北華大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文目 錄第一章 緒論 11.1 課題來源及背景 11.2 課題的研究意義 11.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 21.3.1 國外發(fā)展?fàn)顩r 31.3.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r 31.4 課題研究內(nèi)容介紹 31.5 本章小結(jié) 3第二章 柔性關(guān)節(jié)與多指柔性機械手控制系統(tǒng)方案設(shè)計 42.1 抓取目標(biāo)與要求 42.1.1 手指正屈抓取物體 42.1.2 手指外展內(nèi)收夾持物體 52.2.3 彎擺復(fù)合實現(xiàn)操作 62.2 柔性關(guān)節(jié)的控制方法 62.2.1柔性關(guān)節(jié)氣壓控制原理 62.2.2 關(guān)節(jié)位置控制 72.2.3 關(guān)節(jié)運動速度控制 72.2.4 關(guān)節(jié)驅(qū)動力控制 82.3 五指機械手氣壓控制系統(tǒng) 82.3.1 五指機械手氣壓控制系統(tǒng)原理 82.3.2 氣壓控制系統(tǒng)組成 92.3.3 抓取功能控制要求與氣壓系統(tǒng)控制方案 102.4 多指柔性機械手控制系統(tǒng)方案比較 112.5 本章小結(jié) 12第三章 柔性機械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 123.1控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 123.1.1總體控制方案設(shè)計 123.2.2控制最小系統(tǒng)的設(shè)計 133.2.3壓力傳感器的設(shè)計 153.2.4運算放大器的選擇及接口電路設(shè)計 183.2.5濾波的電路設(shè)計 183.2.6 A/D的選擇及接口電路設(shè)計 203.2.7比例閥的選擇及接口電路設(shè)計 203.2.8 D/A的選擇及接口電路設(shè)計 223.2.9光耦隔離的設(shè)計 233.2顯示器的設(shè)計 243.3電源模塊的設(shè)計 253.3.1 DC24V/5V電源設(shè)計 253.3.2 正負(fù)12V電源設(shè)計 263.4按鍵模塊 273.5報警 273.6本章小結(jié) 28第四章 柔性機械手控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 294.1 控制系統(tǒng)的軟件流程 294.1.1下位機主程序流程 294.1.2 機械手抓取操作子程序流程 304.2 柔性機械手軟件程序 314.3 本章小結(jié) 50第五章 柔性機械手控制電路仿真 515.1五指柔性機械手運動位姿仿真 515.1.1傳感器電路的仿真 515.1.2繼電器仿真電路 515.2本章小結(jié) 52總結(jié) 53致謝 54參考文獻 5531第一章 緒論1.1 課題來源及背景隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和進步，工業(yè)機器人早已經(jīng)被廣泛地用來代替工人完成一些簡單和重復(fù)性的勞動。

然而，由于人們越來越關(guān)注機器人在社會生活各個領(lǐng)域的應(yīng)用，而工業(yè)機器人又不能滿足人們的要求，因而如何使機器人能夠為人們的日常生活服務(wù)，則成為現(xiàn)在機器人研究領(lǐng)域的焦點問題由于像人手一樣具有五個手指和手掌的仿人機械手具有極強的功能和很高的通用性，因而它可以代替人手在很多場合下完成各類復(fù)雜和靈巧的操作例如，機械制造、軍事戰(zhàn)備、醫(yī)療手術(shù)、設(shè)備安裝、家務(wù)勞動等機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機械手被稱為“工業(yè)機械手”生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率，可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。

機械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用國內(nèi)外機械手在機械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作1.2 課題的研究意義隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和進步，工業(yè)機器人早已經(jīng)被廣泛地用來代替工人完成一些簡單和重復(fù)性的勞動然而，由于人們越來越關(guān)注機器人在社會生活各個領(lǐng)域的應(yīng)用，而工業(yè)機器人又不能滿足人們的要求，因而如何使機器人能夠為人們的日常生活服務(wù)，則成為現(xiàn)在機器人研究領(lǐng)域的焦點問題由于像人手一樣具有五個手指和手掌的仿人機械手具有極強的功能和很高的通用性，因而它可以代替人手在很多場合下完成各類復(fù)雜和靈巧的操作。

例如，機械制造、軍事戰(zhàn)備、醫(yī)療手術(shù)、設(shè)備安裝、家務(wù)勞動等機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用1.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r柔性機械手具有高負(fù)載、自重比、低能耗、高速度、適于直接驅(qū)動等優(yōu)點氣動機械手作為機械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用由于氣壓傳動系統(tǒng)使用安全、可靠，可以在高溫、震動、易燃、易爆、多塵埃、強磁、輻射等惡劣環(huán)境下工作”’而氣動機械手作為機械手的一種，它具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、動作迅速、平穩(wěn)、可靠、節(jié)能和不污染環(huán)境、容易實現(xiàn)無級調(diào)速、易實現(xiàn)過載保護、易實現(xiàn)復(fù)雜的動作等優(yōu)點所以，氣動機械手被廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、半導(dǎo)體及家電行業(yè)、化肥和化工，食品和藥品的包裝、精密儀器和軍事工業(yè)等現(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線，大多采用了氣動機械手車身在每個工序的移動；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點焊機焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點焊，都采用了各種特殊功能的氣動機械手。

高頻率的點焊、力控的準(zhǔn)確性及完成整個工序過程的高度自動化，堪稱是最有代表性的氣動機械手應(yīng)用之一在彩電、冰箱等家用電器產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)線上，在半導(dǎo)體芯片、印刷電路等各種電子產(chǎn)品的裝配流水線上，不僅可以看到各種大小不一、形狀不同的氣缸、氣爪，還可以看到許多靈巧的真空吸盤將一般氣爪很難抓起的顯像管、紙箱等物品輕輕地吸住，運送到指定目標(biāo)位置對加速度限制十分嚴(yán)格的芯片搬運系統(tǒng)，采用了平穩(wěn)加速的SIN氣缸?氣動機械手用于對食品行業(yè)的粉狀、粒狀、塊狀物料的自動計量包裝；用于煙草工業(yè)的自動卷煙和自動包裝等許多工序如酒、油漆灌裝氣動機械手；自動加蓋、安裝和擰緊氣動機械手，牛奶盒裝箱氣動機械手等此外，氣動系統(tǒng)、氣動機械手被廣泛應(yīng)用于制藥與醫(yī)療器械上如：氣動自動調(diào)節(jié)病床，Robodoc機器人，daVinci外科手術(shù)機器人等1.3.1 國外發(fā)展?fàn)顩r國外對柔性機械手的控制研究進行的比較早，進展也很快20世紀(jì)90年代意大利研制的DIST手，DIST手具有16個自由度的四自由度靈巧手，每個手指有4個自由度，通過5個直流電機和16根鍵進行驅(qū)動，該手體積小，重量輕，易于安裝在多種商用機械手上，該手完全模擬人手的結(jié)構(gòu)動作，由1個手腕和5個手指組成，共14個自由度。

NASA手?jǐn)Q螺釘照片，其外形與靈巧性比較接近人類的手英國shadow機器人公司研制出了一種靈巧手，它是基于AirMuscle的一種機械手，是當(dāng)今世界上最接近人手的機械手之一，具有24個自由度，可以直接完成人手到機械手的映射1.3.2 國內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r20世紀(jì)80年代，我國一些研究機構(gòu)也先后開展了機械手的研究工作，北京航空航天大學(xué)機器人研究所先后研制了BH-1、BH-2、BH-3、BH-4四種型號機械手哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究所與德國宇航中心合作研制的新一代多指仿人機械手“HIT/DLR Hand”及其改進型分別成功地在2004年第一屆和2006年第二屆慕尼黑國際機器人及自動化展覽會上展出，目前研制出第三代靈巧手1.4 課題研究內(nèi)容介紹本課題要進行的是柔性機械手特性試驗控制系統(tǒng)的設(shè)計，其具體要求是機械手能夠達到規(guī)定的控制精度和最小力控制1）需要完成的內(nèi)容：1） 完成系統(tǒng)方案設(shè)計、器件的選型及控制核心設(shè)計；2） 各環(huán)節(jié)的硬件電路的設(shè)計；3） 控制系統(tǒng)核心器件及接口電路設(shè)計；4） 軟件流程設(shè)計及控制程序設(shè)計；5） 電源模塊及其它相應(yīng)電路的設(shè)計2）需要解決的關(guān)鍵問題：1）最小力控制問題；2）數(shù)據(jù)采集精度問題。

3）其主要性能指標(biāo)：1）要求設(shè)計可靠靈活，操作方便；2）動作特性符合控制輸入要求，達到控制精度為1%；3）系統(tǒng)具有干擾的能力，采取可靠的抗干擾措施1.5 本章小結(jié)本章主要介紹了本課題的來源和相關(guān)的背景，以及研究意義和國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r第二章 柔性關(guān)節(jié)與多指柔性機械手控制系統(tǒng)方案設(shè)計機械手抓取模式、抓取能力和控制方法,是機械手的關(guān)鍵技術(shù)對于多指機械手的抓取操作,很多學(xué)者進行了廣泛深入的研究研究內(nèi)容涉及抓取位置、抓取方式和抓取控制等機械手抓取物體時,預(yù)先通過手臂和手腕的運動,調(diào)整機械手掌心位姿,使被抓取的物體處于機械手的可操作范圍內(nèi),之后由機械手完成抓取動作由于所研究的柔性機械手主要是由彈性元件構(gòu)成,柔性較大但剛性不足因此,柔性機械手抓取動作速度不高,一般在0.1一15完成1個操作過程以此減少動力學(xué)因素的影響,避免手指系統(tǒng)的振動和不穩(wěn)定問題這樣的速度水平,也符合人類和生物手掌的一般運動情況,滿足仿生機械手的基本要求利用機械手實現(xiàn)物體的抓取可分為三個階段,接近并接觸物體、抓緊物體和抓起物體三個階段的控制涉及到機械手運動學(xué)模型、靜力學(xué)模型和動力學(xué)模型柔性機械手控制系統(tǒng)方案設(shè)計,主要包括控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)和軟件控制程序兩個方面。

其中,系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與控制方式、控制對象和控制要求相關(guān),軟件控制程序應(yīng)根據(jù)機械手控制目標(biāo)、控制功能和控制過程要求編制所研究的柔性機械手控制系統(tǒng)由單片機、控制器和氣壓系統(tǒng)三部分組成總體控制思想是由單片機及控制器構(gòu)成控制系統(tǒng),通過控制電磁閥的開關(guān)邏輯組合實現(xiàn)動作模式的選擇,通過對比例壓力閥組的控制實現(xiàn)機械手操作動作的程度和過程控制手指的夾持能力決定了機械手的夾持能力,為此本章重點研究柔性關(guān)節(jié)及手指的彎曲夾持驅(qū)動能力,以及機械手控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制方法2.1 抓取目標(biāo)與要求手指位置控制：接近——接觸——抓緊（并移動）——預(yù)松開——還原；抓取速度：0.1-1s/動作；抓取力：與物體重量匹配（單指正壓力0-3.5N）2.1.1 手指正屈抓取物體機械手的掌心基盤外形為八面體結(jié)構(gòu)(圖2.1),其中五個面安裝了機械手指,手腕將安裝在上面考慮到手指的直徑和安裝尺寸,手掌基盤直徑為112毫米中指位于中心線上,拇指與無名指、食指與小拇指相對,并沿中心線對稱分布,四指互成90可保證抓取的穩(wěn)定性柔性機械手剛度不高,為使其輕量化,掌心盤和手指楔形盤等元件應(yīng)選用鋁鎂合金、高強度塑料等輕質(zhì)材料該柔性機械手共有巧個關(guān)節(jié),最多45個自由度。

在實際應(yīng)用中,每個關(guān)節(jié)或手指可單獨控制,也可分別控制如圖2.1所示，為雙拇指機械手結(jié)構(gòu)圖2.1 雙拇指機械手結(jié)構(gòu)關(guān)系（1）球形物體1）指尖點接觸抓取（重量0-1kg，直徑0-320mm；）。