四自由度多用途氣動機器人（機器手）結構設計及控制實現

【摘要】近幾十年，隨著全球科學技術的快速發展和信息化水平不斷提高，出于解放勞動力、提高生產效率、經濟效益和減少生產成本的目的，很多工業領域開始使用工業機器人進行生產運作。為了加深對機器人從設計到工業應用具體是怎樣實現的，文章先對工業機器人的發展背景進行闡述，再對機器人（機械手）的機構設計進行介紹，其中包括手部、手腕、手臂等的設計，最終利用可編程序控制器對機器人（機械手）進行有效控制，使機器人（機械手）能夠正常運作，進而出現在在更多生產企業的工作線上。

【關鍵詞】工業機器人；機械手；結構設計，可編程序控制器

0.引言

機器人（Robot）一詞最早出現在國外，二十世紀中后期開始才得到人們的廣泛關注，并被人們所熟悉，現如今，在國外，甚至國內有些工廠、企業都可以看得機器人的身影。現代的工業機器人（機器手）主要有可編程、擬人化、通用性、運用廣泛這四個特點。科學技術的提高和不斷創新，使得當今的工業機器人逐漸具備行走、感知、交流等多種能力。目前，美國和日本在機器人的研發方面處于世界領先水平，對全球機器人的發展最具影響。絕大多數工業機器人都是由主體、驅動系統和控制系統三個部分組成。其中主機包括臂部、腕部、手部等，大多數機器人有3-6個運動自由度，文章以下以四個自由度為例進行描述。機器人（機械手）在工業生產過程中能夠代替人做些單調、頻繁或者重復率強的長時間工作，但是機器人又不是簡單意義上的完全復制了人工的勞務，而是在綜合了人的工作性能的基礎上再結合了機器人其專有的特長。機械手是模仿人手和手臂的某些功能，在設置的特定程序下抓取、搬運物件或者操作工具的自動操作裝置。機器人的發展歷史經歷了一系列階段，其中機械手則是最早出現的工業機器人，機械手在工業生產中的應用能夠有效地減省工人、提高生產效率、降低生產成本、提高產品的品質提升工廠形象，尤其是在某些特殊的環境下，如高溫高壓、有毒有害、易燃易爆、放射性較大等，機器手得到了廣泛的運用。

1.機器人（機器手）結構設計

本次設計的機械手是通用氣動上下料機械手，其在工業生產有較為廣泛的運用。

1.1手部結構的設計

對手部結構的設計可以設計成可更換的結構，按照實際情況使用的是夾持式手部還是氣壓吸盤式結構。夾持式常用的有兩指、多指和雙手雙指式。在設計時應該考慮手指的夾緊力，慣性力和振動性，避免因為抓力不夠而致使物品掉落，對手部結構的設計還要考慮一定的開閉角和抓取的對象，因地制宜，這樣才能發揮出機器手的最大作用。由于手抓的物品大多數為圓柱形，所以手指形狀應該設計成V型。在設計時首先計算出手部驅動力的大小，然后計算出氣缸的直徑，最后計算出缸筒的壁厚。

1.2手腕結構的設計

對于手腕結構的設計要充分理解手腕的工作原理，手腕是連接手部和手臂的重要部件，起到的是調整和改變物品的方位，考慮到機器手所抓取的物品是水平放置的，所以手腕在設計的過程中，必須要設有回轉運動，而實現手腕回轉運動的機構是回轉氣缸。因此此次設計選擇的是回轉氣缸[1]。對回轉氣缸的設計首先要計算出手腕轉動時所需要的驅動力矩；手腕轉動件和物品的偏重會產生一個偏重力，具體表現在是對轉動軸產生的一個偏重力矩，所以這時需要計算出這個偏重力矩的大小；手腕轉動時也會產生摩擦，所以還需要計算出轉動軸對軸頸處造成的摩擦阻力矩；再對回轉氣缸的驅動力矩進行計算和尺寸進行校核，

1.3手臂結構的設計

機器手手臂作為手腕和手部的牽引部分，有三種氣缸模式，手臂伸縮氣缸、手臂升降氣缸和手臂回轉氣缸。在進行手臂結構的設計時，要計算出這三種氣缸的尺寸，并進行校核。同時在設計過程中發現，機器手臂在伸縮運動時應該采用導向裝置，可以有效地增加手臂的剛性，避免手臂繞軸線轉動[2]。

2.可編程序控制器對機器人（機器手）的有效控制

可編程控制器是在工業領域應用的一種數字運算操作的電子裝備。此次設計控制的對象是圓柱座標氣動機械手，對機器人的有效控制可以分成四個過程。可編程序控制器有四個階段，首先CPU對輸入輸出狀態暫存器清零，隨后進行自診斷，當顯示一切硬件正常工作后進入第二個階段；然后處理輸入信號，把獲得的各個輸入端子的狀態信息存放到輸入輸出狀態暫存器中；接著再對用戶程序進行掃描、運算和處理，將結果寫入輸出狀態暫存器中，最后把暫存器中的信號取出，送到輸出鎖存電路，驅動輸出繼電器線圈，控制與被控制設備進行各種相應的動作[3]。周而復始，使機器手能夠不斷運作。

3結論

文章對四自由度機器人（機器手）進行研究，提出了其結構設計和控制實現的具體方法。機器人（機器手），作為一種全新的能為企業帶來巨大經濟效益的工具，在今后的經濟發展中必然會發揮出其巨大的優勢。我國也應該學習國外先進的有關機器人的科學技術，總結經驗，勇于創新，加速機器人研發步伐，為我國經濟的快速穩定發展注入一股新的力量。

【參考文獻】

[1]羅紹維、吳振順.四自由度多關節機器人自適應控制系統的研究[J]. 機器人，2009.06：40-44.

[2]李桂海.全氣動多自由度關節型機器人的研制[D].南京理工大學.2005.12（5）：37-39

[3]金茂青、曲忠萍、張桂華.國外工業機器人的發展勢態分析.機器人技術與應用.2010.2（8）：21-25

作者簡介：

譚焓（1970—），男，漢族，湖北武漢人，武漢理工大學工程碩士，武漢軟件工程職業學院，副教授，研究方向：機械制造及控制自動化