氣動夾持機(jī)械手設(shè)計

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1、氣動夾持機(jī)械手設(shè)計 1、相關(guān)定義 1.1、定義約束關(guān)系及傳感器 一個系統(tǒng)通常是由多個構(gòu)件組成的,各個構(gòu)件之間通常存在某些約束關(guān)系, 即一個構(gòu)件限制另一個構(gòu)件的運(yùn)動,兩個構(gòu)件之間的這種約束關(guān)系,通常稱為 運(yùn)動副或鉸鏈,在ADAMS中,抽象和總結(jié),將約束分為幾個常用的基本約束 和運(yùn)動副,要模擬系統(tǒng)的真實運(yùn)動情況,就需要根據(jù)實際情況抽象出相應(yīng)的運(yùn) - 32 - 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 動副,并在構(gòu)件之間定義運(yùn)動副。對于本文中的氣動機(jī)械手主要通過其構(gòu)件數(shù) 量及自由度決定需要添加的運(yùn)動副,如表 3-2所示共定義了 13 個運(yùn)動副,其中 包括 1 個固定副、10 個轉(zhuǎn)動副以及 2 個平移副

2、。固定副約束兩個相關(guān)構(gòu)件的 3 個旋轉(zhuǎn)和 3 個平移自由度,旋轉(zhuǎn)副約束 2 個旋轉(zhuǎn)和 3 個平移自由度,平移副約 束 3 個旋轉(zhuǎn)和 2 個平移自由度。由表 3-1可知系統(tǒng)共包括 12 個構(gòu)件,因此最終 的自由度為DOF=6×(13-1)-5×12-6×1=6,符合實際的六個自由度。 表 3-2 定義的約束關(guān)系 Table 3-2 Constraints in manipulator model 運(yùn)動副 聯(lián)接部件 1 聯(lián)結(jié)部件 2 約束類型 驅(qū)動約束 運(yùn)動范圍 JOINT_1 底座 大地 固定副 - 0 JOINT_2 腰部 底座 轉(zhuǎn)動副 MOTION_1? 90 °~ 9 0° JOINT_3

3、 大臂 腰部 轉(zhuǎn)動副 - 無限制 JOINT_4 大臂氣缸筒 腰部 點線副 - 無限制 JOINT_5 小臂氣缸筒 大臂 點線副 - 無限制 JOINT_6 大臂氣缸桿 大臂 轉(zhuǎn)動副 - 無限制 JOINT_7 小臂氣缸桿 肩 轉(zhuǎn)動副 - 無限制 JOINT_8 肩 大臂 轉(zhuǎn)動副 - 無限制 JOINT_9 小臂 肩 轉(zhuǎn)動副 MOTION_2 0°~ ? 9 0° JOINT_10 手腕 小臂 轉(zhuǎn)動副 MOTION_3? 60 °~ 3 0° JOINT_11 手抓 手腕 轉(zhuǎn)動副 MOTION_4? 90 °~ 9 0° JOINT_12 大臂氣缸桿 大臂氣缸筒 移動副 MOTION_5 0~

4、 175mm JOINT_13 小臂氣缸桿 小臂氣缸筒 移動副 MOTION_6 0~ 175mm 因為該機(jī)械手的各個關(guān)節(jié)都有一個相應(yīng)的運(yùn)動范圍,機(jī)械手在工作過程中 必須保證不能超出這個范圍,否則機(jī)械手就會自動停止運(yùn)行,并提示錯誤。所 以在仿真時也要指定模型中各關(guān)節(jié)角的范圍,這可以通過建立傳感器來實現(xiàn), 當(dāng)角度值超過傳感器限定的范圍時,傳感器就會被激發(fā),使仿真進(jìn)程停止。 此外需要注意的是運(yùn)動副聯(lián)接的兩個構(gòu)件之間的相對運(yùn)動均是在 I-Marker 和 J-Marker 中測量,即為相對運(yùn)動值,角度等旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的相關(guān)值以右手定則定 義正負(fù)。 要使系統(tǒng)能夠運(yùn)動起來,還需要在運(yùn)動副上添加驅(qū)動。驅(qū)動從本質(zhì)

5、上來說, 也是一種約束,只不過這種約束是約束兩個構(gòu)件按照確定的規(guī)律運(yùn)動。在 ADAMS/View中,在模型上定義的驅(qū)動是將運(yùn)動副未約束的其它自由度做進(jìn)一 步約束,是時間的函數(shù)。系統(tǒng)有確定位形的充要條件就是系統(tǒng)的自由度等于驅(qū) 動的數(shù)目,如果系統(tǒng)還有未約束住的自由度,則對于未約束住的自由度會在重 力和其他載荷的作用下進(jìn)行動力學(xué)計算,對于有確定位形的自由度才能進(jìn)行運(yùn) - 33 - 哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文 動學(xué)計算。因此對于本文中的六自由度機(jī)械手,要想讓末端有確定的運(yùn)動軌跡, 必須將未約束的自由度進(jìn)行約束,即需要添加六個驅(qū)動,根據(jù)所添加運(yùn)動副的 約束屬性添加四個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動和兩個滑移驅(qū)動,如表 3

6、-2所示。至于各個驅(qū)動上 的運(yùn)動函數(shù)要根據(jù)機(jī)械手末端軌跡以及運(yùn)動學(xué)反解得到的各關(guān)節(jié)的運(yùn)動函數(shù)來 確定。 1.2、腦卒中的概念和治療現(xiàn)狀 腦卒中俗稱中風(fēng),亦稱為腦血管意外(Cerebral VascularAccident)。是指由腦部 損傷、脊髓損傷或者腦部血管病變等各種原因引起腦動脈系統(tǒng)和靜脈系統(tǒng)所發(fā)生 的病理性病變而引起的一類疾病?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展使醫(yī)務(wù)人員對于急性中風(fēng)患者 能采取比較有效治療手段,從而使得患中風(fēng)以后能夠存活下來的人非常之多。病 人在接受醫(yī)生的緊急治療后,雖不至于有生命危險,但是所發(fā)生的腦部血液循環(huán) 障礙將對腦組織產(chǎn)生直接影響,并引起腦細(xì)胞產(chǎn)生功能性改變[8],以

7、至于殘留下多 種多樣的后遺癥,包括語言不利、偏癱、神志障礙、面癱(口眼歪斜)、小便失禁等 等,使病人失去原有自主運(yùn)動的能力。其中中風(fēng)后手和手臂偏癱是最常見、最容 易出現(xiàn)的病變癥狀。 據(jù)統(tǒng)計,在我國有腦卒中引起的偏癱患者將占全國人口數(shù)的 3‰~10‰。按我 國 13 億人口計算,則患腦卒中的人數(shù)將達(dá) 390 萬至 1300 萬。中風(fēng)所造成的偏癱 不僅給患者帶來了行動和日常生活極大的不便,還給患者本人及家庭帶來心理上、 經(jīng)濟(jì)上及其他方面的沖擊。目前,偏癱上肢的康復(fù)訓(xùn)練傳統(tǒng)方法是醫(yī)務(wù)人員對病 -1- 者進(jìn)行手把手的康復(fù)訓(xùn)練,或者用簡單的康復(fù)醫(yī)療器械進(jìn)行訓(xùn)練。這樣的訓(xùn)練方 式存在許多的問題,比如訓(xùn)練效

8、率低下,不能保證患者的訓(xùn)練強(qiáng)度,不能進(jìn)行精 確控制和記錄訓(xùn)練參數(shù)(運(yùn)動速度、軌跡等等),患者被動地接受治療,參與治療 的主動性不夠,康復(fù)評價指標(biāo)不夠客觀,不利于治療方案的確定、改進(jìn)和對偏癱 患者神經(jīng)康復(fù)規(guī)律的深入研究[9-11]。因此,尋求有效的康復(fù)治療手段,使患者在一 定程度上能恢復(fù)自主運(yùn)動能力,這樣即可以提高患者自身的生活質(zhì)量,也可以減 輕家庭和社會的總體負(fù)擔(dān)。 1.3、基本定義 定義 2-1 設(shè) X 和 Y 是兩個集合,f : X→Y。如果 Y 中的每一個點都有原 像(即 f (X ) = Y),則稱 f 是一個滿射;如果 X 中不同的點的象是 Y 中不同的 點(即對于任何

9、x1,x2∈X,如果 x1 ≠ x2,則有 f (x1) ≠ f (x2),則稱 f 是一個單 射;如果 f 既是一個單射,又是一個滿射,則稱 f 是一個一一映射。 定義 2-2 設(shè) X 是一個集合,T 是 X 的一個子集族。如果 T 滿足條件: (1) X,?∈ T ; (2) 若A,B∈ T ,則A ∩B∈ T ; (3) 若T1 ? T ,則A∈T 1 A ∈ T ∪ , 則稱 T 是 X 的一個拓?fù)?。如?T 是集合 X 的一個拓?fù)?則稱偶對(X,T )是一 個拓?fù)淇臻g。T 的每一個元素都叫做拓?fù)淇臻g(X,T )中的一個開集。 定義 2-3 設(shè) X 和 Y 是兩個拓?fù)淇臻g,f : X→

10、Y。如果 Y 中的每一個開集 U 的原象 f -1(U )是 X 中的一個開集,則稱 f 是從 X 到 Y 的一個連續(xù)映射, 或簡稱 f 連續(xù)。 11 定義 2-4 設(shè) X 和 Y 是兩個拓?fù)淇臻g,如果 f : X→Y 是一個一一映射, 并且 f 和 f -1: Y→X 都是連續(xù)的,則稱 f 是一個同胚映射或同胚。 定義 2-5 設(shè) X 和 Y 是兩個拓?fù)淇臻g。如果存在一個同胚 f : X→Y,則 稱拓?fù)淇臻g X 與拓?fù)淇臻g Y 是同胚的,或稱 X 與 Y 同胚,或稱 X 同胚于 Y 。 定義 2-6 設(shè)(X, T )是一個拓?fù)淇臻g,x∈ X 。如果 U 是 X 的一個子集, 滿足條件:存在一

11、個開集V∈ T 使得x∈V ? U ,則稱 U 是點 x 的一個鄰域。 點 x 的所有鄰域構(gòu)成的 X 的子集族稱為點 x 的鄰域系。如果 U 是包含著點 x 的一個開集,那么它一定是 x 的鄰域,稱 U 是點 x 的一個開鄰域。 定義 2-7 當(dāng)集合的各元素本身就是集合時,這個集合稱為集族。 定義 2-8 設(shè)(X, T )是一個拓?fù)淇臻g,B 是 T 的一個子族。如果 T 中的每 一元素(即拓?fù)淇臻g X 中的每一個開集)是 B 中某些元素的并,即對于每一 個U∈ T ,存在B 1 ? B使得U= ∪ B∈B 1 B 則稱 B 是拓?fù)?T 的一個基,或稱 B 是拓?fù)淇臻g X 的一個基。 定義 2-

12、9 某拓?fù)淇臻g的一個基或在某一點處的一個鄰域基,如果是一 個可數(shù)族,則稱之為一個可數(shù)基和一個可數(shù)鄰域基。 定義 2-10 設(shè) A 一個集族,B 是一個集合。如果∪A∈AA ? B 則稱集族 A 是集合 B 的一個覆蓋,并且當(dāng) A 是可數(shù)族或有限族時,分別稱集族 A 是集 合B的一個可數(shù)覆蓋或有限覆蓋。 設(shè)集族 A 是集合 B 的一個覆蓋。如果集族 A 的一個子族 A1也是集合 B 的一個覆蓋,則稱集族 A1是覆蓋 A (關(guān)于集合 B)的一個子覆蓋。 設(shè) X 是一個拓?fù)淇臻g。如果由 X 中開(閉)子集構(gòu)成的集族 A 是 X 的子 集 B 的一個覆蓋,則稱集族 A 是集合 B 的一個開(閉)覆蓋。

13、 定義 2-11 一個拓?fù)淇臻g如果有一個可數(shù)基,則稱這個拓?fù)淇臻g是一 個滿足第二可數(shù)性公理的空間。 定義 2-12 一個拓?fù)淇臻g如果在它的每一點處都有一個鄰域基,則稱 這個拓?fù)淇臻g是一個滿足第一可數(shù)性公理的空間。 定義 2-13 設(shè) X 是一個拓?fù)淇臻g,D ? X 。如果 D 是閉包等于整個拓 撲空間 X,即D = X ,則稱 D 是 X 的一個稠密子集。 定義 2-14 設(shè) X 是一個拓?fù)淇臻g。如果 X 中有一個可數(shù)稠密子集,則 12 稱 X 是一個可分空間。 定義 2-15 若{ 0} = {0},則稱 X 是分離的。如果一個空間 X 是完備的, 分離的準(zhǔn)范空間,則該空間稱為 Fréche

14、t 空間。 定義 2-16 對 f ∈Y X,稱 X×Y 的子集{(x, f (x)): x∈X }為 f 的圖像是 X×Y 的閉子集,則稱 f 具有閉圖像。 定義 2-17 設(shè) A,B,C 都是集合。則 (1) A? A 不成立; (2) A? B 和 B? A 不能同時成立; (3) 如果 A? B ,并且 B? C ,則 A? C 。這類集合常稱為集族。 定義 2-18 一個拓?fù)淇臻g X 上的拓?fù)?τ 稱為 Hausdorff 拓?fù)?是指如果 該拓?fù)涫沟脤θ我獾?x, y∈X 且 x ≠ y,都有 x 的鄰域 U 和 y 的鄰域 V 使得 U∩ V=?。 1.4、與機(jī)械手有關(guān)的概

15、念 (1)機(jī)械手自由度 機(jī)構(gòu)自由度指的是其具有獨立運(yùn)動數(shù)目的個數(shù),而機(jī)械手自由度也就是各 關(guān)節(jié)中單獨驅(qū)動的關(guān)節(jié)數(shù)。通常,一個剛體在空間中有六個自由度,分別是繞 坐標(biāo)系 X,Y,Z 軸的轉(zhuǎn)動與繞 X,Y,Z 軸的移動,這六個自由度可以完全定義剛體 在空間中的位姿。那么,如果機(jī)械手臂自由度達(dá)到了六個,那么機(jī)械手末端就 可以達(dá)到操作空間任意位置。通常機(jī)械手都是四到六自由度,平面機(jī)械手自由 度數(shù)相對要少,適各作業(yè)任務(wù)而定。 (2)機(jī)械手運(yùn)動鏈 由運(yùn)動副連接起來的兩個或者兩個以上的桿件所組成的桿件系統(tǒng)稱之為運(yùn) 動鏈。運(yùn)動鏈有開式鏈與閉式鏈之分,開式鏈可最少含有一個運(yùn)動副,閉式運(yùn) 動鏈含兩個或兩個以上

16、運(yùn)動副。目前機(jī)器人大部分都是開式運(yùn)動鏈結(jié)構(gòu)。 機(jī)械運(yùn)動鏈中能夠作獨立的相對運(yùn)動的個數(shù)稱之等于運(yùn)動鏈的自由度數(shù)。 這些自由度確定機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)中各桿件的相對位置及其變化,即機(jī)器人的構(gòu) 形。 考慮到絕緣子表面特征的復(fù)雜性,為避免各個運(yùn)動桿件跟絕緣子表面發(fā)生 干涉,因此,本機(jī)械手采用開式鏈結(jié)構(gòu)。 (3)機(jī)械手機(jī)構(gòu) 機(jī)械手機(jī)構(gòu)由定位機(jī)構(gòu)與定向機(jī)構(gòu)組成。通常所說的定位機(jī)構(gòu)就是指的機(jī) 械手的手臂,它通常由兩到三個自由度組成,主要用來支撐機(jī)械手小臂,承載 后續(xù)負(fù)載,并對手腕起到定位作用;定向機(jī)構(gòu)指的是機(jī)械手的手腕,同樣也是 至少由兩個或兩個以上自由度組合而成,用來確定機(jī)械手末端桿件的姿態(tài)。定 向機(jī)構(gòu)與定位機(jī)

17、構(gòu)的組合即可認(rèn)為是完整的機(jī)械手機(jī)構(gòu)。 本絕緣子清洗機(jī)構(gòu)中,絕緣子本身固定在機(jī)架上,有兩個電機(jī)分別驅(qū)動其 繞自身軸線的 360 度旋轉(zhuǎn)與上下運(yùn)動,而機(jī)械手末端軌跡曲線在同一平面,所 以此機(jī)械臂只需要四個自由度,分別由兩個移動關(guān)節(jié)和兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)組成。 (4)工作空間 機(jī)械手末端執(zhí)行器所能達(dá)到的空間任意點的集合稱之為機(jī)械手的工作空 間。工作空間的大小決定于機(jī)械手各連桿的尺寸,同時也與機(jī)械手總體構(gòu)形有 關(guān)。在設(shè)計機(jī)械手時,對于達(dá)到工作空間任一位置時的多種連桿形位是否構(gòu)成 內(nèi)部桿件的干涉問題,在運(yùn)動過程中或者到達(dá)該位置時是否與工作空間中其它 物體相碰撞的問題,以及在空間某些形位是否剛好處于機(jī)械手臂桿件奇

18、異位置 或者奇異位置附近的問題,對于以上這些,我們必須加以考慮。 (5)機(jī)械手精度 機(jī)械手精度是指其執(zhí)行器參考點實際到達(dá)空間某一坐標(biāo)點與理想中到達(dá)的 坐標(biāo)點之間的誤差。它主要的兩個指標(biāo)為:①末端執(zhí)行器定位精,是指機(jī)械手 末端執(zhí)行器參考點的實際到達(dá)空間坐標(biāo)點與目標(biāo)坐標(biāo)點之間的誤差;②末端執(zhí) 行器重復(fù)定位精度是指在同樣的控制程序下,機(jī)械手連續(xù)多次重復(fù)到達(dá)某目標(biāo) 坐標(biāo)點時,其位置一致性程度。影響機(jī)械手精度的因素很多,如零件加工制造 精度,機(jī)器裝配精度,零件自重引起的變形,運(yùn)動副間隙,電機(jī)控制,負(fù)載引 起的變形的等。但是對機(jī)械手定位精度有影響的因素并不一定影響重復(fù)定位精 度。當(dāng)連桿本身與負(fù)載重力引起變

19、形所導(dǎo)致的誤差只存在于定位精度,而不涉 及重復(fù)定位精度。因此,這就要求我們對機(jī)械手進(jìn)行整體方面綜合考慮。 11 (6)機(jī)械手分類 機(jī)械手分類方法有多種。 ①首先,按機(jī)械手結(jié)構(gòu)可分為四類: a.直角坐標(biāo)式機(jī)械手 這種機(jī)器人酷似于數(shù)控鏜銑床,各關(guān)節(jié)以移動副相聯(lián),關(guān)節(jié)軸兩兩垂直。 這種形式機(jī)械手結(jié)構(gòu)剛度高,不存在耦合、奇異等狀態(tài),運(yùn)動分析相對較簡單, 不過其操作靈活性相對較差,夾具等受到機(jī)床結(jié)構(gòu)限制,且占地面積較大。 b.圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手 該機(jī)器人前三個關(guān)機(jī)分別是兩個移動關(guān)節(jié),一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),其優(yōu)點是空間 定位比較直觀,但在其工作空間內(nèi)連桿容易發(fā)生碰撞,移動副不易被保護(hù)。 c.球(極)坐標(biāo)式機(jī)械手 此

20、類機(jī)械手前三個關(guān)節(jié)中前兩個關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動,后一個為移動,占地面積小, 工作空間大,不過也是移動關(guān)節(jié)不易保護(hù)。 d.SCARA 機(jī)械手 機(jī)器人前三個關(guān)節(jié)都為轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),軸線相互平行,在平面內(nèi)實現(xiàn)定位和定 向,另有一移動關(guān)節(jié),實現(xiàn)末端件在追治愈平面的運(yùn)動。其結(jié)構(gòu)輕便,響應(yīng)快, 適合于平面定位,垂直方向裝配作業(yè)。 e.關(guān)節(jié)式機(jī)械手 此類機(jī)械手各自由度都為轉(zhuǎn)動副相聯(lián),其運(yùn)動是模擬人手的六個自由度, 前三個關(guān)節(jié)分別由肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)組成,對末端手爪起到定位作用,后面關(guān)節(jié) 合稱為腕關(guān)節(jié),對末端手爪起到定向作用。肩關(guān)節(jié)分別實現(xiàn)繞鉛垂軸線的旋轉(zhuǎn) 與大臂的俯仰動作,肘關(guān)節(jié)實現(xiàn)小臂俯仰。此類機(jī)器人各桿件相互干涉較少, 結(jié)

21、構(gòu)可相對更小,更緊湊,占地面也相對較少,防塵密封容易,但其運(yùn)動學(xué)復(fù) 雜,末端桿件位姿描述較復(fù)雜,軌跡規(guī)劃與驅(qū)動控制復(fù)雜。 ②按驅(qū)動方式分類 通常分為三類:氣動機(jī)械手;液動機(jī)械手;電動機(jī)械手。 其中最常用的是電器驅(qū)動,因為此種驅(qū)動方式控制簡單,安裝維護(hù)方便, 結(jié)構(gòu)較小,高的運(yùn)動精度,且對環(huán)境基本不造成損害。液動與氣動主要用于大 功率出,但是其維護(hù)成本高,氣體與液體的泄露導(dǎo)致精度難以控制,所以應(yīng)用 相對較少。 ③按機(jī)械手控制方法分類 a.點位控制型:機(jī)械手控制方式為自一點運(yùn)動到另一點,操作只在目標(biāo)點 上,例如點焊機(jī)械手 b.連續(xù)軌跡控制型:此類機(jī)械手各關(guān)節(jié)作聯(lián)動,末端運(yùn)動速度與加速度連 續(xù)。機(jī)械手

22、軌跡規(guī)劃時需獲得各節(jié)點位移、速度與加速度值,并利用運(yùn)動學(xué)求 逆與雅克比矩陣求逆得出各關(guān)節(jié)空間相對應(yīng)的位移、速度與加速度值。如焊接 機(jī)械手焊接曲縫時的軌跡控制。 4)按用途分類 機(jī)械手按用途可分為醫(yī)療福利、噴涂、焊接、搬運(yùn)、裝配、切削加工等各 種用途機(jī)械手。 12 1.5、定義疲勞算例及屬性 在疲勞分析之前,首先需要對弧面分度凸輪進(jìn)行靜態(tài)分析,分析方法此處不再介紹。 此處選擇 41CrMo4 材料的多頭弧面分度凸輪為例,介紹其整個分析的過程,其余兩種材料 的分析方法類似。 選擇 41CrMo4 材料的多頭弧面分度凸輪進(jìn)行靜態(tài)分析,對凸輪施加載荷為 1000N,其 余與 5.1 節(jié)分析

23、完全一樣。靜態(tài)分析完成后,右鍵單擊 Simulation 算例標(biāo)簽,選擇創(chuàng)建新 Simulation 算例,在算例下面選擇疲勞,完成疲勞分析的算例定義。在 Simulation 算例樹 中,用右鍵單擊疲勞圖標(biāo) ,然后選取屬性。在對話框中,執(zhí)行以下操作:在恒定振幅事 件交互作用框內(nèi)單擊”隨意交互作用”;在計算交替應(yīng)力的手段框內(nèi),單擊”對等應(yīng)力”(Von 55 Mises);在疲勞強(qiáng)度縮減因子 Kf 框內(nèi),鍵入 1.0;單擊確定。 1.6、機(jī)翼氣動/結(jié)構(gòu)解耦參數(shù)定義 要在系統(tǒng)優(yōu)化中反映氣動優(yōu)化對結(jié)構(gòu)優(yōu)化的折衷,必須考慮氣動載荷分布對結(jié)構(gòu)優(yōu)化的影 響。大量的計算分析表明,氣動載荷分布一般

24、可近似為三次多項式曲線。確定這個三次多項式 曲線需要 4 個參數(shù)。為了減少描述氣動載荷分布的參數(shù)個數(shù),這里提出了一種簡化方法。 通過研究氣動載荷分布的特征,發(fā)現(xiàn)當(dāng)升力系數(shù)一定時,對確定的機(jī)翼外形,只需確定其 2 個展向特征站位的值即能夠確定氣動載荷分布的曲線。它們的比值,則能夠基本反映氣動載 荷的展向分布特征。因此,定義氣動載荷分布的控制參數(shù) iGa 為 0.5 展向站位的氣動載荷值與 0.98 展向站位氣動載荷值的比值。只要確定了參數(shù) iGa,就可近似確定機(jī)翼氣動載荷展向分布。 圖 3.7 中縱坐標(biāo)表示載荷,橫坐標(biāo)表示展向站位單位坐標(biāo)。CL 為展向站位升力系數(shù),C 為 當(dāng)?shù)叵议L,Cref為平

25、均氣動弦長,z 為展向坐標(biāo),b 為半展長。該圖對比了由升力系數(shù)、控制參 數(shù) iGa、0.98 站位升力系數(shù)確定的氣動載荷分布(曲線 b)與氣動程序(BLWF[46])計算出的實 際氣動載荷分布(分布點 a)。可以看出二者非常接近。因此,將控制參數(shù) iGa 作為描述氣動載 荷分布的參數(shù)是合理的。 圖 3.7 機(jī)翼載荷展向分布的比較 為驗證該參數(shù)的可行性,在 iGa 相同的前提下,對兩組機(jī)翼的展向載荷分布進(jìn)行對比。 (1)對不同平面外形的柔性機(jī)翼進(jìn)行氣動優(yōu)化分析。iGa 和升力系數(shù)相同時,展向載荷分 布對比如圖 3.8 所示。圖中曲線的部分主要參數(shù)如下:iGa=4.6;曲線 1 對應(yīng)展弦比 AR=

26、10.5, 后掠角 Λ=28°;曲線 2 對應(yīng)展弦比 AR=8.5,后掠角 Λ=20°;曲線 2 對應(yīng)展弦比 AR=9.5,后 掠角 Λ=24°。根據(jù)圖示,曲線分布基本相近。因此,對于不同平面外形的機(jī)翼,該參數(shù)在控制 展向載荷分布上是有效的。 23 圖 3.8 不同平面外形柔性機(jī)翼的展向載荷分布對比(iGa/CL 相同) (2)對某平面外形相同,結(jié)構(gòu)剛度不同的柔性機(jī)翼,iGa 和升力系數(shù)(平衡狀態(tài))相同時, 展向載荷分布對比如圖 3.9 所示,圖中部分主要參數(shù):展弦比 AR=8.5,后掠角Λ=24°,載荷 控制系數(shù) iGa=4.6,CL0=0.56。曲線 1 對應(yīng)剛性機(jī)翼,即假定無變形;曲線

27、2、3、4 對應(yīng)剛度分 布不同的柔性機(jī)翼。四條曲線基本重合,說明對相同平面外形的機(jī)翼,iGa 在表達(dá)和控制其載 荷的展向分布方面也是合理的。 圖 3.9 不同結(jié)構(gòu)剛度柔性機(jī)翼展向載荷分布對比(iGa/CL 相同) 24 1.7、過渡處鼓包定義 翼身交接處的過渡鼓包外形在實際設(shè)計中一般參照設(shè)計經(jīng)驗,由多塊曲面拼接而成。本文 采用了一種近似方法,通過剪切放樣曲面獲得。 翼身鼓包主要外形參數(shù)的選取和定義如下 (1)翼身鼓包最前端到翼前緣的縱向距離占機(jī)身總長的比 λfairFwd。 (2)翼身鼓包最后端到翼后緣的距離占縱向機(jī)身總長的比 λfairAft。 (3)鼓包曲線(如圖 3.4 圖

28、3.5 所示三號線至六號線)的控制點坐標(biāo)。 根據(jù)以上參數(shù),結(jié)合機(jī)翼外形表面參數(shù),首先在機(jī)身表面獲得控制點 1~8,然后分別繪制 剖面控制曲線 3~6,引導(dǎo)曲線 1~2。在此基礎(chǔ)上,放樣生成曲面。最后,對過渡處的多余曲面 進(jìn)行剪切,從而獲得過渡處鼓包外形。 圖 3.5 機(jī)翼機(jī)身過渡處鼓包生成示意圖 20 2、相關(guān)背景 2.1、課題研究背景 康復(fù)機(jī)器人作為醫(yī)療機(jī)器人的一個重要分支,它的研究貫穿了康復(fù)醫(yī)學(xué)、生物力 學(xué)、機(jī)械學(xué)、機(jī)械力學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)、計算機(jī)科學(xué)以及機(jī)器人學(xué)等諸多領(lǐng)域,已 經(jīng)成為國際機(jī)器人領(lǐng)域的一個研究熱點?？祻?fù)的含義:在受創(chuàng)傷或得病后恢復(fù)患者肢 體或器官的正常的形狀或

29、功能,康復(fù)工程就是致力于為患者提供此類輔助裝置[1]。康 復(fù)治療機(jī)器人在醫(yī)療實踐上主要是用于恢復(fù)患者肢體運(yùn)動系統(tǒng)的功能。運(yùn)動系統(tǒng)的問 題可以分為兩類[2]:一類是生物力學(xué)或生物物理化學(xué)類型的應(yīng)用;另一類是運(yùn)動學(xué)習(xí)。 當(dāng)人的肢體受外傷、燒傷或接受手術(shù)后,受傷組織的皮膚、韌帶和肌肉會失去彈性從 而導(dǎo)致肢體運(yùn)動的速度和范圍受到限制。生物力學(xué)或生物物理化學(xué)的應(yīng)用就是利用機(jī) 器人系統(tǒng)來打破受傷肢體的運(yùn)動范圍,幫助患者進(jìn)行科學(xué)而又有效的康復(fù)訓(xùn)練,使患 者的運(yùn)動機(jī)能得到更好的恢復(fù)[3-5]。 近年來,隨著機(jī)器人技術(shù)和康復(fù)醫(yī)學(xué)的發(fā)展,在歐洲、美國和日本等國家,醫(yī)療 康復(fù)機(jī)器人的市場占有率呈逐年上升的趨勢。20

30、06 年的第二次全國殘疾人人口普查[6], 全國各類殘疾人總數(shù)為 8296 萬人,殘疾人占全國總?cè)丝诘谋壤秊?6.34%。其中,視力 殘疾 1233 萬人,占?xì)埣踩丝倲?shù) 14.86%;聽力殘疾 2004 萬人,占?xì)埣踩丝倲?shù) 24.16%; 言語殘疾127萬人,占?xì)埣踩丝倲?shù)1.53%;肢體殘疾2412萬人,占?xì)埣踩丝倲?shù)29.07% , 人數(shù)最多,其中截肢人數(shù) 226 萬人。2006 年第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查將肢體殘疾 定義為:人體運(yùn)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能損傷造成四肢殘疾或四肢、軀干麻痹、畸形 等而致人體運(yùn)動功能不同程度的喪失以及活動受限或參與的局限。 -1- 我國正步入老齡化社會,而在老齡人群中有

31、大量的腦血管疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病患 者,這類患者多數(shù)伴有偏癱癥狀。我國是中風(fēng)病的高發(fā)地區(qū),每 10 萬人中約有 550 人 患有中風(fēng)病。以總?cè)丝?13 億計算,則中風(fēng)病人約有 770 萬,在幸存者中約有 70%~ 80% 的病人會留有不同程度的殘疾[7-9]。 目前,針對肢體殘疾患者的康復(fù)訓(xùn)練主要以傳統(tǒng)方法為主,傳統(tǒng)方法主要包括理 論的物理療法和醫(yī)師對患者進(jìn)行手把手的指導(dǎo)和訓(xùn)練。但傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練方法也存在 一些問題: 首先,一名治療師只能同時對一名患者進(jìn)行運(yùn)動訓(xùn)練,訓(xùn)練效率低;由于治療師 自身原因,無法保證患者得到足夠的訓(xùn)練強(qiáng)度,而且治療效果又多取決于治療師的經(jīng) 驗和水平; 其次,傳統(tǒng)方法如物理

32、療法不能記錄運(yùn)動速度、軌跡等參數(shù);此外,訓(xùn)練不具吸 引力,患者被動接受治療,參與治療的主動性不夠。 因此,只靠醫(yī)師的指導(dǎo)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,無助于康復(fù)訓(xùn)練效率的提高和方法的改進(jìn)。 所以,應(yīng)該開拓更先進(jìn)的康復(fù)訓(xùn)練手段,把更先進(jìn)的技術(shù)引入到康復(fù)治療領(lǐng)域[10]。 1.1.2 課題研究意義 手部康復(fù)治療機(jī)械手依據(jù)于生物力學(xué)和生物物理化學(xué)原理,使用機(jī)器人系統(tǒng)來打 破受傷肢體的運(yùn)動范圍,幫助肢體殘疾者重建殘疾肢體器官的功能和康復(fù)治療以及職 業(yè)技能訓(xùn)練等。解決以往在康復(fù)領(lǐng)域的費(fèi)時、費(fèi)力以及人力所不能及的工作,使肢體 殘疾者的康復(fù)工作被康復(fù)機(jī)器人所取代,成為一種新型的提高臨床康復(fù)效率的康復(fù)治 療儀器。 它是將康復(fù)

33、醫(yī)學(xué)原理和機(jī)器人技術(shù)結(jié)合在一起,將開關(guān)量控制、遙控、單片機(jī)控 制技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)和機(jī)器人機(jī)構(gòu)與氣動控制結(jié)合在一起的一種裝置。它將小臂 康復(fù)運(yùn)動和手掌康復(fù)運(yùn)動綜合在一起,通過由氣體驅(qū)動的機(jī)械手帶動患者的患肢在水 平面運(yùn)動,模擬日常生活中的手臂最基本運(yùn)動規(guī)律,通過開關(guān)控制、遙控控制或計算 機(jī)控制實現(xiàn)手臂各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動訓(xùn)練、肌肉鍛煉以及神經(jīng)功能的恢復(fù)訓(xùn)練,促使機(jī)械 手與人的手臂協(xié)調(diào)運(yùn)動,從而達(dá)到最佳的康復(fù)訓(xùn)練效果,而且它還具有存儲患者病志 的功能。 此外,與國外具有同樣功能的康復(fù)訓(xùn)練儀器相比,本康復(fù)機(jī)械手具有明顯的價格 優(yōu)勢。 -2- 2.2、研究背景和課題來源 術(shù)發(fā)展的重要領(lǐng)域之一,

34、是以微電子技術(shù)為主導(dǎo)的多 種新興技術(shù)與機(jī)械技術(shù)交叉、融合而成的一種綜合性的高新技術(shù)。這一技術(shù)在工業(yè)、農(nóng) 業(yè)、國防、醫(yī)療衛(wèi)生、辦公自動化及生活服務(wù)等眾多領(lǐng)域有著越來越多的應(yīng)用。工業(yè)機(jī) 器人在提高產(chǎn)品質(zhì)量、加快產(chǎn)品更新、提高生產(chǎn)效率、促進(jìn)制造業(yè)的柔性化、增強(qiáng)企業(yè) 和國家的競爭力等諸方面具有舉足輕重的地位[1]。 本課題中設(shè)計開發(fā)的曲軸搬運(yùn)機(jī)械手來源于神龍汽車有限公司曲軸加工生產(chǎn)線。該 公司的發(fā)動機(jī)曲軸在加工過程中,需要在不同的生產(chǎn)線之間進(jìn)行搬運(yùn),目前的搬運(yùn)工作 由人工完成,不可避免地存在著勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)安全難以保障、定位精度不高等問題, 嚴(yán)重影響了曲軸的生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率和單位的經(jīng)濟(jì)效益?；谏?/p>

35、述考慮,該公司委托 實驗室為其研制開發(fā)一套搬運(yùn)機(jī)械手來代替人工完成曲軸在兩條生產(chǎn)線之間的轉(zhuǎn)移。 2.3、課題的研究背景及意義 機(jī)床的發(fā)展趨勢已經(jīng)明顯呈現(xiàn)出高精度、高速、復(fù)合化 的特點[1]。對于磨床,它的發(fā)展從普通單一功能發(fā)展到多功能,伴隨著數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用, 又發(fā)展到數(shù)控形式的多功能磨床。在許多領(lǐng)域中,為配合某類特定零件的專用加工,出 現(xiàn)了曲軸磨床、凸輪磨床、齒輪磨床、導(dǎo)軌磨床等一系列專用化磨床,這類專用化磨床 加工范圍小,基本是只適合同類零件的加工。普通磨床有磨削平面的平面磨床、磨削圓 面的內(nèi)外圓磨床和無心磨床等系列。平面磨床用于平面的磨削,內(nèi)外圓磨床用于內(nèi)外圓 的磨削,如果一種零

36、件平面、內(nèi)外圓甚至是錐面都需要磨削加工的話,就只能在多個磨 床上加工了。這樣的話加工就會造成效率低、多次裝夾也會造成精度不高的情況。 近年來,為適應(yīng)磨削加工的高效率、高精度、高復(fù)合加工,出現(xiàn)了一種磨削加工中 心。磨削加工中心(Grinding Center),一般具備磨削工具的自動交換或自動選擇的功能, 工件一次裝夾能進(jìn)行多工序磨削加工[1]。磨削加工中心是典型的工序復(fù)合高效加工,將 多種磨削方式整合,一次裝夾就可以完成平面、內(nèi)外圓、錐面甚至是曲面等磨削加工。 由于只裝夾一次,加工基準(zhǔn)統(tǒng)一,保證了各工序的加工精度[2]。在工業(yè)生產(chǎn)中,磨削中 心縮短加工的輔助時間、節(jié)省購置其他磨床和夾具的費(fèi)用,

37、降低了工人的勞動強(qiáng)度,經(jīng) 濟(jì)效益明顯提高。對于磨削加工中心,其優(yōu)點在于通過磨削工具的自動更換來提高加工 效率與加工精度,其磨削工具更換部件的性能是關(guān)鍵。因此,研究砂輪的自動更換技術(shù) 就顯得尤為重要。 2.4、課題研究背景及意義 過程與功能概述1.1.1 PLC 的發(fā)展過程與功能概述 可編程控制技術(shù)(PLC)是基于微處理器的控制技術(shù).作為微處理器控制技 術(shù)成功應(yīng)用的典范,基于微處理器的可編程控制器(PLC)自 1968 年問世以來。 2 已取得迅速的發(fā)展.成為工業(yè)自動化領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的控制設(shè)備。在現(xiàn)代工業(yè) 自動化設(shè)備或系統(tǒng)中,廣泛使用著各種品牌和規(guī)格的可編程控制器,不同廠家 的產(chǎn)品各有

38、特點。它們雖有一定的區(qū)別,但作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)控制設(shè)備,可編程控 制器在結(jié)構(gòu)組成、工作原理和編程方法等許多方面是基本相同的。 20 世紀(jì) 20 年代起,為實現(xiàn)自動控制,人們把各種繼電器、定時器、接觸器 及其觸點按一定的邏輯關(guān)系連接起來組成控制系統(tǒng),控制各種生產(chǎn)機(jī)械.這就 是大家所熟悉的傳統(tǒng)繼電器接觸器控制系統(tǒng)。由于它結(jié)構(gòu)簡單、容易掌握、價 格便宜,在一定范圍內(nèi)能滿足控制要求,因而得到普遍使用,在工業(yè)控制領(lǐng)域 中一直占主導(dǎo)地位。但是繼電器接觸器控制系統(tǒng)有明顯的缺點:設(shè)備體積大。 可靠性差,動作速度慢,功能少,難于實現(xiàn)復(fù)雜的控制,特別是由于它是靠硬 件連線邏輯構(gòu)成的系統(tǒng),接線復(fù)雜,當(dāng)生產(chǎn)工藝或控制對象需

39、要改變時,原有 的接線和控制箱(柜)就要更換,所以通用性和靈活性較差。 20 世紀(jì) 70 年代末,美國的汽車制造業(yè)競爭激烈,各生產(chǎn)廠家的汽車型號 不斷更新.它必然要求生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)亦隨之改變,以及對整個控制系統(tǒng)重 新配置。為拋棄傳統(tǒng)的繼電器一接觸器控制系統(tǒng)的束縛,適應(yīng)白熱化的市場競 爭要求,1968 年美國通用汽車公司決定對汽車生產(chǎn)線采用計算機(jī)程序控制, 提出將繼電器一接觸器控制的簡單易懂、使用方便、價格低廉的優(yōu)點與計算機(jī) 的功能完善、靈活性、通用性好的優(yōu)點結(jié)合起來,將繼電器接觸器控制的硬件 連線邏輯轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C(jī)的軟件邏輯編程的設(shè)想, 并進(jìn)行公開招標(biāo)。 1969 年美 國數(shù)字設(shè)備公司根據(jù)上述

40、要求,研制開發(fā)出世界上第一臺可編程控制器,并在 美國通用汽車公司汽車生產(chǎn)線上首次應(yīng)用。當(dāng)時人們把它稱為可編程邏輯控制 器,它主要用來取代繼電器一接觸器控制系統(tǒng)。 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,20 世紀(jì) 70 年代中期出現(xiàn)了微處理器和微型計算機(jī), 人們將微機(jī)技術(shù)應(yīng)用到 PLC 中。使它能更多的發(fā)揮計算機(jī)的功能,不僅用程序 邏輯取代硬件連線,還增加了運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和處理等功能,使其真正成為一 種電子計算機(jī)工業(yè)控制設(shè)備。 1987 年國際電工委員會(International Electrical Committee)頒布的 PLC 標(biāo)準(zhǔn)草案中對 PLC 做了如下定義:”PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)

41、用而 設(shè)計的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器,用來在其內(nèi) 部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計時、計數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令,并能 通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出,控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。PLC 及 其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體,易于擴(kuò)展其功 能的原則而設(shè)計?！?3 2.5、課題研究的背景和意義 時變、強(qiáng)耦合及多輸入—多輸出特點 的系統(tǒng)?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展使得復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的趨于集成化、大型化和智能 化,使得勞動生產(chǎn)率大幅度的提高,也相應(yīng)的減少生產(chǎn)人員、提高產(chǎn)品或 工程質(zhì)量。同時,由于系統(tǒng)的復(fù)雜程度不斷提高,使得系統(tǒng)各部分的關(guān)聯(lián) 程度也越來越大

42、,導(dǎo)致機(jī)械系統(tǒng)出現(xiàn)了一系列問題,如突發(fā)性故障率高、 停機(jī)損失大、維修費(fèi)用高和維修周期長等[1]。這類系統(tǒng)一旦發(fā)生事故,就 會造成人員和財產(chǎn)的巨大損失。 為保證復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的可靠、安全,提早發(fā)現(xiàn)潛在故障,確保各項任 務(wù)的圓滿完成,對復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測至關(guān)重要。復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的狀 態(tài)監(jiān)測是通過各種測量、檢測和分析方法,結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行的歷史和現(xiàn)狀, 對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評估,以便了解和掌握系統(tǒng)的運(yùn)行狀況,并且對系統(tǒng) 狀態(tài)進(jìn)行顯示和記錄,對異常情況進(jìn)行處理、并為系統(tǒng)的故障分析、性能 評估提供基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)[2]。其主要作用有:保證機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)在設(shè)計 約束之內(nèi),對于系統(tǒng)運(yùn)行異常情況,提醒操作人員及時采取

43、補(bǔ)救措施;保 證系統(tǒng)工作在滿意狀態(tài)下的完整性,提高系統(tǒng)設(shè)備的使用效率,并為系統(tǒng) 的維護(hù)內(nèi)容、維護(hù)周期等提供依據(jù);保證人們生命財產(chǎn)的安全。利用監(jiān)測 系統(tǒng)對復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測,可在任何時刻很好的了解機(jī)械系統(tǒng)設(shè) 備的運(yùn)行狀態(tài),為系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)提供準(zhǔn)確地描述。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生故障 時,預(yù)先編制好程序的監(jiān)測系統(tǒng)就會發(fā)出警報,根據(jù)警報的內(nèi)容,監(jiān)測系 統(tǒng)自動的判別與診斷出故障的類型以及嚴(yán)重程度,對系統(tǒng)設(shè)備實行某種控 制,或是提醒操作人員采取相應(yīng)的措施,防止重大事故的產(chǎn)生[3,4]。 為了保證復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的正常運(yùn)行,并使其發(fā)揮最佳技術(shù)性能,許多 生產(chǎn)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)對系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測進(jìn)行研究,研究內(nèi)容涉及到控制

44、、電 氣、計算機(jī)、電子和數(shù)學(xué)等多門學(xué)科。通過有效的系統(tǒng)監(jiān)測診斷復(fù)雜機(jī)械 2 系統(tǒng),保證復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的安全運(yùn)行,避免系統(tǒng)的運(yùn)行造成災(zāi)難性的后果 帶來不必要的損失,為保證復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)順利地完成工作任務(wù)具有重要的 實際意義。 2.6、研究背景 生產(chǎn)線1.1.1 自動生產(chǎn)線 一、自動生產(chǎn)線定義 自動生產(chǎn)線是在流水線的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來的。它不僅要求線體上各種 機(jī)械加工裝置能自動地完成預(yù)定的各道工序及工藝過程,使產(chǎn)品成為合格的制 品,而且要求在裝卸工件、工位夾緊、工件在工序間輸送、工件的分揀甚至包 裝等都能自動地進(jìn)行,使其按照規(guī)定的程序自動地進(jìn)行工作。 二、自動生產(chǎn)線的特點 自動生產(chǎn)線的特點是

45、它的綜合性和系統(tǒng)性,在這里,機(jī)械技術(shù)、電工電子 技術(shù)、傳感器技術(shù)、PLC 控制技術(shù)、接口技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、觸 摸屏組態(tài)編程等多種技術(shù)有機(jī)地結(jié)合,并綜合應(yīng)用到生產(chǎn)設(shè)備中;而系統(tǒng)性指 的是,生產(chǎn)線的傳感、檢測控制、傳輸與處理、執(zhí)行與驅(qū)動等機(jī)構(gòu)在 PLC 的控 制下協(xié)調(diào)有序地工作并有機(jī)地融合在一起。 3、研究意義 3.1、本課題的意義 在現(xiàn)實生活中,機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人的勞動,而是綜合了人的特長和 機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置。這種裝置既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判 斷能力,又有機(jī)器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力。從某種意義上說, 機(jī)器人是機(jī)

46、器進(jìn)化過程的產(chǎn)物,是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)服務(wù)性設(shè)備,也是先進(jìn) 制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備[1][2]。 工業(yè)機(jī)械手已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。這種新技術(shù)發(fā)展 很快,逐漸形成了一門新興的學(xué)科-機(jī)械手工程。機(jī)械手是由于它的積極作用正日益 為人們所認(rèn)識而得以迅速發(fā)展起來的:其一,它能部分地代替人工操作;其二,它能按 照生產(chǎn)工藝的要求,遵循一定的程序、時間和位置來完成各種動作;其三,它能操作必 要的機(jī)具代替人類進(jìn)行焊接和裝配等。它的發(fā)展大大改善了工人的勞動條件,顯著提高 了勞動生產(chǎn)效率,加快了實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的步伐。因而,廣泛受到各先進(jìn)工業(yè)國家 的高度重視,并投入大量

47、的人力物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音 以及帶有放射性和污染的場合,應(yīng)用更為廣泛。在我國,近幾年來也有較快的發(fā)展,并 取得一定的效果,尤其受到了機(jī)械工業(yè)和鐵路部門的青睞。 本課題主要研究如何利用機(jī)械手的操作來完成發(fā)動機(jī)曲軸在兩個生產(chǎn)線之間的搬 運(yùn)和定位的問題。該項目具有實用性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、推廣性、智能性等特點。一是 實用性。能夠完成企業(yè)兩條自動化生產(chǎn)線上的工件的搬運(yùn)動作。二是可靠性。比起人工 2 完成搬運(yùn),安全可靠,機(jī)械手能按照事先設(shè)定的程序進(jìn)行動作,不會受工人的身體狀況、 精神狀態(tài)、情緒等的影響。三是經(jīng)濟(jì)性。整個項目的完成可以使企業(yè)降低成本、提高生 產(chǎn)率。三是推廣性。這類

48、機(jī)械手應(yīng)用非常廣泛,經(jīng)過一定的調(diào)整和改進(jìn)可以完成工廠、 企業(yè)里大部分工件、裝備等的移動。四是智能性。該機(jī)械手采用 PLC 作為核心控制元 件,并配有人機(jī)交互裝置,可以對系統(tǒng)本身的故障進(jìn)行自診斷,并顯示出錯誤位置和原 因,為工作人員進(jìn)行故障排除提供幫助,還可以對工作過程進(jìn)行實時監(jiān)控,遇到故障時 自動報警。 3.2、課題的研究背景及意義 機(jī)床的發(fā)展趨勢已經(jīng)明顯呈現(xiàn)出高精度、高速、復(fù)合化 的特點[1]。對于磨床,它的發(fā)展從普通單一功能發(fā)展到多功能,伴隨著數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用, 又發(fā)展到數(shù)控形式的多功能磨床。在許多領(lǐng)域中,為配合某類特定零件的專用加工,出 現(xiàn)了曲軸磨床、凸輪磨床、齒輪磨床、導(dǎo)軌磨床

49、等一系列專用化磨床,這類專用化磨床 加工范圍小,基本是只適合同類零件的加工。普通磨床有磨削平面的平面磨床、磨削圓 面的內(nèi)外圓磨床和無心磨床等系列。平面磨床用于平面的磨削,內(nèi)外圓磨床用于內(nèi)外圓 的磨削,如果一種零件平面、內(nèi)外圓甚至是錐面都需要磨削加工的話,就只能在多個磨 床上加工了。這樣的話加工就會造成效率低、多次裝夾也會造成精度不高的情況。 近年來,為適應(yīng)磨削加工的高效率、高精度、高復(fù)合加工,出現(xiàn)了一種磨削加工中 心。磨削加工中心(Grinding Center),一般具備磨削工具的自動交換或自動選擇的功能, 工件一次裝夾能進(jìn)行多工序磨削加工[1]。磨削加工中心是典型的工序復(fù)合高效加工,將 多

50、種磨削方式整合,一次裝夾就可以完成平面、內(nèi)外圓、錐面甚至是曲面等磨削加工。 由于只裝夾一次,加工基準(zhǔn)統(tǒng)一,保證了各工序的加工精度[2]。在工業(yè)生產(chǎn)中,磨削中 心縮短加工的輔助時間、節(jié)省購置其他磨床和夾具的費(fèi)用,降低了工人的勞動強(qiáng)度,經(jīng) 濟(jì)效益明顯提高。對于磨削加工中心,其優(yōu)點在于通過磨削工具的自動更換來提高加工 效率與加工精度,其磨削工具更換部件的性能是關(guān)鍵。因此,研究砂輪的自動更換技術(shù) 就顯得尤為重要。 3.3、課題主要研究的內(nèi)容及意義 本文設(shè)計自動配料系統(tǒng)的實訓(xùn)平臺,開發(fā)以滿足高校和高、中職學(xué)生專業(yè)方面的技 術(shù)和實際應(yīng)用操作方面能力的需求。特別是提升了他們的實踐、快速適應(yīng)工作崗

51、位的動 手能力。自動配料生產(chǎn)線,具有很高的”模擬”的要求,應(yīng)可拆卸和組裝,可以任意設(shè)置 故障,并預(yù)留位置,可以按教學(xué)目的,來增減教學(xué)內(nèi)容。例如可以滿足教學(xué)和用人單位 “人才定做”的要求。該自動配料生產(chǎn)設(shè)備,具有全面的、系統(tǒng)的特點。本課題研究的 自動配料系統(tǒng)的實訓(xùn)平臺涉及到傳感器技術(shù),微電子技術(shù),機(jī)械技術(shù),電力電子技術(shù), 接口技術(shù)等,將各種技術(shù)的應(yīng)用整合在實訓(xùn)平臺上,力爭使學(xué)生通過在實訓(xùn)平臺上的實 踐,熟悉生產(chǎn)線檢測,傳輸和處理的執(zhí)行過程,及系統(tǒng)控制過程,達(dá)到掌握機(jī)電一體化 技術(shù)的目的。 自動配料生產(chǎn)線的實訓(xùn)平臺,設(shè)置在鋁合金導(dǎo)軌上,它可模擬實際生產(chǎn)中的各個控 制環(huán)節(jié)如物料加工,裝配,運(yùn)輸,分揀

52、等,使操作者獲得與實際自動化生產(chǎn)過程的經(jīng)驗, 縮短理論教學(xué)與實際生產(chǎn)之間的距離。 3.4、內(nèi)嵌式形狀記憶合金擬人機(jī)械手的研究意義 研究跨越眾多學(xué)科,技術(shù) 含量高,是當(dāng)代科技的研究熱點之一,也是一個國家高科技綜合實力和發(fā)展水平的 重要標(biāo)志,因此世界發(fā)達(dá)國家都投入巨資對其進(jìn)行開發(fā)研究。機(jī)械手作為機(jī)器人的 末端執(zhí)行器,其驅(qū)動器的重要性與特殊性受到研究者的關(guān)注。 常用機(jī)械手驅(qū)動器如電磁式伺服電機(jī)和氣動、液動驅(qū)動器,因為功率-重量比 較低,必須安裝在遠(yuǎn)離驅(qū)動點的位置,而且電機(jī)高速運(yùn)行后需要減速齒輪來降低速 度,使整套系統(tǒng)復(fù)雜。國內(nèi)外比較典型的機(jī)械手大多使用這類驅(qū)動器[1],如日本研 制的 Ok

53、ada 手,由電機(jī)驅(qū)動,采用鋼絲和滑輪完成運(yùn)動和力的傳遞。貝爾格萊德 大學(xué)與美國南加州大學(xué)聯(lián)合研制的 Belgrade/USC 手爪機(jī)構(gòu),由直流電機(jī)通過渦 輪、渦桿帶動驅(qū)動杠桿動作。美國麻省理工學(xué)院和猶他大學(xué)聯(lián)合研制的 Utah/MIT 靈巧手中,手指的每個關(guān)節(jié)由膜、活動連桿與滑輪來帶動,驅(qū)動元件采用的是一排 氣動伺服缸。斯坦福大學(xué)研制了 STD/JPL 手,每個手指的三關(guān)節(jié)均由電機(jī)通過繩 索驅(qū)動。國內(nèi)北京航空航天大學(xué)研制了仿 JPL 多指靈巧手,其驅(qū)動微電機(jī)放置在靈 巧手的內(nèi)部。以上機(jī)械手各有優(yōu)勢,但仍存在體積較大、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、控制困難、缺 乏柔性等不足。同樣,在航空航天、醫(yī)療及其它操作空間有

54、限的領(lǐng)域內(nèi),基于傳統(tǒng) 電機(jī)與液壓氣壓等原理構(gòu)成的驅(qū)動裝置很難滿足精密操作的要求,越來越多的任務(wù) 需要體積小,結(jié)構(gòu)簡單,運(yùn)行柔性的驅(qū)動裝置。 近年來,各種新型功能材料不斷出現(xiàn),為減小驅(qū)動器體積提供了各種新的解決 方案,形狀記憶合金驅(qū)動器就是其中之一。SMA 驅(qū)動器是一種全新意義上的驅(qū)動 器,它有可能集傳感、控制、換能、致動于一身,利用 SMA 材料獨特的形狀記憶 效應(yīng)(Shape Memory Effect, SME),輔以一定的偏動裝置,通過特定的控制手段,構(gòu) 成雙程可逆致動元件,實現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。SMA 驅(qū)動器重量輕,功率密度大; 結(jié)構(gòu)簡單,易構(gòu)成微型驅(qū)動器;動作連續(xù)柔和;運(yùn)行無噪聲,對環(huán)

55、境無污染。因此, SMA 驅(qū)動器在機(jī)器人、航空航天、醫(yī)療、家用電器和汽車工業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。 但在大多數(shù)傳統(tǒng)的 SMA 驅(qū)動器中,致動元件 SMA 與偏動元件(普通彈簧或 變形梁)空間分離,驅(qū)動單元和執(zhí)行單元(與目標(biāo)物直接接觸)也各自獨立。復(fù)雜 的結(jié)構(gòu)使得體積很難縮小,在一定程度上降低了 SMA 高功率體積比的優(yōu)勢。為尋 2 求可靠的解決方案,本課題組提出并研制了一種新型偏動式 SMA 驅(qū)動器[1],設(shè)計 為:先將 SMA 絲記憶為圓弧狀,然后在室溫時使其順直并嵌入液體圓柱形硅橡膠 中,硅橡膠固化成硅膠棒后,與絲合為一體。SMA 受熱時回復(fù)圓弧狀,驅(qū)使硅膠 棒彎曲;冷卻時硅膠棒的形變力使整個棒

56、恢復(fù)直線狀。這種新型結(jié)構(gòu)的電機(jī)稱為內(nèi) 嵌式形狀記憶合金電機(jī)或內(nèi)嵌式形狀記憶合金驅(qū)動器(ESMAA)。設(shè)計中硅膠棒既作 為偏動元件,又作為執(zhí)行元件,縮小了整個驅(qū)動裝置的體積。這種 ESMAA 具有運(yùn) 行柔順、結(jié)構(gòu)緊湊的特點,執(zhí)行棒柔軟而有彈性,很適合作為擬人機(jī)械手指在機(jī)器 人系統(tǒng)中進(jìn)行柔性操作。 3.5、研究意義 20 世紀(jì)末,中國電子通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛,成為世界電子制造業(yè)的大國。由于我國 的電子生產(chǎn)設(shè)備大部分依靠國外進(jìn)口,因此要成為電子制造業(yè)的強(qiáng)國還需要一定的時 間。表面貼裝技術(shù)是電子制造業(yè)的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè),而貼片機(jī)是SMT生產(chǎn)線的主要生產(chǎn)設(shè) 中北大學(xué)學(xué)位論文 2 備,目前還處于被發(fā)達(dá)國

57、家壟斷的階段,而國內(nèi)貼片機(jī)生產(chǎn)幾乎是空白,很大程度上依 賴進(jìn)口,在世界上處于極其被動的地位[2]。 我國在貼片機(jī)的研究技術(shù)上并不算晚,但是國產(chǎn)化程度有一定的難度。首先,企業(yè) 投入與其收益成反比,主要在于貼片機(jī)發(fā)展速度與貼裝性能迅速提高,市場價格卻逐漸 下降。其次,貼片機(jī)是光、機(jī)、電等綜合一體化設(shè)備,涉及到多種學(xué)科領(lǐng)域的知識,我 國企事業(yè)單位基礎(chǔ)技術(shù)人才缺乏,貼片機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)無法掌握與應(yīng)用。因此,生產(chǎn)中用 到的貼片機(jī)單靠進(jìn)口,花銷極其昂貴,對我國電子、通信產(chǎn)業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展有著不利因素。 因此,國內(nèi)貼片機(jī)的研究具有十分重要的意義。 3.6、課題研究意義 液壓泵是液壓傳動系統(tǒng)中不可缺少的部

58、件,其中柱塞泵在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用更是 極為廣泛。氣壓傳動作為一種綠色化的傳動技術(shù),使用的是清潔的壓縮空氣。因此用 氣壓驅(qū)動的柱塞泵以壓縮空氣為動力,與單純的液壓傳動相比,污染程度相對較低, 能顯著減少環(huán)境污染,在綠色化設(shè)計與制造理念日益深入人心的今天,更突顯出其特 有的優(yōu)勢。但現(xiàn)有的氣動柱塞泵,存在功能較少、技術(shù)性能較差、結(jié)構(gòu)布局不合理等 不足之處。而在高壓、特別是超高壓領(lǐng)域占據(jù)無可替代位置的軸向與徑向柱塞泵,也 存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜,價格昂貴,流量脈動率指標(biāo)不理想等缺點。因此,創(chuàng)新設(shè)計新型的氣 動式柱塞泵越來越為流體傳動領(lǐng)域需要。 隨著社會的發(fā)展,人們對工程機(jī)械的發(fā)展方向提出了更多的要求,許多領(lǐng)域(

59、特別 是石油化工、航空航天等)對高性能的液壓系統(tǒng)需求越來越迫切。即對于現(xiàn)代化工程機(jī) 氣壓驅(qū)動柱 塞泵的創(chuàng)新 設(shè) 計 剛性氣缸驅(qū)動 氣動肌腱驅(qū)動 串聯(lián)式單 作用單級 有級調(diào)壓 串聯(lián)式雙 作用單級 串聯(lián)式雙 作用雙級 并聯(lián)式雙 作用單級 并聯(lián)式雙 作用雙級 無級調(diào)壓 雙作用單級 雙作用雙級 基于鉸桿 增力機(jī)構(gòu) 7 械,人們已不滿足其”能工作”,而是要求其”出色工作”,希望能實現(xiàn)省力/自動化/ 智能化和低耗能。因此,對于工程機(jī)械特別是流體機(jī)械來說,采用機(jī)電液一體化系統(tǒng) 已經(jīng)成為其不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢,被越來越廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)場合。機(jī)電液一體 化技術(shù)的發(fā)展使得傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)與元件發(fā)生的實質(zhì)性的變化,

60、正向著高性能、低能 耗、操縱輕便靈活、安全舒適、可靠耐用等方向發(fā)展。 從以上角度出發(fā),在傳統(tǒng)柱塞泵工作原理的基礎(chǔ)上,以克服當(dāng)前柱塞泵存在的缺 陷為前提,總結(jié)并創(chuàng)新設(shè)計了新型氣動和伺服電機(jī)驅(qū)動的柱塞泵。 圖 1.5 本課題研究內(nèi)容框圖二 3.7、研究涵道螺旋槳氣動模型的意義 從涵道螺旋槳的誕生到現(xiàn)在,還沒有非常成熟的理論模型能準(zhǔn)確計算涵道 螺旋槳的氣動特性。因此,研究整個涵道系統(tǒng)的性能,建立涵道螺旋槳的氣動 計算模型,掌握涵道螺旋槳系統(tǒng)的總體設(shè)計技術(shù),都具有十分重要的理論指導(dǎo) 意義。并且,還可以將此涵道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于高速直升機(jī)、新概念高速無人直 升機(jī)或無人機(jī)及地面仿真系統(tǒng)的研究,由此

61、可以大大提高直升機(jī)或無人機(jī)的性 能。 3.8、課題研究的背景及意義 個重要組成部分。隨著人們生活水平的提高 對康復(fù)治療的重視程度也越來越高了?，F(xiàn)實中,腦血管疾病的患者有 70%-80% 會留下不同程度的肢體運(yùn)動障礙,喪失了勞動和生活自理能力,給患者和家庭帶 來了沉重的負(fù)擔(dān)。這一部分人需要通過康復(fù)治療和訓(xùn)練來恢復(fù)和達(dá)到最大可能的 健康程度。根據(jù)現(xiàn)代康復(fù)醫(yī)學(xué)理論,無論是成年哺乳動物還是非哺乳動物,其中 樞神經(jīng)系統(tǒng)受到損傷后,在適當(dāng)條件下其結(jié)構(gòu)和功能等都可重新組織再生。這一 理論被稱為腦的可塑性理論[1]。臨床研究也證明,盡早的介入康復(fù)訓(xùn)練能維持關(guān) 節(jié)活動度、防止痙攣,且能夠明顯提高患者的

62、最終康復(fù)程度[2-4]。 目前在臨床上腦卒中的康復(fù)治療主要以物理治療為主,而現(xiàn)在物理治療的內(nèi) 涵已經(jīng)從傳統(tǒng)的電療、熱療或光療等手段,轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕蕾囘\(yùn)動康復(fù)鍛煉來達(dá)到 康復(fù)目標(biāo),即運(yùn)動康復(fù)訓(xùn)練。運(yùn)動康復(fù)主要是指通過肢體的主動運(yùn)動和被動運(yùn) 動,逐步恢復(fù)肢體的運(yùn)動功能。肢體的恢復(fù)性訓(xùn)練包括上肢、下肢和手的運(yùn)動訓(xùn) 練。減重步態(tài)訓(xùn)練是下肢偏癱患者康復(fù)治療普遍采用的有效方法之一,其康復(fù)效 果已經(jīng)得到國內(nèi)外諸多醫(yī)學(xué)專家的普遍認(rèn)同[5-6]。在傳統(tǒng)的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練中,通 常是患者先通過設(shè)計減重裝置減輕下肢所承受的重力后站在跑步機(jī)上,再由兩名 康復(fù)專業(yè)理療師手動引導(dǎo)患者的雙腿來模仿正常的步態(tài)行走(如圖 1-1 所

63、示)。 圖 1-1 傳統(tǒng)步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練模式 Fig.1-1 Conventional gait rehabilitation training mode 2 很顯然,如果單靠康復(fù)理療師進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,康復(fù)訓(xùn)練效率比較低,工作量 大,且不能精確控制和記錄訓(xùn)練參數(shù)(步態(tài)速度,軌跡等)。從而制約著理療師 對治療方案的確定和改進(jìn)。因此,康復(fù)訓(xùn)練需要有更先進(jìn)的方法或者引入更先進(jìn) 的技術(shù),把理療師從繁重的訓(xùn)練任務(wù)中解脫出來。這樣,康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人便應(yīng)運(yùn) 而生了。康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人是近年來迅速發(fā)展起來的一門新技術(shù),是機(jī)器人技術(shù)與 康復(fù)醫(yī)學(xué)理論的結(jié)合,有效地降低了理療師的工作強(qiáng)度,提高了康復(fù)訓(xùn)練的效 率。本課題就是利用

64、機(jī)器人技術(shù)與傳統(tǒng)步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練相結(jié)合,設(shè)計制作一種新型 的基于氣壓驅(qū)動的步態(tài)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人系統(tǒng)。 4、研究目的 4.1、課題來源、目的及意義 本課題來源于東莞科技展覽館,是該館現(xiàn)代氣動技術(shù)展示項目的子項目,受該 展覽館委托,要求研制一種氣動系統(tǒng),用于展示現(xiàn)代氣動技術(shù)在機(jī)械手控制中的應(yīng) 用。通過對項目的分析及方案論證,最終確定開展對簡易型精確定位氣動機(jī)械手的 開發(fā)和研究。該氣動機(jī)械手要求實現(xiàn) X、Y、Z 三個坐標(biāo)上的移動,在 X、Y 兩坐標(biāo) 中可以實現(xiàn)氣缸有效行程內(nèi)準(zhǔn)確定位,X、Y、Z 三坐標(biāo)的運(yùn)行機(jī)構(gòu)均為氣缸,采用 9 氣動驅(qū)動形式,執(zhí)行機(jī)構(gòu)是真空吸盤,用來吸取球形工件。 在本課題

65、的研究中,舍棄了傳統(tǒng)的電動伺服控制技術(shù),而是采用氣動技術(shù),通 過對氣動伺服定位技術(shù)的研究,實現(xiàn)機(jī)械手的全氣動控制和驅(qū)動。結(jié)合課題中的三 自由度氣動機(jī)械手,本文深入地研究了氣動位置伺服控制系統(tǒng)的原理及其實現(xiàn)方法, 實現(xiàn)了氣動機(jī)械手對無桿氣缸的快速、精確的定位控制。論文對氣動機(jī)械手上下位 機(jī)控制方式進(jìn)行了設(shè)計和研究,實現(xiàn)了氣動機(jī)械手控制面板和 PC 機(jī)兩種操作方式。 本課題的研究,為氣動機(jī)械手的實現(xiàn)和應(yīng)用,提供了一種簡單易行且具有一定定位 精度的方法,此方法對氣動技術(shù)的發(fā)展和氣動機(jī)械手在工業(yè)自動化中的應(yīng)用,具有 較高的工程實際意義;采用簡易型精確定位氣動機(jī)械手開發(fā)的氣動投籃游戲機(jī),2005 年 1

66、2 月 28 日起,在東莞科博館展出,經(jīng)過四個月的考核運(yùn)行,受到一致好評。 4.2、課題的研究目的和意義 對治療方法存在如下一些問題[27]: (1)一名醫(yī)師只能同時對一名患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,訓(xùn)練效率低下; (2)由于醫(yī)師自身的原因,可能無法使患者得到足夠的訓(xùn)練強(qiáng)度; (3)訓(xùn)練會受到不同醫(yī)師自身因素的影響,治療效果大多取決于醫(yī)師的實踐 經(jīng)驗和能力; (4)不能對運(yùn)動過程進(jìn)行精確的控制和記錄訓(xùn)練相關(guān)參數(shù)(運(yùn)動時的速度、 末端軌跡、訓(xùn)練強(qiáng)度等),不利于確定治療方案及其進(jìn)一步改進(jìn); (5)不能記錄描述康復(fù)訓(xùn)練進(jìn)程的各種數(shù)據(jù),康復(fù)評價指標(biāo)不夠客觀; (6)無法建立起訓(xùn)練參數(shù)和康復(fù)指標(biāo)之間的相應(yīng)關(guān)系,不利于對偏癱患者神 經(jīng)康復(fù)規(guī)律的深入研究; (7)不能對患者提供實時直觀的反饋資源信息; (8)訓(xùn)練過程沒有吸引力,患者被動地接受治療,主觀參與治療的積極性不 夠。 另外,由于缺乏客觀可控的手段對整個康復(fù)訓(xùn)練過程進(jìn)行有效監(jiān)控,因此在 現(xiàn)有的各種治療方案中,治療結(jié)果并沒有明顯的好壞之分。也就是說,對現(xiàn)有治 療方法還沒有更有效的辦法可以進(jìn)行比較和優(yōu)化。 可以看出,單純依靠醫(yī)師進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練,無