气动机械手设计-毕业论文.doc

1 绪论
1.1 工业机械手概述
工业机器人由操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。
1.1.1机械手的发展简史
现代工业机械手起源于20世纪50年代初，是基于示教再现和主从控制方式、能适应产品种类变更，具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。
机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是：机体上安装一回转长臂，端部装有电磁铁的工件抓放机构，控制系统是示教型的。
1962年，美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate(即万能自动)。运动系统仿造坦克炮塔，臂回转、俯仰，用液压驱动；控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司（Unimaton）,专门生产工业机械手。
1962年，美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手，原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转，臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动，控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。
1978年，美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vic-arm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差可小于±1毫米。
美国还十分注意提高机械手的可靠性，改进结构，降低成本。如Unimate公司建立了8年机械手试验台，进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间（注：故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间），由400小时提高到1500小时，精度可提高到±0.1毫米。
德国机器制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。
瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手，采用示教方法编制程序。
瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。
日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后，大力研究机械手的研究。据报道，1976年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1979年120多个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42%。1979年日本机械手的产值达443亿日元，产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半，达222亿日元，是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元，比1978年增长50%。智能机械手约为17亿日元，为1978年的6倍。截止1979年，机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位，约占70%，并以每年50%～60%的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业，其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。
第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。
第三代机械手（机器人）则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一环。
随着工业机器手（机器人）研究制造和应用的扩大，国际性学术交流活动十分活跃，欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。

1.2 机械手的组成和分类
1.2.1 机械手的组成

机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。各系统相互之间的关系如方框图2-1所示。

手部

腕部

臂部

执行机构
腰部

基座部（固定或移动）

工业机械手

电、液或气驱动装置
驱动装置

单关节伺服控制器

控制系统

关节协调及其它信息交换计算机

感觉装置子

视觉装置子
智能系统

语言识别装置

图1-2工业机械手的组成方框图
Pane chart of composition of manipulator

(一)执行机构
包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。
1、手部
即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手在本课题中我们采用夹持式手部结构。夹持式手部由手指(或手爪)和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，制造容易，故应用较广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位(是外廓或是内孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较多时常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等。
2、手腕
是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位(即姿势)
3、手臂
手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定的位置.工业机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件(如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等)与驱动源(如液压、气压或电机等)相配合，以实现手臂的各种运动。
4、立柱
立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降(或俯仰)运动均与立柱有密切的联系。机械手的立I因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。

5、行走机构
当工业机械手需要完成较远距离的操作，或扩大使用范围时，可在机座上安滚轮式行走机构可分装滚轮、轨道等行走机构，以实现工业机械手的整机运动。滚轮式布为有轨的和无轨的两种。驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置。
6、机座
机座是机械手的基础部分，机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。
(二)驱动系统
驱动系统是驱动工业机械手执行机构运动的动力装置调节装置和辅助装置组成。常用的驱动系统有液压传动、 气压传动、机械传动。控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，
并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
(二)控制系统
控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前工业机械手的控制系统一般由程序控制系统和电气定位(或机械挡块定位)系统组成。控制系统有电气控制和射流控制两种，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息(如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间)，同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号。
(四)位置检测装置
控制机械手执行机构的运动位置，并随时将执行机构的实际位置反馈给控制系统，并与设定的位置进行比较，然后通过控制系统进行调整，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置.
1.2.2 机械手的分类
目前对机械手还没有统一的分类标准。按照不同的分类方式可以把机械手分成多种类型。
(一)按用途分
机械手可分为专用机械手和通用机械手两种:
1、专用机械手
它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置。专用机械手具有动作少、工作对象单一、结构简单、使用可靠和造价低等特点，适用于大批量的自动化生产的自动换刀机械手，如自动机床、自动线的上、下料机械手和‘叻口工中心”
2、通用机械手
它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手。格性能范围内，其动作程序是可变的，通过调整可在不同场合使用，驱动系统和控制系统是独立的。通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强，适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产。通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位，只能是点位控制:可以是点位的，也可以实现连续轨控制，
伺服型具有伺服系统定位控制系统，
一般的伺服型通用机械手属于数控类
型。

(二)按驱动方式分
1、液压传动机械手
是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。若机械手采用电液伺服驱动系统，可实现连续轨迹控制，使机械手的通用性扩大，但是电液伺服阀的制造精度高，油液过滤要求严格，成本高。
2、气压传动机械手
是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是:介质李源极为方便，输出力小，气动动作迅速，结构简单，成本低。但是，由于空气具有可压缩的特性，工作速度的稳定性较差，冲击大，而且气源压力较低，抓重一般在30公斤以下，在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大，所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作。
3、机械传动机械手
即由机械传动机构(如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等)驱动的机械手。它是一种附属于工作主机的专用机械手，其动力是由工作机械传递的。它的主要特点是运动准确可靠，用于工作主机的上、下料。动作频率大，但结构较大，动作程序不可变。
4、电力传动机械手
即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的械手，因为不需要中间的转换机构，故机械结构简单。其中直线电机机械手的运动速度快和行程长，维护和使用方便。此类机械手目前还不多，但有发展前途。
(三)按控制方式分
1、点位控制
它的运动为空间点到点之间的移动，只能控制运动过程中几个点的位置，不能控制其运动轨迹。若欲控制的点数多，则必然增加电气控制系统的复杂性。目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类。
2、连续轨迹控制
它的运动轨迹为空间的任意连续曲线，其特点是设定点为无限的，整个移动过程处于控制之下，可以实现平稳和准确的运动，并且使用范围广，但电气控制系统复杂。这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制。
（三）按用途分类
机械手按用途可分为下列几种。
（1） 搬运机械手;
（2） 喷涂机械手;
（3） 焊接机械手;
（4） 装配机械手;
（5） 其他用途的机械手。如航天用机械手，探海用机械手，以及排险作业机械手等。
（四）按操作机的位置机构类型和自由度数量分类
操作机的位置机构是机械手的重要外形特征，固常用作分类的依据。按这一分类要求，机械手可分为直角坐标型、圆柱坐标型、球坐标型、关节型机械手。

a） 直角坐标型  b）圆柱坐标型  c）球坐标型  d）多关节型  e）平面关节型
图1-1工业机械手的基本结构形式

操作机本身的自由度最能反应机器人的作业能力，也是分类的重要依据。按这一分类要求，机械手可分为4自由度、5自由度、6自由度和7自由度机械手。
（5）按其他方法还可以分为
（1）家务型机械手：能帮助人们打理生活，做简单的家务活。
（2）操作型机械手：能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。
（3）程控型机械手：按预先要求的顺序及条件，依次控制机械手的机械动作。
（4）示教再现型机械手：通过引导或其它方式，先教会机械手动作，输入工作程序，机械手则自动重复进行作业。
（5）数控型机械手：不必使机械手动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机械手根据示教后的信息进行作业。
（6）感觉控制型机械手：利用传感器获取的信息控制机械手的动作。
（7）适应控制型机械手：能适应环境的变化，控制其自身的行动。
（8）学习控制型机械手：能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。
（9）智能机械手：以人工智能决定其行动的机械手
工业机械手的种类很多，关于分类的问题，目前在国内尚无统一的分类标准，在此暂按使用范围、驱动方式和控制系统等进行分类。

1.3 国内外发展状况
国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:
(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的65万美元。
(2)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。
(3)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
(4)机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。
(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。
(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。
(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线(站)上获得规模应用，弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上。但总的来看，我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，如:可靠性低于国外产品:机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上，我国己安装的国产工业机器人约200台，约占全球已安装台数的万分之四。以上原因主要是没有形成机器人产业，当前我国的机器人生产都是应用户的要求，“一客户，一次重新设计”，品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低，而且质量、可靠性不稳定。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术，对产品进行全面规划，搞好系列化、通用化、模块化设计，积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下，也取得了不少成果。其中最为突出的是水下机器人，6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平，还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步，与国外先进水平差距较大，需要在原有成绩的基础上，有重点地系统攻关，才能形成系统配套可供实用的技术和产品，以期在“十五”后期立于世界先进行列之中。

1.4 课题的提出及主要任务
1.4.1课题的提出
进入21世纪，随着我国人口老龄化的提前到来，近来在东南沿海还出现在大量的缺工现象，迫切要求我们提高劳动生产率，降低工人的劳动强度，提高我国工业自动化水平势在必行，本设计的目的就是设计一个气动搬运机械手，应用于工业自动化生产线，把工业产品从一条生产线搬运到另外一条生产线，实现自动化生产，减轻产业工人大量的重复性劳动，同时又可以提高劳动生产率。。
现在的机械手大多采用液压传动，液压传动存在以下几个缺点:
(1)液压传动在工作过程中常有较多的能量损失(摩擦损失、泄露损失等):液压传动易泄漏，不仅污染工作场地，限制其应用范围，可能引起失火事故，而且影响执行部分的运动平稳性及正确性。
(2)工作时受温度变化影响较大。油温变化时，液体粘度变化，引起运动特性变化。
(3)因液压脉动和液体中混入空气，易产生噪声。
(4)为了减少泄漏，液压元件的制造工艺水平要求较高，故价格较高;且使用维护需要较高技术水平。鉴于以上这些缺陷，本机械手拟采用气压传动，
气动技术有以下优点:
(1)介质提取和处理方便。气压传动工作压力较低，工作介质提取容易，而后排入大气，处理方便，一般不需设置回收管道和容器:介质清洁，管道不易堵存在介质变质及补充的问题.
（2)阻力损失和泄漏较小，在压缩空气的输送过程中，阻力损失较小(一般不卜浇塞仅为油路的千分之一)，空气便于集中供应和远距离输送。外泄漏不会像液压传动那样，造成压力明显降低和严重污染。
(3)动作迅速，反应灵敏。气动系统一般只需要0.02s-0.3s即可建立起所需的压力和速度。气动系统也能实现过载保护，便于自动控制。
(4)能源可储存。压缩空气可存贮在储气罐中，因此，发生突然断电等情况时，机器及其工艺流程不致突然中断。
(5)工作环境适应性好。在易燃、易爆、多尘埃、强磁、强辐射、振动等恶劣环境中，气压传动与控制系统比机械、电器及液压系统优越，而且不会因温度变化影响传动及控制性能。
(6)成本低廉。由于气动系统工作压力较低，因此降低了气动元、辅件的材质和加工精度要求，制造容易，成本较低。传统观点认为:由于气体具有可压缩性，因此，在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难(尤其在高速情况下，似乎更难想象)。此外气源工作压力较低，抓举力较小。虽然气动技术作为机器人中的驱动功能已有部分被工业界所接受，而且对于不太复杂的机械手，用气动元件组成的控制系统己被接受，但由于气动机器人这一体系己经取得的一系列重要进展过去介绍得不够，因此在工业自动化领域里，对气动机械手、气动机器人的实用性和前景存在不少疑虑。
1.4.2课题的主要任务
本课题将要完成的主要任务如下:
(1)机械手为通用机械手，因此相对于专用机械手来说，它的适用面相对较广.
(2)选取机械手的座标型式和自由度
(3)设计出机械手的各执行机构，包括:手部、手腕、手臂等部件的设计。为了使通用性更强，手部设计成可更换结构，不仅可以应用于夹持式手指来抓取棒料工件，在工业需要的时候还可以用气流负压式吸盘来吸取板料工件。
(4)气压传动系统的设计
本课题将设计出机械手的气压传动系统，包括气动元器件的选取，气动回路的设计，并绘出气动原理图。
(5)对气压传动系统原理图的参数化绘制进行研究，提高绘图效率，改善绘图质量。

2 机械手的设计方案
对气动机械手的基本要求是能快速、准确地拾放和搬运物件，这就要求它们具
有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意
位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是:充分分析作业对象(工件)的
作业技术要求，拟定最合理的作业工序和工艺，并满足系统功能要求和环境条件;
明确工件的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸
和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求；尽量选用定型的
标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控
制。
本次设计的机械手是通用气动上下料机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，它可用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。
2.1 机械手的运动规划
机械手运动规划包括序列规划(又可称为全局路径规划)，路径规划和轨迹规划3个部分。序列规划是指在一个特定的工作区域中自动生成一个从起始作业点开始，经过一系列作业点。再回到起始点的最优工作序列；路径规划是指在相邻序列点之间通过一定的算法搜索一条无碰撞的机械手运动路径；轨迹规划是指通过插补函数获得路径上的插补点，再通过求解运动学逆解转换到关节空间(若插补在关节空间进行则无需转换)，形成各关节的运动轨迹。
序列规划为机械手的所有作业点生成一个最优的工作序列。作业点是机械手为完成工作所必须达到的位置和姿态。机械手的一次作业任务往往有几十个到上百个作业点，这些作业点的加工次序通常是任意的，或者仅仅存在局部的限制(即某几个作业点之间存在着固定的前后关系)，序列规划的目标就是通过某种算法生成一个能满足作业限制的最优作业序列，一般以时间作为规划优劣的度量标准。
当机械手在有障碍物的环境中运动时，为了从当前作业位置到达下一个位置，需要在机械手工作空间确定一条无碰撞的运动路径，即这条路径应处于机械手的自由空间中，因此，路径规划的过程实际上是一个带几何约束的问题求解过程。
从上面的论述可以看出，机械手运动规划主要包括两个方面，一是生成所有作业点最优工作序列的序列规划，二是在相邻作业点之间生成无碰撞路径的路径规划。序列规划和路径规划的总体目标是作业时间最短，规划的约束条件是作业顺序的限制以及碰撞的避免。
机械手运动规划的算法建立在已有的各种方法之上，下面简要分析已有的各种序列规划和路径规划方法，以及路径规划过程中的碰撞检测方法。
1．序列规划 目前机械手序列规划方法的研究还处于发展阶段，由于各种作业任务的复杂性。至今还没有通用的序列规划算法。在使用机械手进行装配，插孔，点焊的应用中，较为普遍的方法是把序列规划问题转化为“旅行商问题”(TSP)来解决。即机械手从起始点开始，经过一系列作业点，并在各作业点停留，完成所有作业后，最终回到起始点的时间最短规划算法。
旅行商问题的求解成为求解序列规划问题的关键。目前，旅行商问题的近似最优解求解算法已经得到了充分的研究，提出了很多可行的算法，包括启发式算法，模拟退火算法，遗传算法等。其中启发式算法可以细分为环路扩充法和环路改进法，或是两种方法的综合，一般利用邻接矩阵按照一定的规则变换来求解，计算量和求解结果都能满足要求。
2．路径规划 机械手路径规划的目标是在两个作业点之间生成一条无碰撞路径。机械手路径规划算法主要有4类：C-空间法，人工势力场法，假设-修正法，预处理-规划算法。
另外，遗传算法、神经网络算法等智能算法已经成为机器人路径规划的研究热点和发展方向，这些算法在实际中都有初步的应用，取得了较好的规划效果。
3．碰撞检测 路径规划的目标是在起始点和目标点之间生成一条无碰撞路径，这使得碰撞检测成为解决路径规划问题的关键．上面提到的4种路径规划算法都需要进行碰撞检测或需要计算机器人和障碍物之间的距离。
判断两个物体是否有碰撞发生有两种方式，一是定性判断。二是定量计算。定性判断方法最主要有“包围盒层次法”，其基本思路是用一个简单的包围盒将复杂的几何形体围住。当对两个物体进行碰撞检测时。首先检测两者的包围盒是否相交，若不相交。则说明两个物体未相交，否则再进一步对两个物体做检测。因为求包围盒的交比求物体的交简单很多，所以可以快速排除很多不相交的物体，从而加速了算法。对于复杂物体，可以将物体及其子部分的包围盒组成层次结构，如二叉树。
在各种机器人路径规划算法中，往往需要以机器人和障碍物之间的距离及其关于机器人形位的梯度作为路径规划的启发性信息，以加快规划速度，因此在路径规划中不仅需要判断有无碰撞发生，还要计算机器人与障碍物之间的距离及其关于机器人形位的梯度。
目前，两个刚性物体之间的距离计算有很多算法。其中对凸多面体的计算最为成熟。凸多面体之间的距离有两类：分离距离和嵌入距离。目前，凸多面体间的距离范数主要有平移距离、成长距离、收缩距离、伪平移距离等。
在现实环境中，机器人及障碍物一般是凹几何体，可以采用分割的方法把凹几何体分割为多个凸几何体的组合。对一般凸几何体．如球、圆柱等，可以用紧包围它的凸多面体来近似。然后用凸多面体间的距离近似原凸几何体之间的距离
2.1机械手的座标型式与自由度
按机械手手臂的不同运动形式及其组合情况，其座标型式可分为直角座标式、圆柱座标式、球座标式和关节式。由于本机械手在上下料时手臂具有升降、收缩及回转运动，因此，采用圆柱座标型式。相应的机械手具有三个自由度，为了弥补升降运动行程较小的缺点，增加手臂摆动机构，从而增加一个手臂上下摆动的自由度

图2-1 机械手的运动示意图
Fia.2-1 Sketch Map of the Motion of Manipulator

2.2 机械手的手部结构方案设计
为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部;当工件是板料时，使用气流负压式吸盘。

2.3 机械手的手腕结构方案设计
考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动的机构为回转气缸。

2.4 机械手的手臂结构方案设计
按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和降(或俯仰)运动。手臂的回转和升降运动是通过立柱来实现的，立柱的横向移动即为手臂的横移。手臂的各种运动由气缸来实现。

2.5 机械手的驱动方案设计
由于气压传动系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用气压传动方式。

2.6 机械手的控制方案设计
考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器(PLC)对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。

2.7 机械手的主要参数
1.机械手的最大抓重是其规格的主参数，由于是采用气动方式驱动，因此考虑抓取的物体不应该太重，查阅相关机械手的设计参数，结合工业生产的实际情况，本设计设计抓取的工件质量为5公斤
2.基本参数运动速度是机械手主要的基本参数。操作节拍对机械手速度提出了要求，设计速度过低限制了它的使用范围。而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度。该机械手最大移动速度设计为。最大回转速度设计为。平均移动速度为。平均回转速度为。机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在，用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面，因为平均速度与行程有关，故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性。除了运动速度以外，手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径。大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间。过大的伸缩行程和工作半径，必然带来偏重力矩增大而刚性降低。在这种情况下宜采用自动传送装置为好。根据统计和比较，该机械手手臂的伸缩行程定为600mm,最大工作半径约为。手臂升降行程定为。定位精度也是基本参数之一。该机械手的定位精度为。

2.8 机械手的技术参数列表
一、用途:
用于自动输送线的上下料。
二、设计技术参数:
1、抓重

2、自由度数
4个自由度
3、座标型式
圆柱座标
4、最大工作半径

5、手臂最大中心高

6、手臂运动参数
伸缩行程
伸缩速度
升降行程
升降速度
回转范围
回转速度
7、手腕运动参数
回转范围
回转速度
8、手指夹持范围
棒料:
9、定位方式
行程开关或可调机械挡块等
10、定位精度

11、驱动方式
气压传动
12、控制方式
点位程序控制(采用PLC)

图2-6‘
机械手的工作范围
Fig.2-6 Work Range of Manipulator

3 手部结构设计
为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部:如果有实际需要，还可以换成气压吸盘式结构，
3.1夹持式手部结构
夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。
3.1.1手指的形状和分类
夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。
3.1.2设计时考虑的几个问题
(一)具有足够的握力(即夹紧力)
在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。
(二)手指间应具有一定的开闭角
两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。
(三)保证工件准确定位
为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。
(四)具有足够的强度和刚度
手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。
(五)考虑被抓取对象的要求
根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示。
3.1.3手部夹紧气缸的设计
1、手部驱动力计算
本课题气动机械手的手部结构如图3-2所示，

图3-2 齿轮齿条式手部
Fig.3-2 Gear Wheel Hand
其工件重量G=5公斤，
V形手指的角度，,摩擦系数为
(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:

(2)根据手指夹持工件的方位，可得握力计算公式:

所以

(3)实际驱动力:

I,因为传力机构为齿轮齿条传动，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取时，则:
所以
所以夹持工件时所需夹紧气缸的驱动力为。
2、气缸的直径
本气缸属于单向作用气缸。根据力平衡原理，单向作用气缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为:

式中: - 活塞杆上的推力，N
- 弹簧反作用力，N
- 气缸工作时的总阻力，N
- 气缸工作压力，Pa
弹簧反作用按下式计算:

Gf =
式中:- 弹簧刚度，N/m
- 弹簧预压缩量，m
- 活塞行程，m
- 弹簧钢丝直径，m
- 弹簧平均直径，.
- 弹簧有效圈数.
- 弹簧材料剪切模量，一般取
在设计中，必须考虑负载率的影响，则:

由以上分析得单向作用气缸的直径:

代入有关数据，可得

所以:

查有关手册圆整，得
由,可得活塞杆直径:
圆整后，取活塞杆直径校核，按公式
有:
其中，[]，
则:

满足实际设计要求。
3,缸筒壁厚的设计
缸筒直接承受压缩空气压力，必须有一定厚度。一般气缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算:

式中:6- 缸筒壁厚，mm
- 气缸内径，mm
- 实验压力，取, Pa
材料为:ZL3,[]=3MPa
代入己知数据，则壁厚为:

取，则缸筒外径为:
3.2 气流负压式吸盘
气流负压式吸盘是利用吸盘(即用橡胶或软性塑料制成皮腕)内形成负压将工
件吸住。它适用于搬运一些薄片形状的工件，如薄铁片、板材、纸张以及薄壁易碎
的玻璃器皿、弧形壳体零件等，尤其是玻璃器皿及非金属薄片，吸附效果更为明显。
气流负压式与钳爪式手部相比较，气流负压式手部具有结构简单，重量轻，表
面吸附力分布均匀，但要求所吸附表面平整光滑、无孔和无油。按形成负压(或真
空)的方法，气流负压式手部可分为真空式、气流负压式和挤压排气式吸盘。在本
机械手中，拟采用喷射式气流负压吸盘。

图3.2 喷射气流原理图
喷射式气流负压吸盘的工作原理如图3.2 所示，根据流体力学，气体在稳定流
动状态下，单位时间内气体经过喷嘴的每一个截面的气体质量均相等。因此，在最
简单的情况下，低流速(高压强)截面的喷嘴应当具有大面积，而高流速(低压强)
截面的喷嘴应当具有小面积。所以，压缩空气由喷嘴进口处A 进入后，喷嘴开始一
段由大到小逐渐收缩，而气流速度逐渐增大，当沿气流流动方向截面收缩到最小处
K 时〔即临界面积)，流速达到临界速度即音速，此时压力近似为喷嘴进口处的压
力之半，即PK =0. 528P1。为了使喷嘴出口处的压力P2 低于PK 必须在喷嘴临界面