装卸机械手设计研究
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收稿日期 : 2004202216
装卸机械手设计研究
侯沂 , 刘涛
(重庆大学 机械工程学院 , 重庆 400044)
摘 要 : 对生产线上装卸机械手进行设计研究。用机器人机构学理论推导出装卸机械手运动学方程 ; 完成了机械手结
构设计、液压及 PC 控制系统的设计 , 选出了合适的 PC 控制器 , 设计了控制程序 , 满足了生产线的需要。
关键词 : 机械手 ; 液压系统 ; 可编程控制器
中图分类号 : TH122 文献标识码 : A 文章编号 : 1006 - 0316(2004) 06 - 0053 - 03
Study on the load and unload manipulator
HOU Yi , LIU Tao
( College of Machinery and Engineering , Chongqing Univ. Chongqing 400044 , China)
Abstract : This paper study on the load and unload manipulator , the kinematics’equation of manipulator is described with the mecha2
nism theory of robot. We designed the machinery of manipulator , hydraulic pressure system and programmable logic controller system.
Key words : manipulator ; hydraulic pressure system; programmable logic controller
某生产线上装卸工件原由人工完成 , 劳动强
度大、生产效率低。为了提高生产线的工作效
率 , 降低成本 , 使生产线发展成为柔性制造系
统 , 适应现代自动化大生产 , 针对具体生产工
艺 , 利用机器人技术 , 设计用一台装卸机械手代
替人工工作。机械手采用圆柱坐标方案 , 设计方
案结构简图见图 1。
图 1 机械手结构简图
该机械手有 4 个自由度 , 手动作顺序是 : 手
臂伸出 →手指闭合 →机身上升 →手臂缩回 →手臂
旋转 →手腕旋转 →机身下降 →手臂伸出 →手指张
开 →手臂缩回 →手腕反转 →手臂反转 →停机待
料。本文介绍了机械手的结构设计、液压及控制
系统的设计 , 设计出机械手的 PC (可编程控制)
控制系统 , 满足了生产线的需要。
1 总体方案
111 装卸机械手模型
根据图 1 的结构简图 , 将其视为具有 4 个连
杆的机器人操作手系统 , 除手指加紧动作外 , 运
动是由两个直线运动和两个回转运动组成 , 即机
身的垂直上升、回转 , 手臂水平伸出和手腕的回
转。采用 Denavit - Hartenberg 机器人运动学表示
法建立坐标 , 建立运动学方程。装卸机械手属于
平面关节机器人 , 4 个连杆坐标系如图 2 所示。
相应的连杆参数列于表 1 , 表中 d1 、θ2 、d3 、θ4
为关节变量。
图 2 机械手连杆 D - H 坐标系
表 1 装卸机械手连杆 D - H 坐标参数
i ai - 1 αi - 1 di θi
1 0 0 d1 0
2 0 0 0 θ2
3 0 90° d3 0
4 0 0 0 θ4
设与装卸机械手机座相固连的坐标系统
O0 X0 Y0 Z0 为参考坐标系 , 每个连杆上固接一个
坐标系统 , 即为动坐标系 , 从而根据 D - H 方程
和表 1 连杆参数 , 写出相应的连杆变换矩阵 , 记
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为 i - 1 T , 如下所示 :
0
1 T =
1 0 0 0
0 1 0 0
0 0 1 d1
0 0 0 1
(1)
1
2 T =
cθ2 - sθ2 0 0
sθ2 cθ2 0 0
0 0 1 0
0 0 0 1
(2)
2
3 T =
1 0 0 0
0 0 - 1 - d3
0 1 0 0
0 0 0 1
(3)
3
4 T =
cθ4 - sθ4 0 0
sθ4 cθ4 0 0
0 0 1 0
0 0 0 1
(4)
112 装卸机械手运动学方程
将各连杆变换矩阵式 (1) 式 (2) 式 (3)
式 (4) 相乘 , 得到装卸机械手末端执行器的位
姿方程 :
0
4 T = 0
1 T 1
2 T 2
3 T 3
4 T
=
cθ2 cθ4 - cθ2 sθ4 sθ2 d3 sθ2
sθ2 cθ4 - sθ2 sθ4 - cθ2 - d3 cθ2
sθ4 cθ4 0 d1
0 0 0 1
(5)
式 (5) 为装卸机械手运动学方程 , 它表示
手末端位姿与关节变量 d1 、θ2 、d3 、θ4 之间的
关系。根据各关节位置传感器的输出 , 得到各关
节变量的值 , 即可得到手末端的位姿。为校核0
4 T
方程的正确性 , 将 d1 = d1 、θ2 = 90°、d3 = d3 、
θ4 = 90°代入式 (5) , 计算结果为 :
0
4 T =
0 0 0 d3
0 - 1 0 0
1 0 0 d1
0 0 0 1
与图 2 的位姿完全一致。在控制系统设计
中 , 我们只要控制 4 个关节变量 , 就可以准确地
确定手的位置和姿态。
2 装卸机械手结构设计
211 结构
装卸机械手结构如图 3 所示。由于夹持工件
有近 15kg , 所以机械手采用液压为动力 , PC 程
序控制。机身为液压油缸 , 结构简单且刚性好 ,
升降行程为 305mm; 机身回转采用叶片回转油
缸 , 回转范围 0～210°; 手臂的伸缩和手腕回转
仍然采用直线油缸和回转叶片缸 , 伸缩行程小于
750mm , 回转范围 0～180°。手部夹持工件范围
Φ65～Φ80mm。油缸是手臂、手腕及机座的主体。
各油缸即有自身的运动 , 又有空间中的相对运
动 , 既作为传递运动的执行机构 , 又作为支承机
构。机械手和液压驱动系统及油箱安装在一个底
板上 , 便于在生产线上定位安装。
图 3 装卸机械手结构图
212 液压系统
按照生产线工艺 , 可知装卸机械手主要有 :
机身伸降和回转、手臂伸缩、手腕回转、手指夹
紧等动作。设计相应的几个液压控制回路来实
现 , 液压系统采用 O 型电磁换向阀换向、单向调
速阀调速及采用限位器来协调机械部分和控制部
分的工作。采用双联油泵供油 , 既能实现分步运
动又能满足需要大流量时的合流。
3 控制系统设计
机械手各部分动作均由液压驱动 , 机身上升
和下降、手臂伸出和缩回、回转均由双线圈双位
电磁阀控制。即 : 当伸出时 , 伸出方向的电磁阀
通电 , 机械手伸出 ; 若断电时 , 机械手停止伸
出 , 只有当回缩电磁阀通电时 , 机械手才回缩。
而手指夹紧和定位都是使用的单线圈双位电磁阀
来控制 , 当线圈通电时 , 手指夹紧 ; 断电时则松
开。机械手的下降、上升、旋转等动作的转换 ,
由相应的限位开关来控制 ; 而夹紧、放松两个动
作的转换是由时间延迟来控制。(下转第 58 页)
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(3) 非线性控制技术、神经网络技术、自适
应逆控制技术等在主动噪声控制技术中的应用将
成为新的重要的研究方向和工程应用的突破点。
(4) 在对噪声”治标”的同时 , 还应积极探
索”治本”的途径 , 从以末端治理为主 , 逐步转
到从噪声的源头开始控制。
尽管目前 ANC 技术还未能充分地应用到实
际工程中 , 它的理论还有待进一步发展。然而 ,
它所具有的优势预示着这一高新技术产业的美好
前景 , ANC 技术必将在未来的噪声控制技术中发
挥重要的作用。
参考文献 :
[1] 常振臣 , 王登峰 , 周淑辉等. 车内噪声控制技术研究现状
及展望 , 吉林大学学报 , 2002 , 32 (4) : 86 - 911
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and car engine noises afteractive noise contro. Journal of Sound and Vi2
bration , vol265 (3) : 663 - 679120031
(上接第 54 页)
由上分析可知 , 机械手动作是属于步进型的 , 控
制输入量是开关量 , 因此采用 PC 控制器控制。设
计两种控制方式 : 一是手动控制、二是自动控
制。自动工作方式又分为单步、单周期和连续工
作方式。为了保证安全 , 机械手转动后 , 只有在
工装内没有零件的情况下才能伸出将工件放下 ,
若还有工件 , 则机械手应自动暂停等待。为此 ,
设置了一只光电开关 , 以检测 “无工件”的信
号。
PC 的输入位置检测信号有下限 (下降限) 、
上限 (上升限) 、缩回限、伸出限、手臂正转限、
手臂反转限、手腕正转限、手腕反转限 , 总共需
要 8 个输入端子 ; “无工件”的检测信号 , 用光电
开关作检测元件则需要一个输入端子 ; 工作方式
选择开关为手动、单步、单周期、连续 4 种 , 则
需要 4 个输入端子 ; 手动操作时 , 需要有下降、
上升、回缩、手臂下降、手臂正转、手臂反转、
手腕正转、手腕反转、夹紧、放松 , 总共需要 10
个输入端子 ; 自动工作时 , 尚需启动按钮、停止
按钮和复位按钮 , 总共需要 3 个输入端子。从上
面的分析可知 : 输入端需要 26 个输入端子。
PC 的输出信号用来控制机械手的下降、上
升、伸出、缩回、手臂正转、手臂反转、手腕正
转、手腕反转、夹紧等 9 个电磁阀线圈 , 则需要
9 个输出点 ; 机械手从原点开始工作 , 需要一个
原点指示 , 即也需要一个输出点 , 总共则需要 10
个输出点。
综上所述 , I/ O 总数可为 36 , 则选用三菱公
司的 F1 —60MR 型 PC , 其中 I: 36 ; O : 24。将手
动程序和自动程序分别编出相应的独立的程序
段 , 用条件跳转指令进行选择。其中设置一段公
用程序 , 当系统从自动工作方式切换到手动工作
方式时 , 将移位寄存器 M100 和表示连续工作方
式的 M200 复位 , 否则在返回自动逐个方式时可
能会出现错误的动作。
4 结论
机器人技术的发展成为工业自动化的一个象
征 , 在现代化大生产中应用广泛。本文实例说明
用机器人技术改造传统生产线切实可行 ; 用机器
人机构学理论推导出装卸机械手运动学方程可以
准确地控制手部的位置和姿态 ; 抓重较大的机械
手可以考虑用液压系统作为动力 , 采用 PC (可编
程控制) 控制器对机械手进行顺序控制 , 可以实
现手动控制、自动控制即单步、单周期和连续工
作方式。从设计制造出的结果表明 , 该机械手结
构简单、控制性能良好、成本低 , 满足生产线的
要求 , 而且可将其运用于柔性制造系统 , 大大提
高了设备利用率。在生产实际中 , 对改进生产线
及提高生产率有重大的帮助。
参考文献 :
[1] 马香峰. 机器人结构学 [ M ]. 北京 : 机械工业出版社 ,
19911
[2] 蔡自兴. 机器人学 [M]. 北京 : 清华大学出版社 , 20001
[3] 陈绍华. 机械设备电器控制 [ M]. 华南理工大学出版社 ,
20001
[4] 廖长初. 可编程控制器应用技术 [M]. 重庆 : 重庆大学出版
社 , 19921
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