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外文翻译系 别 机电信息系 专 业 班 级 姓 名 学 号 导 师 机械科学与技术 21（2007）1018 1027两个轴气动人工肌肉机械手的一种新的相平面切换控制方法控制摘要康复机械手的使用已经由于功能康复治疗对肢体的需求成为一个日益重要的问题。一种新型的气动人工肌肉致动器（PAM）所提供的安全性和流动性援助以执行任务的人类达到日益普及，以及提供一个具有高强度和高功率/重量比，成本低，体积小，便于维修，清洁，随手可得，廉价的电力来源，等等已在使用在治疗机械手近几十年来考虑，特别是需要高水平的安全性。然而，仍存在一定的局限性，如空气可压缩性和阻尼的执行带来的压力动态响应延迟，导致振荡运动能力的缺乏。此外，为了帮助康复机械手更有效，应根据病人的身体状况调整阻抗参数。为了这个目的，机械手加入装有磁流变制动器（MRB） 。一种新的相平面使用 MRB切换控制方法提出了跟踪正弦波形。通过使用制作的两个轴 PAM机械手实验证实了该算法的有效性。实验证明，该机械手的稳定性可以不考虑对参考输入和外部负载条件下的频率的变化使用高增益控制大大改善，并在不降低响应速度，或降低 PAM的操纵器的刚度。关键词：气动人工肌肉；相平面开关控制；机械手；磁流变制动器1。景区简介需要由交通事故和脑卒中引起的骨折或关节疾病康复的人数，和运动功能的问题，由于年事已高，全世界数以千计数百数。机械手的康复中的应用具有极大的关注。功能恢复的治疗通常是进行了医学治疗师在人的基础，但自动设备已经投入到物理治疗程序重复过程相对简单，实用，如连续被动运动机，步行训练装置，和用于单轴扭矩机（DOI，1993街等；Al。 ，1994；傅等人，1995） 。本文论述了功能康复治疗，身体康复的一个重要方面。网格加密治疗机已创建（安清，2004；2005年；2005b） 。然而，多关节机械手要实现更逼真的运动模式，从而更有效的治疗是必要的。这种机械手必须有一个人类使用高安全的。PAM 机械手已被用来构建一个两自由度（DOF）治疗机械手。二自由度机械手功能恢复的治疗由气动肌肉驱动的开发是佐贝尔（Zobel 等人。 ，1999）和raparelli（raparelli 等人。 ，2001；2003）的柳巷芳草 biorobotic系统的人工肌肉致动器（柳巷芳草等人。 ，1999；2000；2002；2003）气动肌肉方面的koeneman（koeneman 治疗装置等人。 ，2004）与人友好的治疗机械手（Thanh 和安，2006年） 。然而，仍存在一定的局限性，如空气的可压缩性和阻尼的执行带来的压力动态响应延迟能力的缺乏，导致振荡运动。此外，实施更有效的康复，机械手必须根据病人的身体状况调整阻抗参数。为了这个目的，一个新的技术，电流变液阻尼器（ER 阻尼器） ，已被应用到 PAM机械手。noritsugu 和他的团队使用 ER阻尼器来改善控制性能的 PAM机械手与 PI控制器和脉冲codemodulated开关阀（noritsugu 等人。 ，1994） 。通过分离的阻尼器产生的阻尼转矩和阻尼区域高增益控制下的响应速度，结果表明电流变阻尼器用于实际可用的一种有效方法，人类友好的机械手使用的 PAM机械手。此外，位置控制是无响应速度下降的改进。然而，一定的局限性阻碍了技术，由于电流变液（ERF）要求很高的控制电压（kV） ，这是有问题的，并在特定的，潜在的危险，只工作在一个较窄的温度范围（和一个不适合的 PAM机械手） ，并表现出非线性特征。因为有很多不可接受的缺点电流，磁流变流体（MRF）一直被认为是表1中列出的优点是一个有吸引力的选择，和最近已被用于治疗人类友好的机械手（Thanh 和安，2006年） 。虽然这些系统在解决光滑的致动器的运动响应的步骤输入成功，假设两个轴 PAM机械手应用在未来治疗机械手，这是我们研究的最终目标，是要实现快速的响应，即使外部惯性负载变化剧烈和正弦响应无以不同的频率。因此，要实现良好的控制性能，一个 MRB装备的机械手关节。相平面使用 MRB切换控制方法提出了跟踪正弦波形的情况下，和算法的有效性将通过涉及一二轴 PAM机械手实验证明。实验结果表明，该机械手的稳定性可以大大改善高增益控制在不考虑频率的参考和外部条件的变化，并没有降低响应速度和两个轴 PAM机械手刚度低。2。实验装置2.1实验装置这两个轴气动人工肌肉机械手示意图如图1所示。的表1。流变流体相比。图1。两个轴气动人工肌肉机械手示意图图2。气动人工肌肉机械手的工作原理。图3。实验设备的照片。图4。建设工作。拮抗人工肌肉和外部负载转动，如图2所示的结果之间的压力差。关节角度，1 和2，与旋转编码器测量（Metronix，S488-3600zo）和反馈到计算机通过一个24位的数字计数器板（研华 PCL，833） 。外部惯性负载可以从20变化 KGFcm2 40 KGFcm2 ，200 % 的变化相对于最小惯性负载条件；参考输入不同频率的波形（正弦）被认为是。实验0.4范围MPa环境压力和控制软件下进行的是 C语言编码。图3显示的是实验装置的照片。对2.2个特点的 MRB的设计如图4所示。转子固定在轴上，可相对于壳体旋转。转子和壳体之间的间隙填充 MRF。的 MRB制动力矩可由在其线圈的电流控制。磁流变液的表观粘度在磁场中的应用几毫秒的时间变化，并在没有磁场的正常粘度的回报。下面的实验探讨 MRB的特点；测量数据是在图5和表3。MRB 与扭矩传感器和伺服电机连接系列。在实验中，转速从100变化转 1000 转和所施加的电流从0到1 的 。这些范围是因为系统的响应不达到1000 转和最大电流用于 MRB 1 。图5显示了阻尼力矩与输入电流的变化（a）和（b）转速的 MR制动。从图5，它是显然，对阻尼扭矩是独立的旋转速度和几乎正比于输入电流。因此，方程（1）的输入电流和阻尼转矩的结核病表3。对测量数据。W：转速rpmI：目前的应用J.这里，A 和 B是常数确定使用特点 MRB响应曲线。3。控制系统3.1位置控制系统这种 PAM机械手的控制，传统的 PID控制算法作为本研究的基本控制器。控制器的输出能在时间域如下表示：以 Laplace变换（2）产量所得的传递函数的 PID控制器：在采样序列 K可以表示为一个典型的实时执行如下：其中 u（k）和 E（k）是控制输入到设定点和节点的输出之间的控制阀和误差，分别。此外，使用 MRB是调和的阻尼和提高的 PAM机械手的控制性能的有效途径响应速度（因为它在加速或减速太高的地区的作品） 。在这里，s 是拉普拉斯变量，它是由机械产生的扭矩，TC 是恒转矩，KED确定扭矩角速度 比例增益，和 VC是由方程计算的源控制电压（1）产生TC。阻尼转矩的方向与旋转方向相反的手臂。因此，方程（6）低于表明，阻尼器产生的阻尼转矩结核病。所提出的相平面切换控制方法的结构如图6所示。3.2传统相平面切换控制方法图7显示了传统相平面切换控制方法。在区域中，手臂的方法所需的角度关节角度，一个 B，C D，如图 7（a） ，目前是不适用的，而在该地区（斜阴影区）B C，D E，目前应用于提高更快收敛到期望的角度的阻尼性能。虽然系统阶跃输入响应成功顺利，它的质量下降（与响应延长）由于正弦波形失控点参考输入（C，E 等） 。此外，假设2轴 PAM机械手利用在未来的治疗机械手（我们研究的最终目标） ，它要实现快速响应，即使外部惯性负载变化剧烈和正弦响应，一个是在发生的频率范围内的频率无关。3.3个命题的相平面开关控制算法的新概念阻尼转矩 T B，这是在公式1所示，提高了机械手的阻尼性能。由于阻尼的机械手的转动方向相反的转矩的作用，其加速性能退化。在区域中的臂的方法所需的角度关节角度，O A，B C，D E，F G，在图 8（a） ，目前是不适用由于高响应速度是必需的。在臂通过所需的角区域，即对角阴影区的 B，C D，E F，G 在图8 H（一） ，电流被施加到改善阻尼性能，从而使臂更快地收敛到期望的角度。要确定是否应施加磁场，相平面。图6。的相平面开关控制的新概念框图。图7。常规的相平面切换控制方法。图8（b）用。在相平面上的横轴线对应的关节角偏差 E R 所需角度和关节角度 之间，与垂直轴对应于时间的偏导数，e de DT= =。每个点的相平面上的一个 H对应于图8中同样的字母点（一） 。在这里，与目前应用的区域是由1 1 1 2 h控制（S） ，H（ S） ，的梯度图8。相平面切换控制方法的新概念。图8线（B） 。阻尼转矩的应用在区域控制为1 h和2 h。控制在 MRB应用地区的优势是需要在不降低响应速度。提出的控制器的有效性将实验研究。4。实验结果在这项研究中，一二轴 PAM机械手利用相平面开关控制器，新概念的控制器，和实验用正弦波作为参考输入在两个不同的频率进行（f = 0.3 Hz 和0.5 Hz） 。两个外部惯性载荷条件（载荷1 = 20 KGFcm2 ；负载2 = 40 KGF平方厘米）进行了测试（负载连接到臂2年底） 。此外，常规的 PID控制器，该控制器的比较。首先，进行了实验验证，在不同的输入参考频率所提出的控制器的有效性（节点1） 。图9显示的比较传统的 PID控制器，该控制器联合1实验结果的有效性和所提出的控制详细显示在图10相对于图9。常规 PID控制器和控制器之间的比较（1） 。F = 0.3Hz和 F = 0.5Hz。在实验中，所提出的控制器的初始值设置为6，P 190 10 K =，6我10 10 K =，6 D 150 10 K =，ED 0.015 k = 1，2 C 0.8，1，2，T = H =H =。通过试验和错误，得到了这些参数。这些实验结果表明，有一个大的跟踪误差和时间相对于参考输入的频率的增加延迟；当采用PID控制器响应下降频率为0.5Hz，而沉降时间减少，跟踪性能是保证使用所提出的控制器。阻尼力矩不适用于快速响应时，机械手开始移动，和阻尼转矩的 MRB应用到 PAM摩尼的旋转轴图10。所提出的控制器的实验结果（1）机械手减少超调振荡时，操纵器达到所需的角度。其次，实验研究了相对于不同的参考输入的频率控制性能（节点2） 。此外，外部的惯性负载（负载1 = 20 KGFcm2 ；负载2 = 40 KGF平方厘米）连接到臂的端图11。常规 PID控制器和控制器之间的比较（接头2，负载1） 。2，和控制参数的设置是1相同的接头。图11和图12显示的 PID控制器和所提出的比较对于测试的参考输入频率和外部的初始荷载条件控制器。这些数字表明，有一个大的误差和时间的延迟和更振荡发生相对于参考输入频率的增加，以及增加外部初始荷载。在实验中，PAM 的机械臂关节角同意与参考使用新的相平面开关控制器。建议的新的相平面开关控制算法的有效性也在图详细地显示。13和14。实验结果表明，一个良好的控制性能和较强的鲁棒性应力是图12。常规 PID控制器和控制器之间的比较（接头2，负载2） 。获得，不依赖于外部的初始负荷使用所提出的控制方法。这些实验结果表明，阻尼转矩施加和释放非常频繁地根据所需的角度的方法。结果表明，所提出的算法是在各种外部荷载作用下有效的和不依赖于参考输入频率。此外，据了解，PAM 的机械臂转角的顺利收敛到所需角度小的振荡。它的结论是，新提出的相平面开关控制算法有效地跟踪与高增益控制正弦波形控制，并具有良好的控制性能，快速响应，和不同的外部惯性载荷和参考输入频率下具有较强的鲁棒稳定性。5。结论在这项研究中，相平面开关控制用磁流变制动器的提出和应用一二轴气动新概念人工肌肉机械手的各种外部荷载作用下提高控制性能和独立的参考输入频率。实验结果表明，该控制算法在正弦轨迹跟踪控制的高效和高增益控制，控制性能好，响应速度快，强大的，对外部负载和输入参考频率变化的鲁棒稳定性。研究结果还表明，所提出的相平面运用 MRB切换控制是发展一个实际可用的最有效的方法之一，通过使用 PAM的人类友好的机械手机械手。确认这项工作是由蔚山大学的支持下，韩国。工具书类安，k 和清，T.华盛顿特区，2004， “使用智能切换控制方法的气动人工肌肉机械手的控制性能的改善， ”ksme，int，怨妇。 ，卷8，8号，1388页 1400。安，k和清，T.华盛顿，2005年， “非线性 PID控制改善 PAM的机械手的神经网络控制性能，在 ksme，int，怨妇。 ，卷19，1号，106页 115。安，k，清，T.华盛顿和韩国，Y，K，2005b， ”帕姆手采用磁流变制动器性能的改善， ”ksme，int，怨妇。 ，卷19，3号，777页 790。DOI，Y，1993， “恢复功能锻炼装置， “J SOC。博美。 ，卷17，2号，99页 105。富杰，M. G.，谷忠昭。，平野，英国，吉田和田，T，N，1994， “步行康复系统的老年， ”IEEE国际会议程序。 ， ， ，先进的机械手系统，卷3，页1655 1662。富杰，M. G.，谷忠昭。，平野，英国，吉田和田，T，N，1995， “步行康复系统的改进中，老年人， ”。IEEE机械手与自动化国际会议，卷3，页32 39。柳巷芳草，G. K.，Czerniecki，J.和纳福，B，1999， “麦基宾人工肌肉致动器的生物力学：智慧， ”过程。 ，IEEE / ASME int，会议，先进的智能机电一体化，221页 226。柳巷芳草，G. K.，Czerniecki，J.和纳福，B，2000， “人工肌腱修复下肢的生物力学性能， ”IEEE国际会议程序。 ， ， ，医学物理和生物医学工程，卷3，页1972 1975。柳巷芳草，G. K.，Czerniecki，J.和纳福，B，2003， “肌肉像气动执行器为膝下假肢， ”过程。内景，会议，新的驱动器，289页 292。柳巷芳草，G. K.，Czerniecki，J.M.和纳福，B，2002“人造肌肉：为biorobotic执行， “接受出版，int，怨妇。roboticsresearch，koeneman，E. J.，舒尔茨，R. S.，狼，S. L.，鲱鱼，D. E.和 koeneman，J.B.，2004， ”气动肌肉手疗装置” ，在 Proc。 ，IEEE / EMBS国际会议，2713，页2711 。noritsugu，T，迁政信，Y.和 ITO，K.，1994， “利用电流变液阻尼器改进的充气橡胶人工肌肉机械手的控制性能，在 Proc。 ，IEEE，int，会议，网络系统的人，卷4，页788 793。raparelli，T.，茹贝尔，P. B.杜兰特，F.，2001， “设计一个2自由度机械手的功能恢复治疗气动肌肉驱动的， “int，机械手在阿尔帕DRIA -多瑙河地区 raparelli，T.，这个车间，P. B.杜兰特，F.，2003， “发展中的一个由气动肌肉驱动机械手， ”过程。 ，拉德，机械手在阿尔帕DRIA -多瑙河地区 Thanh车间，T.华盛顿和韩国，k，2006， “提高2的控制性能的非线性 PID控制，轴气动人工肌肉机械手神经网络， “接受国际，期刊出版。 ，机电城，T.华盛顿和韩国，k，2006年， “智能相平面的磁流变制动气动人工肌肉机械手的控制开关， “国际，怨妇。 ，机电一体化，卷16，页85 95。茹贝尔，P. B.，杜兰特，F.和 raparelli，T.，1999， “拉奎拉大学的功能康复治疗对2自由度机械手的气动肌肉致动器的经验， ”研讨会上，生物力学，华沙，波兰。 外文翻译系 别 机电信息系 专 业 班 级 姓 名 学 号 导 师 机械科学与技术 21（2007）1018 1027两个轴气动人工肌肉机械手的一种新的相平面切换控制方法控制摘要康复机械手的使用已经由于功能康复治疗对肢体的需求成为一个日益重要的问题。一种新型的气动人工肌肉致动器（PAM）所提供的安全性和流动性援助以执行任务的人类达到日益普及，以及提供一个具有高强度和高功率/重量比，成本低，体积小，便于维修，清洁，随手可得，廉价的电力来源，等等已在使用在治疗机械手近几十年来考虑，特别是需要高水平的安全性。然而，仍存在一定的局限性，如空气可压缩性和阻尼的执行带来的压力动态响应延迟，导致振荡运动能力的缺乏。此外，为了帮助康复机械手更有效，应根据病人的身体状况调整阻抗参数。为了这个目的，机械手加入装有磁流变制动器（MRB） 。一种新的相平面使用 MRB切换控制方法提出了跟踪正弦波形。通过使用制作的两个轴 PAM机械手实验证实了该算法的有效性。实验证明，该机械手的稳定性可以不考虑对参考输入和外部负载条件下的频率的变化使用高增益控制大大改善，并在不降低响应速度，或降低 PAM的操纵器的刚度。关键词：气动人工肌肉；相平面开关控制；机械手；磁流变制动器1。景区简介需要由交通事故和脑卒中引起的骨折或关节疾病康复的人数，和运动功能的问题，由于年事已高，全世界数以千计数百数。机械手的康复中的应用具有极大的关注。功能恢复的治疗通常是进行了医学治疗师在人的基础，但自动设备已经投入到物理治疗程序重复过程相对简单，实用，如连续被动运动机，步行训练装置，和用于单轴扭矩机（DOI，1993街等；Al。 ，1994；傅等人，1995） 。本文论述了功能康复治疗，身体康复的一个重要方面。网格加密治疗机已创建（安清，2004；2005年；2005b） 。然而，多关节机械手要实现更逼真的运动模式，从而更有效的治疗是必要的。这种机械手必须有一个人类使用高安全的。PAM 机械手已被用来构建一个两自由度（DOF）治疗机械手。二自由度机械手功能恢复的治疗由气动肌肉驱动的开发是佐贝尔（Zobel 等人。 ，1999）和raparelli（raparelli 等人。 ，2001；2003）的柳巷芳草 biorobotic系统的人工肌肉致动器（柳巷芳草等人。 ，1999；2000；2002；2003）气动肌肉方面的koeneman（koeneman 治疗装置等人。 ，2004）与人友好的治疗机械手（Thanh 和安，2006年） 。然而，仍存在一定的局限性，如空气的可压缩性和阻尼的执行带来的压力动态响应延迟能力的缺乏，导致振荡运动。此外，实施更有效的康复，机械手必须根据病人的身体状况调整阻抗参数。为了这个目的，一个新的技术，电流变液阻尼器（ER 阻尼器） ，已被应用到 PAM机械手。noritsugu 和他的团队使用 ER阻尼器来改善控制性能的 PAM机械手与 PI控制器和脉冲codemodulated开关阀（noritsugu 等人。 ，1994） 。通过分离的阻尼器产生的阻尼转矩和阻尼区域高增益控制下的响应速度，结果表明电流变阻尼器用于实际可用的一种有效方法，人类友好的机械手使用的 PAM机械手。此外，位置控制是无响应速度下降的改进。然而，一定的局限性阻碍了技术，由于电流变液（ERF）要求很高的控制电压（kV） ，这是有问题的，并在特定的，潜在的危险，只工作在一个较窄的温度范围（和一个不适合的 PAM机械手） ，并表现出非线性特征。因为有很多不可接受的缺点电流，磁流变流体（MRF）一直被认为是表1中列出的优点是一个有吸引力的选择，和最近已被用于治疗人类友好的机械手（Thanh 和安，2006年） 。虽然这些系统在解决光滑的致动器的运动响应的步骤输入成功，假设两个轴 PAM机械手应用在未来治疗机械手，这是我们研究的最终目标，是要实现快速的响应，即使外部惯性负载变化剧烈和正弦响应无以不同的频率。因此，要实现良好的控制性能，一个 MRB装备的机械手关节。相平面使用 MRB切换控制方法提出了跟踪正弦波形的情况下，和算法的有效性将通过涉及一二轴 PAM机械手实验证明。实验结果表明，该机械手的稳定性可以大大改善高增益控制在不考虑频率的参考和外部条件的变化，并没有降低响应速度和两个轴 PAM机械手刚度低。2。实验装置2.1实验装置这两个轴气动人工肌肉机械手示意图如图1所示。的表1。流变流体相比。图1。两个轴气动人工肌肉机械手示意图图2。气动人工肌肉机械手的工作原理。图3。实验设备的照片。图4。建设工作。拮抗人工肌肉和外部负载转动，如图2所示的结果之间的压力差。关节角度，1 和2，与旋转编码器测量（Metronix，S488-3600zo）和反馈到计算机通过一个24位的数字计数器板（研华 PCL，833） 。外部惯性负载可以从20变化 KGFcm2 40 KGFcm2 ，200 % 的变化相对于最小惯性负载条件；参考输入不同频率的波形（正弦）被认为是。实验0.4范围MPa环境压力和控制软件下进行的是 C语言编码。图3显示的是实验装置的照片。对2.2个特点的 MRB的设计如图4所示。转子固定在轴上，可相对于壳体旋转。转子和壳体之间的间隙填充 MRF。的 MRB制动力矩可由在其线圈的电流控制。磁流变液的表观粘度在磁场中的应用几毫秒的时间变化，并在没有磁场的正常粘度的回报。下面的实验探讨 MRB的特点；测量数据是在图5和表3。MRB 与扭矩传感器和伺服电机连接系列。在实验中，转速从100变化转 1000 转和所施加的电流从0到1 的 。这些范围是因为系统的响应不达到1000 转和最大电流用于 MRB 1 。图5显示了阻尼力矩与输入电流的变化（a）和（b）转速的 MR制动。从图5，它是显然，对阻尼扭矩是独立的旋转速度和几乎正比于输入电流。因此，方程（1）的输入电流和阻尼转矩的结核病表3。对测量数据。W：转速rpmI：目前的应用J.这里，A 和 B是常数确定使用特点 MRB响应曲线。3。控制系统3.1位置控制系统这种 PAM机械手的控制，传统的 PID控制算法作为本研究的基本控制器。控制器的输出能在时间域如下表示：以 Laplace变换（2）产量所得的传递函数的 PID控制器：在采样序列 K可以表示为一个典型的实时执行如下：其中 u（k）和 E（k）是控制输入到设定点和节点的输出之间的控制阀和误差，分别。此外，使用 MRB是调和的阻尼和提高的 PAM机械手的控制性能的有效途径响应速度（因为它在加速或减速太高的地区的作品） 。在这里，s 是拉普拉斯变量，它是由机械产生的扭矩，TC 是恒转矩，KED确定扭矩角速度 比例增益，和 VC是由方程计算的源控制电压（1）产生TC。阻尼转矩的方向与旋转方向相反的手臂。因此，方程（6）低于表明，阻尼器产生的阻尼转矩结核病。所提出的相平面切换控制方法的结构如图6所示。3.2传统相平面切换控制方法图7显示了传统相平面切换控制方法。在区域中，手臂的方法所需的角度关节角度，一个 B，C D，如图 7（a） ，目前是不适用的，而在该地区（斜阴影区）B C，D E，目前应用于提高更快收敛到期望的角度的阻尼性能。虽然系统阶跃输入响应成功顺利，它的质量下降（与响应延长）由于正弦波形失控点参考输入（C，E 等） 。此外，假设2轴 PAM机械手利用在未来的治疗机械手（我们研究的最终目标） ，它要实现快速响应，即使外部惯性负载变化剧烈和正弦响应，一个是在发生的频率范围内的频率无关。3.3个命题的相平面开关控制算法的新概念阻尼转矩 T B，这是在公式1所示，提高了机械手的阻尼性能。由于阻尼的机械手的转动方向相反的转矩的作用，其加速性能退化。在区域中的臂的方法所需的角度关节角度，O A，B C，D E，F G，在图 8（a） ，目前是不适用由于高响应速度是必需的。在臂通过所需的角区域，即对角阴影区的 B，C D，E F，G 在图8 H（一） ，电流被施加到改善阻尼性能，从而使臂更快地收敛到期望的角度。要确定是否应施加磁场，相平面。图6。的相平面开关控制的新概念框图。图7。常规的相平面切换控制方法。图8（b）用。在相平面上的横轴线对应的关节角偏差 E R 所需角度和关节角度 之间，与垂直轴对应于时间的偏导数，e de DT= =。每个点的相平面上的一个 H对应于图8中同样的字母点（一） 。在这里，与目前应用的区域是由1 1 1 2 h控制（S） ，H（ S） ，的梯度图8。相平面切换控制方法的新概念。图8线（B） 。阻尼转矩的应用在区域控制为1 h和2 h。控制在 MRB应用地区的优势是需要在不降低响应速度。提出的控制器的有效性将实验研究。4。实验结果在这项研究中，一二轴 PAM机械手利用相平面开关控制器，新概念的控制器，和实验用正弦波作为参考输入在两个不同的频率进行（f = 0.3 Hz 和0.5 Hz） 。两个外部惯性载荷条件（载荷1 = 20 KGFcm2 ；负载2 = 40 KGF平方厘米）进行了测试（负载连接到臂2年底） 。此外，常规的 PID控制器，该控制器的比较。首先，进行了实验验证，在不同的输入参考频率所提出的控制器的有效性（节点1） 。图9显示的比较传统的 PID控制器，该控制器联合1实验结果的有效性和所提出的控制详细显示在图10相对于图9。常规 PID控制器和控制器之间的比较（1） 。F = 0.3Hz和 F = 0.5Hz。在实验中，所提出的控制器的初始值设置为6，P 190 10 K =，6我10 10 K =，6 D 150 10 K =，ED 0.015 k = 1，2 C 0.8，1，2，T = H =H =。通过试验和错误，得到了这些参数。这些实验结果表明，有一个大的跟踪误差和时间相对于参考输入的频率的增加延迟；当采用PID控制器响应下降频率为0.5Hz，而沉降时间减少，跟踪性能是保证使用所提出的控制器。阻尼力矩不适用于快速响应时，机械手开始移动，和阻尼转矩的 MRB应用到 PAM摩尼的旋转轴图10。所提出的控制器的实验结果（1）机械手减少超调振荡时，操纵器达到所需的角度。其次，实验研究了相对于不同的参考输入的频率控制性能（节点2） 。此外，外部的惯性负载（负载1 = 20 KGFcm2 ；负载2 = 40 KGF平方厘米）连接到臂的端图11。常规 PID控制器和控制器之间的比较（接头2，负载1） 。2，和控制参数的设置是1相同的接头。图11和图12显示的 PID控制器和所提出的比较对于测试的参考输入频率和外部的初始荷载条件控制器。这些数字表明，有一个大的误差和时间的延迟和更振荡发生相对于参考输入频率的增加，以及增加外部初始荷载。在实验中，PAM 的机械臂关节角同意与参考使用新的相平面开关控制器。建议的新的相平面开关控制算法的有效性也在图详细地显示。13和14。实验结果表明，一个良好的控制性能和较强的鲁棒性应力是图12。常规 PID控制器和控制器之间的比较（接头2，负载2） 。获得，不依赖于外部的初始负荷使用所提出的控制方法。这些实验结果表明，阻尼转矩施加和释放非常频繁地根据所需的角度的方法。结果表明，所提出的算法是在各种外部荷载作用下有效的和不依赖于参考输入频率。此外，据了解，PAM 的机械臂转角的顺利收敛到所需角度小的振荡。它的结论是，新提出的相平面开关控制算法有效地跟踪与高增益控制正弦波形控制，并具有良好的控制性能，快速响应，和不同的外部惯性载荷和参考输入频率下具有较强的鲁棒稳定性。5。结论在这项研究中，相平面开关控制用磁流变制动器的提出和应用一二轴气动新概念人工肌肉机械手的各种外部荷载作用下提高控制性能和独立的参考输入频率。实验结果表明，该控制算法在正弦轨迹跟踪控制的高效和高增益控制，控制性能好，响应速度快，强大的，对外部负载和输入参考频率变化的鲁棒稳定性。研究结果还表明，所提出的相平面运用 MRB切换控制是发展一个实际可用的最有效的方法之一，通过使用 PAM的人类友好的机械手机械手。确认这项工作是由蔚山大学的支持下，韩国。工具书类安，k 和清，T.华盛顿特区，2004， “使用智能切换控制方法的气动人工肌肉机械手的控制性能的改善， ”ksme，int，怨妇。 ，卷8，8号，1388页 1400。安，k和清，T.华盛顿，2005年， “非线性 PID控制改善 PAM的机械手的神经网络控制性能，在 ksme，int，怨妇。 ，卷19，1号，106页 115。安，k，清，T.华盛顿和韩国，Y，K，2005b， ”帕姆手采用磁流变制动器性能的改善， ”ksme，int，怨妇。 ，卷19，3号，777页 790。DOI，Y，1993， “恢复功能锻炼装置， “J SOC。博美。 ，卷17，2号，99页 105。富杰，M. 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B.，杜兰特，F.和 raparelli，T.，1999， “拉奎拉大学的功能康复治疗对2自由度机械手的气动肌肉致动器的经验， ”研讨会上，生物力学，华沙，波兰。哈 尔 滨 工 程 大 学 2014届 学 士 学 位 论 文 立 题 论 证 书院（系） 机电工程学院 题目对应专业 机械设计制造及其自动化 题目申报人 隋立明 职 称 讲师 申报时间 2013 年 12 月题目名称 图书馆辅助机器人的设计题目来源（划号，不可多选）在研科研项目 生产实践 自拟题目 理工类理论研究类（ ） 工程设计类（ ） 软件开发类（ ） 科学实验类（ ） 综合类（ ） （划号，不可多选）题目类型文管类 理论型（） 应用型（） 文献综述型（） （划号，不可多选）课题简述在大型图书馆中，图书的上架是一个重要而繁重的工作。为减轻工作人员的劳动、提高效率及缩短图书的上架时间，为此本课题提出设计一个图书馆辅助机器人。本课题所要求设计的辅助机器人，主要用于完成图书的上架工作。因此要求机器人具有行走、自动识别图书类别、并将图书放置于准确位置等功能。同时机器人应具有灵活、安全性好等特点。课题研究内容包括机器人整体结构设计和机电系统的方案设计。通过该课题的工作，使学生在机械结构设计、机电一体化系统分析与集成等方面得到训练。本课题预期目标本课题需要完成工作如下1、对图书馆机器人的国际和国内研究现状进行综述；2、设计机器人的主要执行机构并进行运动学分析；3、机器人整体结构设计和主要零件的设计；3、机器人相关元件的选型与系统集成方案设计。重点是机械结构，系统集成方案设计部用怎么做机械结构大体的结构得照着我设计的来 PPT驱动元件是都是电机，电动缸，别选液压的，主要是电机驱动成果形式如下1、机器人装配图和零件图（3 张 0 号图，至少 1 张手绘图）；2、主要元件的选型及机电系统原理方案；3、设计说明书（论文）2 万字。技术要求上机 40 机时 图纸 3 张电路板 0 块 阅读文献 15 篇 读书笔记 0.5 万字主要参考资料1. 蔡自兴. 机器人学基础.机械工业出版社,20092. Mingfang Du , Jianjun Fang ; Lipeng Wang . A parameter self-tuning fuzzy-PID control system for pneumatic manipulator of library robot. International Conference on Electronics, Communications and Control (ICECC), 2011: 4111- 41153. Bdiwi, M., Suchy, J. Library automation using different structures of vision-force robot control and automatic decision system IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS),2012: 1677- 1682 4.崔建伟，宋爱国，庄皓兰等. 机器人技术在图书馆自动化系统中的应用研究. 机器人技术与应用，2009,11:33-355. R西格沃特等. 自主移动机器人导论. 西安交通大学出版社,2013基层学术组织负责人审核意见：基层学术组织负责人签字： 年 月 日(院)系学士学位论文工作领导小组审核意见：(院)系学士学位论文工作领导小组组长签字： （院）系盖章年 月 日做该课题学生姓名 班 级 学 号注：1、指 导 教 师 对 应 每 个 学士学位论文题目应填写该表一份，题目申报人可为指导教师组。2、题目来源和题目类型要求单选，若该题目属于两种类型，则只能选择一种最主要的类型打。3、此表一 式 一 份 ， 由 院 （ 系 ） 留 存 。宁XX 大学毕 业 设 计 (论 文 )图书馆辅助机器人的设计所 在 学 院专 业班 级姓 名学 号指 导 老 师年 月 日I摘 要机器人是在在机械化、自动化生产过程中发展的一种新型装置,使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置。机器人能代替人类、重复枯燥完成危险工作，提高劳动生产力,减轻人劳动强度。该装置涵盖了位置控制技术可编程控制技术 、 检测技术等 。 本课题拟开发的物料电动机器人可在空间抓放物体，动作灵活多样 ， 根据工件的变化及运动流程的要求随时更改相关参数,可代替人工在高温危险区进行作业， 。本课题所要求设计的辅助机器人，主要用于完成图书的上架工作。因此要求机器人具有行走、自动识别图书类别、并将图书放置于准确位置等功能。同时机器人应具有灵活、安全性好等特点。课题研究内容包括机器人整体结构设计和机电系统的方案设计。关键词：机器人, 电动机器人， 图书馆辅助，提升IIAbstractThe robot is a new device developed in the mechanization, automation of the production process, which has a function of grabbing and moving the workpiece automation device use. The robot can repeat the dangerous work instead of humans, boring, improve labor productivity, reduce labor intensity. The device covers the position control technology of programmable control technology, detection technology. Material electric robot this subject to the grasping be up in space objects, flexible, any changes to the relevant parameters according to the work piece change and the movement flow requirements, can replace manual operation in high risk areas,.Assist robot to the requirements of the design, mainly used to complete the book shelves work. Therefore requires the robot walking, with automatic identification book category, and the books placed on the accurate location of function. At the same time, the robot should have characteristics of flexibility, safety etc The research includes design of the overall structure design of the robot and electromechanical system.Key Words: robot, electric robot, library, improveIII目 录摘 要 IIAbstract.III目 录 IV第 1 章 绪论.11.1 课题背景及目的 .11.2 本课题研究的目的和意义 21.3 工业机器人概念 21.4 国内机器人的研究 2第 2 章 图书馆辅助机器人的设计要求与方案.42.1 图书馆辅助机器人的设计要求 .42.2 基本设计思路 42.2.1 系统分析 .42.2.2 总体设计框图 .42.2.3 电动机器人的基本参数 .52.3 电动机器人结构设计 52.4 机器人材料的选择 52.5 机械臂的运动方式 .62.6 电动机器人驱动方式的选择 62.7 动作要求分析 72.8 电动机器人结构及驱动系统选型 7第 3 章 图书馆辅助机器人机械部分的设计计算.93.1 手爪夹持器结构设计与校核 93.1.1 手爪夹持器种类 93.1.2 夹持器设计计算 103.2 升降方向的电动缸设计 .113.2.1 滚珠丝杠的精度 113.2.2 滚珠丝杠参数的计算 .11IV3.3 伺服电机的选择 .153.3.1 最大负载转矩的计算 153.3.2 负载惯量的计算 163.3.3 空载加速转矩计算 173.4 水平方向电动缸的设计 183.4.1 导程确定 183.4.2 确定丝杆的等效转速 183.4.3 确定丝杆的等效负载 183.4.4 确定丝杆所受的最大动载荷 193.4.5 精度的选择 203.4.6 选择滚珠丝杆型号 203.5 校核 .213.5.1 临界压缩负荷验证 .213.5.2 临界转速验证 223.5.3 丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率 223.6 电机的选择 .233.6.1 电机轴的转动惯量 233.6.2 电机扭矩计算 24第 4 章 竖直方向电动缸.274.1 滚珠丝杠计算、选择 274.2 步进电机惯性负载的计算 304.3 底座回转机构设计计算 .324.4 机身结构的设计校核 .324.4.1 选择伺服电机的具体型号和参数 324.4.2 标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算 344.4.3 本机构中齿轮传动设计与校核 344.5 轴的设计计算 .394.5.1 轴的设计概述 394.5.2 轴的强度校核 42V总结.46参考文献.47致 谢.48VIVIIVIIIIX第 1 章 绪论1.1 课题背景及目的由于现代科学技术的发展，在工业生产和日常生活中，电动机器人技术得到了广泛的应用。智能型电动机器人的研究是近年来科学家同意致力的方向。式电动机器人的人体模型，它可以模拟各种人类行为和人类的外部特征。未来的电动机器人的管家将不是梦想。根据不同的电动机器人的结构，电动机器人可以分为各种各样的。轮式移动机器人，履带式电动机器人，机器人，行走电动机器人等。值得一提的是，行走电动机器人，他是近年来的一个重要研究成果。移动它最喜欢的动物甚至人类交谈。这是一个非常复杂的自动化程度很高的运动。与传统的轮式和履带式电动机器人相比，对环境的适应性。在工作空间很小，在崎岖的道路上，楼梯等。不久的将来，这项技术将被广泛使用。在研究中，电动机械的生产，对电动机器人设计的计算机模拟中的应用是一个非常重要的过程。包括零件建模，装配电动机器人的仿真，与运动仿真。通过仿真，设计师可以观察各机构的运动非常直观，知道没有干扰；可以了解各部件的受力，不同的模拟数据。该方法大大降低了开发时间和成本。在学校的毕业设计是机械设计制造及其自动化专业学习的最后一个环节，学习在大学四年的继续深化和检验，具有实践性和综合性，是不是一个单一的其他替代方案，通过毕业设计可以提高综合能力的培养，是要去上班，提高实际工作能力起着非常重要的作用。为了实现以下目标：（1）的基本理论，基本知识和基本技能的综合运用，提高分析和解决实际问题的能力。（2）接受全面的培训工程师必须，提高实际工作能力。为调查研究，文献和数据收集和分析能力；设计和开发测试计划能力；设计，计算和绘图能力的提高；总结和撰写论文的能力。（3）的综合素质和实践能力的测试。X1.2 本课题研究的目的和意义（1）通过对图书馆辅助机器人的设计使我们得到对所学相关课程的综合训练；（2）在大型图书馆中，图书的上架是一个重要而繁重的工作。为减轻工作人员的劳动、提高效率及缩短图书的上架时间，为此本课题提出设计一个图书馆辅助机器人。（3）本设计的主要任务是把主要用于完成图书的上架工作。因此要求机器人具有行走、自动识别图书类别、并将图书放置于准确位置等功能。同时机器人应具有灵活、安全性好等特点。传统夹紧机构对加工时的干涉太大，对生产量影响较大，设计一款新的夹紧机构，使得加工时间缩短，加工精度得到保证，生产量得到提高。1.3 工业机器人概念目前，工业机器人的概念，世界是不统一，分类是不一样的。国际标准化联合国最近采用了美国机器人协会定义了工业机器人的组织：工业机器人是一种可编程的多功能操作装置，可以改变行动计划，完成各种工作，主要用于材料处理，工件传送。电动机器人（机器人）是一台自动执行工作。它是一个产品的控制理论，先进的集成机械电子，计算机，材料和仿生。在工业，医学，农业，建筑业甚至军事等领域中均有重要的应用。电动机器人是一种有代表性的，机械的和电子控制系统，自动化程度高的生产工具，在近 50 年的发展。在制造业中，电动工业机器人技术已经得到了广泛的应用。这是一个高的自动化程度，改善劳动条件，保证产品质量和提高工作效率，发挥了非常重要的作用。可以说，他是现代工业的技术革命。执行系统一般包括手，腕，臂，底座，一个主要的运动系统。主要由电动机器人执行系统，驱动系统和控制系统三部分。手抓和松开工件或工具的部分，由手指（或吸收） ，驱动元件和驱动元件。1.4 国内机器人的研究工业电动机器人的应用在日本有着悠久的历史。在七十年代当工业电动操纵器，然后经过十年的发展，已在工业电动机器人八十年代流行。他们的年工业产值迅速增XI加。1980 达到一千亿日元，1990 至六千亿日元。在 2004 达到了一兆和八千五百亿日元。这表明工业电动机器人在提高生产效率的重要性。在国际上，各个国家都实现了工业电动机器人的重要性。因此，工业电动机器人订单锐减。相比于 2003 2002 百分之十的增长的订单。然后工业电动机器人的需求量仍在上升。从 2001 到 2006，超过 90000 的全球经济增长中的订单。7%的平均年增长率。国际工业电动机器人的发展方向：电动机器人涉及多学科、多领域的知识。包括：计算机，电子，控制，人工智能，传感器，通信和网络，控制，机械等。电动机器人的发展离不开主题。正是由于各学科整合的相互作用，创建一个自动化程度高，其。随着科学技术的进步，在电动机器人的应用范围越来越广泛；技术越来越高，功能更强大。它是电动机器人的研究向小型化发展。电动机器人将更多地进入人们的日常生活。总的发展趋势是模块化，标准化，智能化。广泛应用于工业电动机器人，以提高质量和生产力，产品安全人员安全，改善劳动环境，减轻劳动强度，提高生产效率，节约原材料的消耗，降低了生产成本，具有非常重要的作用。广泛应用于工业电动机器人的以人为本的原则，它的出现使人们的生活更方便、美好。电动机器人工业是一个大型高新技术工业计算机，后车。现代军事工业，电动机械发展的市场前景是非常好的。从第二十世纪起，电动机械行业的稳步增长。在第二十世纪九十年代，电动机械产品的开发和快速增长，年均增长率超过百分之十。在 2004 到百分之二十的记录。亚洲电动机器人的更多需求，年增长率高达百分之四十三。经过 40 年的发展，应用工业电动机器人的许多领域。生产中使用最广泛的电动机器人。如制造焊接，热处理，表面涂层，加工，装配，测试和仓库，毛（冲压，压铸，锻坯等）等操作，代替人工操作的电动机器人，极大地提高了生产效率。12第 2 章 图书馆辅助机器人的设计要求与方案2.1 图书馆辅助机器人的设计要求在大型图书馆中，图书的上架是一个重要而繁重的工作。为减轻工作人员的劳动、提高效率及缩短图书的上架时间，为此本课题提出设计一个图书馆辅助机器人。本课题所要求设计的辅助机器人，主要用于完成图书的上架工作。因此要求机器人具有行走、自动识别图书类别、并将图书放置于准确位置等功能。同时机器人应具有灵活、安全性好等特点。课题研究内容包括机器人整体结构设计和机电系统的方案设计。2.2 基本设计思路2.2.1 系统分析该机器人是实现生产过程自动化，提高劳动生产率的有力工具。为了在生产过程实现自动化，机械化，自动化的综合技术经济分析的需要，从而判断是否适当的机器人。以完成机器人的设计，一般都要先做以下工作：（1）根据使用场合的机器人的，明确的目标和任务。（2）机器人的工作环境分析。（3）对系统要求的分析，确定了机器人和方案的基本功能，如自由度的数目，机器人的运动速度，定位准确，抓住重。此外，根据抓斗电动质量，形状，尺寸和批量生产，以确定的形式和机器人的位置和握力的大小。在这方面，我分析如下：（1）为手材料机械设计问题，机器人是图书的上架机器人。虽然机器人的使用场合，也非常广泛，涉及到材料的状态，环境因素的作业线，比我的知识和能力 （2）由于机器人我选择的是材料的电动机器人，小对象处理非生产线。因此，系统的工作环境下，机械厂，准确度高，故障率低，速度。2.2.2 总体设计框图人机交互系统( 系统软件 、 编程语言系统 )控制器及控制算法控制系统驱动系统 ( 各驱动器 )机械系统 ( 机身 、 臂部 、手腕 、 手爪 )作业对象内部传感器信息反馈工作对象及环境信息反馈感知系统13图 2 总体设计框图如图 2 为总设计框图，说明如下：(1) 控制系统：任务是根据机器人的作业指令程序和传感器反馈回来的信号，控制机器人的执行机构，使其完成规定的运动和功能。主要设计目标为 CPU 的选择，CPU 程序的编写调试等。(2) 驱动系统：驱动系统工作的驱动装置。(3) 机械系统：包括机身、机械臂、手腕、手爪。需要确定其自由度、坐标形式，并计算得出具体结构。(4) 感知系统：即传感器的选择及具体作用。2.2.3 电动机器人的基本参数1. 机器人的最大电动物料的重量是它的主参数。2. 运动速度直接影响机器人的动作快慢和机器人动作的稳定性，所以运动速度也是是物料电动机器人的一个主要的基本参数。设计速度过低的话，会无法满足机器人的动作功能，限制机器人的使用范围。设计的速度过高又会加重机器人的负载并影响机器人动作的平稳性。3. 伸缩行程和工作半径是决定机器人工作范围及整机尺寸的关键，也是机器人设计的基本参数。3.定位精度也是机器人的主要基本参数之一。机器人精度太低，就完成不了功能，精度太高又意味着成本的增加。综合考虑，该物料电动机器人的定位精度设定定位精度0.3mm。物料电动机器人的各个部分的基本参数可以由上面已经知道的物料电动机器人各关节的行程和时间分配来决定。2.3 电动机器人结构设计根据所设计的机器人的运动方式：机械臂的转动，机械臂的升降。根据上文所说的，机器人按照坐标的分类情况，选择圆柱坐标式机器人更为妥当。2.4 机器人材料的选择机器人的材料应根据手臂的工作条件，满足机器人的设计和制造要求。从设计思想，机械臂完成各种运动。因此，对材料的要求是为移动部件，它应该是轻质材料。另一方面，手臂振动经常的运动过程中，这将大大减少它的运动精度。所以在材料的选择上，综合考虑的质量，刚度，阻尼的需要，从而有效地提高了机械臂的动力学性能。此外，机器人选材料和不同材料的一般结构。机器人是一种伺服机构，受控制，必须考虑其可控性。在臂的材料选择，可控性和可加工性的材料，结构，质量性能的考虑。总之，选择一个机械臂的材料，应考虑强度，刚度，重量轻，弹性，耐冲击，外14观和价格等因素。这里有几个机器人使用的材料：（L）的高强度钢，碳素结构钢和合金结构钢：这类材料的强度，特别是合金结构钢的强度增加了 4 5 倍，弹性模量，抗变形能力，是最广泛使用的材料；（2）铝，铝合金等轻合金材料的共同特点是重量轻，弹性模量 E 的小，但材料的密度小，与 EP 比值还与钢相比；（3）陶瓷：陶瓷材料具有良好的质量，但易碎，但处理不好，接头需要特殊的设计与金属零件。然而，日本已开发 ARM 陶瓷机器人用于高速机器人的样品；从机器人设计的角度来看，不需要负载能力在材料的选择，也不需要高弹性模量和抗变形能力，除了要考虑到材料成本，加工和其他因素。在各种因素的措施，结合铝合金的初步选择的工作条件，如机械臂组件。2.5 机械臂的运动方式机器人的运动形式有五种常见的 SCARA 型，直角坐标式极坐标型，联合型和圆柱坐标。根据运动形式的选择主要运动参数为基础的结构设计。一种运动形式以满足不同生产工艺的需要，可以采用不同的结构。选择表格的具体位置，必须根据操作要求，工作地点，和电动工作中心线方向的变化，比较和选择。这种机器人的定位 2 个肩关节和肘关节的 1，2 或 3 手腕方向。其中，绕垂直轴肩，另一个肩斜度。肩关节的两个正交轴。平行于第二轴肩关节，考虑到机器人的工作特点，这就要求动作灵活，具有较大的工作空间，结构紧凑，占用空间小，关节式机器人的选择。如图所示。这种配置，动作灵活，工作空间大，干涉仪的最小空间机械臂操作，结构紧凑，占地面积小，关节相对运动部位易密封与防尘。但这种机器人运动学逆解比较复杂，难以确定的端元；态度不够直观，并在控制，计算量比较大。图 3 常见的运动方式2.6 电动机器人驱动方式的选择机器人使用的驱动方式主要有电动驱动，电动驱动和电机驱动的四种基本形式。但是，与电动传动相比，低功耗，能源，电动传动结构相对简单的速度不易控制，精度不高。油马达驱动能量是简单，速度和位置精度高，使用方便，低噪音，高速变化的机15制，高效，灵活的控制。电动驱动的特点是功率大，结构简单，省去了减速装置，响应速度快，精度高。但需要有电动源，但也容易漏气。首先，我会选择驱动电机，但考虑到纯机械结构的机器人的运动并不能达到理想的传播效果。如果你使用电动或电动传动机械臂的旋转，必须与回转电动或旋转电动缸，结构比较复杂，不利于设计。改进后的方案，将驱动方式分为两个部分。其机械臂伸缩，升降机器人抓抓，采用电动驱动方式。2.7 动作要求分析动作一：送图书动作二：预夹紧动作三：手臂上升动作四：手臂旋转动作五：小臂伸长动作六：手腕旋转预夹紧手臂上升手臂旋转手臂伸长手臂转回 手腕旋转图 2.2 电动机器人动作简易图2.8 电动机器人结构及驱动系统选型本课题所设计的电动机器人为通用型的电动机器人，其中坐标系为圆柱坐标系结构。驱动系统选用电动缸驱动和电动驱动，电动驱动用于机座的旋转和手臂的上下移动，电动驱动用于手臂的伸缩和电动机器人的夹取和翻转 3。1617第 3 章 图书馆辅助机器人机械部分的设计计算3.1 手爪夹持器结构设计与校核3.1.1 手爪夹持器种类1.连杆杠杆式手爪这种手爪在活塞的推力下，连杆和杠杆使手爪产生夹紧（放松）运动，由于杠杆的力放大作用，这种手爪有可能产生较大的夹紧力。2.楔块杠杆式手爪利用楔块与杠杆来实现手爪的松、开，来实现抓取工件。3.齿轮齿条式手爪这种手爪通过活塞推动齿条，齿条带动齿轮旋转，产生手爪的夹紧与松开动作。4.滑槽式手爪 当活塞向前运动时，滑槽通过销子推动手爪合并，产生夹紧动作和夹紧力，当活塞向后运动时，手爪松开。这种手爪开合行程较大，适应抓取大小不同的物体。5.平行杠杆式手爪不 需要导轨就可以保证手爪的两手指保持平行运动采用平行四边形机构，因此，比带有导轨的平行移动手爪的摩擦力要小很多结合具体的工作情况，采用连杆杠杆式手爪。驱动活塞 往复移动，通过活塞杆端部齿条，中间齿条及扇形齿条 使手指张开或闭合。手指的最小开度由加工 工件的直径来调定。a有适当的夹紧力手部在工作时，应具有适当的夹紧力，以保证夹持稳定可靠，变形小，且不损坏工件的已加工表面。对于刚性很差的工件夹紧力大小应该设计得可以调节，对于笨重的工件应考虑采用自锁安全装置。b有足够的开闭范围工作时，一个手指开闭位置以最大变化量称为开闭范围。夹持类手部的手指都有18张开和闭合装置。可用开闭角和手指夹紧端长度表示。于回转型手部手指开闭范围，手指开闭范围的要求与许多因素有关c力求结构简单，重量轻，体积小作时运动状态多变，其结构，重量和体积直接影响整个气压机械手的结构，抓重，定位精度，运动速度等性能。手部处于腕部的最前端，工因此，在设计手部时，必须力求结构简单，重量轻，体积小。d手指应有一定的强度和刚度因此送料，采用最常用的外卡式两指钳爪3.1.2 夹持器设计计算手爪要能抓起工件必须满足： （3-6）GkN321式中， -为所需夹持力；N-安全系数，通常取 1.22；1k-为动载系数，主要考虑惯性力的影响可按 估算， 为机械手在2 gak12搬运工件过程的加速度 ， ， 为重力加速度；2/sm2/8.9sag-方位系数，查表选取 ；3k 13k-假设被抓持工件的重量 20 ； G带入数据，计算得： ；N240理论驱动力的计算： （3-7）1Rbp式中， -为柱塞缸所需理论驱动力；p-为夹紧力至回转支点的垂直距离；b-为扇形齿轮分度圆半径；R-为手指夹紧力；N-齿轮传动机构的效率，此处选为 0.92；19其他同上。带入数据，计算得 NP370计算驱动力计算公式为： （3-8 ）Fkc41式中， -为计算驱动力；cF-安全系数，此处选 1.2；1k-工作条件系数，此处选 1.1；43.2 升降方向的电动缸设计3.2.1 滚珠丝杠的精度查阅滚珠丝杠的样本选择丝杠精度为 5 级精度等级，初步设计现设丝杠在有效行程 500 mm 时，行程偏差允许达到 30m。3.2.2 滚珠丝杠参数的计算（1）最大工作载荷的计算丝杠的最大载荷为工作时的最大进给力加摩擦力，最小载荷即为摩擦力。设此 Z向的最大进给力 =5000N，移动部件的重量约为 500，摩擦系数为 0.04，故丝杠Ff的最小载荷（即摩擦力）（N） (3.3)1968.504.minfg丝杠最大载荷是：50001965196（N） (3.4)Fax平均载荷是：= = 3529（N） (3.5)minax231319652（2）当量动载荷的计算 滚珠丝杠副类型的选择主要是根据导程和动载荷两个参数,其选择的原则为:滚珠20丝杠的静载荷 Coa 不能大于额定静载荷 Coam,即 CoaCoam;滚珠丝杠的动载荷 Ca不能大于额定动载荷 Cam,即 CaCam。驱动电机最高转速 2000 r/min丝杠最高转速为 2000r/min，工作台最小进给速度为 0.5m/min，故丝杠的最低转速为 0.1r/min，可取为 0，则平均转速 n=1000r/min。丝杠使用寿命 T=15000h，故丝杠的工作寿命= =675（ r） (3.6)106nTL1065106当量动载荷值： (3.7)KaLpFmC3式中： 载荷性质系数，无冲击取 1-1.2，一般情况取 1.2-1.5，有较大冲击振Kp动时取 1.5-2.5；精度影响系数，对 1、2、3 级精度的滚珠丝杠取 =1.0，对 4、5 级a Ka精度的丝杠取 =0.9。Ka根据要求去 =1.5， =0.9，代入数据得p51.59（KN） (3.8)9.0367512Cm根据计算所得最大动载荷和初选的丝杠导程，查滚珠丝杠样本，选择 FF6310-5 型内循环浮动返回器双螺母对旋预紧滚珠丝杠副，其公称直径为 63mm，导程为10mm，循环滚珠为 5 圈2 列，精度等级取 5 级，额定动载荷为 55600N，大于最大计算动载荷 =51590N，符合设计要求。Cm表 3.1 滚珠丝杠螺母副的几何参数名 称 符 号 计算公式和结果公称直径（mm）0d63螺距(mm) P 10接触角 6.30钢球直径(mm) wd7.14421螺纹滚道法面半径(mm)R715.352.0dW偏心距(mm) e0.009螺纹升角(mm) =Pharctg6.0丝杠外径(mm) 1d62.5丝杠底径(mm) 257.3螺杆接触直径(mm)z55.87螺母螺纹外径(mm)D412.7020Red螺母内径(mm)（内循环）162.64（3）传动效率的计算将公称直径 =63mm，导程 =10mm，代入 =arctan ，的丝杠螺旋升d0PdP0角 = 。将摩擦角 ，代入 = ，得传动效率 =93.7%。6.01tan（4）刚度的验算本传动系统的丝杠采用一端轴向固定，一端浮动的结构形式。固定端采用一对面对面角接触球轴承和一个角接触球轴承，另一端也采用角接触球轴承，这种安装适应于较高精度、中等载荷的丝杠。滚珠丝杠螺母的刚度的验算可以用接触量来校核。a、滚珠丝杠滚道间的接触变 1根据公式 Z= ，求得单圈滚珠数 Z=22，改型号丝杠为双螺母，滚珠的圈数dw0列数为 52，代入公式 圈数列数，得滚珠总数量 =220。丝杠预紧时，ZZ取轴向预紧力 =1732（N） 。查相关公式得滚珠丝杠与螺纹滚道间接触变3maxFy形(3.9)301.ZFydwPa式中 = 51590N。代入数据得；PaCm22= = 0.013(mm)301.ZFydwPa 3320174.5190.0因为丝杠有预紧力，且为轴向负载 ，所以实际变形量可以减少一半，取=0.0065mm。1b、丝杠在工作载荷 作用下的抗压变形Fmax2丝杠采用的是两端都为角接触球轴承，轴承的中心距 a=1100mm，钢的弹性模量E= ,由表 2.1 中可知，滚珠直径 =7.144mm，丝杠底径 =43.3mm，105.2PaMdwd2则丝杠的截面积： =1540.6( )42Sm2根据公式 代入数据得：EFeq2=0.018(mm)6.1540.29C、总的变形 总= =0.0065+0.018=0.0245mm,丝杠的有效行程为 600， 丝杠在有效行程总 21500630mm 时，行程偏差允许达到 30m,，可见丝杠刚度足够。（5）稳定性的验算(3.10)KLEIfkPa2公式中取支撑系数 =2，fk由丝杠底径 =43.3mm 求的截面惯性矩 =188957.7( )，压杆稳定d2642dIm4安全系数 K 取 3（丝杠卧式水平安装） ，滚珠螺母至轴向固定处的距离 取最大值aL1200mm，代入公式得：=181129.6()31207.895.4.3Pa则 f=181129.6N 大于 =51590N，故不会失稳，满足使用要求。Cm23（6）临界转速的验算 对于滚珠丝杠还有可能发生共振，需要验算其临界转速，设不会发生共振的最高转速为临界转速 。nc查资料得公式 ： (3.11)Lcdfc2910其中： (mm)；43.5.7632.10dwd为临界转速计算长度 =1200(mm)；LcLc为丝杠支承方式系数 （一端固定，一端游动）f292.f代入数据得： 4397(r/min),临界速度远大于丝杠所需转速，故不会发生共振。nc（7）滚珠丝杠选型和安装尺寸的确定由以上验算可以知道，丝杠型号为 FF63105，完全符合所需要求，故确定选用该型号，安装尺寸查表可知。（8）丝杠支承的选择滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷主要是卧式丝杠的自重。因此对丝杠的轴向精度和轴向刚度应有较高要求。其两端支承的配置情况为轴向固定方式。本次设计丝杠支承选用一端固定，另一端浮动。 3.3 伺服电机的选择3.3.1 最大负载转矩的计算所选伺服电机的额定转矩应大于最大负载转矩。最大负载转矩 T 可根据以下公式计算，即(3.12)iTfpPhFT02max从前面的计算可以知道，最大载荷 N，丝杠导程 =10mm=0.01m，预紧5196aPh力 = N，根据计算的滚珠螺母丝杠的机械效率 =0.947，因CaFp41139056 为滚珠丝杠预加载荷引起的附加摩擦力矩：24（N m） (3.13)7.48.29013.0PhFTp查手册得单个轴承的摩擦力矩为 0.32Nm，故一对轴承的摩擦力矩=0.64Nm。简支端轴承步预紧，其摩擦力矩可忽略不计。伺服电动机与丝杠直Tf0接相连，其传动比 =1，则最大负载转矩：i(Nm)7.146.0947.02156T所选的伺服电机额定转矩应该大于此值。3.3.2 负载惯量的计算伺服电机的转动惯量 应与负载惯量 相匹配。JMJL负载惯量可以按一下次序计算。质量为 500，折算到电动机轴上的惯量 可按J1下式计算，(kg) (3.14)025.1.8021PhmvJ丝杠名义直径 =63mm=0.063m，长度 L=1.2m 丝杠材料（钢）的密度d0=7.8 。根据公式计算丝杠加在电动机轴上的惯量13() (3.15)347.81.20640.57203lJd联轴器加上锁紧螺母等的惯量 可直接查手册得到，即 ()J01.3J故负载总的惯量为()92.01.57.02.313J电动机的转子惯量 应与负载惯量 相匹配。通常要求 不小于 ，但MJLJMJL也不是越大越好。因 越大，总的惯量 就越大，加速度性能受影响。为了保JMJ证足够的角加速度，以满足系统反应的灵敏的，将采用转矩较大的伺服电动机和它的伺服控制系统。根据有关资料的推荐，匹配条件为：25(3.16)41JLM则所选交流伺服电动机的转子惯量 应在 0.00920.036 范围之内。根据上述计算可选用表 3.2 中的交流伺服电机 22/3000i 型，其额定转矩为22Nm，最高 ，转动惯量 J=0.012。min30axrn表 3.2 FANUC(HV)i 系列交流伺服电机型号 1/ 5000i2/ 5000i4/ 4000i8/ 3000i12/ 3000i22/3000i输出功率/kw0.5 0.75 1.4 1.6 3 4额定转矩(Nm)1 2 4 8 12 22最高转速min15000 5000 4000 3000 3000 3000转动惯量()0.00031 0.00053 0.0014 0.0026 0.0026 0.012质量 3 4 8 12 18 29伺服放大器规格 20i 20i 20i 40i 80i 80i3.3.3 空载加速转矩计算当执行件从静止以阶跃指令加速到最大移动（快速）速度时，所需要的空载加速转矩 按下式求，Ta(3.17)tacnJT60mx2空载加速时，主要克服的是惯性，选用的 22/3000i 型交流伺服电动机,总惯量0.0120+0.0092=0.0212()JLM加速度时间 通常取 的 34 倍，故 =(34) =(34)6=1824(ms)，则tactmtactm26(Nm)173060154.321.0tacTa3.4 水平方向电动缸的设计滚珠丝杆副就是由丝杆、螺母和滚珠组成的一个机构。他的作用就是把旋转运动转和直线运动进行相互转换。丝杆和螺母之间用滚珠做滚动体，丝杠转动时带动滚珠滚动。设 X 向最大行程为 300mm,最快进给速度为 18m/min,假设大概质量为 80kg,移动部件大概质量为 30kg，工作台最大行程为 300mm。3.4.1 导程确定电机与丝杆通过联轴器连接，故其传动比 i=1, 选择电机 Y 系列异步电动机的最高转速 ，则丝杠的导程为cmkgfMrn .2min,/150maxmax 最 大 转 矩取 Ph=12mmVPH150/18/axee3.4.2 确定丝杆的等效转速基本公式 min)/(rPVnh=最大进给速度是丝杆的转速 min)/(1502/8/ax rh=最小进给速度是丝杆的转速 i/3./miniPVh=丝杆的等效转速 in)/(/)(212in1axrttt+式中取 故21t=min)/(03.1)/(212min1ax rtttnm=+3.4.3 确定丝杆的等效负载工作负载是指机床工作时，实际作用在滚珠丝杆上的轴向压力，他的数值用进给27牵引力的实验公式计算。选定导轨为滑动导轨，取摩擦系数为 0.03，K 为颠覆力矩影响系数，一般取 1.11.5，本课题中取 1.3，则丝杆所受的力为 NGFGFGfKFZx 215-)2(03.3.12-)2( 3y12yma =+=+= ）（）（）（0in其等效载荷按下式计算（式中取 ， ）21t=1nNtnFFm49)(321mi3ax+=3.4.4 确定丝杆所受的最大动载荷 316mhkahtwm10)nT(ffFCar=fw-负载性质系数， （查表：取 fw=1.2）ft-温度系数（查表：取 ft=1）fh-硬度系数（查表：取 fh =1）fa-精度系数（查表：取 fa =1）fk-可靠性系数（查表：取 fk =1）Fm-等效负载nz-等效转速Th -工作寿命，取丝杆的工作寿命为 15000h由上式计算得 Car=17300N表 3-1-1 各类机械预期工作时间 Lh28表 3-1-2 精度系数 fa表 3-1-3 可靠性系数 fk表 3-1-4 负载性质系数 fw3.4.5 精度的选择滚珠丝杠副的精度对电气机床的定位精度会有影响，在滚珠丝杠精度参数中，导程误差对机床定位精度是最明显的。一般在初步设计时设定丝杠的任意 300 行程变m动量 应小于目标设定定位精度值的 1/31/2,在最后精度验算中确定。 ，选用滚珠30V丝杠的精度等级 X 轴为 13 级（1 级精度最高） ，Z 轴为 25 级，考虑到本设计的定位精度要求及其经济性，选择 X 轴 Y 轴精度等级为 3 级，Z 轴为 4 级。3.4.6 选择滚珠丝杆型号计算得出 Ca=Car=17.3KN,则 Coa=(23)Fm=（34.651.9）KN29公称直径 Ph=12mm则选择 FFZD 型内循环浮动返向器，双螺母垫片预紧滚珠丝杆副，丝杆的型号为FFZD40103。公称直径 d0=40mm 丝杆外径 d1=39.5mm 钢球直径 dw=7.144mm 丝杆底径d2=34.3mm 圈数=3 圈 Ca=30KN Coa=66.3KN 刚度 kc=973N/m3.5 校核滚珠丝杆副的拉压系统刚度影响系统的定位精度和轴向拉压震动固有频率，其扭转刚度影响扭转固有频率。承受轴向负荷的滚珠丝杆副的拉压系统刚度 KO有丝杆本身的拉压刚度 KS，丝杆副内滚道的接触刚度 KC，轴承的接触刚度 Ka，螺母座的刚度Kn，按不同支撑组合方式计算而定。3.5.1 临界压缩负荷验证丝杆的支撑方式对丝杆的刚度影响很大，采用一端固定一端支撑的方式。临界压缩负荷按下列计算： NFKLEIfFcr max201e=式中 E-材料的弹性模量 E 钢 =2.1X1011（N/m 2）LO-最大受压长度（m）K1-安全系数，取 K1=1.3Fmax-最大轴向工作负荷（N）f1-丝杆支撑方式系数：f 1=15.1I=丝杆最小截面惯性距（m 4）442)2.1_(6woddI=