機械手設計范文

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Abstract： The hydraumatic manipulator mainly takes hydraulic manipulator as the media， and uses the liquid pressure to drive the movement of the actuator. Its main features are： First， it can realize the automation of circulation work and automatic overload protection. Then， the control is simple， convenient and effort. Finally， the non-clearance transmission can be better achieved in this way， and the operation is more smooth and steady.

關鍵詞：液壓；機械手；控制

Key words： hydraumatic；manipulator；control

中圖分類號：TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）01-0145-02

0 引言

機械手是模仿人手的部分動作，按給定程序、執行軌跡、實現自動抓舉或搬運的自動化機械裝置。產品機械手價格昂貴，一些小型機械企業望而止步。文中所研究的機械手采用液壓驅動方式，主要功能是實現上下料過程的自動化。其造價低廉、控制性好，可為小型機械行業所用。現將設計過程簡單介紹。

1 機械手的技術參數

①自由度（四個自由度）

臂轉動 180°

臂上下運動 175mm

臂伸長（收縮） 400mm

手部轉動 ±90°

②手指握力 392N

③驅動方式 液壓驅動

2 主要設計內容

2.1 結構原理設計 根據設計要求繪制出其機械手結構原理圖，如圖1所示。

2.2 系統結構分析 本次液壓機械手的設計主要是由執行機構，驅動裝置，被抓取工件等部分組成，各系統之間的相互關系如圖2所示。

2.3 機械手機械系統結構設計 機械手的機械結構部分主要是由執行機構構成的，其中執行機構又包括末端操作器、手腕、手臂和機身。

2.3.1 末端操作器

機械手為了進行作業，在手腕上裝上了操作機構被定義為末端操作器。它的最為基本作用是：直接抓取工件、工具或物體等，末端操作器的功能與人手相似，工件的形狀和特征直接決定末端操作器的機構形式。本次設計手部的結構選擇為滑槽杠桿式夾鉗。

2.3.2 手腕

機器手的手腕是連接手部和手臂的橋梁，其主要用途是調節、改變工件的坐標，因此具有相對獨立的自由度，從而使機器人的手部能夠完成各種復雜的動作。一般，按照自由度分類，手腕可以設計為三個自由度。分別為：單自由度、二自由度和三自由度。本次設計中選用的是單自由度手腕。

2.3.3 手臂

手臂是機械手執行機構的尤為重要組成部件。手臂根據它的運動方式可以分成四種類型，它們分別是“直線運動、回轉運動、俯仰運動和復合運動。此次設計選用的是直線運動、回轉運動的復合運動。

2.3.4 機身

機械手的最基礎的部分是機身，它的主要作用是連接、支撐。所以機械手主要承受動力裝置、液壓裝置的重量。

通過Pro/E軟件完成機械手的三維造型如圖3所示。

2.4 液壓驅動系統總體設計 機械手液壓系統原理圖如圖4所示。

3 結束語

四自由度液壓機械手系統運轉平穩，能準確完成上下料工作，機械密封可靠，說明液壓回路的設計及液壓元器件的選擇滿足產品使用的需求。最為重要的是整套設備的制作費用在五千元左右，與產品工業機器手數萬元的價格相比，很大程度上滿足了小型機械企業向自動化、智能化發展的需求，可為同類產品的設計提供經驗。

參考文獻：

[1]康立新，馬建華.工業機械手的設計[R].工程技術.

[2]謝明廣，孔祥戰，何宸光.機器人概述[M].哈爾濱：哈爾濱大學出版社，2013.

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關鍵詞：8051；單片機；機械手；工件搬運

中圖分類號：TP391.41；TP241 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2014） 12-0000-01

機械手是自動化生產中常見的一種控制對象。它能模仿人的手、臂，抓、搬物件。雖不能完全取代人手，但在重復頻率高、勞動強度大、危險性高的環境下顯示出一定優勢。機械手主要有執行機構（手部）、運動機構和控制系統三部分。手部主要用來抓持工件；運動機構主要帶動手部實現全方位運動；控制系統則通過對機械手電機的控制，來完成特定動作。

目前企業用的機械手多用PLC和低壓電器實現，此方法控制簡單，可靠性高，但成本高，本系統采用8051單片機為控制核心，輔以低壓電器限位開關實現保護，在保證可靠性的前提下，大大降低了成本，并且便于實現無工件檢測、自動計數、遙控和實時檢測，應用前景廣闊。

一、控制系統功能

如圖1所示是一臺工件搬運機械手的動作示意圖，其功能是將工件從A點搬運到B點。機械手的升降和左右運動分別由兩個步進電機驅動鏈條來實現，其中上下移動對應電機1，左右移動對應電機2。單片機合理控制電機的正反轉，而實現機械手的全方位運動，通過記步方式實現機械手的精確定位，并可通過修改記步參數修訂移位距離。為防止系統死機，還設有上下左右4個限位開關X1、X2和X3、X4，實現撞車保護。機械手的夾緊、松開動作由電磁鐵實現，線圈斷電夾住工件，線圈通電，松開工件，以防止電源停電時工件跌落。電磁鐵線圈的通斷電由5V繼電器控制，實現電壓轉換。機械手最上面、最左邊且距離上面和左面限位開關一個小間隙的位置為初始原點，而且通過設置可以重新定位原點，以適應不同工序的要求。本系統除工件的自搬運控制外，還可實現手動控制、零點設定和越位報警等。如圖1所示，把工作方式開關撥到原點位置，機械手會自動回到設定零點位置待命；撥到自動位置，機械手自動完成工件的搬運工序，并循環運行；撥到手動位置，可通過按鍵控制機械手的各種動作。

圖1 工件搬運機械手動作示意圖

圖2 系統總體設計流程圖

二、軟件設計

（一）總體設計

本系統包括回原點模式，手動模式和自動搬運三種工作方式，如圖2所示。把模式開關撥到原點位置，K9接通，執行回原點程序，機械手自動回到原點位置。把模式開關撥到手動位置，則K8接通，執行手動控制程序，此時可通過K1-K6鍵手動控制機械手，此模式下，若按K10鍵，則以機械手此時的坐標重新設定原點。把模式開關撥到自動位置，則K7接通，此時執行自動搬運程序，機械手自動把工件從A點搬運到B點，循環往復。模式轉換時，系統自動記憶機械手當前的坐標和運動狀態，以便在另一個模式下能連續運行。

（二）回原點功能

初始狀態以最左邊和最上邊位置為原點。此過程中以步進電機的步為計量單位精確定位，以滿足工序的誤差要求。K9按下，單片機控制電機將機械手定位到設定原點，無需人工值守，且原點可在允許范圍內隨意設定，以滿足不同工件、不同工序的要求，大大提高了本設計的靈活性。

（三）手動操作功能

K8按下，激活手動控制程序，此時點按K1-K6鍵可實現機械手的點動運行，其行程大小可通過程序設定，以實現不同場合的需要，長按鍵則實現機械手的連續運行。此時按K10鍵重新設定原點。

（四）自動運行功能

K7按下，系統進入自動運行模式。此時系統會自動檢測機械手的位置和狀態，若機械手不在原點或有工件被夾持，則系統首先執行回原點程序，并釋放工件；否則直接執行自動運行程序。在程序的控制下，機械手首先下降到工件位置，電磁鐵斷電，將工件夾起；然后重新上升返回到原點位置，垂直方向偏移量清零；此時水平電機啟動，將機械手帶到最右側；然后垂直電機再工作將機械手帶動到工件位置，并釋放工件；然后連續執行上升、左移代碼，機械手重新回到原點，水平和垂直偏移量清零，第一個自動循環結束。只要模式轉換開關位置不變，機械手便會循環往復執行此循環動作。

三、結束語

本文采用89C52單片機作為控制核心，在C程序的控制下通過驅動電路和限位開關實現對步進電機的控制，從而實現機械手在多種工作模式下的精確運動和操作，為防止機械手的越位運動，本系統中還設置了硬件限位開關和報警功能，不但保證了系統的精度和靈活性，而且大大提高了系統的穩定性和可靠性，從而提高了企業生產的工作效率，具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

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關鍵詞：搬運機械手；電氣一體化；定位控制

中圖分類號：TP241 文獻標識碼：A

0.引言

隨著制造業的快速發展，機械手成為當今時代的標志，有效改善勞動條件，保障人身安全。當前，機械手可以精確執行預先編寫的程序命令，實現預計動作，被廣泛應用于機床、模具鍛造或者點焊、噴漆工藝方面。本文基于完成生產線之間物品運輸設計的機械手系統，能夠完成手臂上下伸縮、手臂左右擺動以及手指抓握3個動作；采用集成傳輸模式，即手臂機構采用伺服電機驅動，手爪機構則采用氣壓傳動。

1.硬件結構設計

1.1 伺服電機選擇

電機選擇方面，本課題選用交流伺服電機，因為隨著電機調速方法的不斷研究，目前能夠將電機調速范圍與成本降低到寬調速直流電機。同時，交流伺服電機擁有較高的可靠性和控制性，因此目前能夠得到廣泛應用。而直流伺服電機內部存在電刷和換向器因素，導致電機工作可靠性降低，提高后期運行成本；交流異步電動機雖然沒有電刷磨損，結構簡單，成本較低，但應用時對其調速十分煩瑣，成本相對較高，不經濟適用。考慮到電機后期維護方便，本課題的升降電機與旋轉電機都選用交流伺服電機PanasonicMDMA152P1U型號，便于后期保養維修，采用的驅動器為MDDDT5540型號。

1.2 氣缸和閥門的選擇

本機械手驅動系統運動速度由氣流調節閥控制，運動方向由電磁閥控制。目前，氣體驅動系統憑借其價格低廉等優點在工業中得到廣泛應用。同時氣動夾持器由于氣體的可壓縮性，在捕獲過程中具有一定的靈活性，不會由于力度過大導致被抓取物破壞。根據指尖距離及手爪夾緊力，夾緊裝置選擇一個具有可調緩沖裝置的雙作用氣缸，并設有夾緊裝置和壓力傳感器。氣缸本身配有兩個一位單通閥門，本設計為了能夠保證氣缸在斷氣狀態下保持氣缸內部的壓力，所以根據經驗選用SMC公司的VZ110氣開閥。

1.3 傳感器的選擇

傳感器的功能是將被測物的物理量轉變成由控制系統可以識別的電信號。實時檢測系統本身以及工作對象、工作環境的狀況，為控制系統提供有效精準的電信號。本課題研究的機械手，位置檢測裝置主要用來判斷機械手執行左旋/右旋，上升/下降等動作時是否到位，通常選擇行程開關，并將其安裝在預先設定的位置。本機械手選用直線接觸式行程開關，當行程開關檢測到機械手運動到預定位置時，立即終止當前動作，準備運行下一動作。

2.機械手動作的實現過程

機械手的工作均由伺服電機驅動螺紋絲桿旋轉和電機自轉來完成。本機械手的一個工作周期要完成手臂下降―工件加緊―手臂上升―右旋―手臂再下降―松開工件―手臂在上升―左旋8個動作，全部由對應的限位開關來控制，系統原始位置設置在原點，當按下開始命令時，機械手會立即有序的執行預訂相應動作。為確保人身安全，機械手安裝了一個光電開關，當機械手右旋到預定位置時，必須檢測到右工作臺上沒有工件時才能執行下降動作。另外，機械手能夠實現自鎖功能，在系統斷電斷氣情況下保持機械手姿勢。本文研究的機械手系統工作方式一共有手動操作，半自動操作，自動操作3種模式，當系統上電后機械手首先初始化，然后進行選擇相應的工作方式。

3.控制系統的設計

控制系統是機械手設計的重要組成部分，是保證機械手在工作過程中安全可靠的關鍵。實時控制著機械手的每一個作業動作，控制系統的穩定性以及可靠性的好壞直接決定了機械手工作過程的效率，起著不可低估作用。

3.1 PLC的選用

本文機械手的控制系統根據經驗選用“CPU226AC/24輸入/16輸出”型PLC，另外，由于系統I/O端的分組情況及隔離與接地的需求，需要增加10%～20%的裕量，配置了兩個EM253位控模塊和一個EM22324VDC數字組合8輸入/8輸出的擴展模塊。本文設計的控制系統，控制面板上操作按鈕的輸入端應該接入PLC輸入口的I0.0-I1.5，系統的行程開關接入I1.6-I2.3，料架上的兩個光電傳感器應該接入I2.4、I2.5輸入口，伺服驅動器的報警端接入I2.6、I2.7接口，伺服電機定位完成后發出的信號接入I3.0、I3.1。其次，PLCQ0.0-Q0.6輸出端連接系統信號指示燈，Q0.7-Q1.4端連接外部信號，實時檢測機械手狀態，Q1.5-Q1.7端連接驅動器，為電機提供電源，Q2.0-Q2.3端連接定位模塊，主要控制電機的運轉，Q2.4-Q2.5端連接氣缸控制閥，調節氣缸的伸縮。

3.2 控制模塊設計

本文中，控制系統主要由PLC主控單元、I/O模塊和EM253位核心控制器構成，機械手的抓放動作由選用的氣缸驅動，其余動作由選用的伺服電機驅動，同時電機配有驅動器，由位控模塊接收脈沖輸入。結構上，系統配有極限行程開關，每個部件的極限運動由脈沖來限位。主控單元采用單獨封裝，設計為模塊式結構，安裝在相應的支架上，主要包括PLC模塊、觸摸終端、I/O模塊和兩個位控模塊，通過PLC專用電纜進行相互通信。位控模塊采用的是PLC特殊模塊EM253，因為可以運用其產生的脈沖串對電機速度何位置進行開環控制，產生的脈沖串存儲在S7-200相應的存儲區中，通過擴展的I/O總線與S7-200進行通信。

3.3 控制面板的設計

本文所設計的機械手根據實際應用所需設置以下控制按鈕。（1）工作模式選擇開關：當正常生產時將機械手調到自動模式，機械手會自動運行。當機械手出現故障或者出現報警時可以將機械手調到手動模式，機械手可通過點動調整。（2）電源開關：當機械手系統準備工作時，必須將電源撥至ON位置，給系統設施供電，其中觸摸終端由PLC進行供電。當機械手系統停止工作時，必須將電源撥至OFF位置，切斷一切設施供電，保證系統及人身安全。（3）急停按鈕：當機械手系統在運行過程中，出現突況例如搬運不夠穩定、下放物品不到位、超過了極限位置以及沒有抓取成功目標物等等發生時，迫使機械臂系統停止工作，此時僅需按下急停按鈕，則可立即使機械手停止工作，有效避免事故的發生和經濟損失。（4）機械手上升、下降、左旋、右旋、夾緊、松開按鈕：這些按鈕通常在調試或者排除系統故障時對機械手進行單步操作時使用，屬于手動操作。（5）復位按鈕：當需要將機械手系統自動恢復到初始位置的情況時，需要按此按鈕實現相應復位功能。（6）啟動按鈕：當機械手系統完成上電，工作模式等一系列前期準備工作之后，按下此按鈕系統就會自動完成預設搬運動作。（7）測試燈/報警按鈕：機械手系統安裝結束后，要對機械手的作業穩定性進行試驗。此時，試燈/報警清除按鈕對電路上所有的工作指示燈做檢測，保證正式運行時的安全。另外，當機械手系y出現報警時，我們對系統進行故障維修后，必須按此按鈕消除報警，使系統進行正常作業。

結語

本文對機械手驅動系統、控制系統方面進行認真細致地研究，能夠對生產線上有無工件進行精準判斷，降低了工作勞動強度，提高了企業生產效率，對自動化生產線的柔性制造方面和工作效率方面起到了不可估量的作用。

參考文獻

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【關鍵詞】機械手;液壓系統;設計

1.機械手結構分析

本文所研究的搬運機械手具有四個自由度，分別為手腕的旋轉運動，手臂的伸縮運動、旋轉運動和升降運動，坐標形式為圓柱坐標，采用液壓驅動控制方式，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 機械手結構示意圖

2.機械手關鍵液壓回路分析

在驅動機械手運動過程中，其中夾緊放松動作，旋轉動作和伸縮動作是主要的動作，這里對這些動作的回路進行分析。

（1）夾緊回路

夾緊回路采用的是O型三位四通換向閥來進行鎖定，如圖2所示。

1―三位四通換向閥 2―調速閥 3―二位三通換向閥

圖2 夾緊回路

（2）旋轉回路

對于機械手的旋轉動作，采用了液壓馬達實現，原理如圖3所示。

1―二位二通換向閥 2―調速閥 3―三位四通換向閥 4―液壓馬達

圖3 旋轉回路

3.液壓系統設計

液壓系統作為搬運機械手的重要驅動方式，主要 用來使機械手完成工作夾/松、手部擺動、手臂水平位 移和垂直升降等動作，主要由油缸、油泵、油壓馬達和各種閥組成。

系統主要技術參數如下：

抓重：20kg

自由度：4

坐標形式：圓柱坐標

最大工作半徑：1500mm

手臂最大中心高度：700mm

手臂運動參數：

伸縮行程：700mm

伸縮速度：400mm/s

升降行程：300m m

升降速度：50mm/s

回轉范圍：0°―180°

回轉速度：70°/s

手腕運動參數：

回轉范圍：0°―180°

回轉速度：9 0°/s

手指夾持范圍：∮30mm―∮60mm

手指握力：500N

根據系統的工作要求和特點，擬定的四自由度搬運機械手液壓系統原理圖如圖4所示。

4.液壓系統硬件設計

（1）液壓泵的選擇

泵的工作壓力的確定：泵的工作壓力可按缸的工作壓力加上管路和元件的壓力損失來確定。采用調速閥調速，初算時可取?？紤]背壓，現取。泵的工作壓力初定為：

式中：p――液壓缸的工作壓力;――系統的壓力損失。

泵的流量的確定：由于液壓缸采用的是差動連接方式，而有桿腔有效面積大于活塞面積，故在速度相同的情況下，快退所需的流量大于快進的流量，故按快退考慮。已知快退時所需要的流量，故快退時泵應供油量為：

式中，K為系統的泄露系數，一般取K=1.1～1.3，此處取1.1。

根據組合機床的具體情況，從產品樣本中選用YB-4/10型雙聯葉片泵。其最大提供的流量為：

故所選泵符合系統要求。

（2）選擇閥類元件

各類閥可按通過該閥的最大流量和實際工作壓力選取。如表1所示：

表1 液壓閥的選型

序號 元件名稱 型號 規格

1 溢流閥 YF-B32H 21MPa，250L/min

2 調速閥 Q-H10 32MPa，40L/min

3 單向閥 I-25B 6.3MPa、25L/min

4 二位二通電磁閥 22E1-10B 6.3MPa、l0L/min

5 三位四通電磁閥 34E1-25B 6.3MPa、25L/min

6 調速閥 Q-H20 32MPa，100L/min

7 單向閥 DF―B10K1 35MPa，30L/min

8 二位二通電磁閥 22E1-10B 6.3MPa、l0L/min

9 三位四通電磁閥 34E1-25B 6.3MPa、25L/min

10 調速閥 Q-H32 32MPa，100L/min

11 單向閥 DF―B10K1 35MPa，30L/min

12 二位三通電磁閥 23E1-25B 6.3MPa、25L/min

13 三位四通電磁閥 34E1-25B 6.3MPa、25L/min

14 調速閥 Q-H32 32MPa，100L/min

15 單向閥 DF―B10K1 35MPa，30L/min

16 二位三通電磁閥 23E1-25B 6.3MPa、25L/min

17 三位四通電磁閥 34E1-25B 6.3MPa、25L/min

（3）電機的確定

快進快退時所需的功率比工進時的功率要大，所以選取電機功率的時候用快進快退的功率做為選取依據。系統的壓力為4MPa，流量為14L/min，其功率為：

故選取電機功率為1.5kw的電機。

本文主要對四自由度機械手的液壓系統進行了設計，實現機械手的前進，后退，升降和回轉功能，并對系統的主要元件進行了設計和選型。根據仿真軟件進行試驗，系統能運行穩定夠滿足需要，可試用推廣。

參考文獻

[1]張宏友.液壓與氣動技術[M].大連：大連理工大學出版社，2009.

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一、數控機床上下機械手的發展與動態情況

經過調查研究發現，我國目前數控機床上下機械手的研究和發展較為突出，它的動態特征也相對明顯。一是，模塊化與可重構化成為了動態發展的基礎；二是，PC機的開放型控制器變為了上下料機械手體系發展的主要方向，網絡化和標準化態勢異常突出。器件的集成度不斷強化，設計出的架構也更加靈巧，系統安全性和可靠性更為有效；三是，機械手中的傳感器發揮了巨大的優勢，位置傳感器和速度傳感器得到了進一步應用，視覺、觸覺傳感器的加入使用，更是將上下料機械手推向了更為先進的方向；最后，以焊接和裝配為代表的機械產品也走向了模塊化方向，其仿真效果和動態特征異常突出。

二、上下機械手手爪架構的流程設計

數控機床上下機械手的樣式多樣，類型豐富，在操作過程中對作業和裝置的要求嚴格，根據不同的操作需求，機械手的選擇也不盡相同。最常見的機械手是測量式手爪、搬用式手爪以及加工式手爪，它們的差異明顯，作用不同。機械式手爪設計流程必須符合要求，遵循具體原則實施施工，根據其運轉和作用的內容進行相關設計和開發。為了避免它與萬能手爪方式存在矛盾，還要將工業應用作為設計的基礎，將重點放在機械手設計過程中，實現和健全它的工作職能，考慮設計流程的經濟效益。另外，機械手爪架構還必須具備通用特征，能夠使用有限數量的手爪適應不同要求的機械手，在末端執行器開展工作的時候，還應該配置一個標準的機械接口，保證執行過程的標準化特征。所謂搬用式手爪，即為多種類型的夾持裝置，其主要用于對物體的搬用和抓取；加工式手爪，即為附有焊槍、銑刀等工具的機械手附加設備，其主要用于對作業的加工。在對上下料機械手進行設計的過程中，一定要首先分辨用途，然后在結合實際設計流程，突出其使用效率。

三、上下料機械手設計方案的實際運轉

數控機床上下料機械手設計流程完善規范后，還要確保其實際運行的科學性。由于機械手手臂基本上都為直線式，它的剛度又較大，在運動過程中勢必會對穩定性和安全性具有更高的要求。因此，在實際運轉過程中，一定要選用液壓驅動的方式，根據液壓缸表現出的直接性驅動特征，突出它的執行作用，降低控制難度，并使用計算機實施管理控制。在此基礎上，機械手手臂在具體運轉過程中還具有自身的控制要求，結構設計不用過多關注長度，僅僅依賴加大液壓缸的直徑來提高其剛度，那么勢必無法滿足系統需要，設計問題也會暴露。針對這樣的現象，在具體設計過程中，要添加導桿機構在設計之中，在小臂上安裝導桿兩個，并使它們與活塞桿組成一個三角形，通過三角形的穩定性提高小臂的剛度性能。在大臂上則安置四個導桿，構成一個四邊形，并且保證每個導桿都為空心樣式，進而最大限度的降低大臂重量，做好機械手設計流程的應用，發揮其技術能力。

四、機械手的主要優勢和運用

數控機床上下料機械手的作用和優勢明顯，它的作用突出，具備較好的特征。另外，機械手的實施方案具有速度快、工作效率高等優勢，它的負載能力強，移位的精準性好，故障出現的頻率勢必會大大減小，其優勢作用相當明顯。例如，機械手在DK050機床上的成功應用就是一個顯著的案例，也是數控機床柔性輸送方面的一個巨大的創新內容。在未來的發展過程中，它勢必會得到更加完善的運用，機械手的開發和使用也將得到前所未有的發揮，為廣大使用者提供更加便捷的服務，減少施工時間，擴大經濟效益。

五、結語

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關鍵詞：PLC控制；工業機械手；設計研究

前言

工業生產領域中，很多工業操作靠人工是無法完成的，并且，一些操作具有較大的危害性，因此，要想實現工業生產目標，保證工人施工安全，工業機械手得到了較為廣泛的應用。工業機械手可以進行一些高溫、有毒環境下的工業生產，極大程度上保證了工人安全，同時也在很大程度上減緩了工人的勞動強度?；赑LC的氣動抓取式工業機械手設計，將注重相關程序的具體應用，注重把握機械手設計的靈活性和自動性特征，通過一系列編程控制，更好地實現機械手的實際效用。PLC氣動抓取式機械手，具有較高的可靠性，并且編程簡單、功能強大，延伸和擴大了人的手足和大腦功能，更加廣泛地應用于工業生產中。

1 氣動抓取式工業機械手的構成分析

基于PLC的氣動抓取式工業機械手設計，需要具有較高的靈活性和自動化發展特征，能夠根據相應的程序設計，滿足實際生產需要。因此，在進行設計過程中，氣動抓取式工業機械手應包含以下幾部分：執行機構：執行機構是氣動抓取式工業機械手的重要組成部分，包括了手部、手腕、手臂和立柱等部件，是機械手完成生產目的的關鍵部分；氣動驅動系統：氣動驅動系統是指揮機械手完成工業生產的重要部分，利用氣體壓力進行驅動，使機械手完成任務；控制系統：控制系統相當于機械手的大腦，對機械手執行任務進行指令下達。一般來說，氣動抓取式工業機械手的控制系統，主要以PLC自動化工業控制系統為主；相關檢測裝置：檢測裝置是進行位置調節的裝置，通過檢測裝置可以更好地確定抓取目標，為實現抓取目的提供依據。機械手的構成，以PLC控制系統進行指令下達，之后由氣動驅動系統進行機械能傳輸，使執行機構能夠進行實際行動，并且根據位置檢測裝置，進行目標操作[1]。

2 基于PLC的氣動抓取式工業機械手設計研究

2.1 設計要點

基于PLC的氣動抓取式工業機械手在設計過程中，要注重機械手的抓取性能，在實際工作中，能夠實現快、準、狠的工作效果。機械手設計過程中，手臂的運行方式有所不同，在進行手臂設計時，需要考慮到生產的實際情況，使機械手設計能夠與生產實際狀況符合。關于PLC氣動抓取式工業機械手設計，要把握以下幾點：第一，機械手臂設計時，坐標可分為直角坐標式、球坐標式、關節式等方式。第二，手臂的升降、收縮和回轉運動要保證靈活性，能夠較好地適應生產和抓取情況。第三，手臂的上下升降、左右旋轉、上下擺動動作要具有較好的靈活性。第四，手臂要保證五個自由度，符合抓取需要。

2.2 設計方案

文章對基于PLC的氣動抓取式工業機械手的設計研究，將從手指、手腕、手臂、三個方面進行。

手指設計分析：機械手在設計過程中，要具有較好的通用性能，能夠進行有效的更換，以實現設計的效率性和多用性。手指在設計過程中，主要以氣動抓取方式為主。氣動機械手是用壓縮空氣為動力源的機械手。其特點是方便、輸出力小、氣動迅速。但是由于空氣的可壓縮性使其運送過程不穩定，抓取力控制在三十公斤以下。手指設計時，要有足夠的握力并且手指間具有對應的開閉角，能夠對工件進行準確定位。

手腕設計分析：手腕設計時，同樣要以生產實際需要為主，手腕要具有較好的靈活性，更好地滿足生產需要。設計時，若是抓取的物件是水平放置，則可以設置成為上下擺動的形式即可，若是抓取物件存在一定的復雜性，就需要將手腕設計成“球坐標式”，能夠進行有效地活動，從而完成抓取工作[2]。

手臂設計分析：機械手臂在設計過程中，要保證其具有較大的靈活性。手臂是進行抓取工作的重要設計點，其速度關系到了機械手手指的抓取速度，文章對機械手臂的設計參數為最大移動速度為1.0m/s，回轉速度為90°/s，移動速度為0.8m/s。手臂設計要具有速度性，它是實現抓取效率的關鍵部位。

2.3 控制設計

控制設計是基于PLC的氣動抓取式機械手設計的難點，具有較大的復雜性，同時，控制設計也關系到了機械手能否發揮真正的作用。在控制設計過程中，需要考慮到機械手的通用性，并且采用點位控制方式，實現精確控制。控制設計時，要注重PLC工業自動化控制系統的應用。關于利用PLC自動化控制系統進行機械手控制的問題，如圖1所示[3]。

PLC在實現這一目標時，需要通過程序編制，并且對程序進行執行處理，才能實現。PLC應用于氣動抓取式機械手設計時，主要涉及到了以下設備裝置：中央處理器、系統存儲器、用戶存儲器、電源、編程器五大部分。這五個部分當中，中央處理器是PLC系統的核心，對氣動抓取式機械手進行控制，電源、線路是實現PLC系統進行相關程序操作的關鍵。同時，編程器、系統存儲器、用戶存儲器之間，需要通過I/O信號輸入，才能實現效果。

PLC控制作用發揮時，需要事先有PLC系統進行命令，并且通過總機的數據處理系統，將指令進行傳達，實現信號輸送。關于PLC的氣動抓取式機械手的工作情況，主要如下：機械手位于初始位置，受到控制系統控制，執行系統將推動機械手進行運動。同時，機械手各個主要部位受到執行系統控制，執行系統通過完成主系統下達的任務，進行機械手控制，完成機械手操作任務?；赑LC的氣動抓取式工業機械手設計，將更加廣泛的應用于自動化生產線。國外很多國家已將其成功的應用于成套的自動化生產設備中。機械手未來的發展，將朝著自動化、智能化、網絡化的發展方向邁進，將更好的代替人從事高危險、高危害的工作環境，實現生產管理的智能化和自動化。

3 結束語

綜上所述，文章主要分析了基于PLC的氣動抓取式機械手的設計原理、設計方案、控制設計三個部分內容，并就氣動抓取式機械手的特點進行了分析，實現了氣動抓取式機械手的設計。氣動抓取式機械手在工業生產過程中起到了重要的輔助作用，在實際設計過程中，必須注重這一點，使機械手設計能夠更好地促進工業生產的發展和進步，滿足我國現代工業更加自動化、智能化的發展需要。

參考文獻

[1]蔣浩.基于PLC的工業機械手運動控制系統設計[D].南京信息工程大學，2012.

[2]張海英.基于PLC的氣動吸盤式工業機械手設計[J].液壓氣動與密封，2013，3：74-76.

篇7

關鍵詞：數控機床; 設計流程;機械行業

隨著工業自動化程度的提高，工業現場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動場合必將由機器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動強度，另一方面可以大大提高勞動生產率。例如，目前在我國的許多中小型汽車生產以及輕工業生產中，往往沖壓成型這一工序還需要人工上下料，既費時費力，又影響效率。為此，我們把上下料機械手作為我們研究的課題。我國在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統攻關，才能形成系統配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。

1 機械手的優勢和應用

機械手實施方案具有速度快、工作效率高、負載能力強、移位精度高及故障出現頻率低等諸多方面的優點。機械手在DK050機床上的成功運用，是數控機床柔性輸送方面的一大創新。在今后的數控機床的生產過程中，機械手的開發和運用將會得到前所未有的發揮，同時為廣大用戶提供了極大地方便，能夠產生較大的生產效益和經濟效益。

2 機械手手爪架構的設計

機械手手爪的類型較多，其主要用于作業的操作和裝置，按照不同的作業方法和操作，可以將手爪分為測量式手爪、加工式手爪及搬用式手爪等。所謂搬用式手爪，即為多種類型的夾持裝置，其主要用于對物體的搬用和抓取；加工式手爪，即為附有焊槍、銑刀等工具的機械手附加設備，其主要用于對作業的加工；所謂測量式手爪，即為附有傳感器的一種附加設備，其主要用于對作業的檢驗和測量。在機械手手爪的設計過程中，應當遵循以下幾個方面的要求：其一，根據機械手作業的具體要求對機械手手爪進行相應的設計和開發；其二，機械手手爪的專用性和萬能型之間存在一定的矛盾。萬能手的架構設計比較繁瑣，有時還會出現無法實現的現象，以工業的實際應用為出發點，將重點應放在對各類專用的、工作效率較高的機械手的研究和設計上，確保工業機械手的所有工作性能的實現和健全，在這里，我們不贊成通過一個萬能手來完成所有工作，應當考慮機械手在設計過程中所發揮的一些經濟效益；其三，確保手爪的通用性。所謂機械手爪的通用性，即為通過數量有限的手爪來適應不同要求的機械手，這就給末端執行器提出了一定的要求，即要求其末端配置一個標準的機械接口，保證末端執行器能夠標準化運用。

3 控制方式的設計及流程分析

3.1 控制方式和要求。 由于機械手手臂運動為直線運動，且考慮到搬運工件的重量較大(質量達30KG)，以及機械手的動態性能及運動的穩定性，安全性和較高的剛度要求，因此選擇液壓驅動方式，通過液壓缸的直接驅動，液壓缸既是驅動元件，又是執行運動件，因此不用再額外設計執行件，而且液壓缸實現直線運動，控制簡單，易于實現計算機的控制。

同時，因為控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結構不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的直徑來增大剛度，是不能滿足系統剛度要求的。因此，在設計時另外增設了導桿機構，小臂增設了兩個導桿，與活塞桿一起構成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設了四個導桿，成正四邊形布置，為減小質量，各個導桿均采用空心結構。通過增設導桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩定性，比較好的解決了結構、穩定性的問題。

3.2 工藝流程與設計。 機械手的動作有腰座的旋轉、垂直手臂的升降、水平手臂的伸縮及手爪的夾緊與松開。手臂垂直升降和水平伸縮由液壓實現驅動；手爪的夾緊與放松，通過柱塞缸與齒輪來實現；腰座旋轉通過步進電動機與齒輪來實現。實現執行手爪夾緊與放松的柱塞缸，由單線圈的電磁閥(夾緊電磁閥)來控制，當線圈不通電時，柱塞缸不工作，當線圈通電時，柱塞缸工作沖程，手爪張開，柱塞缸工作回程，手爪閉合。當機械手旋轉到機床上方，并準備下降進行上下料工作時，為了確保安全，必須在機床停止工作并發出上下料命令時，才允許機械手下降進行作業，同時，從工件料架上抓取工件時，也要先判斷料架上有無工件可取。

本設計通過對機械設計制造理論知識及實踐進行整合，完成一個特定功能、滿足特殊要求的數控機床上下料機械手的設計，比較好地體現機械設計制造及其自動化專業畢業生的理論研究水平、實踐動手能力以及專業精神和態度，具有較強的針對性和明確的實施目標，實現了理論和實踐的有機結合。機械手采用可編程序控制器控制，可以實行手動調整、手動及自動控制；系統結構緊湊、工作可靠，設計周期短且造價較低；PLC有較高的靈活性，當機械手工藝流程改變時，只要對I／O點的接線稍作修改，或對I／0重新分配，在控制程序中作簡單修改，補充擴展即可。經過重新編制相應的控制程序，就能夠比較容易的推廣到其他類似的加工情況。

4 結束語

目前，國內外各種機械手和機械手的研究成為科研的熱點，其研究的現狀和大體趨勢如下：機械結構向模塊化、可重構化發展；工業機械手控制系統向基于PLC機的開放型控制器方向發展，便于標準化、網絡化；器件集成度提高，結構小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統的可靠性、易操作性，而且維修方便；機械手中的傳感器作用日益重要，除采用傳統的位置、速度、加速度等傳感器外，還引進了視覺、聽覺、接觸覺傳感器，使其向智能化方向發展；關節式、側噴式、頂噴式、龍門式噴涂機械手產品標準化、通用化、模塊化、系列化設計；柔性仿形噴涂機械手開發，柔性仿形復合機構開發，仿形伺服軸軌跡規劃研究，控制系統開發；焊接、搬運、裝配、切割等作業的工業機械手產品的標準化、通用化、模塊化、系列化研究；以及離線示教編程和系統動態仿真。

參考文獻

篇8

關鍵詞：PLC控制 氣動驅動 工業機械手

在工業生產領域中，工人在工作的時候經常會遇到高溫、腐蝕和有毒氣體的侵害。這些侵害不僅加大了工人的勞動強度，而且還會危及工人的生命安全。為了減輕工人的勞動強度，保障工人的生命安全，工業機器人由此誕生。

工業機器人執行機構是機械手，它可以模仿人手動作，按照指定的程序和預定的軌跡進行自動抓取和搬運，實現工業現場操作的自動化。機械手按驅動方式可以分為液壓式、氣動式、電動式和機械式?？删幊炭刂破鳎≒LC）是專門為工業應用設計的利用數字運算操作的電子裝置。它具有可靠性高、功能強大、編程簡單、人機交互界面友好等特點，廣泛應用于工業控制系統中。

筆者設計了一款PLC控制的氣動驅動式機械手，實現機械生產過程中的自動上料、下料等裝卸任務，從而達到提高工業自動化生產效率的目的。

一、機械手組成

機械手主要由執行機構、氣動驅動系統、控制系統以及位置檢測裝置等所組成。組成如圖1所示。

圖1 機械手組成控制原理方框圖

其中執行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。氣動驅動系統包括利用氣體壓力來驅動機械手執行機構的動力裝置、調節裝置和輔助裝置。PLC是控制機械手動作的控制系統。

二、氣動機械手設計方案

氣動機械手的特點是快、穩、準，要求能夠快速、準確地拾放和搬運物件，而且要有足夠的空間、靈活的自由度以及任意位置的自動定位等。

1.物理選型：坐標式選擇與自由度分析（參見圖2）

（a）

（b）

圖2 機械手結構示意簡圖

根據機械手手臂的運行方式不同、組合情況，其坐標可以分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關節式。對于本次設計的機械手需要實現在上下料時實現手臂的升降、收縮和回轉運動，所以采用圓柱坐標。為了彌補升降運動行程比較小的缺點，故增加手臂擺動結構，即增加了一個手臂上下擺動的自由度。這樣，手臂有四個自由度，包括手臂的上下升降、左右回轉、前后伸縮，上下擺動，若將立柱的橫向移動包含在內，手臂有5個自由度；手腕有左右回轉和左右擺動兩個自由度，手指有開閉運動和上下擺動兩個自由度。整個系統共有九個自由度）。

2.結構方案設計

（1）手指?？紤]機械手的通用性，故把手指結構設計成可更換性，比如棒料可以用夾持式手部夾取，板料則要用氣流負壓式吸盤吸取。用1個汽缸控制開閉， 1個電動機控制上下擺動。

（2）手腕。考慮機械手的通用性，且被抓取的工件是水平放置的，手腕設計成回轉結構，由2個回轉電動機來驅動手腕進行回轉運動和左右擺動。

（3）手臂。根據抓取工件的要求，機械手的手臂設有五個自由度，包括手臂的上下升降、左右回轉、前后伸縮，上下擺動以及立柱的橫向移動。手臂的回轉和升降是由立柱來實現的，立柱的橫向移動也就是手臂的橫移、手臂的各種運動都是由5個汽缸或電動機來驅動實現的。

3.驅動方案設計

機械手的驅動采用氣動驅動方式。氣壓傳動系統的反應比較靈敏，動作比較迅速，阻力產生的損失較小，泄漏也比較小，成本低（參見圖3）。

圖3 氣壓傳動系統工作原理圖

氣源由空氣壓縮機（排氣壓力大于0.4～0.6MPa）通過快換接頭進入儲氣罐，經分水過濾器、調壓閥、油霧器，進入并聯氣路上的電磁閥，以控制機械手動作。

各執行機構調速，凡是能采用排氣口節流方式的，都在電磁閥的排氣口安裝節流阻尼螺釘進行調速，這種方法的特點是結構簡單，效果尚好。手臂伸縮汽缸在接近汽缸處安裝兩個快速排氣閥，可以加快啟動速度，也可調節全程的速度。升降汽缸采用進氣節流的單向節流閥以調節手臂上升速度。由于手臂可自重下降，其速度調節仍采用在電磁閥排氣口安裝節流阻尼螺釘來完成，氣液傳送器汽缸側的排氣節流，可用來調整回轉液壓緩沖器的背壓大小。 為簡化氣路，減少電磁閥的數量，各工作汽缸的緩沖均采用液壓緩沖器。這樣可以省去電磁閥和切換調節閥或行程節流閥的氣路阻尼元件。

4.控制方式選擇

為了增強機械手的通用性，同時采用點位控制，我們采用可編程控制器（PLC）來控制機械手的運動（參見圖4）。我們只需要改變PLC程序，就可以改變機械手的動作流程，使用起來非常方便。

（1）PLC的結構（參見圖5）。PLC是一種專用于工業控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同，一般由中央處理器、編程器、系統存儲器、用戶存儲器和電源組成。

中央處理單元（CPU）是PLC的控制中樞。它按照PLC系統程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數據，檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。

（2）系統輸入/輸出分布表見表1，電磁閥和系統輸出對應表見表2。

（3）電路的總體設計。由于篇幅的關系，筆者僅列出含5個主要自由度（手臂的左右回轉、手臂的伸縮、手臂的升降、手指的夾緊、手腕回轉）的電路設計，并以此來進行PLC編程，回路設計見圖6。

圖6 系統實現功能示意圖

（4）機械手的程序設計。自動線的輸送動作由步進電動機帶動實現間隔輸送，實現設計要求的輸送狀況。其工作的過程是：機械手首先處于初始位置，然后經過一系列的動作將斷續傳送帶上的工件拿走，此時傳送帶上的光電檢測開關檢測到工件被取走。然后傳送帶開始轉動，當檢測到下一個工件時傳送帶停止轉動等待機械手來取工件，只要機械手取走工件，傳送帶就開始轉動，這樣設計是為了節省工作時間從而不會出現機械手等待傳送帶的時間。對程序的要求如下：①首先啟動機械手。機械手自動復位，處于初始位置。②在機械手工作前要對其進行設備的檢測。即機械手空運行一次，而且機械手的每一個動作都有相應的定時器進行監控，若超出規定的運行時間則認為是設備出現故障。③機械手設有急停按鈕（一般情況下是不被允許使用）只有出現緊急情況時才允許按此按鈕。按下此按鈕將切斷儲氣罐與各汽缸的聯系，將被切斷各汽缸處于無動力狀態。

（5）步進電動機的運行控制。由于對傳送帶的速度和精度要求不太高，選擇三相步進電動機通電方式為三相雙三拍，利用PLC中的M8014特殊功能繼電器向環形脈沖分配器中發送脈沖，然后經光電轉換和功放電路驅動步進電動機。

環形脈沖分配器選擇YB01芯片，此芯片為專用三相步進電動機環形脈沖分配器，此芯片工作穩定、性能優良，在實際生產中被廣泛應用。

①步數控制。當對射式光電檢測開關檢測到共建的位置時，此時停止向脈沖分配器中發送脈沖，步進電動機將停在此位置不動。

②手動控制步進電動機。當按下手動啟動步進電動機按鈕時，M8013即向環形脈沖分配器中發送脈沖，步進電動機開始轉動；當按下停止按鈕時，步進電動機將停止。

③在報警和暫停狀態下，步進電動機也將停止轉動。

由此可見，步進電動機控制程序如下：

（6）各模塊的程序設計。

①程序初始化。采用中間繼電器M8002，中間繼電器對系統各部分復位，定義各種標志包括系統初始化標志，系統啟動暫停、急停、復位等標志，程序如下：

②定義系統復位標志M0。M0定義為系統初復位標志，它由機械手的右限位開關X0，下限位開關X5，收縮限位開關X3，手腕右轉限位開關X10同時激活，程序如下：

③定義系統啟動標志M1。M1定義為系統啟動標志由啟動按鈕和M0共同激活，程序如下：

④定義暫停標志M2。M2為暫停標志由暫停按鈕激活，程序如下：

⑤定義急停標志M4。M4定義為急停標志，由急停按鈕X19激活M4，同時激活特殊功能繼電器M574（禁止狀態轉換），安全閥將儲氣罐與機械手的聯系切斷，程序如下：

⑥定義系統復位標志M5。M5定義為系統復位標志，由復位按鈕激活，當按下復位按鈕系統時將向右轉，手腕右轉，手臂收回，機械手下降，機械手右轉的順序進行復位。當最后一個動作完成、下限位開關有效時，程序將執行RST M5，程序如下：

⑦機械手自檢程序。機械手按照給定的順序（手抓加緊松開﹑手腕右轉左轉﹑手臂伸長收縮﹑機械手左轉右轉）空執行一次，在每一個動作執行的過程中都會有定時器對每個動作進行監控。若超過設定時間（定時器設定的時間都超過每個動作的時間）則認為是機械系統出錯，停止當前的動作發出報警信號，程序如下：

⑧自動運行程序。此模式為機械手工作的主要模式，這部分采用具有保持功能的狀態組件S500-S899，可以讓機械手在斷電后再次通電繼續執行斷電前的動作，程序如下：

三、結語

總之，本次設計的是氣動通用機械手。相對于專用機械手，通用機械手的自由度可變，控制程序可調，因此適用面更廣。采用氣動式驅動，動作快速，能夠實現準確定位，自動定位，控制性能好，能夠很好地適應各種惡劣的工作環境，不會因環境變化影響傳動及控制性能。而且阻力損失和泄漏較小，不會污染環境，同時成本低廉。采用PLC控制，可靠性高、可編程性強，無論是進行時間控制，或是進行行程控制、混合控制，都可通過設定PLC程序來實現，根據機械手的動作順序修改程序，使機械手的通用性更強，很好地適應了工業控制的要求。

參考文獻：

[1]李建國.基于PLC的氣動機械手的改裝設計[J].液壓與氣動，2011（8）.

[2]關明，周希倫，馬立靜，宋蔚.基于PLC的機械手控制系統設計[J].制造業自動化，2012（14）.

篇9

【關鍵詞】綜合職業技能；學期項目式教學；氣動機械手；機械結構

1.前言

職業教育在中國當前的教育形式中起著重要的作用，但在教學實施過程中，存在對知識掌握單一性的問題。如何提高學生的綜合職業技能，是解決當前教學過程中的重要課題。

通過對國際先進職業院校的了解和學習，學期項目式教學是提升學生綜合職業技能的最佳方法。因此針對“氣動機械手的設計與制造在學期項目式教學中的應用”進行探索和研究。

通過氣動機械手的設計與制造在學期項目式教學中讓學生從機械設計、CAD、氣動設計、數控加工、電氣原理圖的設計、PCL設計等的應用。其次還鍛煉學生組織管理、跨專業團隊協作、現場問題的分析與處理、工作效率、安全及文明生產等方面的職業素養。

2.討論課題

學期開始召集學生討論課題設計思路、技術路線、實施方案及明確責任和分工。

3.機械結構設計

3.1 具體機械結構設計方案

機械手的傳動機構要力求結構緊湊，重量輕，體積小，以提高機械手的運動速度及控制精度。采用氣缸提供動力，杠杠機構原理加緊。

3.2 利用UG軟件進行機械結構設計

采用UG軟件對氣動機械手機械部分進行三維實體建模和各零件、部件、機構裝配，然后再對各機械關節機構實體模型進行運動仿真。設計效果如圖1所示。

4.機械手材料的采購與加工

考慮到機械手要有一定的強度，但又要便于數控加工，所以綜合考慮采用鋁合金材料。根據零件的設計要求，依據圖紙選用數控車床、數控銑床對零件進行數控加工。

5.電氣原理圖設計

5.1 氣壓的控制

綜合考慮各方面因素，氣壓必須控制在0.6mpa-0.7 mpa之間。

5.2 確定氣壓元件

氣壓執行元件大體分為直線氣壓缸和旋轉氣缸，氣缸的具體型號見表1。

5.3 擬定氣壓執行元件運動控制

氣壓執行元件確定后，其運動速度和運動方向的控制是氣壓回路的核心問題。

速度控制通過改變氣壓執行元件輸入或輸出的流量變化來實現。相應的調速方式有氣量調節閥調速；方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實現。對于一般中小流量的氣壓系統，通過換向閥的有機組合來實現所要求的動作。

本設計的速度控制主要采用氣量調節閥調速，而方向控制采用電磁換向閥來實現。

5.4 系統設計

本氣動機械手的電氣設計系統如圖2所示。

6.PLC控制程序的設計

6.1 氣缸工作過程

6.2 電磁閥工作過程

電磁閥控制氣缸的先后循序如表3。

6.3 PLC程序編寫

機械手控制系統的硬件設計上考慮到機械手工作的穩定性、可靠性以及各種控制元件連接的靈活性和方便性，控制器應選擇有極高可靠性、專門面向惡劣的工業環境設計開發的工業控制器---PLC，故選擇在國內應用較多的日本三菱PLC。具體型號為FX1NC。其PLC程序如圖3。

7.氣動機械手的裝配與調試

7.1機械部件的安裝；7.2氣路的安裝；7.3電路的安裝；7.4 PLC程序的導入；7.5 PLC程序時間控制和氣路氣量調節。

8.結束語

經過一學期的項目式教學后，組織老師和學生一起討論研究成果，提出不足及改進之處。通過該項目讓學生在專業課、技能的應用及學生職業素養方面的鍛煉都有很大的提高。

參考文獻：

[1]隋冬杰 謝亞青編著.《機械基礎》.復旦大學出版社，2010.

[2]石望遠編著.《液壓與氣動傳動》.國防工業出版社， 2009.

篇10

腦卒中是由急性腦血管疾病引起的持續性的大腦神經功能缺損，全球85%的腦卒中患者患有偏癱癥狀，患者中中年人居多。腦卒中已經成為造成中國、歐洲、美國及其他許多國家的成年人長期殘疾的主要原因，并消耗了大量的社會醫療資源。腦卒中患者可出現多種神經功能缺損癥狀，其中偏癱和運動障礙最為常見，而上肢殘疾患者的手功能障礙往往臨床表現為屈曲攣縮、肌力降低、肌張力異常、手指靈活性降低、肢體麻木、拇指運動范圍減小、精確抓捏、側捏、關節運動協調性降低、力量協調性降低等，也會喪失一部分觸覺感知和本體感受功能，失去對運動的反饋感知。有報道顯示，超過70%的腦卒中患者在發病初期存在上肢功能障礙，在發病4個月后，仍有超過35%的患者存在手部精細功能下降的情況。康復訓練是促進這些患者恢復的主要方法。但是由于傳統的康復訓練治療時間很長，并且無論是在發展中國家還是發達國家，都始終缺乏合格的治療師。因此，替代傳統治療方法的康復訓練設備的研發非常有必要。當前的產品主要存在以下方面的不足：第一，目前多數的上肢康復結構無法做到靈活控制，與人體上肢關節運動不匹配；第二，現有的康復機構僅能將手操縱成簡單的拳頭屈曲，無法重現康治療師對患者進行的康復訓練效果；第三，外骨骼類型的康復機構一般結構龐大，而且由于不便于攜帶以及對患者不夠安全，實際上并不適合殘疾人士。本研究的目的是開發一種可用于家庭及康復中心的人機工程機械手臂。與現有的康復設備相比，此設備輕便、成本低、可攜帶，可為不同程度損傷的患者提供適合手部、腕部和前臂的多種治療性鍛煉。本研究不僅是康復機器人領域的熱門話題和前言，而且可以應用于醫學臨床應用，具有重要的學術價值和工程應用價值。

2人體康復機器人上肢運動學模型

為了緩解和恢復病人的上肢運動，基于人體上肢的關節和運動進行了建模?？紤]到康復機械手臂使用者的使用安全，并在進行日常必需的活動（例如進食、抓握、梳洗等）方面提供幫助，對上肢運動解剖范圍進行了初步研究，為此康復機械手臂確定了合適的活動范圍。本文使用普通人手的基本力學行為來簡化設計，此康復機器人可實現的運動如圖1所示，包括四個手指屈-伸運動，大拇指屈-伸運動，手腕屈-伸運動，手腕橈-尺偏運動及前臂內翻-旋后?？祻蜋C械手臂可實現的運動范圍如表1所示。根據典型成年人的關節和活動范圍為模型，分析上肢的運動特征，建立了修正的D-H參數表，如表2所示。為了獲得D-H參數，在此假設坐標系（即在連續的旋轉軸之間映射的鏈接框架，如圖2所示）與關節的旋轉軸一致并且具有相同數量的階數，這些D-H參數用于獲得齊次傳遞矩陣。

3人體康復機器人上肢機械結構

該設計主要有兩大部件組成，手臂康復訓練部分（圖3）和拇指康復訓練部分（圖4）。手臂部分包括由三個線性執行器操作的連桿機構，以方便手、手腕及前臂的鍛煉。使用時，柔軟的腕帶穿過前臂板1后方的兩個槽穿戴在患者前臂上，手掌板5位于患者手背位置，前臂板1通過萬向節機構4與手掌板5浮動連接，腕帶繞過手指板7上的槽與患者手指相連。手及腕部的鍛煉由三個線性執行器控制，以更好地促進康復。拇指康復訓練部分由前關節1、后關節3、連桿機構4、直線驅動器5及L型聯結組成。后關節上的U型聯結2與前關節左右的側板通過U型聯結浮動連接，前后關節組成的拇指部分通過連桿機構4與直線執行器5連接，整個機構可通過L型聯結6與其他機構連接。使用時，通過柔軟的腕帶戴在患者拇指上，機械拇指包括前關節與后關節，通過連桿相連接，并分別與拇指的前指骨、后指骨相接觸。機械拇指部分與線性執行器浮動連接，控制拇指在特定范圍內的屈-伸運動，實現了拇指的鍛煉與訓練，以更好地促進患者康復。

4結語