机械手设计范文

导语：如何才能写好一篇机械手设计，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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Abstract： The hydraumatic manipulator mainly takes hydraulic manipulator as the media， and uses the liquid pressure to drive the movement of the actuator. Its main features are： First， it can realize the automation of circulation work and automatic overload protection. Then， the control is simple， convenient and effort. Finally， the non-clearance transmission can be better achieved in this way， and the operation is more smooth and steady.

关键词：液压；机械手；控制

Key words： hydraumatic；manipulator；control

中图分类号：TP241 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）01-0145-02

0 引言

机械手是模仿人手的部分动作，按给定程序、执行轨迹、实现自动抓举或搬运的自动化机械装置。产品机械手价格昂贵，一些小型机械企业望而止步。文中所研究的机械手采用液压驱动方式，主要功能是实现上下料过程的自动化。其造价低廉、控制性好，可为小型机械行业所用。现将设计过程简单介绍。

1 机械手的技术参数

①自由度（四个自由度）

臂转动 180°

臂上下运动 175mm

臂伸长（收缩） 400mm

手部转动 ±90°

②手指握力 392N

③驱动方式 液压驱动

2 主要设计内容

2.1 结构原理设计 根据设计要求绘制出其机械手结构原理图，如图1所示。

2.2 系统结构分析 本次液压机械手的设计主要是由执行机构，驱动装置，被抓取工件等部分组成，各系统之间的相互关系如图2所示。

2.3 机械手机械系统结构设计 机械手的机械结构部分主要是由执行机构构成的，其中执行机构又包括末端操作器、手腕、手臂和机身。

2.3.1 末端操作器

机械手为了进行作业，在手腕上装上了操作机构被定义为末端操作器。它的最为基本作用是：直接抓取工件、工具或物体等，末端操作器的功能与人手相似，工件的形状和特征直接决定末端操作器的机构形式。本次设计手部的结构选择为滑槽杠杆式夹钳。

2.3.2 手腕

机器手的手腕是连接手部和手臂的桥梁，其主要用途是调节、改变工件的坐标，因此具有相对独立的自由度，从而使机器人的手部能够完成各种复杂的动作。一般，按照自由度分类，手腕可以设计为三个自由度。分别为：单自由度、二自由度和三自由度。本次设计中选用的是单自由度手腕。

2.3.3 手臂

手臂是机械手执行机构的尤为重要组成部件。手臂根据它的运动方式可以分成四种类型，它们分别是“直线运动、回转运动、俯仰运动和复合运动。此次设计选用的是直线运动、回转运动的复合运动。

2.3.4 机身

机械手的最基础的部分是机身，它的主要作用是连接、支撑。所以机械手主要承受动力装置、液压装置的重量。

通过Pro/E软件完成机械手的三维造型如图3所示。

2.4 液压驱动系统总体设计 机械手液压系统原理图如图4所示。

3 结束语

四自由度液压机械手系统运转平稳，能准确完成上下料工作，机械密封可靠，说明液压回路的设计及液压元器件的选择满足产品使用的需求。最为重要的是整套设备的制作费用在五千元左右，与产品工业机器手数万元的价格相比，很大程度上满足了小型机械企业向自动化、智能化发展的需求，可为同类产品的设计提供经验。

参考文献：

[1]康立新，马建华.工业机械手的设计[R].工程技术.

[2]谢明广，孔祥战，何宸光.机器人概述[M].哈尔滨：哈尔滨大学出版社，2013.

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关键词：8051；单片机；机械手；工件搬运

中图分类号：TP391.41；TP241 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 12-0000-01

机械手是自动化生产中常见的一种控制对象。它能模仿人的手、臂，抓、搬物件。虽不能完全取代人手，但在重复频率高、劳动强度大、危险性高的环境下显示出一定优势。机械手主要有执行机构（手部）、运动机构和控制系统三部分。手部主要用来抓持工件；运动机构主要带动手部实现全方位运动；控制系统则通过对机械手电机的控制，来完成特定动作。

目前企业用的机械手多用PLC和低压电器实现，此方法控制简单，可靠性高，但成本高，本系统采用8051单片机为控制核心，辅以低压电器限位开关实现保护，在保证可靠性的前提下，大大降低了成本，并且便于实现无工件检测、自动计数、遥控和实时检测，应用前景广阔。

一、控制系统功能

如图1所示是一台工件搬运机械手的动作示意图，其功能是将工件从A点搬运到B点。机械手的升降和左右运动分别由两个步进电机驱动链条来实现，其中上下移动对应电机1，左右移动对应电机2。单片机合理控制电机的正反转，而实现机械手的全方位运动，通过记步方式实现机械手的精确定位，并可通过修改记步参数修订移位距离。为防止系统死机，还设有上下左右4个限位开关X1、X2和X3、X4，实现撞车保护。机械手的夹紧、松开动作由电磁铁实现，线圈断电夹住工件，线圈通电，松开工件，以防止电源停电时工件跌落。电磁铁线圈的通断电由5V继电器控制，实现电压转换。机械手最上面、最左边且距离上面和左面限位开关一个小间隙的位置为初始原点，而且通过设置可以重新定位原点，以适应不同工序的要求。本系统除工件的自搬运控制外，还可实现手动控制、零点设定和越位报警等。如图1所示，把工作方式开关拨到原点位置，机械手会自动回到设定零点位置待命；拨到自动位置，机械手自动完成工件的搬运工序，并循环运行；拨到手动位置，可通过按键控制机械手的各种动作。

图1 工件搬运机械手动作示意图

图2 系统总体设计流程图

二、软件设计

（一）总体设计

本系统包括回原点模式，手动模式和自动搬运三种工作方式，如图2所示。把模式开关拨到原点位置，K9接通，执行回原点程序，机械手自动回到原点位置。把模式开关拨到手动位置，则K8接通，执行手动控制程序，此时可通过K1-K6键手动控制机械手，此模式下，若按K10键，则以机械手此时的坐标重新设定原点。把模式开关拨到自动位置，则K7接通，此时执行自动搬运程序，机械手自动把工件从A点搬运到B点，循环往复。模式转换时，系统自动记忆机械手当前的坐标和运动状态，以便在另一个模式下能连续运行。

（二）回原点功能

初始状态以最左边和最上边位置为原点。此过程中以步进电机的步为计量单位精确定位，以满足工序的误差要求。K9按下，单片机控制电机将机械手定位到设定原点，无需人工值守，且原点可在允许范围内随意设定，以满足不同工件、不同工序的要求，大大提高了本设计的灵活性。

（三）手动操作功能

K8按下，激活手动控制程序，此时点按K1-K6键可实现机械手的点动运行，其行程大小可通过程序设定，以实现不同场合的需要，长按键则实现机械手的连续运行。此时按K10键重新设定原点。

（四）自动运行功能

K7按下，系统进入自动运行模式。此时系统会自动检测机械手的位置和状态，若机械手不在原点或有工件被夹持，则系统首先执行回原点程序，并释放工件；否则直接执行自动运行程序。在程序的控制下，机械手首先下降到工件位置，电磁铁断电，将工件夹起；然后重新上升返回到原点位置，垂直方向偏移量清零；此时水平电机启动，将机械手带到最右侧；然后垂直电机再工作将机械手带动到工件位置，并释放工件；然后连续执行上升、左移代码，机械手重新回到原点，水平和垂直偏移量清零，第一个自动循环结束。只要模式转换开关位置不变，机械手便会循环往复执行此循环动作。

三、结束语

本文采用89C52单片机作为控制核心，在C程序的控制下通过驱动电路和限位开关实现对步进电机的控制，从而实现机械手在多种工作模式下的精确运动和操作，为防止机械手的越位运动，本系统中还设置了硬件限位开关和报警功能，不但保证了系统的精度和灵活性，而且大大提高了系统的稳定性和可靠性，从而提高了企业生产的工作效率，具有广阔的应用前景。

参考文献：

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关键词：搬运机械手；电气一体化；定位控制

中图分类号：TP241 文献标识码：A

0.引言

随着制造业的快速发展，机械手成为当今时代的标志，有效改善劳动条件，保障人身安全。当前，机械手可以精确执行预先编写的程序命令，实现预计动作，被广泛应用于机床、模具锻造或者点焊、喷漆工艺方面。本文基于完成生产线之间物品运输设计的机械手系统，能够完成手臂上下伸缩、手臂左右摆动以及手指抓握3个动作；采用集成传输模式，即手臂机构采用伺服电机驱动，手爪机构则采用气压传动。

1.硬件结构设计

1.1 伺服电机选择

电机选择方面，本课题选用交流伺服电机，因为随着电机调速方法的不断研究，目前能够将电机调速范围与成本降低到宽调速直流电机。同时，交流伺服电机拥有较高的可靠性和控制性，因此目前能够得到广泛应用。而直流伺服电机内部存在电刷和换向器因素，导致电机工作可靠性降低，提高后期运行成本；交流异步电动机虽然没有电刷磨损，结构简单，成本较低，但应用时对其调速十分烦琐，成本相对较高，不经济适用。考虑到电机后期维护方便，本课题的升降电机与旋转电机都选用交流伺服电机PanasonicMDMA152P1U型号，便于后期保养维修，采用的驱动器为MDDDT5540型号。

1.2 气缸和阀门的选择

本机械手驱动系统运动速度由气流调节阀控制，运动方向由电磁阀控制。目前，气体驱动系统凭借其价格低廉等优点在工业中得到广泛应用。同时气动夹持器由于气体的可压缩性，在捕获过程中具有一定的灵活性，不会由于力度过大导致被抓取物破坏。根据指尖距离及手爪夹紧力，夹紧装置选择一个具有可调缓冲装置的双作用气缸，并设有夹紧装置和压力传感器。气缸本身配有两个一位单通阀门，本设计为了能够保证气缸在断气状态下保持气缸内部的压力，所以根据经验选用SMC公司的VZ110气开阀。

1.3 传感器的选择

传感器的功能是将被测物的物理量转变成由控制系统可以识别的电信号。实时检测系统本身以及工作对象、工作环境的状况，为控制系统提供有效精准的电信号。本课题研究的机械手，位置检测装置主要用来判断机械手执行左旋/右旋，上升/下降等动作时是否到位，通常选择行程开关，并将其安装在预先设定的位置。本机械手选用直线接触式行程开关，当行程开关检测到机械手运动到预定位置时，立即终止当前动作，准备运行下一动作。

2.机械手动作的实现过程

机械手的工作均由伺服电机驱动螺纹丝杆旋转和电机自转来完成。本机械手的一个工作周期要完成手臂下降―工件加紧―手臂上升―右旋―手臂再下降―松开工件―手臂在上升―左旋8个动作，全部由对应的限位开关来控制，系统原始位置设置在原点，当按下开始命令时，机械手会立即有序的执行预订相应动作。为确保人身安全，机械手安装了一个光电开关，当机械手右旋到预定位置时，必须检测到右工作台上没有工件时才能执行下降动作。另外，机械手能够实现自锁功能，在系统断电断气情况下保持机械手姿势。本文研究的机械手系统工作方式一共有手动操作，半自动操作，自动操作3种模式，当系统上电后机械手首先初始化，然后进行选择相应的工作方式。

3.控制系统的设计

控制系统是机械手设计的重要组成部分，是保证机械手在工作过程中安全可靠的关键。实时控制着机械手的每一个作业动作，控制系统的稳定性以及可靠性的好坏直接决定了机械手工作过程的效率，起着不可低估作用。

3.1 PLC的选用

本文机械手的控制系统根据经验选用“CPU226AC/24输入/16输出”型PLC，另外，由于系统I/O端的分组情况及隔离与接地的需求，需要增加10%～20%的裕量，配置了两个EM253位控模块和一个EM22324VDC数字组合8输入/8输出的扩展模块。本文设计的控制系统，控制面板上操作按钮的输入端应该接入PLC输入口的I0.0-I1.5，系统的行程开关接入I1.6-I2.3，料架上的两个光电传感器应该接入I2.4、I2.5输入口，伺服驱动器的报警端接入I2.6、I2.7接口，伺服电机定位完成后发出的信号接入I3.0、I3.1。其次，PLCQ0.0-Q0.6输出端连接系统信号指示灯，Q0.7-Q1.4端连接外部信号，实时检测机械手状态，Q1.5-Q1.7端连接驱动器，为电机提供电源，Q2.0-Q2.3端连接定位模块，主要控制电机的运转，Q2.4-Q2.5端连接气缸控制阀，调节气缸的伸缩。

3.2 控制模块设计

本文中，控制系统主要由PLC主控单元、I/O模块和EM253位核心控制器构成，机械手的抓放动作由选用的气缸驱动，其余动作由选用的伺服电机驱动，同时电机配有驱动器，由位控模块接收脉冲输入。结构上，系统配有极限行程开关，每个部件的极限运动由脉冲来限位。主控单元采用单独封装，设计为模块式结构，安装在相应的支架上，主要包括PLC模块、触摸终端、I/O模块和两个位控模块，通过PLC专用电缆进行相互通信。位控模块采用的是PLC特殊模块EM253，因为可以运用其产生的脉冲串对电机速度何位置进行开环控制，产生的脉冲串存储在S7-200相应的存储区中，通过扩展的I/O总线与S7-200进行通信。

3.3 控制面板的设计

本文所设计的机械手根据实际应用所需设置以下控制按钮。（1）工作模式选择开关：当正常生产时将机械手调到自动模式，机械手会自动运行。当机械手出现故障或者出现报警时可以将机械手调到手动模式，机械手可通过点动调整。（2）电源开关：当机械手系统准备工作时，必须将电源拨至ON位置，给系统设施供电，其中触摸终端由PLC进行供电。当机械手系统停止工作时，必须将电源拨至OFF位置，切断一切设施供电，保证系统及人身安全。（3）急停按钮：当机械手系统在运行过程中，出现突况例如搬运不够稳定、下放物品不到位、超过了极限位置以及没有抓取成功目标物等等发生时，迫使机械臂系统停止工作，此时仅需按下急停按钮，则可立即使机械手停止工作，有效避免事故的发生和经济损失。（4）机械手上升、下降、左旋、右旋、夹紧、松开按钮：这些按钮通常在调试或者排除系统故障时对机械手进行单步操作时使用，属于手动操作。（5）复位按钮：当需要将机械手系统自动恢复到初始位置的情况时，需要按此按钮实现相应复位功能。（6）启动按钮：当机械手系统完成上电，工作模式等一系列前期准备工作之后，按下此按钮系统就会自动完成预设搬运动作。（7）测试灯/报警按钮：机械手系统安装结束后，要对机械手的作业稳定性进行试验。此时，试灯/报警清除按钮对电路上所有的工作指示灯做检测，保证正式运行时的安全。另外，当机械手系y出现报警时，我们对系统进行故障维修后，必须按此按钮消除报警，使系统进行正常作业。

结语

本文对机械手驱动系统、控制系统方面进行认真细致地研究，能够对生产线上有无工件进行精准判断，降低了工作劳动强度，提高了企业生产效率，对自动化生产线的柔性制造方面和工作效率方面起到了不可估量的作用。

参考文献

[1]蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略[J].机器人技术与应用，2001，76（4）：11-16.

[2]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[3]朱春波.PLC控制的气动上下料机械手[J].液压气动与密封，1999：21-24.

[4]郭艳萍.基于PLC的工业机械手控制系统[J].仪表技术与传感器，2007，9（9）：31-32.

[5]李长军.西门子S7-200PLC应用实例解说[M].北京：电子工业出版社，2011.

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【关键词】机械手;液压系统;设计

1.机械手结构分析

本文所研究的搬运机械手具有四个自由度，分别为手腕的旋转运动，手臂的伸缩运动、旋转运动和升降运动，坐标形式为圆柱坐标，采用液压驱动控制方式，其结构示意图如图1所示。

图1 机械手结构示意图

2.机械手关键液压回路分析

在驱动机械手运动过程中，其中夹紧放松动作，旋转动作和伸缩动作是主要的动作，这里对这些动作的回路进行分析。

（1）夹紧回路

夹紧回路采用的是O型三位四通换向阀来进行锁定，如图2所示。

1―三位四通换向阀 2―调速阀 3―二位三通换向阀

图2 夹紧回路

（2）旋转回路

对于机械手的旋转动作，采用了液压马达实现，原理如图3所示。

1―二位二通换向阀 2―调速阀 3―三位四通换向阀 4―液压马达

图3 旋转回路

3.液压系统设计

液压系统作为搬运机械手的重要驱动方式，主要 用来使机械手完成工作夹/松、手部摆动、手臂水平位 移和垂直升降等动作，主要由油缸、油泵、油压马达和各种阀组成。

系统主要技术参数如下：

抓重：20kg

自由度：4

坐标形式：圆柱坐标

最大工作半径：1500mm

手臂最大中心高度：700mm

手臂运动参数：

伸缩行程：700mm

伸缩速度：400mm/s

升降行程：300m m

升降速度：50mm/s

回转范围：0°―180°

回转速度：70°/s

手腕运动参数：

回转范围：0°―180°

回转速度：9 0°/s

手指夹持范围：∮30mm―∮60mm

手指握力：500N

根据系统的工作要求和特点，拟定的四自由度搬运机械手液压系统原理图如图4所示。

4.液压系统硬件设计

（1）液压泵的选择

泵的工作压力的确定：泵的工作压力可按缸的工作压力加上管路和元件的压力损失来确定。采用调速阀调速，初算时可取。考虑背压，现取。泵的工作压力初定为：

式中：p――液压缸的工作压力;――系统的压力损失。

泵的流量的确定：由于液压缸采用的是差动连接方式，而有杆腔有效面积大于活塞面积，故在速度相同的情况下，快退所需的流量大于快进的流量，故按快退考虑。已知快退时所需要的流量，故快退时泵应供油量为：

式中，K为系统的泄露系数，一般取K=1.1～1.3，此处取1.1。

根据组合机床的具体情况，从产品样本中选用YB-4/10型双联叶片泵。其最大提供的流量为：

故所选泵符合系统要求。

（2）选择阀类元件

各类阀可按通过该阀的最大流量和实际工作压力选取。如表1所示：

表1 液压阀的选型

序号 元件名称 型号 规格

1 溢流阀 YF-B32H 21MPa，250L/min

2 调速阀 Q-H10 32MPa，40L/min

3 单向阀 I-25B 6.3MPa、25L/min

4 二位二通电磁阀 22E1-10B 6.3MPa、l0L/min

5 三位四通电磁阀 34E1-25B 6.3MPa、25L/min

6 调速阀 Q-H20 32MPa，100L/min

7 单向阀 DF―B10K1 35MPa，30L/min

8 二位二通电磁阀 22E1-10B 6.3MPa、l0L/min

9 三位四通电磁阀 34E1-25B 6.3MPa、25L/min

10 调速阀 Q-H32 32MPa，100L/min

11 单向阀 DF―B10K1 35MPa，30L/min

12 二位三通电磁阀 23E1-25B 6.3MPa、25L/min

13 三位四通电磁阀 34E1-25B 6.3MPa、25L/min

14 调速阀 Q-H32 32MPa，100L/min

15 单向阀 DF―B10K1 35MPa，30L/min

16 二位三通电磁阀 23E1-25B 6.3MPa、25L/min

17 三位四通电磁阀 34E1-25B 6.3MPa、25L/min

（3）电机的确定

快进快退时所需的功率比工进时的功率要大，所以选取电机功率的时候用快进快退的功率做为选取依据。系统的压力为4MPa，流量为14L/min，其功率为：

故选取电机功率为1.5kw的电机。

本文主要对四自由度机械手的液压系统进行了设计，实现机械手的前进，后退，升降和回转功能，并对系统的主要元件进行了设计和选型。根据仿真软件进行试验，系统能运行稳定够满足需要，可试用推广。

参考文献

[1]张宏友.液压与气动技术[M].大连：大连理工大学出版社，2009.

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一、数控机床上下机械手的发展与动态情况

经过调查研究发现，我国目前数控机床上下机械手的研究和发展较为突出，它的动态特征也相对明显。一是，模块化与可重构化成为了动态发展的基础；二是，PC机的开放型控制器变为了上下料机械手体系发展的主要方向，网络化和标准化态势异常突出。器件的集成度不断强化，设计出的架构也更加灵巧，系统安全性和可靠性更为有效；三是，机械手中的传感器发挥了巨大的优势，位置传感器和速度传感器得到了进一步应用，视觉、触觉传感器的加入使用，更是将上下料机械手推向了更为先进的方向；最后，以焊接和装配为代表的机械产品也走向了模块化方向，其仿真效果和动态特征异常突出。

二、上下机械手手爪架构的流程设计

数控机床上下机械手的样式多样，类型丰富，在操作过程中对作业和装置的要求严格，根据不同的操作需求，机械手的选择也不尽相同。最常见的机械手是测量式手爪、搬用式手爪以及加工式手爪，它们的差异明显，作用不同。机械式手爪设计流程必须符合要求，遵循具体原则实施施工，根据其运转和作用的内容进行相关设计和开发。为了避免它与万能手爪方式存在矛盾，还要将工业应用作为设计的基础，将重点放在机械手设计过程中，实现和健全它的工作职能，考虑设计流程的经济效益。另外，机械手爪架构还必须具备通用特征，能够使用有限数量的手爪适应不同要求的机械手，在末端执行器开展工作的时候，还应该配置一个标准的机械接口，保证执行过程的标准化特征。所谓搬用式手爪，即为多种类型的夹持装置，其主要用于对物体的搬用和抓取；加工式手爪，即为附有焊枪、铣刀等工具的机械手附加设备，其主要用于对作业的加工。在对上下料机械手进行设计的过程中，一定要首先分辨用途，然后在结合实际设计流程，突出其使用效率。

三、上下料机械手设计方案的实际运转

数控机床上下料机械手设计流程完善规范后，还要确保其实际运行的科学性。由于机械手手臂基本上都为直线式，它的刚度又较大，在运动过程中势必会对稳定性和安全性具有更高的要求。因此，在实际运转过程中，一定要选用液压驱动的方式，根据液压缸表现出的直接性驱动特征，突出它的执行作用，降低控制难度，并使用计算机实施管理控制。在此基础上，机械手手臂在具体运转过程中还具有自身的控制要求，结构设计不用过多关注长度，仅仅依赖加大液压缸的直径来提高其刚度，那么势必无法满足系统需要，设计问题也会暴露。针对这样的现象，在具体设计过程中，要添加导杆机构在设计之中，在小臂上安装导杆两个，并使它们与活塞杆组成一个三角形，通过三角形的稳定性提高小臂的刚度性能。在大臂上则安置四个导杆，构成一个四边形，并且保证每个导杆都为空心样式，进而最大限度的降低大臂重量，做好机械手设计流程的应用，发挥其技术能力。

四、机械手的主要优势和运用

数控机床上下料机械手的作用和优势明显，它的作用突出，具备较好的特征。另外，机械手的实施方案具有速度快、工作效率高等优势，它的负载能力强，移位的精准性好，故障出现的频率势必会大大减小，其优势作用相当明显。例如，机械手在DK050机床上的成功应用就是一个显著的案例，也是数控机床柔性输送方面的一个巨大的创新内容。在未来的发展过程中，它势必会得到更加完善的运用，机械手的开发和使用也将得到前所未有的发挥，为广大使用者提供更加便捷的服务，减少施工时间，扩大经济效益。

五、结语

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关键词：PLC控制；工业机械手；设计研究

前言

工业生产领域中，很多工业操作靠人工是无法完成的，并且，一些操作具有较大的危害性，因此，要想实现工业生产目标，保证工人施工安全，工业机械手得到了较为广泛的应用。工业机械手可以进行一些高温、有毒环境下的工业生产，极大程度上保证了工人安全，同时也在很大程度上减缓了工人的劳动强度。基于PLC的气动抓取式工业机械手设计，将注重相关程序的具体应用，注重把握机械手设计的灵活性和自动性特征，通过一系列编程控制，更好地实现机械手的实际效用。PLC气动抓取式机械手，具有较高的可靠性，并且编程简单、功能强大，延伸和扩大了人的手足和大脑功能，更加广泛地应用于工业生产中。

1 气动抓取式工业机械手的构成分析

基于PLC的气动抓取式工业机械手设计，需要具有较高的灵活性和自动化发展特征，能够根据相应的程序设计，满足实际生产需要。因此，在进行设计过程中，气动抓取式工业机械手应包含以下几部分：执行机构：执行机构是气动抓取式工业机械手的重要组成部分，包括了手部、手腕、手臂和立柱等部件，是机械手完成生产目的的关键部分；气动驱动系统：气动驱动系统是指挥机械手完成工业生产的重要部分，利用气体压力进行驱动，使机械手完成任务；控制系统：控制系统相当于机械手的大脑，对机械手执行任务进行指令下达。一般来说，气动抓取式工业机械手的控制系统，主要以PLC自动化工业控制系统为主；相关检测装置：检测装置是进行位置调节的装置，通过检测装置可以更好地确定抓取目标，为实现抓取目的提供依据。机械手的构成，以PLC控制系统进行指令下达，之后由气动驱动系统进行机械能传输，使执行机构能够进行实际行动，并且根据位置检测装置，进行目标操作[1]。

2 基于PLC的气动抓取式工业机械手设计研究

2.1 设计要点

基于PLC的气动抓取式工业机械手在设计过程中，要注重机械手的抓取性能，在实际工作中，能够实现快、准、狠的工作效果。机械手设计过程中，手臂的运行方式有所不同，在进行手臂设计时，需要考虑到生产的实际情况，使机械手设计能够与生产实际状况符合。关于PLC气动抓取式工业机械手设计，要把握以下几点：第一，机械手臂设计时，坐标可分为直角坐标式、球坐标式、关节式等方式。第二，手臂的升降、收缩和回转运动要保证灵活性，能够较好地适应生产和抓取情况。第三，手臂的上下升降、左右旋转、上下摆动动作要具有较好的灵活性。第四，手臂要保证五个自由度，符合抓取需要。

2.2 设计方案

文章对基于PLC的气动抓取式工业机械手的设计研究，将从手指、手腕、手臂、三个方面进行。

手指设计分析：机械手在设计过程中，要具有较好的通用性能，能够进行有效的更换，以实现设计的效率性和多用性。手指在设计过程中，主要以气动抓取方式为主。气动机械手是用压缩空气为动力源的机械手。其特点是方便、输出力小、气动迅速。但是由于空气的可压缩性使其运送过程不稳定，抓取力控制在三十公斤以下。手指设计时，要有足够的握力并且手指间具有对应的开闭角，能够对工件进行准确定位。

手腕设计分析：手腕设计时，同样要以生产实际需要为主，手腕要具有较好的灵活性，更好地满足生产需要。设计时，若是抓取的物件是水平放置，则可以设置成为上下摆动的形式即可，若是抓取物件存在一定的复杂性，就需要将手腕设计成“球坐标式”，能够进行有效地活动，从而完成抓取工作[2]。

手臂设计分析：机械手臂在设计过程中，要保证其具有较大的灵活性。手臂是进行抓取工作的重要设计点，其速度关系到了机械手手指的抓取速度，文章对机械手臂的设计参数为最大移动速度为1.0m/s，回转速度为90°/s，移动速度为0.8m/s。手臂设计要具有速度性，它是实现抓取效率的关键部位。

2.3 控制设计

控制设计是基于PLC的气动抓取式机械手设计的难点，具有较大的复杂性，同时，控制设计也关系到了机械手能否发挥真正的作用。在控制设计过程中，需要考虑到机械手的通用性，并且采用点位控制方式，实现精确控制。控制设计时，要注重PLC工业自动化控制系统的应用。关于利用PLC自动化控制系统进行机械手控制的问题，如图1所示[3]。

PLC在实现这一目标时，需要通过程序编制，并且对程序进行执行处理，才能实现。PLC应用于气动抓取式机械手设计时，主要涉及到了以下设备装置：中央处理器、系统存储器、用户存储器、电源、编程器五大部分。这五个部分当中，中央处理器是PLC系统的核心，对气动抓取式机械手进行控制，电源、线路是实现PLC系统进行相关程序操作的关键。同时，编程器、系统存储器、用户存储器之间，需要通过I/O信号输入，才能实现效果。

PLC控制作用发挥时，需要事先有PLC系统进行命令，并且通过总机的数据处理系统，将指令进行传达，实现信号输送。关于PLC的气动抓取式机械手的工作情况，主要如下：机械手位于初始位置，受到控制系统控制，执行系统将推动机械手进行运动。同时，机械手各个主要部位受到执行系统控制，执行系统通过完成主系统下达的任务，进行机械手控制，完成机械手操作任务。基于PLC的气动抓取式工业机械手设计，将更加广泛的应用于自动化生产线。国外很多国家已将其成功的应用于成套的自动化生产设备中。机械手未来的发展，将朝着自动化、智能化、网络化的发展方向迈进，将更好的代替人从事高危险、高危害的工作环境，实现生产管理的智能化和自动化。

3 结束语

综上所述，文章主要分析了基于PLC的气动抓取式机械手的设计原理、设计方案、控制设计三个部分内容，并就气动抓取式机械手的特点进行了分析，实现了气动抓取式机械手的设计。气动抓取式机械手在工业生产过程中起到了重要的辅助作用，在实际设计过程中，必须注重这一点，使机械手设计能够更好地促进工业生产的发展和进步，满足我国现代工业更加自动化、智能化的发展需要。

参考文献

[1]蒋浩.基于PLC的工业机械手运动控制系统设计[D].南京信息工程大学，2012.

[2]张海英.基于PLC的气动吸盘式工业机械手设计[J].液压气动与密封，2013，3：74-76.

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关键词：数控机床; 设计流程;机械行业

随着工业自动化程度的提高，工业现场的很多易燃、易爆等高危及重体力劳动场合必将由机器人所代替。这一方面可以减轻工人的劳动强度，另一方面可以大大提高劳动生产率。例如，目前在我国的许多中小型汽车生产以及轻工业生产中，往往冲压成型这一工序还需要人工上下料，既费时费力，又影响效率。为此，我们把上下料机械手作为我们研究的课题。我国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 机械手的优势和应用

机械手实施方案具有速度快、工作效率高、负载能力强、移位精度高及故障出现频率低等诸多方面的优点。机械手在DK050机床上的成功运用，是数控机床柔性输送方面的一大创新。在今后的数控机床的生产过程中，机械手的开发和运用将会得到前所未有的发挥，同时为广大用户提供了极大地方便，能够产生较大的生产效益和经济效益。

2 机械手手爪架构的设计

机械手手爪的类型较多，其主要用于作业的操作和装置，按照不同的作业方法和操作，可以将手爪分为测量式手爪、加工式手爪及搬用式手爪等。所谓搬用式手爪，即为多种类型的夹持装置，其主要用于对物体的搬用和抓取；加工式手爪，即为附有焊枪、铣刀等工具的机械手附加设备，其主要用于对作业的加工；所谓测量式手爪，即为附有传感器的一种附加设备，其主要用于对作业的检验和测量。在机械手手爪的设计过程中，应当遵循以下几个方面的要求：其一，根据机械手作业的具体要求对机械手手爪进行相应的设计和开发；其二，机械手手爪的专用性和万能型之间存在一定的矛盾。万能手的架构设计比较繁琐，有时还会出现无法实现的现象，以工业的实际应用为出发点，将重点应放在对各类专用的、工作效率较高的机械手的研究和设计上，确保工业机械手的所有工作性能的实现和健全，在这里，我们不赞成通过一个万能手来完成所有工作，应当考虑机械手在设计过程中所发挥的一些经济效益；其三，确保手爪的通用性。所谓机械手爪的通用性，即为通过数量有限的手爪来适应不同要求的机械手，这就给末端执行器提出了一定的要求，即要求其末端配置一个标准的机械接口，保证末端执行器能够标准化运用。

3 控制方式的设计及流程分析

3.1 控制方式和要求。 由于机械手手臂运动为直线运动，且考虑到搬运工件的重量较大(质量达30KG)，以及机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性和较高的刚度要求，因此选择液压驱动方式，通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，因此不用再额外设计执行件，而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。

同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的直径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。

3.2 工艺流程与设计。 机械手的动作有腰座的旋转、垂直手臂的升降、水平手臂的伸缩及手爪的夹紧与松开。手臂垂直升降和水平伸缩由液压实现驱动；手爪的夹紧与放松，通过柱塞缸与齿轮来实现；腰座旋转通过步进电动机与齿轮来实现。实现执行手爪夹紧与放松的柱塞缸，由单线圈的电磁阀(夹紧电磁阀)来控制，当线圈不通电时，柱塞缸不工作，当线圈通电时，柱塞缸工作冲程，手爪张开，柱塞缸工作回程，手爪闭合。当机械手旋转到机床上方，并准备下降进行上下料工作时，为了确保安全，必须在机床停止工作并发出上下料命令时，才允许机械手下降进行作业，同时，从工件料架上抓取工件时，也要先判断料架上有无工件可取。

本设计通过对机械设计制造理论知识及实践进行整合，完成一个特定功能、满足特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平、实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，实现了理论和实践的有机结合。机械手采用可编程序控制器控制，可以实行手动调整、手动及自动控制；系统结构紧凑、工作可靠，设计周期短且造价较低；PLC有较高的灵活性，当机械手工艺流程改变时，只要对I／O点的接线稍作修改，或对I／0重新分配，在控制程序中作简单修改，补充扩展即可。经过重新编制相应的控制程序，就能够比较容易的推广到其他类似的加工情况。

4 结束语

目前，国内外各种机械手和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：机械结构向模块化、可重构化发展；工业机械手控制系统向基于PLC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，结构小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性，而且维修方便；机械手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，还引进了视觉、听觉、接触觉传感器，使其向智能化方向发展；关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机械手产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机械手开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机械手产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。

参考文献

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关键词：PLC控制 气动驱动 工业机械手

在工业生产领域中，工人在工作的时候经常会遇到高温、腐蚀和有毒气体的侵害。这些侵害不仅加大了工人的劳动强度，而且还会危及工人的生命安全。为了减轻工人的劳动强度，保障工人的生命安全，工业机器人由此诞生。

工业机器人执行机构是机械手，它可以模仿人手动作，按照指定的程序和预定的轨迹进行自动抓取和搬运，实现工业现场操作的自动化。机械手按驱动方式可以分为液压式、气动式、电动式和机械式。可编程控制器（PLC）是专门为工业应用设计的利用数字运算操作的电子装置。它具有可靠性高、功能强大、编程简单、人机交互界面友好等特点，广泛应用于工业控制系统中。

笔者设计了一款PLC控制的气动驱动式机械手，实现机械生产过程中的自动上料、下料等装卸任务，从而达到提高工业自动化生产效率的目的。

一、机械手组成

机械手主要由执行机构、气动驱动系统、控制系统以及位置检测装置等所组成。组成如图1所示。

图1 机械手组成控制原理方框图

其中执行机构包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的还增设行走机构。气动驱动系统包括利用气体压力来驱动机械手执行机构的动力装置、调节装置和辅助装置。PLC是控制机械手动作的控制系统。

二、气动机械手设计方案

气动机械手的特点是快、稳、准，要求能够快速、准确地拾放和搬运物件，而且要有足够的空间、灵活的自由度以及任意位置的自动定位等。

1.物理选型：坐标式选择与自由度分析（参见图2）

（a）

（b）

图2 机械手结构示意简图

根据机械手手臂的运行方式不同、组合情况，其坐标可以分为直角坐标式、圆柱坐标式、球坐标式和关节式。对于本次设计的机械手需要实现在上下料时实现手臂的升降、收缩和回转运动，所以采用圆柱坐标。为了弥补升降运动行程比较小的缺点，故增加手臂摆动结构，即增加了一个手臂上下摆动的自由度。这样，手臂有四个自由度，包括手臂的上下升降、左右回转、前后伸缩，上下摆动，若将立柱的横向移动包含在内，手臂有5个自由度；手腕有左右回转和左右摆动两个自由度，手指有开闭运动和上下摆动两个自由度。整个系统共有九个自由度）。

2.结构方案设计

（1）手指。考虑机械手的通用性，故把手指结构设计成可更换性，比如棒料可以用夹持式手部夹取，板料则要用气流负压式吸盘吸取。用1个汽缸控制开闭， 1个电动机控制上下摆动。

（2）手腕。考虑机械手的通用性，且被抓取的工件是水平放置的，手腕设计成回转结构，由2个回转电动机来驱动手腕进行回转运动和左右摆动。

（3）手臂。根据抓取工件的要求，机械手的手臂设有五个自由度，包括手臂的上下升降、左右回转、前后伸缩，上下摆动以及立柱的横向移动。手臂的回转和升降是由立柱来实现的，立柱的横向移动也就是手臂的横移、手臂的各种运动都是由5个汽缸或电动机来驱动实现的。

3.驱动方案设计

机械手的驱动采用气动驱动方式。气压传动系统的反应比较灵敏，动作比较迅速，阻力产生的损失较小，泄漏也比较小，成本低（参见图3）。

图3 气压传动系统工作原理图

气源由空气压缩机（排气压力大于0.4～0.6MPa）通过快换接头进入储气罐，经分水过滤器、调压阀、油雾器，进入并联气路上的电磁阀，以控制机械手动作。

各执行机构调速，凡是能采用排气口节流方式的，都在电磁阀的排气口安装节流阻尼螺钉进行调速，这种方法的特点是结构简单，效果尚好。手臂伸缩汽缸在接近汽缸处安装两个快速排气阀，可以加快启动速度，也可调节全程的速度。升降汽缸采用进气节流的单向节流阀以调节手臂上升速度。由于手臂可自重下降，其速度调节仍采用在电磁阀排气口安装节流阻尼螺钉来完成，气液传送器汽缸侧的排气节流，可用来调整回转液压缓冲器的背压大小。 为简化气路，减少电磁阀的数量，各工作汽缸的缓冲均采用液压缓冲器。这样可以省去电磁阀和切换调节阀或行程节流阀的气路阻尼元件。

4.控制方式选择

为了增强机械手的通用性，同时采用点位控制，我们采用可编程控制器（PLC）来控制机械手的运动（参见图4）。我们只需要改变PLC程序，就可以改变机械手的动作流程，使用起来非常方便。

（1）PLC的结构（参见图5）。PLC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，一般由中央处理器、编程器、系统存储器、用户存储器和电源组成。

中央处理单元（CPU）是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据，检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。

（2）系统输入/输出分布表见表1，电磁阀和系统输出对应表见表2。

（3）电路的总体设计。由于篇幅的关系，笔者仅列出含5个主要自由度（手臂的左右回转、手臂的伸缩、手臂的升降、手指的夹紧、手腕回转）的电路设计，并以此来进行PLC编程，回路设计见图6。

图6 系统实现功能示意图

（4）机械手的程序设计。自动线的输送动作由步进电动机带动实现间隔输送，实现设计要求的输送状况。其工作的过程是：机械手首先处于初始位置，然后经过一系列的动作将断续传送带上的工件拿走，此时传送带上的光电检测开关检测到工件被取走。然后传送带开始转动，当检测到下一个工件时传送带停止转动等待机械手来取工件，只要机械手取走工件，传送带就开始转动，这样设计是为了节省工作时间从而不会出现机械手等待传送带的时间。对程序的要求如下：①首先启动机械手。机械手自动复位，处于初始位置。②在机械手工作前要对其进行设备的检测。即机械手空运行一次，而且机械手的每一个动作都有相应的定时器进行监控，若超出规定的运行时间则认为是设备出现故障。③机械手设有急停按钮（一般情况下是不被允许使用）只有出现紧急情况时才允许按此按钮。按下此按钮将切断储气罐与各汽缸的联系，将被切断各汽缸处于无动力状态。

（5）步进电动机的运行控制。由于对传送带的速度和精度要求不太高，选择三相步进电动机通电方式为三相双三拍，利用PLC中的M8014特殊功能继电器向环形脉冲分配器中发送脉冲，然后经光电转换和功放电路驱动步进电动机。

环形脉冲分配器选择YB01芯片，此芯片为专用三相步进电动机环形脉冲分配器，此芯片工作稳定、性能优良，在实际生产中被广泛应用。

①步数控制。当对射式光电检测开关检测到共建的位置时，此时停止向脉冲分配器中发送脉冲，步进电动机将停在此位置不动。

②手动控制步进电动机。当按下手动启动步进电动机按钮时，M8013即向环形脉冲分配器中发送脉冲，步进电动机开始转动；当按下停止按钮时，步进电动机将停止。

③在报警和暂停状态下，步进电动机也将停止转动。

由此可见，步进电动机控制程序如下：

（6）各模块的程序设计。

①程序初始化。采用中间继电器M8002，中间继电器对系统各部分复位，定义各种标志包括系统初始化标志，系统启动暂停、急停、复位等标志，程序如下：

②定义系统复位标志M0。M0定义为系统初复位标志，它由机械手的右限位开关X0，下限位开关X5，收缩限位开关X3，手腕右转限位开关X10同时激活，程序如下：

③定义系统启动标志M1。M1定义为系统启动标志由启动按钮和M0共同激活，程序如下：

④定义暂停标志M2。M2为暂停标志由暂停按钮激活，程序如下：

⑤定义急停标志M4。M4定义为急停标志，由急停按钮X19激活M4，同时激活特殊功能继电器M574（禁止状态转换），安全阀将储气罐与机械手的联系切断，程序如下：

⑥定义系统复位标志M5。M5定义为系统复位标志，由复位按钮激活，当按下复位按钮系统时将向右转，手腕右转，手臂收回，机械手下降，机械手右转的顺序进行复位。当最后一个动作完成、下限位开关有效时，程序将执行RST M5，程序如下：

⑦机械手自检程序。机械手按照给定的顺序（手抓加紧松开﹑手腕右转左转﹑手臂伸长收缩﹑机械手左转右转）空执行一次，在每一个动作执行的过程中都会有定时器对每个动作进行监控。若超过设定时间（定时器设定的时间都超过每个动作的时间）则认为是机械系统出错，停止当前的动作发出报警信号，程序如下：

⑧自动运行程序。此模式为机械手工作的主要模式，这部分采用具有保持功能的状态组件S500-S899，可以让机械手在断电后再次通电继续执行断电前的动作，程序如下：

三、结语

总之，本次设计的是气动通用机械手。相对于专用机械手，通用机械手的自由度可变，控制程序可调，因此适用面更广。采用气动式驱动，动作快速，能够实现准确定位，自动定位，控制性能好，能够很好地适应各种恶劣的工作环境，不会因环境变化影响传动及控制性能。而且阻力损失和泄漏较小，不会污染环境，同时成本低廉。采用PLC控制，可靠性高、可编程性强，无论是进行时间控制，或是进行行程控制、混合控制，都可通过设定PLC程序来实现，根据机械手的动作顺序修改程序，使机械手的通用性更强，很好地适应了工业控制的要求。

参考文献：

[1]李建国.基于PLC的气动机械手的改装设计[J].液压与气动，2011（8）.

[2]关明，周希伦，马立静，宋蔚.基于PLC的机械手控制系统设计[J].制造业自动化，2012（14）.

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【关键词】综合职业技能；学期项目式教学；气动机械手；机械结构

1.前言

职业教育在中国当前的教育形式中起着重要的作用，但在教学实施过程中，存在对知识掌握单一性的问题。如何提高学生的综合职业技能，是解决当前教学过程中的重要课题。

通过对国际先进职业院校的了解和学习，学期项目式教学是提升学生综合职业技能的最佳方法。因此针对“气动机械手的设计与制造在学期项目式教学中的应用”进行探索和研究。

通过气动机械手的设计与制造在学期项目式教学中让学生从机械设计、CAD、气动设计、数控加工、电气原理图的设计、PCL设计等的应用。其次还锻炼学生组织管理、跨专业团队协作、现场问题的分析与处理、工作效率、安全及文明生产等方面的职业素养。

2.讨论课题

学期开始召集学生讨论课题设计思路、技术路线、实施方案及明确责任和分工。

3.机械结构设计

3.1 具体机械结构设计方案

机械手的传动机构要力求结构紧凑，重量轻，体积小，以提高机械手的运动速度及控制精度。采用气缸提供动力，杠杠机构原理加紧。

3.2 利用UG软件进行机械结构设计

采用UG软件对气动机械手机械部分进行三维实体建模和各零件、部件、机构装配，然后再对各机械关节机构实体模型进行运动仿真。设计效果如图1所示。

4.机械手材料的采购与加工

考虑到机械手要有一定的强度，但又要便于数控加工，所以综合考虑采用铝合金材料。根据零件的设计要求，依据图纸选用数控车床、数控铣床对零件进行数控加工。

5.电气原理图设计

5.1 气压的控制

综合考虑各方面因素，气压必须控制在0.6mpa-0.7 mpa之间。

5.2 确定气压元件

气压执行元件大体分为直线气压缸和旋转气缸，气缸的具体型号见表1。

5.3 拟定气压执行元件运动控制

气压执行元件确定后，其运动速度和运动方向的控制是气压回路的核心问题。

速度控制通过改变气压执行元件输入或输出的流量变化来实现。相应的调速方式有气量调节阀调速；方向控制是用换向阀或是逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的气压系统，通过换向阀的有机组合来实现所要求的动作。

本设计的速度控制主要采用气量调节阀调速，而方向控制采用电磁换向阀来实现。

5.4 系统设计

本气动机械手的电气设计系统如图2所示。

6.PLC控制程序的设计

6.1 气缸工作过程

6.2 电磁阀工作过程

电磁阀控制气缸的先后循序如表3。

6.3 PLC程序编写

机械手控制系统的硬件设计上考虑到机械手工作的稳定性、可靠性以及各种控制元件连接的灵活性和方便性，控制器应选择有极高可靠性、专门面向恶劣的工业环境设计开发的工业控制器---PLC，故选择在国内应用较多的日本三菱PLC。具体型号为FX1NC。其PLC程序如图3。

7.气动机械手的装配与调试

7.1机械部件的安装；7.2气路的安装；7.3电路的安装；7.4 PLC程序的导入；7.5 PLC程序时间控制和气路气量调节。

8.结束语

经过一学期的项目式教学后，组织老师和学生一起讨论研究成果，提出不足及改进之处。通过该项目让学生在专业课、技能的应用及学生职业素养方面的锻炼都有很大的提高。

参考文献：

[1]隋冬杰 谢亚青编著.《机械基础》.复旦大学出版社，2010.

[2]石望远编著.《液压与气动传动》.国防工业出版社， 2009.

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脑卒中是由急性脑血管疾病引起的持续性的大脑神经功能缺损，全球85%的脑卒中患者患有偏瘫症状，患者中中年人居多。脑卒中已经成为造成中国、欧洲、美国及其他许多国家的成年人长期残疾的主要原因，并消耗了大量的社会医疗资源。脑卒中患者可出现多种神经功能缺损症状，其中偏瘫和运动障碍最为常见，而上肢残疾患者的手功能障碍往往临床表现为屈曲挛缩、肌力降低、肌张力异常、手指灵活性降低、肢体麻木、拇指运动范围减小、精确抓捏、侧捏、关节运动协调性降低、力量协调性降低等，也会丧失一部分触觉感知和本体感受功能，失去对运动的反馈感知。有报道显示，超过70%的脑卒中患者在发病初期存在上肢功能障碍，在发病4个月后，仍有超过35%的患者存在手部精细功能下降的情况。康复训练是促进这些患者恢复的主要方法。但是由于传统的康复训练治疗时间很长，并且无论是在发展中国家还是发达国家，都始终缺乏合格的治疗师。因此，替代传统治疗方法的康复训练设备的研发非常有必要。当前的产品主要存在以下方面的不足：第一，目前多数的上肢康复结构无法做到灵活控制，与人体上肢关节运动不匹配；第二，现有的康复机构仅能将手操纵成简单的拳头屈曲，无法重现康治疗师对患者进行的康复训练效果；第三，外骨骼类型的康复机构一般结构庞大，而且由于不便于携带以及对患者不够安全，实际上并不适合残疾人士。本研究的目的是开发一种可用于家庭及康复中心的人机工程机械手臂。与现有的康复设备相比，此设备轻便、成本低、可携带，可为不同程度损伤的患者提供适合手部、腕部和前臂的多种治疗性锻炼。本研究不仅是康复机器人领域的热门话题和前言，而且可以应用于医学临床应用，具有重要的学术价值和工程应用价值。

2人体康复机器人上肢运动学模型

为了缓解和恢复病人的上肢运动，基于人体上肢的关节和运动进行了建模。考虑到康复机械手臂使用者的使用安全，并在进行日常必需的活动（例如进食、抓握、梳洗等）方面提供帮助，对上肢运动解剖范围进行了初步研究，为此康复机械手臂确定了合适的活动范围。本文使用普通人手的基本力学行为来简化设计，此康复机器人可实现的运动如图1所示，包括四个手指屈-伸运动，大拇指屈-伸运动，手腕屈-伸运动，手腕桡-尺偏运动及前臂内翻-旋后。康复机械手臂可实现的运动范围如表1所示。根据典型成年人的关节和活动范围为模型，分析上肢的运动特征，建立了修正的D-H参数表，如表2所示。为了获得D-H参数，在此假设坐标系（即在连续的旋转轴之间映射的链接框架，如图2所示）与关节的旋转轴一致并且具有相同数量的阶数，这些D-H参数用于获得齐次传递矩阵。

3人体康复机器人上肢机械结构

该设计主要有两大部件组成，手臂康复训练部分（图3）和拇指康复训练部分（图4）。手臂部分包括由三个线性执行器操作的连杆机构，以方便手、手腕及前臂的锻炼。使用时，柔软的腕带穿过前臂板1后方的两个槽穿戴在患者前臂上，手掌板5位于患者手背位置，前臂板1通过万向节机构4与手掌板5浮动连接，腕带绕过手指板7上的槽与患者手指相连。手及腕部的锻炼由三个线性执行器控制，以更好地促进康复。拇指康复训练部分由前关节1、后关节3、连杆机构4、直线驱动器5及L型联结组成。后关节上的U型联结2与前关节左右的侧板通过U型联结浮动连接，前后关节组成的拇指部分通过连杆机构4与直线执行器5连接，整个机构可通过L型联结6与其他机构连接。使用时，通过柔软的腕带戴在患者拇指上，机械拇指包括前关节与后关节，通过连杆相连接，并分别与拇指的前指骨、后指骨相接触。机械拇指部分与线性执行器浮动连接，控制拇指在特定范围内的屈-伸运动，实现了拇指的锻炼与训练，以更好地促进患者康复。

4结语