導(dǎo)致堵塞管道和管路小孔，從而影響到了工作生產(chǎn)。網(wǎng)式過(guò)濾器的結(jié)構(gòu)比較的單一，清洗方便，通用性好。但慮油強(qiáng)度強(qiáng)度較大，抗腐蝕性能較好，制造較簡(jiǎn)單，過(guò)濾精度較高，可是一旦本身的顆粒有脫落，則會(huì)影響過(guò)濾精度。
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沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 結(jié)論
結(jié)論
經(jīng)過(guò)此次設(shè)計(jì)，對(duì)在大學(xué)里所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)有了更深的理解，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)用到很多知識(shí)，讓我對(duì)所學(xué)的內(nèi)容又一次得到復(fù)習(xí)和鞏固，在趙老師的耐心指導(dǎo)下，經(jīng)過(guò)查閱大量的書(shū)籍材料，把以前的知識(shí)進(jìn)行歸納和總結(jié)，運(yùn)用到了設(shè)計(jì)當(dāng)中。
本篇設(shè)計(jì)的機(jī)械手綜合和運(yùn)用了機(jī)械零件、材料力學(xué)、機(jī)械原理、金屬工藝學(xué)、熱處理、技術(shù)測(cè)量、機(jī)械制圖等知識(shí)，它主要是應(yīng)用在那些單調(diào)、頻繁的操作中用以代替人的勞動(dòng)進(jìn)行工作。而機(jī)械手技術(shù)本身又是促進(jìn)工業(yè)實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化的先導(dǎo)技術(shù)，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)生活都產(chǎn)生很大的影響。
初次進(jìn)行這么系統(tǒng)和大量的設(shè)計(jì)，難免有很多不周到的地方，存在一些錯(cuò)誤，希望能在以后的工作過(guò)程中得到更好的學(xué)習(xí)，以有能力實(shí)現(xiàn)減少錯(cuò)誤，達(dá)到高技術(shù)。
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沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 參考文獻(xiàn)
參考文獻(xiàn)
[1] 寥家璞.液壓傳動(dòng).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1995
[2] 王裕清,韓成石.液壓傳動(dòng)與控制技術(shù).北京:煤炭工業(yè)出版社,1997
[3]齊進(jìn)凱．氣動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析及控制的研究[D]．東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,2006．
[4]陸祥生，楊秀蓮．機(jī)械手理論及應(yīng)用[M]．北京:中國(guó)鐵道出版社,1985.
[5]陳為國(guó)，朱宏濤.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.
[6機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2005.
[7]劉明保，呂春紅等.機(jī)械手的組成機(jī)構(gòu)及技術(shù)指標(biāo)的確定.河南高等專(zhuān)科學(xué)校學(xué)報(bào).2004.1.1.
[8]李超.氣動(dòng)通用上下料機(jī)械手的研究與開(kāi)發(fā).陜西科技大學(xué).2003.
[9]陸祥生，楊繡蓮.機(jī)械手.中國(guó)鐵道出版社.1985.1.
[10]張建民.工業(yè)機(jī)械人.北京：北京理工大學(xué)出版社.1992.
[11]史國(guó)生.機(jī)械手步進(jìn)控制中的應(yīng)用.中國(guó)工控信息網(wǎng).2005.1.
[12]李允文.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì).機(jī)械工業(yè)出版社.1996.4.
[13]蔡自興.機(jī)械人學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展戰(zhàn)略.機(jī)械人技術(shù).2001.4.
[14金茂青，曲忠萍，張桂華.國(guó)外工業(yè)機(jī)械人發(fā)展的態(tài)勢(shì)分析.機(jī)械人技術(shù)與應(yīng)用.2001.
[15]蔡自興.機(jī)器人原理及其應(yīng)用.湖南:中南工業(yè)大學(xué)出版社.1988.
[16]付京孫等.機(jī)器人學(xué).北京:中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社.1992.
[17]范印越.機(jī)器人技術(shù).北京:電子工業(yè)出版社.1988.
[18]劉德滿，尹朝萬(wàn).機(jī)器人智能控制技術(shù).長(zhǎng)春:東北大學(xué)出版社.1993.
[19]李明.單臂回轉(zhuǎn)機(jī)械手設(shè)計(jì).制造技術(shù)與機(jī)床.2004.06.
[20]張軍，封志輝.多工步搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì).機(jī)械設(shè)計(jì).2004.04.
[21]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì).第七版.北京：高等教育出版社.2001.01.
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沈陽(yáng)化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 致謝
致謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)之所以能夠圓滿完成，首先感謝老師的悉心指導(dǎo)，她在百忙之中抽出時(shí)間來(lái)耐心指導(dǎo)我們，讓我在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中走了很多的彎路，讓我能及時(shí)改正自己錯(cuò)誤的地方。經(jīng)過(guò)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)我感受到了知識(shí)淵博的重要性，對(duì)此我要認(rèn)真的檢討一下，向老師學(xué)習(xí)。
在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我跟同學(xué)們一起認(rèn)真的探討專(zhuān)業(yè)上的疑問(wèn)，使自己在知識(shí)上理解更加的深透，更全面。同學(xué)們之間的互幫互助讓我懂得了團(tuán)隊(duì)的力量是無(wú)窮的。在以后社會(huì)上要團(tuán)結(jié)合作，把握每一次合作的機(jī)會(huì)。在此感謝同學(xué)們。
感謝學(xué)校讓我們有了這次做畢業(yè)設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，讓我們更加懂得了堅(jiān)持不懈努力是成功的前提。讓我們知道了團(tuán)結(jié)互助的重要性。讓我在堅(jiān)持中完成了此次畢業(yè)任務(wù)。
最后感謝所有在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中幫助我的人。
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