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1、北华大学学士学位论文目 录第一章 绪论11.1 课题来源及背景11.2 课题的研究意义11.3 国内外发展状况21.3.1 国外发展状况31.3.2 国内发展状况31.4 课题研究内容介绍31.5 本章小结3第二章 柔性关节与多指柔性机械手控制系统方案设计42.1 抓取目标与要求42.1.1 手指正屈抓取物体42.1.2 手指外展内收夹持物体52.2.3 弯摆复合实现操作62.2 柔性关节的控制方法62.2.1柔性关节气压控制原理62.2.2 关节位置控制72.2.3 关节运动速度控制72.2.4 关节驱动力控制82.3 五指机械手气压控制系统82.3.1 五指机械手气压控制系统原理82.3.
2、2 气压控制系统组成92.3.3 抓取功能控制要求与气压系统控制方案102.4 多指柔性机械手控制系统方案比较112.5 本章小结12第三章 柔性机械手控制系统的硬件设计123.1控制系统硬件设计123.1.1总体控制方案设计123.2.2控制最小系统的设计133.2.3压力传感器的设计153.2.4运算放大器的选择及接口电路设计183.2.5滤波的电路设计183.2.6 A/D的选择及接口电路设计203.2.7比例阀的选择及接口电路设计203.2.8 D/A的选择及接口电路设计223.2.9光耦隔离的设计233.2显示器的设计243.3电源模块的设计253.3.1 DC24V/5V电源设计2
3、53.3.2 正负12V电源设计263.4按键模块273.5报警273.6本章小结28第四章 柔性机械手控制系统的软件设计294.1 控制系统的软件流程294.1.1下位机主程序流程294.1.2 机械手抓取操作子程序流程304.2 柔性机械手软件程序314.3 本章小结50第五章 柔性机械手控制电路仿真515.1五指柔性机械手运动位姿仿真515.1.1传感器电路的仿真515.1.2继电器仿真电路515.2本章小结52总结53致谢54参考文献5531第一章 绪论1.1 课题来源及背景随着现代化工业生产的发展和进步，工业机器人早已经被广泛地用来代替工人完成一些简单和重复性的劳动。然而，由于人们越
4、来越关注机器人在社会生活各个领域的应用，而工业机器人又不能满足人们的要求，因而如何使机器人能够为人们的日常生活服务，则成为现在机器人研究领域的焦点问题。由于像人手一样具有五个手指和手掌的仿人机械手具有极强的功能和很高的通用性，因而它可以代替人手在很多场合下完成各类复杂和灵巧的操作。例如，机械制造、军事战备、医疗手术、设备安装、家务劳动等。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
5、、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。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中
6、，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发展起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。国内外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。1.2 课题的研究意义随着现代化工业生产的发展和进步，工业机器人早已经被广泛地用来代替工人完成一些简单和重复性的劳动。然而，
7、由于人们越来越关注机器人在社会生活各个领域的应用，而工业机器人又不能满足人们的要求，因而如何使机器人能够为人们的日常生活服务，则成为现在机器人研究领域的焦点问题。由于像人手一样具有五个手指和手掌的仿人机械手具有极强的功能和很高的通用性，因而它可以代替人手在很多场合下完成各类复杂和灵巧的操作。例如，机械制造、军事战备、医疗手术、设备安装、家务劳动等。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
8、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。1.3 国内外发展状况柔性机械手具有高负载、自重比、低能耗、高速度、适于直接驱动等优点。气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。由于气压传动系统使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶劣环境下工作”。而气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。所以，气动机械手被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包
9、装、精密仪器和军事工业等。现代汽车制造工厂的生产线，尤其是主要工艺的焊接生产线，大多采用了气动机械手。车身在每个工序的移动；车身外壳被真空吸盘吸起和放下，在指定工位的夹紧和定位；点焊机焊头的快速接近、减速软着陆后的变压控制点焊，都采用了各种特殊功能的气动机械手。高频率的点焊、力控的准确性及完成整个工序过程的高度自动化，堪称是最有代表性的气动机械手应用之一。在彩电、冰箱等家用电器产品的装配生产线上，在半导体芯片、印刷电路等各种电子产品的装配流水线上，不仅可以看到各种大小不一、形状不同的气缸、气爪，还可以看到许多灵巧的真空吸盘将一般气爪很难抓起的显像管、纸箱等物品轻轻地吸住，运送到指定目标位置。对
10、加速度限制十分严格的芯片搬运系统，采用了平稳加速的SIN气缸。气动机械手用于对食品行业的粉状、粒状、块状物料的自动计量包装；用于烟草工业的自动卷烟和自动包装等许多工序。如酒、油漆灌装气动机械手；自动加盖、安装和拧紧气动机械手，牛奶盒装箱气动机械手等。此外，气动系统、气动机械手被广泛应用于制药与医疗器械上。如：气动自动调节病床，Robodoc机器人，daVinci外科手术机器人等。1.3.1 国外发展状况国外对柔性机械手的控制研究进行的比较早，进展也很快。20世纪90年代意大利研制的DIST手，DIST手具有16个自由度的四自由度灵巧手，每个手指有4个自由度，通过5个直流电机和16根键进行驱动，
11、该手体积小，重量轻，易于安装在多种商用机械手上，该手完全模拟人手的结构动作，由1个手腕和5个手指组成，共14个自由度。NASA手拧螺钉照片，其外形与灵巧性比较接近人类的手。英国shadow机器人公司研制出了一种灵巧手，它是基于AirMuscle的一种机械手，是当今世界上最接近人手的机械手之一，具有24个自由度，可以直接完成人手到机械手的映射。1.3.2 国内发展状况20世纪80年代，我国一些研究机构也先后开展了机械手的研究工作，北京航空航天大学机器人研究所先后研制了BH-1、BH-2、BH-3、BH-4四种型号机械手。哈尔滨工业大学研究所与德国宇航中心合作研制的新一代多指仿人机械手“HIT/D
12、LR Hand”及其改进型分别成功地在2004年第一届和2006年第二届慕尼黑国际机器人及自动化展览会上展出，目前研制出第三代灵巧手。1.4 课题研究内容介绍本课题要进行的是柔性机械手特性试验控制系统的设计，其具体要求是机械手能够达到规定的控制精度和最小力控制。（1）需要完成的内容：1） 完成系统方案设计、器件的选型及控制核心设计；2） 各环节的硬件电路的设计；3） 控制系统核心器件及接口电路设计；4） 软件流程设计及控制程序设计；5） 电源模块及其它相应电路的设计。（2）需要解决的关键问题：1）最小力控制问题；2）数据采集精度问题。（3）其主要性能指标：1）要求设计可靠灵活，操作方便；2）动
13、作特性符合控制输入要求，达到控制精度为1%；3）系统具有干扰的能力，采取可靠的抗干扰措施。1.5 本章小结本章主要介绍了本课题的来源和相关的背景，以及研究意义和国内外发展状况。第二章 柔性关节与多指柔性机械手控制系统方案设计机械手抓取模式、抓取能力和控制方法,是机械手的关键技术。对于多指机械手的抓取操作,很多学者进行了广泛深入的研究。研究内容涉及抓取位置、抓取方式和抓取控制等。机械手抓取物体时,预先通过手臂和手腕的运动,调整机械手掌心位姿,使被抓取的物体处于机械手的可操作范围内,之后由机械手完成抓取动作。由于所研究的柔性机械手主要是由弹性元件构成,柔性较大但刚性不足。因此,柔性机械手抓取动作速
14、度不高,一般在0.1一15完成1个操作过程。以此减少动力学因素的影响,避免手指系统的振动和不稳定问题。这样的速度水平,也符合人类和生物手掌的一般运动情况,满足仿生机械手的基本要求。利用机械手实现物体的抓取可分为三个阶段,接近并接触物体、抓紧物体和抓起物体。三个阶段的控制涉及到机械手运动学模型、静力学模型和动力学模型。柔性机械手控制系统方案设计,主要包括控制系统硬件结构和软件控制程序两个方面。其中,系统硬件结构与控制方式、控制对象和控制要求相关,软件控制程序应根据机械手控制目标、控制功能和控制过程要求编制。所研究的柔性机械手控制系统由单片机、控制器和气压系统三部分组成。总体控制思想是由单片机及控
15、制器构成控制系统,通过控制电磁阀的开关逻辑组合实现动作模式的选择,通过对比例压力阀组的控制实现机械手操作动作的程度和过程控制。手指的夹持能力决定了机械手的夹持能力,为此本章重点研究柔性关节及手指的弯曲夹持驱动能力,以及机械手控制系统的结构和控制方法。2.1 抓取目标与要求手指位置控制：接近接触抓紧（并移动）预松开还原；抓取速度：0.1-1s/动作；抓取力：与物体重量匹配（单指正压力0-3.5N）。2.1.1 手指正屈抓取物体机械手的掌心基盘外形为八面体结构(图2.1),其中五个面安装了机械手指,手腕将安装在上面。考虑到手指的直径和安装尺寸,手掌基盘直径为112毫米。中指位于中心线上,拇指与无名指、食指与小拇指相对,并沿中心线对称分布,四指互成90。,可保证抓取的稳定性。柔性机械手刚度不高,为使其轻量化,掌心盘和手指楔形盘等元件应选用铝镁合金、高强度塑料等轻质材料。该柔性机械手共有巧个关节,最多45个自由度。在实际应用中,每个关节或手指可单独控制,也可分别控制。如图2.1所示，为双拇指机械手结构。图2.1 双拇指机械手结构关系（1）球形物体1）指尖点接触抓取（重量0-1kg，直径0-320mm；）
