一种气压驱动式四自由度教学仿真机械手设计

一种气压驱动式四自由度教学仿真机械手设计

技术领域

本发明专利涉及机械设计技术领域，尤其涉及一种气压驱动式四自由度教学仿真 机械手设计。

背景技术

气动机械手由操作机（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设 备。特别适合于多品种、变批量的柔性生产。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。

发明专利内容

本发明专利涉及一种气压驱动式四自由度教学仿真机械手设计，本发明主要包括机械 手的总体方案设计、机械手的机械结构设计以及驱动，控制系统设计等，本发明实现了机械 手的手臂四自由度运动：手臂的升降、伸缩和回转、手臂的夹紧，本发明采用回转气压缸来 实现机械手的回转，设计的机械手结构简单，便于操作，在PLC的控制下完成预期的动作，能 给学生以直观的印象，达到教学演示的目的。

附图说明

图1：机械手组成方框图。

图2：气压驱动式四自由度教学仿真机械手示意图。

图3：气压驱动式四自由度教学仿真机械手渲染效果图。

图4：双作用气缸内部结构图。

图5：双作用气缸简化图。

图6：机械手气爪的示意图。

图7：机械手气爪的渲染效果图。

图8：机械手运动示意图。

图9：机械手伸缩示意图。

图10：机械手伸缩手臂的渲染图。

图11：手臂升降的轴侧图。

图12：手臂升降的渲染图。

图13：回转臂设计的三维示意图。

图14：回转臂设计的渲染效果图。

图15：齿轮齿条式示意图。

图16：气压回路图。

图17：PLC硬件结构示意图。

图18：机械手控制系统流程图。

具体实施方式

为了使本发明专利的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本发明专利进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释 本发明专利，并不用于限定本发明专利。

本发明专利涉及一种气压驱动式四自由度教学仿真机械手设计，本发明主要包括 机械手的总体方案设计、机械手的机械结构设计以及驱动，控制系统设计等，本发明实现了 机械手的手臂四自由度运动：手臂的升降、伸缩和回转、手臂的夹紧，本发明采用回转气压 缸来实现机械手的回转，设计的机械手结构简单，便于操作，在PLC的控制下完成预期的动 作，能给学生以直观的印象，达到教学演示的目的。

进一步的，本发明的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1所示。在PLC程序控制的条件下，采用气压传 动方式，来实现执行机构的相应部件发生规定要求的，有顺序，有运动轨迹，有一定速度和 时间的动作。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，当有动作出现错误的时候或发生故障时即发出报警信号。位置检测装置随时将执 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。

进一步的，气压驱动式四自由度教学仿真机械手示意如图2所示，气压驱动式四自 由度教学仿真机械手渲染效果如图3所示。根据机械原理，机构具有确定运动时所必须给定 的独立运动参数的数目，称为机构自由度，其数目常以F表示。本气压驱动式教学仿真机械 手，具有四个自由度：手臂的伸缩；机身的回转；机身的升降；手爪的张合。

进一步的，双作用气缸内部结构如图4所示，双作用气缸简化图如图5所示，本设计 的机械手主要是由3个大部件和3个气压缸组成：（1）手部，采用一个气爪，通过机构的运动 来实现手爪的张合。（2）臂部，采用直线缸来实现手臂的伸缩。（3）机身，采用一个直线缸和 一个回转缸来实现手臂的升降和回转。

进一步的，机械手气爪的示意如图6所示，机械手气爪的渲染效果如图7所示，由于 本设计所采用标准气爪，不需要进行设计，直接选型即可，选择标准支点开闭型气爪。

进一步的，在本气压机械手中，直线和旋转模块均可采用气缸驱动，气动机械手所 能执行的运动示意如图8所示。根据机械手的运动功能，可以将机械手手臂的设计分为三大 部分：伸缩手臂的设计，实现机械手的水平伸缩运动；升降手臂的设计，完成机械手的竖直 升降运动；回转臂的设计，完成机械手的回转运动。

进一步的，机械手伸缩示意如图9所示，机械手伸缩手臂的渲染如图10所示，伸缩 手臂为机械手执行水平伸缩运动的机构，它是连接机械手末端执行器和竖直升降手臂的部 件，它的基本作用是完成末端执行器的伸出和缩回运动。伸缩手臂在进行运动时，为防止手 臂沿伸缩方向轴线转动、加大承载能力，以及提高运动精度，必须设有导向装置。伸缩手臂 导向装置需根据伸缩手臂的安装形式、结构及负荷等条件来确定，常用的有单导向杆和双 导向杆。为使设计标准化和简单化，在本设计中，伸缩手臂采用的是新薄型带导杆气缸，该 气缸体积小、轻巧耐横向负载能力强，耐扭矩能力强，不回转精度高，导向杆的轴承课选择 滑动轴承或球轴承，安装方便，二面接管位置可供选择。

进一步的，手臂升降的轴侧如图11所示，手臂升降的渲染如图12所示，是直接支撑 和驱动水平伸缩手臂的部件，实现机械手的竖直升降运动。经查资料，发现已经有导杆机 构的标准气缸，采用这种标准气缸，即可满足设计精度、简化设计结构，又可以节约设计成 本。因此本机械手升降手臂的设计采用的是普通单杆直线伸缩气缸。

进一步的，回转臂设计的三维示意如图13所示，回转臂设计的渲染效果如图14所 示，齿轮齿条式示意如图15所示，回转臂位于机械手结构的最低端，它承担着机械手的全部 重量，因此对于回转臂的承载能力有较高的要求。又由于回转臂要带动整个机械手的转动， 在回转的时候保持其平稳性，按着设计要求，机械手要实现180度范围内的回转运动。在本 设计中的回转臂直接选用摆台（齿轮齿条式）MSQ系列，此类型的回转气缸使用高精度滚珠 轴承。

进一步的，机械手气动回路的设计主要是选用合适的控制阀，通过控制盒调节各 个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运 动方向，并按规定的程序工作，设计的气压回路图，如图16所示。本设计的气动机械手完成 各个运动的气缸只有完全伸出和完全缩回两个状态，选择双电控两位五通换向阀，通过控 制进出口空气流量的大小来控制气缸执行器动力的大小和运动速度。设计中采用PLC控制 机械手实现各种规定的预定动作，既可以简化控制线路，节约成本，又可以提高劳动生产 率。PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，如图 17所示。

进一步的，机械手的动作顺序如下：机械手的初始位置是缩进、下降、右旋均到底 部，机械手成放松状态。当按下启动按钮后，机械手手臂开始上升，上升到顶端，碰到限位开 关，上升动作停止，机械手手臂开始伸出，伸出到底碰到限位开关，伸出动作停止，机械手开 始向左旋转到底，碰到限位开关，旋转动作停止，机械手开始执行夹紧动作，碰到限位开关， 夹紧动作停止，机械手开始执行向右旋转，右旋到底，碰到限位开关，右旋动作停止，机械手 开始缩回，缩回碰到限位开关，缩回动作停止，机械手执行下降动作，下降到底，碰到限位开 关，机械手停止下降动作，机械手放松，此时回到初始位置，一个周期动作完成，根据机械手 的动作顺序。机械手控制系统流程图如图18所示。

以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本 发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利 的保护范围之内。