三自由度气动机械手的设计 (1).doc
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编号:
毕业论文（设计）
题目三自由度气动机械手的设计
指导教师
学生姓名
学号
专业机械设计制造及其自动化
教学单位
目录
摘要及关键词 1
1引言 1
2三自由度气动机械手的结构设计 2
2.1机械手自由度分析 2
2.2机械手气动分析 3
2.3气动机械手的结构设计 5
2.4机械手的特性分析 7
3三自由度气动机械手控制系统的设计 7
3.1控制系统的组成 7
3.2系统控制算法设计 9
3.3基于LabVIEW的控制系统设计 9
3.4实验分析 13
4结论 14
参考文献 15
谢辞 17
三自由度气动机械手的设计
摘要：
本设计是基于一种三自由度气动机械手，应用三个气缸及其附属机构完成了一种气动的三自由度机械手。
它解决了目前机械手使用不便的问题，具有结构简单、操作方便、控制性能好、可实现多种运动形式并能牢固夹持工件，并且生产效率高，工作强度大，可夹持大工件等优点。
关键词：
气缸；气动；牢固；夹持；控制
1引言
在机械加工及注塑加工行业，很多工位为物体的拾取操作。
这种操作一般动作简单，重复性很大。
目前针对这种需求，设计了很多拾取机械，这些拾取机械包括电动的、液动的以及气动的。
但是目前种种操作机械或机械手的主要结构形式为直角坐标式的，而在许多场合这种操作需要圆周运动，需要具有旋转功能的操作机械，但这种机械目前尚未见到。
针对上述现有技术的不足，本设计提供了一种结构简单、操作方便、可实现多种运动形式的三自由度气动机械手[1]。
气动技术是流体控制的一个重要分支，具有成本低廉、工作效率高、较高的功率重量比、无污染、使用维护方便以及对环境要求低等一系列优点，已经在工业生产各部门得到越来越广泛的应用。
随着计算机技术、微电子技术及控制理论的不断发展，较高精度的气动伺服系统已经实现，并为在机器人领域进一步应用奠定了基础。
机械手是传递机构中的重要部分，通过夹持机构将物料从某一位置和方位，按一定运动轨迹传递到另一位置和方位。
近年来，机械手在国内外自动化领域中，特别是在有毒、放射、易燃易爆等恶劣环境内，得到了越来越广泛的应用。
其中气动机械手与其它类型的机械手相比，具有结构简单、造价较低、易于控制、维护方便、寿命长等优点，因此气动控制机械手机构被很多场合所采用。
迄今为止，国内外学者应用控制理论的研究成果，如自适应控制、模糊与神经网络控制、变结构控制、鲁棒控制等，对气动位置伺服系统进行了大量研究并取得了一定进展。
但由于气体的压缩性较大以及气缸摩擦力等不确定因素的影响。
对气动位置系统进行高精度控制一直是个难题。
Bobrow等建立了气动系统模型使用扩展的自适应控制方法对三自由度气动关节机械手进行了力/位置混合控制。
杨庆俊等提出了气动统反馈线性化并实现了较高精度的位置控制。
本文采用前馈补偿极点配置自校正控制策略,利用LabVIEW实时模块构造了机械手关节控制系统，通过路径规划、运动学反解及关节控制器,完成了3个运动关节的实时控制。
在轨迹跟踪方面的实验取得了满意的效果,为进一步的工业化应用奠定了基础。
在工业自动化领域里大量采用传感器，智能元件的拼装式气动机械手克服了传统气动机械手的笨重、无通用性等缺点，具有很强的实用性和通用性。
同时，由于采用总线连接集成系统，特别是带集成PLC以及总线接口的阀岛，提高了气动控制系统的可靠性，简化了安装和装修。
国外发展的带新型智能型电磁阀的气动定位系统，采用反馈控制[2]。
机器人及机械手是机电一体化技术的典型产品，充分了解机器人或机械手的设计及应用对机电专业的学生有很重要的意义。
机器人或机械手对应用到的技术在工业自动化生产中占有重要的地位，以机器人或机械手作为机电方面学习的典型实验设备有其不可替代的优点。
但是，就目前的发展情况来看，机器人或机械手进入课堂及机电学科相关实验的很少。
目前市场上所提供的机器人或机械手一般价格在十几万元左右，且其不具开放性，即用户只能高端应用而无法进行低层次或高层次开发，因此，研制一种低成本开放性的机械手是非常必要的。
2三自由度气动机械手的结构设计
2.1机械手自由度分析
自由度是说“自由运动空间的维数”。
譬如一个构件，在空间上完全没有约束，那么它可以在3个正交方向上平动，还可以有三个正交方向的转动，那么就有6个自由度。
约束增加，自由度就减少，如果该构件的所有运动都被限制，那自由度就是0（相对惯性坐标系静止的构件）。
工件定位的实质就是要限制对加工有不良影响的自由度。
设空间有一固定点，工件的底面与该点保持接触，那么工件Z轴的位置自由度便被限制了。
本设计的3个自由度分别为：
腰部有1个自由度，作回转运动；大臂和小臂各有1个自由度，作俯仰运动。
它的特点是工作范围大,动作灵活,通用性强,能抓取靠近机座的物体,并能绕过障碍物去抓取物体，所有三个自由度均采用气缸实现。
气缸引导活塞在其中进行直线往复运动工质在发动机气缸中通过膨胀将热能转化为机械能；气体在压缩机气缸中接受活塞压缩而提高压力。
据工作所需力的大小来确定活塞杆上的推力和拉力。
由此来选择气缸时应使气缸的输出力稍有余量。
若缸径选小了，输出力不够，气缸不能正常工作；但缸径过大，不仅使设备笨重、成本高，同时耗气量增大，造成能源浪费。
在夹具设计时，应尽量采用增力机构，以减少气缸的尺寸。
三自由度气动机械手属于关节串联式机器人，其结构如图1所示,它的运动类似人的手臂,由腰、大臂、小臂3个关节组成,腰部为旋转运动,由流量比例阀驱动摆缸来实现,旋转编码器通过1:
4的同步带轮与腰部转动轴相连,以检测角度信号；大、小臂均为俯仰运动,由流量比例阀驱动单出杆双作用气缸来实现,旋转编码器通过1:
4的同步带轮与对应的大、小臂关节俯仰运动轴相连,以检测角度信号[3]。
小臂关节
大臂关节
腰部关节
图1结构图
2.2机械手气动分析
气动就是以压缩空气为动力源，带动机械完成伸缩或旋转动作。
因为是利用空气具有压缩性的特点，吸入空气压缩储存，空气便像弹簧一样具有了弹力，然后用控制元件控制其方向，带动执行元件的旋转与伸缩。
从大气中吸入多少空气就会排出多少到大气中，不会产生任何化学反应，也不会消耗污染空气的任何成分，另外气体的粘性较液体要小，流动速度快，所以说主要特点便是节能环保。
气动技术的优点：
1）气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。
压力等级低、故使用安全；
2）工作介质是取之不尽的空气、空气本身不花钱。
排气处理简单，不污染环境，成本低；
3）输出力以及工作速度的调节非常容易。
气缸的动作速度一般为50~500mm/s，比液压和电气方式的动作速度快；
4）可靠性高，使用寿命长。
电器元件的有效动作次数约为百万次，而SMC的一般电磁阀的寿命大于3000万次，小型阀超过2亿次；
5）利用空气的压缩性，可贮存能量，实现集中供气。
可短时间释放能量，以获得间歇运动中的高速响应。
可实现缓冲。
对冲击负载和过负载有较强的适应能力。
在一定条件下，可使气动装置有自保持能力；
6）全气动控制具有防火、防爆、防潮的能力。
与液压方式相比，气动方式可在高温场合使用；
7）由于空气流动损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送。
气动技术的缺点：
1）由于空气有压缩性，气缸的动作速度易受负载的变化而变化。
采用气液联动方式可以克服这一缺陷,气缸速度比液压要快；
2）气缸在低速运动时候，由于摩擦力占推力的比例较大，气缸的低速稳定性不如液压缸；
3）虽然在许多应用场合，气缸的输出力能满足工作要求，但其输出力比液压缸小。
气动回路原理如图2所示。
这样实现了单关节的闭环控制,进而通过相关的控制策略完成了机械手末端的空间运动控制[4]。
腰部关节
大臂关节
小臂关节
摆动气缸
直线气缸
直线气缸
流量比例阀
流量比例阀
流量比例阀
气源
图2气动回路
2.3气动机械手的结构设计
下面结合附图与实施例对本设计作进一步说明。
2.3.1结构组成及工作原理
机械手的组成如图3所示，其结构由水平移动气缸、机架、底座、电机、水平移动导杆、气动手爪、垂直升降气缸、垂直升降导杆及齿轮装置所组成。
1.水平移动气缸2.水平移动导杆3.垂直气缸连接板4.垂直升降气缸5.垂直升降导杆
6.电机7.机架8.小齿轮9.大齿轮10.连接板11.气动手爪12.小气缸13.底座
图3结构原理示意图
所述水平移动气缸设置在水平机架上，水平移动导杆与垂直气缸连接板相连接，垂直升降气缸与垂直升降导杆安装在垂直气缸连接板上，气动手爪通过小气缸安装在垂直升降导杆下端部，电机连接在机架上，电机的上部连接在齿轮装置上，齿轮装置的下端固定地连接在机架上，齿轮装置通过旋转轴与电机相连接。
所述齿轮装置由相啮合的小齿轮和大齿轮组成，它们安装在机架顶部的底座上，通过连接与水平移动气缸连接。
本设计三自由度气动机械手，水平移动气缸充气时，在水平导杆的导向下，垂直气缸连接板带动垂直升降气缸及垂直升降导杆所组成的垂直升降组件在水平方向移动。
电机旋转带动齿轮转动，带动机械手臂作旋转运动，可以转动360°，从而完成手爪绕旋转轴的运动。
比单纯用气缸带动机械手臂的旋转自由度更大，方便了加工，提高了工作效率。
手爪部分采用齿轮齿条传动，并采用可靠性键连接，使手爪抓紧力增强，可承受大的工作强度的手爪在气体的作用下可开启和闭合，以及电机的旋转，这样产生了手爪的水平移动、垂直移动以及旋转移动。
所有的执行件为三个气缸与一个电机。
整个机械手通过底座安装在基础上。
在拾取物体时，水平移动气缸1收缩，在水平移动导杆2的导向作用下，垂直气缸连接板3带动垂直升降气缸4及垂直升降导杆5移向图示的机架3的左边，这时在垂直升降气缸4的作用下，垂直升降导杆5伸出，在垂直导杆5的导向下，气动手爪11向下移动，同时在小气缸11的作用下，手爪开启，到手爪到达其极限位置（即应拾取的物体的位置）时，在小气缸12的作用下，手爪闭合，夹持住物体。
此时在垂直升降气缸4的作用下，气动手爪11收缩，当气动手爪11移动到上极限位置时，水平移动气缸1伸长，使水平移动导杆2达到其右极限位置，此时在电机6的作用下，通过底座13上的小齿轮8，大齿轮9啮合，连接板10的连接下，整个机械手臂绕机架7转动，直至其所定极限位置，然后垂直升降气缸4伸出，直至气动手爪11达到其下端的极限位置，此时在小气缸12的作用下，手爪开启，物体在重力作用下，自由下落。
此为拾取物体的一个循环。
同样，物体可从三个气缸的6个极限位置实现的手爪的任一极限位置拾取和放置物体。
2.4机械手的特性分析
本设计是通过以下技术方案实现的：
一种三自由度气动机械手，主要由平移气缸、平移滑块、机架、底座、摆动气缸、平移导杆、手爪、垂直升降气缸、垂直升降导杆及摆动装置所组成，平移气缸和平移滑块相连接并设置在平移机架上，平移导杆与平移滑块相连接，垂直升降气缸与垂直升降导杆安装在平移滑块上，手爪安装在垂直升降气缸的下端部，摆动气缸的下端部连接在底座上，摆动气缸的上部连接在摆动装置上，摆动装置的下端固定地连接在机架上，摆动装置通过旋转轴与底座相连接。
本设计应用时，水平移动气缸充气时，在水平导杆的导向下，滑块带动垂直升降气缸及垂直升降导杆所组成的垂直升降组建在水平方向移动。
摆动气缸在电磁阀的控制下可使机架及机架上的构建绕旋转轴旋转，从而完成手爪绕旋转轴的运动。
手爪在气体的作用下可开启和闭合。
这样产生了手爪的水平移动、垂直移动及旋转移动。
所有的执行件皆为气缸。
整个机械手通过底座安装在其基础上。
本设计具有结构简单、操作方便、可实现多种运动方式等优点[5]。
3三自由度气动机械手控制系统的设计
3.1控制系统的组成
气动机械手的阀控缸动力机构均为流量比例控制。
工控机通过研华PCI1720卡（ADC数模转换）输出控制信号；同时PCL2833（三轴正交编码器计数器卡）将采集到的编码器角度信号送至工控机。
作为控制系统的软件部分采用MATLAB的RTW工具箱。
RTW是MATLAB图形建模和仿真环境Simulink的一个重要的补充功能模块,是一个基于Simulink的代码自动生成环境。
它能直接从Simulink的模型中产生优化的、可移植的和个性化的代码,并根据目标配置自动生成多种环境下的程序。
为了使模型简洁明了、条理清晰,采取了建立子系统并对之封装的方法,如图4所示：
生成机械手工具系确定点坐标
转换为夹手系坐标
运动学逆运算（生成关节空间转角）
插值生成各关节三次多项式运动方程
关节控制
实时计算机械手的实际位置
机械手某些固定参数设置
图4机械手控制系统流程
（1）轨迹生成模块。
其功能是,将给定的迪卡尔空间内路径曲线按照用户的意愿进行有限分段,并给出所有端点的迪卡尔坐标值。
（2）工具坐标系转为夹手坐标系。
模块给出的空间点是工具系坐标原点所必须经过的,需要把它进行坐标变换,得到夹手系坐标原点所必须经过的空间点。
（3）参数设置模块。
对机械手的相关参数进行赋值。
（4）运动学逆解模块。
该模块将迪卡尔空间内点的坐标变换为各个关节坐标系内的关节角度。
（5）插值运算求解系数模块。
该模块在每一段内按照其计算的结果,对3个关节进行插值运算,求解每个关节的三次多项式插值系数。
（6）生成关节运动方程模块。
该模块按照计算得出的三次多项式插值系数,对每个关节生成以时间t为自变量；
（7）控制模块。
控制每个关节的角度变化,使其跟踪模块生成的该关节的运动方程。
（8）求解迪卡尔坐标下的末端位置。
用实际采样得到的角度,进行运动学正运算,以检验机械后末端的实际位置。
3.2系统控制算法设计
机械手控制算法的基本流程如图5所示。
由轨迹插补模块对途径点分段,采用过四点的3次多项式插值运算,将计算结果输入运动学反解模块,计算出关节坐标下各关节的对应的角度,将各运动关节轨迹送入到关节控制器模块中进行关节运动控制,由编码器的测量值实时计算机械手末端的位置。
轨迹插补
参数设置
运动学反解
控制器
笛卡尔坐标系下末端位置
图5机械手控制算法流程图
前馈补偿极点配置自校正控制器设计：
极点配置的主要思想是寻找一个控制律，使得被控系统闭环传递函数的极点位于希望的位置。
其基本组成原理如图6所示。
在气动位置伺服系统中,二阶和三阶电-气流量比例阀控摆缸气动旋转位置系统的幅频特性在低频段是相近的，且系统模型阶数越低，控制器的设计实现就越容易[6]。
3.3基于LabVIEW的控制系统设计
随着测控系统的不断发展，用户对于系统的可靠性、时间确定性等要求越来越高，由此出现了很多实时测控模式及软件，例如美国Mathworks公司的RTW；德国dSPACE公司的ControlDesk；加拿大OPAL2公司RT2LAB；Boeing公司的Easy2等。
其中美国（NI）公司研制开发的LabVIEWRT系统由于其简洁的图形化开发环境以及高可靠性和时间确定性等优点得到了广泛的应用。
控制器
设定输入
控制输入
被控对象
系统输出
控制参数计算
辨识机构
辨识参数
图6 极点配置自校正控制器结构图
LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：
其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。
与C和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。
LabVIEW的函数库包括数据采集、GPIB、串口控制、数据分析、数据显示及数据存储，等等。
LabVIEW也有传统的程序调试工具，如设置断点、以动画方式显示数据及其子程序的结果、单步执行等等，便于程序的调试。
3.3.1实时控制系统介绍
LabVIEWRealTime模块的开发、运行需要特定的硬件目标支持,以往的RT模块主要支持3类硬件方式:
RT系列插入式板卡、RT系列PXI、RT系列的FieldPoint模块。
插入式板卡基于PCI总线方式,将嵌入式的处理器板卡和多功能数据采集卡合并,能提供的I/O通道较少,单通道PID循环速率在1kHz左右,性能一般；FieldPoint方式能提供很多的I/O接口，但是循环速率更低；PXI控制器方式能够提供较多的I/O接口、具有较高的控制速率（20kHz以上）,但硬件成本较高。
LabVIEWRT模块在8.0版本之后,支持将标准的DesktopPC转变为Real2Time（实时）目标机，配置通用的PCI数据采集卡,实现高的循环控制速率（10kHz以上）并提供了丰富的I/O接口，与PXI系统相比具有较高的性价比优势。
系统的控制程序是通过上位机的LabVIEWRT开发系统完成的,包括上位机的人机界面和下位机的实时控制程序。
上、下位机工作方式,通过TCP/IP网络实现通讯,上位机将实时控制程序下载到下位机RT引擎中进行运行和调试。
在控制软件的开发中,上位机主要运行的是人机交互界面,接受操作人员的命令输入及显示数据等；下位机主要运行实时控制程序,接受上位机的命令信号,进行相应的数据采集及实时控制。
它们之间的通信是靠网络共享变量机制来实现的。
网络共享变量是LabVIEW新推出的一种变量,它利用NIPublish-SubscribeProtocol（NI2PSP）通过网络来发送和接收数据。
调用网络共享变量时,首先得在网络的SVE（sharedvariableengine）上部署网络共享变量。
当向这个共享变量中写入数据时,LabVIEW将这个新的值发送给网络上的SVE,SVE然后将这个值发布出去,使得网络上其它的节点可以得到这个更新的值,其数据传输过程如图7所示。
上位机
（运行SVE）
SVE
下位机2
下位机1
NI-PSP
NI-P2P
NI-P2P
图7共享变量读写过程示意图
3.3.2机械手控制系统的硬件部分
气动机械手各关节采用流量比例控制,使用PCI26229卡（多功能数据采集卡）输出控制信号；同时使用PCI26602（8通道正交编码器计数器卡）检测编码器的角度信号和零位信号,其硬件组成如图8所示。
本系统的设计,需要要解决的主要问题有2个,即MATLAB/xPC与数据采集卡的接口问题和程序实时性的保证问题。
关于硬件接口问题,xPC目标提供了各种I/O接口接入计算机的实现途径,支持多种类型的I/O设备板,包括ISA、PCI、PC104和CompactPCI硬件。
但不支持的PCL2833板卡,根据MTLAB/xPC提供的接口规范,自行开发了驱动程序,其过程这里不再详述。
xPC的功能与RTW近似,即可用Simulink/Stateflow设计出来的控制器直接去控制对象实物。
xPC采用上下位机工作方式,通过TCP/IP实现通xPC采用上下位机工作方式,通过TCP/IP实现通信。
在上位机（宿主PC机）上应用Matlab生成控制代码然后下载到下位机（目标工控机）。
工作时下位机进行层控制,上位机则显示数据,达到实时控制的效果[7]。
上位机
（PC机）
下位机
（工控机）
TCP/IP
PC16229
PC16602
PC16229
PC16602
PC16229
PC16602
流量
比例阀
旋转
编码器
流量
比例阀
旋转
编码器
流量
比例阀
旋转
编码器
腰部关节
大臂关节
小臂关节
图8机械手控制系统硬件流程图
3.3.3机械手控制系统的软件部分
在软件上,上位宿主机安装Matlab6.5以及Simulink、Real2TimeWorkshop和xPCTarget工具箱,利用VisualC++6.0作为目标语言编译器。
下位目标机未装载任何操作系统和软件,仅对BIOS做了相关更改以节省CPU资源。
由于关节在运动过程中负载变化较大,故采用单神经元自适应PID控制,如图9所示。
该算法结构相对简单、计算量小、权值学习时间短,明显优于常规PID算法,有较强的自适应性和鲁棒性。
这里不再详细叙述。
状态变换器
Ku
f（·）
受控对象
学习算法
图9单神经元自适应PID控制器原理示意图
3.3.4编写控制程序
根据前面所述前馈补偿极点配置自校正控制原理,编写LabVIEW控制程序,在这里相关内容不再详述[8]。
3.4实验分析
以腰部关节为例。
腰部关节的编码器为1000码/周,通过1:
4的同步带轮与腰部的摆动缸相连,所以腰部关节的分辨率为360°/4000=0.09°/u12290X系统采用单神经元自适应PID方法,由于腰部关节在机械手运动时转动惯量变化较大,使用同一控制参数分别在转动惯量较大（大臂伸出）和较小（大臂收回）时对其进行了两组跟踪方波信号试验来检验参数变化对系统动态特性的影响。
其结果如图10a、10b所示,超调量及响应时间满足要求,系统具有一定的鲁棒性[9]。
38404244464850
16
12
8
4
时间/s
角度/deg
0.4
0.2
0
-0.2
-0.4
时间/s
38404244464850
误差/deg
（a）大转动惯量下
3840424446485052
32
16
0
时间/s
角度/deg
0.6
0.2
-0.2
-0.6
时间/s
3840424446485052
误差/deg
（b）小转动惯量下
图10腰部关节方波信号响应及误差曲线
对机械手位置的在关节空间内进行轨迹跟踪,控制模块的输入信号为轨迹规划模块组的输出信号,采用PID控制算法。
图11a,x1、y1、z1分别代表迪卡尔空间内，目标规划路径的x、y、z三个坐标轴方向的分量随时间变化的的曲线；x2、y2、z2分别代表机械手实际位置在迪卡尔空间内三个坐标轴方向的分量随时间变化的曲线。
在所有参数均相同的情况下，对气动机械手进行了16组实验，仅对机械手末端在最后时刻的位置进行分析，如图11b,横轴为实验的次数，纵轴分别为x、y、z三个方向上的数据。
其中直线段部分为机械手末端的目标位置，标记点为通过旋转编码器测量并计算得到的实际位置。
x轴方向上的误差小于6mm，y轴方向的误差小于10mm，z轴方向的误差小于10mm。
即机械手的轨迹跟踪是可重复的。
三自由度气动机械手控制系统的设计是一项比较复杂的工作。
其中包含轨迹规划,运动学反解，关节控制等多个模块，需要比较许多不同的算法并不断地调整相关控制参数。
以xPC为架构的快速控制原型构造简单、调整方便，非常适合进行一些控制算法的实验研究，为系统的工业化应用奠定了一个良好的实验平台[10]。
0510152025303540
1600
1200
800
400
0
时间/s
位移/mm
Z轴方向Y轴方向X轴方向/mm
00246810121416
325
升级会员 