氣動夾持機械手設計

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1、氣動夾持機械手設計 1、相關定義 1.1、定義約束關系及傳感器 一個系統(tǒng)通常是由多個構件組成的,各個構件之間通常存在某些約束關系, 即一個構件限制另一個構件的運動,兩個構件之間的這種約束關系,通常稱為 運動副或鉸鏈,在ADAMS中,抽象和總結,將約束分為幾個常用的基本約束 和運動副,要模擬系統(tǒng)的真實運動情況,就需要根據(jù)實際情況抽象出相應的運 - 32 - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 動副,并在構件之間定義運動副。對于本文中的氣動機械手主要通過其構件數(shù) 量及自由度決定需要添加的運動副,如表 3-2所示共定義了 13 個運動副,其中 包括 1 個固定副、10 個轉動副以及 2 個平移副

2、。固定副約束兩個相關構件的 3 個旋轉和 3 個平移自由度,旋轉副約束 2 個旋轉和 3 個平移自由度,平移副約 束 3 個旋轉和 2 個平移自由度。由表 3-1可知系統(tǒng)共包括 12 個構件,因此最終 的自由度為DOF=6×(13-1)-5×12-6×1=6,符合實際的六個自由度。 表 3-2 定義的約束關系 Table 3-2 Constraints in manipulator model 運動副 聯(lián)接部件 1 聯(lián)結部件 2 約束類型 驅動約束 運動范圍 JOINT_1 底座 大地 固定副 - 0 JOINT_2 腰部 底座 轉動副 MOTION_1? 90 °~ 9 0° JOINT_3

3、 大臂 腰部 轉動副 - 無限制 JOINT_4 大臂氣缸筒 腰部 點線副 - 無限制 JOINT_5 小臂氣缸筒 大臂 點線副 - 無限制 JOINT_6 大臂氣缸桿 大臂 轉動副 - 無限制 JOINT_7 小臂氣缸桿 肩 轉動副 - 無限制 JOINT_8 肩 大臂 轉動副 - 無限制 JOINT_9 小臂 肩 轉動副 MOTION_2 0°~ ? 9 0° JOINT_10 手腕 小臂 轉動副 MOTION_3? 60 °~ 3 0° JOINT_11 手抓 手腕 轉動副 MOTION_4? 90 °~ 9 0° JOINT_12 大臂氣缸桿 大臂氣缸筒 移動副 MOTION_5 0~

4、 175mm JOINT_13 小臂氣缸桿 小臂氣缸筒 移動副 MOTION_6 0~ 175mm 因為該機械手的各個關節(jié)都有一個相應的運動范圍,機械手在工作過程中 必須保證不能超出這個范圍,否則機械手就會自動停止運行,并提示錯誤。所 以在仿真時也要指定模型中各關節(jié)角的范圍,這可以通過建立傳感器來實現(xiàn), 當角度值超過傳感器限定的范圍時,傳感器就會被激發(fā),使仿真進程停止。 此外需要注意的是運動副聯(lián)接的兩個構件之間的相對運動均是在 I-Marker 和 J-Marker 中測量,即為相對運動值,角度等旋轉運動的相關值以右手定則定 義正負。 要使系統(tǒng)能夠運動起來,還需要在運動副上添加驅動。驅動從本質

5、上來說, 也是一種約束,只不過這種約束是約束兩個構件按照確定的規(guī)律運動。在 ADAMS/View中,在模型上定義的驅動是將運動副未約束的其它自由度做進一 步約束,是時間的函數(shù)。系統(tǒng)有確定位形的充要條件就是系統(tǒng)的自由度等于驅 動的數(shù)目,如果系統(tǒng)還有未約束住的自由度,則對于未約束住的自由度會在重 力和其他載荷的作用下進行動力學計算,對于有確定位形的自由度才能進行運 - 33 - 哈爾濱工業(yè)大學工學碩士學位論文 動學計算。因此對于本文中的六自由度機械手,要想讓末端有確定的運動軌跡, 必須將未約束的自由度進行約束,即需要添加六個驅動,根據(jù)所添加運動副的 約束屬性添加四個旋轉驅動和兩個滑移驅動,如表 3

6、-2所示。至于各個驅動上 的運動函數(shù)要根據(jù)機械手末端軌跡以及運動學反解得到的各關節(jié)的運動函數(shù)來 確定。 1.2、腦卒中的概念和治療現(xiàn)狀 腦卒中俗稱中風,亦稱為腦血管意外(Cerebral VascularAccident)。是指由腦部 損傷、脊髓損傷或者腦部血管病變等各種原因引起腦動脈系統(tǒng)和靜脈系統(tǒng)所發(fā)生 的病理性病變而引起的一類疾病?？茖W技術的發(fā)展使醫(yī)務人員對于急性中風患者 能采取比較有效治療手段,從而使得患中風以后能夠存活下來的人非常之多。病 人在接受醫(yī)生的緊急治療后,雖不至于有生命危險,但是所發(fā)生的腦部血液循環(huán) 障礙將對腦組織產生直接影響,并引起腦細胞產生功能性改變[8],以

7、至于殘留下多 種多樣的后遺癥,包括語言不利、偏癱、神志障礙、面癱(口眼歪斜)、小便失禁等 等,使病人失去原有自主運動的能力。其中中風后手和手臂偏癱是最常見、最容 易出現(xiàn)的病變癥狀。 據(jù)統(tǒng)計,在我國有腦卒中引起的偏癱患者將占全國人口數(shù)的 3‰~10‰。按我 國 13 億人口計算,則患腦卒中的人數(shù)將達 390 萬至 1300 萬。中風所造成的偏癱 不僅給患者帶來了行動和日常生活極大的不便,還給患者本人及家庭帶來心理上、 經(jīng)濟上及其他方面的沖擊。目前,偏癱上肢的康復訓練傳統(tǒng)方法是醫(yī)務人員對病 -1- 者進行手把手的康復訓練,或者用簡單的康復醫(yī)療器械進行訓練。這樣的訓練方 式存在許多的問題,比如訓練效

8、率低下,不能保證患者的訓練強度,不能進行精 確控制和記錄訓練參數(shù)(運動速度、軌跡等等),患者被動地接受治療,參與治療 的主動性不夠,康復評價指標不夠客觀,不利于治療方案的確定、改進和對偏癱 患者神經(jīng)康復規(guī)律的深入研究[9-11]。因此,尋求有效的康復治療手段,使患者在一 定程度上能恢復自主運動能力,這樣即可以提高患者自身的生活質量,也可以減 輕家庭和社會的總體負擔。 1.3、基本定義 定義 2-1 設 X 和 Y 是兩個集合,f : X→Y。如果 Y 中的每一個點都有原 像(即 f (X ) = Y),則稱 f 是一個滿射;如果 X 中不同的點的象是 Y 中不同的 點(即對于任何

9、x1,x2∈X,如果 x1 ≠ x2,則有 f (x1) ≠ f (x2),則稱 f 是一個單 射;如果 f 既是一個單射,又是一個滿射,則稱 f 是一個一一映射。 定義 2-2 設 X 是一個集合,T 是 X 的一個子集族。如果 T 滿足條件: (1) X,?∈ T ; (2) 若A,B∈ T ,則A ∩B∈ T ; (3) 若T1 ? T ,則A∈T 1 A ∈ T ∪ , 則稱 T 是 X 的一個拓撲。如果 T 是集合 X 的一個拓撲,則稱偶對(X,T )是一 個拓撲空間。T 的每一個元素都叫做拓撲空間(X,T )中的一個開集。 定義 2-3 設 X 和 Y 是兩個拓撲空間,f : X→

10、Y。如果 Y 中的每一個開集 U 的原象 f -1(U )是 X 中的一個開集,則稱 f 是從 X 到 Y 的一個連續(xù)映射, 或簡稱 f 連續(xù)。 11 定義 2-4 設 X 和 Y 是兩個拓撲空間,如果 f : X→Y 是一個一一映射, 并且 f 和 f -1: Y→X 都是連續(xù)的,則稱 f 是一個同胚映射或同胚。 定義 2-5 設 X 和 Y 是兩個拓撲空間。如果存在一個同胚 f : X→Y,則 稱拓撲空間 X 與拓撲空間 Y 是同胚的,或稱 X 與 Y 同胚,或稱 X 同胚于 Y 。 定義 2-6 設(X, T )是一個拓撲空間,x∈ X 。如果 U 是 X 的一個子集, 滿足條件:存在一

11、個開集V∈ T 使得x∈V ? U ,則稱 U 是點 x 的一個鄰域。 點 x 的所有鄰域構成的 X 的子集族稱為點 x 的鄰域系。如果 U 是包含著點 x 的一個開集,那么它一定是 x 的鄰域,稱 U 是點 x 的一個開鄰域。 定義 2-7 當集合的各元素本身就是集合時,這個集合稱為集族。 定義 2-8 設(X, T )是一個拓撲空間,B 是 T 的一個子族。如果 T 中的每 一元素(即拓撲空間 X 中的每一個開集)是 B 中某些元素的并,即對于每一 個U∈ T ,存在B 1 ? B使得U= ∪ B∈B 1 B 則稱 B 是拓撲 T 的一個基,或稱 B 是拓撲空間 X 的一個基。 定義 2-

12、9 某拓撲空間的一個基或在某一點處的一個鄰域基,如果是一 個可數(shù)族,則稱之為一個可數(shù)基和一個可數(shù)鄰域基。 定義 2-10 設 A 一個集族,B 是一個集合。如果∪A∈AA ? B 則稱集族 A 是集合 B 的一個覆蓋,并且當 A 是可數(shù)族或有限族時,分別稱集族 A 是集 合B的一個可數(shù)覆蓋或有限覆蓋。 設集族 A 是集合 B 的一個覆蓋。如果集族 A 的一個子族 A1也是集合 B 的一個覆蓋,則稱集族 A1是覆蓋 A (關于集合 B)的一個子覆蓋。 設 X 是一個拓撲空間。如果由 X 中開(閉)子集構成的集族 A 是 X 的子 集 B 的一個覆蓋,則稱集族 A 是集合 B 的一個開(閉)覆蓋。

13、 定義 2-11 一個拓撲空間如果有一個可數(shù)基,則稱這個拓撲空間是一 個滿足第二可數(shù)性公理的空間。 定義 2-12 一個拓撲空間如果在它的每一點處都有一個鄰域基,則稱 這個拓撲空間是一個滿足第一可數(shù)性公理的空間。 定義 2-13 設 X 是一個拓撲空間,D ? X 。如果 D 是閉包等于整個拓 撲空間 X,即D = X ,則稱 D 是 X 的一個稠密子集。 定義 2-14 設 X 是一個拓撲空間。如果 X 中有一個可數(shù)稠密子集,則 12 稱 X 是一個可分空間。 定義 2-15 若{ 0} = {0},則稱 X 是分離的。如果一個空間 X 是完備的, 分離的準范空間,則該空間稱為 Fréche

14、t 空間。 定義 2-16 對 f ∈Y X,稱 X×Y 的子集{(x, f (x)): x∈X }為 f 的圖像是 X×Y 的閉子集,則稱 f 具有閉圖像。 定義 2-17 設 A,B,C 都是集合。則 (1) A? A 不成立; (2) A? B 和 B? A 不能同時成立; (3) 如果 A? B ,并且 B? C ,則 A? C 。這類集合常稱為集族。 定義 2-18 一個拓撲空間 X 上的拓撲 τ 稱為 Hausdorff 拓撲,是指如果 該拓撲使得對任意的 x, y∈X 且 x ≠ y,都有 x 的鄰域 U 和 y 的鄰域 V 使得 U∩ V=?。 1.4、與機械手有關的概

15、念 (1)機械手自由度 機構自由度指的是其具有獨立運動數(shù)目的個數(shù),而機械手自由度也就是各 關節(jié)中單獨驅動的關節(jié)數(shù)。通常,一個剛體在空間中有六個自由度,分別是繞 坐標系 X,Y,Z 軸的轉動與繞 X,Y,Z 軸的移動,這六個自由度可以完全定義剛體 在空間中的位姿。那么,如果機械手臂自由度達到了六個,那么機械手末端就 可以達到操作空間任意位置。通常機械手都是四到六自由度,平面機械手自由 度數(shù)相對要少,適各作業(yè)任務而定。 (2)機械手運動鏈 由運動副連接起來的兩個或者兩個以上的桿件所組成的桿件系統(tǒng)稱之為運 動鏈。運動鏈有開式鏈與閉式鏈之分,開式鏈可最少含有一個運動副,閉式運 動鏈含兩個或兩個以上

16、運動副。目前機器人大部分都是開式運動鏈結構。 機械運動鏈中能夠作獨立的相對運動的個數(shù)稱之等于運動鏈的自由度數(shù)。 這些自由度確定機器人機械系統(tǒng)中各桿件的相對位置及其變化,即機器人的構 形。 考慮到絕緣子表面特征的復雜性,為避免各個運動桿件跟絕緣子表面發(fā)生 干涉,因此,本機械手采用開式鏈結構。 (3)機械手機構 機械手機構由定位機構與定向機構組成。通常所說的定位機構就是指的機 械手的手臂,它通常由兩到三個自由度組成,主要用來支撐機械手小臂,承載 后續(xù)負載,并對手腕起到定位作用;定向機構指的是機械手的手腕,同樣也是 至少由兩個或兩個以上自由度組合而成,用來確定機械手末端桿件的姿態(tài)。定 向機構與定位機

17、構的組合即可認為是完整的機械手機構。 本絕緣子清洗機構中,絕緣子本身固定在機架上,有兩個電機分別驅動其 繞自身軸線的 360 度旋轉與上下運動,而機械手末端軌跡曲線在同一平面,所 以此機械臂只需要四個自由度,分別由兩個移動關節(jié)和兩個轉動關節(jié)組成。 (4)工作空間 機械手末端執(zhí)行器所能達到的空間任意點的集合稱之為機械手的工作空 間。工作空間的大小決定于機械手各連桿的尺寸,同時也與機械手總體構形有 關。在設計機械手時,對于達到工作空間任一位置時的多種連桿形位是否構成 內部桿件的干涉問題,在運動過程中或者到達該位置時是否與工作空間中其它 物體相碰撞的問題,以及在空間某些形位是否剛好處于機械手臂桿件奇

18、異位置 或者奇異位置附近的問題,對于以上這些,我們必須加以考慮。 (5)機械手精度 機械手精度是指其執(zhí)行器參考點實際到達空間某一坐標點與理想中到達的 坐標點之間的誤差。它主要的兩個指標為:①末端執(zhí)行器定位精,是指機械手 末端執(zhí)行器參考點的實際到達空間坐標點與目標坐標點之間的誤差;②末端執(zhí) 行器重復定位精度是指在同樣的控制程序下,機械手連續(xù)多次重復到達某目標 坐標點時,其位置一致性程度。影響機械手精度的因素很多,如零件加工制造 精度,機器裝配精度,零件自重引起的變形,運動副間隙,電機控制,負載引 起的變形的等。但是對機械手定位精度有影響的因素并不一定影響重復定位精 度。當連桿本身與負載重力引起變

19、形所導致的誤差只存在于定位精度,而不涉 及重復定位精度。因此,這就要求我們對機械手進行整體方面綜合考慮。 11 (6)機械手分類 機械手分類方法有多種。 ①首先,按機械手結構可分為四類: a.直角坐標式機械手 這種機器人酷似于數(shù)控鏜銑床,各關節(jié)以移動副相聯(lián),關節(jié)軸兩兩垂直。 這種形式機械手結構剛度高,不存在耦合、奇異等狀態(tài),運動分析相對較簡單, 不過其操作靈活性相對較差,夾具等受到機床結構限制,且占地面積較大。 b.圓柱坐標式機械手 該機器人前三個關機分別是兩個移動關節(jié),一個轉動關節(jié),其優(yōu)點是空間 定位比較直觀,但在其工作空間內連桿容易發(fā)生碰撞,移動副不易被保護。 c.球(極)坐標式機械手 此

20、類機械手前三個關節(jié)中前兩個關節(jié)為轉動,后一個為移動,占地面積小, 工作空間大,不過也是移動關節(jié)不易保護。 d.SCARA 機械手 機器人前三個關節(jié)都為轉動關節(jié),軸線相互平行,在平面內實現(xiàn)定位和定 向,另有一移動關節(jié),實現(xiàn)末端件在追治愈平面的運動。其結構輕便,響應快, 適合于平面定位,垂直方向裝配作業(yè)。 e.關節(jié)式機械手 此類機械手各自由度都為轉動副相聯(lián),其運動是模擬人手的六個自由度, 前三個關節(jié)分別由肘關節(jié)和肩關節(jié)組成,對末端手爪起到定位作用,后面關節(jié) 合稱為腕關節(jié),對末端手爪起到定向作用。肩關節(jié)分別實現(xiàn)繞鉛垂軸線的旋轉 與大臂的俯仰動作,肘關節(jié)實現(xiàn)小臂俯仰。此類機器人各桿件相互干涉較少, 結

21、構可相對更小,更緊湊,占地面也相對較少,防塵密封容易,但其運動學復 雜,末端桿件位姿描述較復雜,軌跡規(guī)劃與驅動控制復雜。 ②按驅動方式分類 通常分為三類:氣動機械手;液動機械手;電動機械手。 其中最常用的是電器驅動,因為此種驅動方式控制簡單,安裝維護方便, 結構較小,高的運動精度,且對環(huán)境基本不造成損害。液動與氣動主要用于大 功率出,但是其維護成本高,氣體與液體的泄露導致精度難以控制,所以應用 相對較少。 ③按機械手控制方法分類 a.點位控制型:機械手控制方式為自一點運動到另一點,操作只在目標點 上,例如點焊機械手 b.連續(xù)軌跡控制型:此類機械手各關節(jié)作聯(lián)動,末端運動速度與加速度連 續(xù)。機械手

22、軌跡規(guī)劃時需獲得各節(jié)點位移、速度與加速度值,并利用運動學求 逆與雅克比矩陣求逆得出各關節(jié)空間相對應的位移、速度與加速度值。如焊接 機械手焊接曲縫時的軌跡控制。 4)按用途分類 機械手按用途可分為醫(yī)療福利、噴涂、焊接、搬運、裝配、切削加工等各 種用途機械手。 12 1.5、定義疲勞算例及屬性 在疲勞分析之前,首先需要對弧面分度凸輪進行靜態(tài)分析,分析方法此處不再介紹。 此處選擇 41CrMo4 材料的多頭弧面分度凸輪為例,介紹其整個分析的過程,其余兩種材料 的分析方法類似。 選擇 41CrMo4 材料的多頭弧面分度凸輪進行靜態(tài)分析,對凸輪施加載荷為 1000N,其 余與 5.1 節(jié)分析

23、完全一樣。靜態(tài)分析完成后,右鍵單擊 Simulation 算例標簽,選擇創(chuàng)建新 Simulation 算例,在算例下面選擇疲勞,完成疲勞分析的算例定義。在 Simulation 算例樹 中,用右鍵單擊疲勞圖標 ,然后選取屬性。在對話框中,執(zhí)行以下操作:在恒定振幅事 件交互作用框內單擊”隨意交互作用”;在計算交替應力的手段框內,單擊”對等應力”(Von 55 Mises);在疲勞強度縮減因子 Kf 框內,鍵入 1.0;單擊確定。 1.6、機翼氣動/結構解耦參數(shù)定義 要在系統(tǒng)優(yōu)化中反映氣動優(yōu)化對結構優(yōu)化的折衷,必須考慮氣動載荷分布對結構優(yōu)化的影 響。大量的計算分析表明,氣動載荷分布一般

24、可近似為三次多項式曲線。確定這個三次多項式 曲線需要 4 個參數(shù)。為了減少描述氣動載荷分布的參數(shù)個數(shù),這里提出了一種簡化方法。 通過研究氣動載荷分布的特征,發(fā)現(xiàn)當升力系數(shù)一定時,對確定的機翼外形,只需確定其 2 個展向特征站位的值即能夠確定氣動載荷分布的曲線。它們的比值,則能夠基本反映氣動載 荷的展向分布特征。因此,定義氣動載荷分布的控制參數(shù) iGa 為 0.5 展向站位的氣動載荷值與 0.98 展向站位氣動載荷值的比值。只要確定了參數(shù) iGa,就可近似確定機翼氣動載荷展向分布。 圖 3.7 中縱坐標表示載荷,橫坐標表示展向站位單位坐標。CL 為展向站位升力系數(shù),C 為 當?shù)叵议L,Cref為平

25、均氣動弦長,z 為展向坐標,b 為半展長。該圖對比了由升力系數(shù)、控制參 數(shù) iGa、0.98 站位升力系數(shù)確定的氣動載荷分布(曲線 b)與氣動程序(BLWF[46])計算出的實 際氣動載荷分布(分布點 a)?？梢钥闯龆叻浅＝咏?。因此,將控制參數(shù) iGa 作為描述氣動載 荷分布的參數(shù)是合理的。 圖 3.7 機翼載荷展向分布的比較 為驗證該參數(shù)的可行性,在 iGa 相同的前提下,對兩組機翼的展向載荷分布進行對比。 (1)對不同平面外形的柔性機翼進行氣動優(yōu)化分析。iGa 和升力系數(shù)相同時,展向載荷分 布對比如圖 3.8 所示。圖中曲線的部分主要參數(shù)如下:iGa=4.6;曲線 1 對應展弦比 AR=

26、10.5, 后掠角 Λ=28°;曲線 2 對應展弦比 AR=8.5,后掠角 Λ=20°;曲線 2 對應展弦比 AR=9.5,后 掠角 Λ=24°。根據(jù)圖示,曲線分布基本相近。因此,對于不同平面外形的機翼,該參數(shù)在控制 展向載荷分布上是有效的。 23 圖 3.8 不同平面外形柔性機翼的展向載荷分布對比(iGa/CL 相同) (2)對某平面外形相同,結構剛度不同的柔性機翼,iGa 和升力系數(shù)(平衡狀態(tài))相同時, 展向載荷分布對比如圖 3.9 所示,圖中部分主要參數(shù):展弦比 AR=8.5,后掠角Λ=24°,載荷 控制系數(shù) iGa=4.6,CL0=0.56。曲線 1 對應剛性機翼,即假定無變形;曲線

27、2、3、4 對應剛度分 布不同的柔性機翼。四條曲線基本重合,說明對相同平面外形的機翼,iGa 在表達和控制其載 荷的展向分布方面也是合理的。 圖 3.9 不同結構剛度柔性機翼展向載荷分布對比(iGa/CL 相同) 24 1.7、過渡處鼓包定義 翼身交接處的過渡鼓包外形在實際設計中一般參照設計經(jīng)驗,由多塊曲面拼接而成。本文 采用了一種近似方法,通過剪切放樣曲面獲得。 翼身鼓包主要外形參數(shù)的選取和定義如下 (1)翼身鼓包最前端到翼前緣的縱向距離占機身總長的比 λfairFwd。 (2)翼身鼓包最后端到翼后緣的距離占縱向機身總長的比 λfairAft。 (3)鼓包曲線(如圖 3.4 圖

28、3.5 所示三號線至六號線)的控制點坐標。 根據(jù)以上參數(shù),結合機翼外形表面參數(shù),首先在機身表面獲得控制點 1~8,然后分別繪制 剖面控制曲線 3~6,引導曲線 1~2。在此基礎上,放樣生成曲面。最后,對過渡處的多余曲面 進行剪切,從而獲得過渡處鼓包外形。 圖 3.5 機翼機身過渡處鼓包生成示意圖 20 2、相關背景 2.1、課題研究背景 康復機器人作為醫(yī)療機器人的一個重要分支,它的研究貫穿了康復醫(yī)學、生物力 學、機械學、機械力學、電子學、材料學、計算機科學以及機器人學等諸多領域,已 經(jīng)成為國際機器人領域的一個研究熱點?？祻偷暮x:在受創(chuàng)傷或得病后恢復患者肢 體或器官的正常的形狀或

29、功能,康復工程就是致力于為患者提供此類輔助裝置[1]?？?復治療機器人在醫(yī)療實踐上主要是用于恢復患者肢體運動系統(tǒng)的功能。運動系統(tǒng)的問 題可以分為兩類[2]:一類是生物力學或生物物理化學類型的應用;另一類是運動學習。 當人的肢體受外傷、燒傷或接受手術后,受傷組織的皮膚、韌帶和肌肉會失去彈性從 而導致肢體運動的速度和范圍受到限制。生物力學或生物物理化學的應用就是利用機 器人系統(tǒng)來打破受傷肢體的運動范圍,幫助患者進行科學而又有效的康復訓練,使患 者的運動機能得到更好的恢復[3-5]。 近年來,隨著機器人技術和康復醫(yī)學的發(fā)展,在歐洲、美國和日本等國家,醫(yī)療 康復機器人的市場占有率呈逐年上升的趨勢。20

30、06 年的第二次全國殘疾人人口普查[6], 全國各類殘疾人總數(shù)為 8296 萬人,殘疾人占全國總人口的比例為 6.34%。其中,視力 殘疾 1233 萬人,占殘疾人總數(shù) 14.86%;聽力殘疾 2004 萬人,占殘疾人總數(shù) 24.16%; 言語殘疾127萬人,占殘疾人總數(shù)1.53%;肢體殘疾2412萬人,占殘疾人總數(shù)29.07% , 人數(shù)最多,其中截肢人數(shù) 226 萬人。2006 年第二次全國殘疾人抽樣調查將肢體殘疾 定義為:人體運動系統(tǒng)的結構、功能損傷造成四肢殘疾或四肢、軀干麻痹、畸形 等而致人體運動功能不同程度的喪失以及活動受限或參與的局限。 -1- 我國正步入老齡化社會,而在老齡人群中有

31、大量的腦血管疾病或神經(jīng)系統(tǒng)疾病患 者,這類患者多數(shù)伴有偏癱癥狀。我國是中風病的高發(fā)地區(qū),每 10 萬人中約有 550 人 患有中風病。以總人口 13 億計算,則中風病人約有 770 萬,在幸存者中約有 70%~ 80% 的病人會留有不同程度的殘疾[7-9]。 目前,針對肢體殘疾患者的康復訓練主要以傳統(tǒng)方法為主,傳統(tǒng)方法主要包括理 論的物理療法和醫(yī)師對患者進行手把手的指導和訓練。但傳統(tǒng)的康復訓練方法也存在 一些問題: 首先,一名治療師只能同時對一名患者進行運動訓練,訓練效率低;由于治療師 自身原因,無法保證患者得到足夠的訓練強度,而且治療效果又多取決于治療師的經(jīng) 驗和水平; 其次,傳統(tǒng)方法如物理

32、療法不能記錄運動速度、軌跡等參數(shù);此外,訓練不具吸 引力,患者被動接受治療,參與治療的主動性不夠。 因此,只靠醫(yī)師的指導進行康復訓練,無助于康復訓練效率的提高和方法的改進。 所以,應該開拓更先進的康復訓練手段,把更先進的技術引入到康復治療領域[10]。 1.1.2 課題研究意義 手部康復治療機械手依據(jù)于生物力學和生物物理化學原理,使用機器人系統(tǒng)來打 破受傷肢體的運動范圍,幫助肢體殘疾者重建殘疾肢體器官的功能和康復治療以及職 業(yè)技能訓練等。解決以往在康復領域的費時、費力以及人力所不能及的工作,使肢體 殘疾者的康復工作被康復機器人所取代,成為一種新型的提高臨床康復效率的康復治 療儀器。 它是將康復

33、醫(yī)學原理和機器人技術結合在一起,將開關量控制、遙控、單片機控 制技術、計算機控制技術和機器人機構與氣動控制結合在一起的一種裝置。它將小臂 康復運動和手掌康復運動綜合在一起,通過由氣體驅動的機械手帶動患者的患肢在水 平面運動,模擬日常生活中的手臂最基本運動規(guī)律,通過開關控制、遙控控制或計算 機控制實現(xiàn)手臂各個關節(jié)的運動訓練、肌肉鍛煉以及神經(jīng)功能的恢復訓練,促使機械 手與人的手臂協(xié)調運動,從而達到最佳的康復訓練效果,而且它還具有存儲患者病志 的功能。 此外,與國外具有同樣功能的康復訓練儀器相比,本康復機械手具有明顯的價格 優(yōu)勢。 -2- 2.2、研究背景和課題來源 術發(fā)展的重要領域之一,

34、是以微電子技術為主導的多 種新興技術與機械技術交叉、融合而成的一種綜合性的高新技術。這一技術在工業(yè)、農 業(yè)、國防、醫(yī)療衛(wèi)生、辦公自動化及生活服務等眾多領域有著越來越多的應用。工業(yè)機 器人在提高產品質量、加快產品更新、提高生產效率、促進制造業(yè)的柔性化、增強企業(yè) 和國家的競爭力等諸方面具有舉足輕重的地位[1]。 本課題中設計開發(fā)的曲軸搬運機械手來源于神龍汽車有限公司曲軸加工生產線。該 公司的發(fā)動機曲軸在加工過程中,需要在不同的生產線之間進行搬運,目前的搬運工作 由人工完成,不可避免地存在著勞動強度大、生產安全難以保障、定位精度不高等問題, 嚴重影響了曲軸的生產質量、生產效率和單位的經(jīng)濟效益。基于上

35、述考慮,該公司委托 實驗室為其研制開發(fā)一套搬運機械手來代替人工完成曲軸在兩條生產線之間的轉移。 2.3、課題的研究背景及意義 機床的發(fā)展趨勢已經(jīng)明顯呈現(xiàn)出高精度、高速、復合化 的特點[1]。對于磨床,它的發(fā)展從普通單一功能發(fā)展到多功能,伴隨著數(shù)控技術的應用, 又發(fā)展到數(shù)控形式的多功能磨床。在許多領域中,為配合某類特定零件的專用加工,出 現(xiàn)了曲軸磨床、凸輪磨床、齒輪磨床、導軌磨床等一系列專用化磨床,這類專用化磨床 加工范圍小,基本是只適合同類零件的加工。普通磨床有磨削平面的平面磨床、磨削圓 面的內外圓磨床和無心磨床等系列。平面磨床用于平面的磨削,內外圓磨床用于內外圓 的磨削,如果一種零

36、件平面、內外圓甚至是錐面都需要磨削加工的話,就只能在多個磨 床上加工了。這樣的話加工就會造成效率低、多次裝夾也會造成精度不高的情況。 近年來,為適應磨削加工的高效率、高精度、高復合加工,出現(xiàn)了一種磨削加工中 心。磨削加工中心(Grinding Center),一般具備磨削工具的自動交換或自動選擇的功能, 工件一次裝夾能進行多工序磨削加工[1]。磨削加工中心是典型的工序復合高效加工,將 多種磨削方式整合,一次裝夾就可以完成平面、內外圓、錐面甚至是曲面等磨削加工。 由于只裝夾一次,加工基準統(tǒng)一,保證了各工序的加工精度[2]。在工業(yè)生產中,磨削中 心縮短加工的輔助時間、節(jié)省購置其他磨床和夾具的費用,

37、降低了工人的勞動強度,經(jīng) 濟效益明顯提高。對于磨削加工中心,其優(yōu)點在于通過磨削工具的自動更換來提高加工 效率與加工精度,其磨削工具更換部件的性能是關鍵。因此,研究砂輪的自動更換技術 就顯得尤為重要。 2.4、課題研究背景及意義 過程與功能概述1.1.1 PLC 的發(fā)展過程與功能概述 可編程控制技術(PLC)是基于微處理器的控制技術.作為微處理器控制技 術成功應用的典范,基于微處理器的可編程控制器(PLC)自 1968 年問世以來。 2 已取得迅速的發(fā)展.成為工業(yè)自動化領域應用最廣泛的控制設備。在現(xiàn)代工業(yè) 自動化設備或系統(tǒng)中,廣泛使用著各種品牌和規(guī)格的可編程控制器,不同廠家 的產品各有

38、特點。它們雖有一定的區(qū)別,但作為工業(yè)標準控制設備,可編程控 制器在結構組成、工作原理和編程方法等許多方面是基本相同的。 20 世紀 20 年代起,為實現(xiàn)自動控制,人們把各種繼電器、定時器、接觸器 及其觸點按一定的邏輯關系連接起來組成控制系統(tǒng),控制各種生產機械.這就 是大家所熟悉的傳統(tǒng)繼電器接觸器控制系統(tǒng)。由于它結構簡單、容易掌握、價 格便宜,在一定范圍內能滿足控制要求,因而得到普遍使用,在工業(yè)控制領域 中一直占主導地位。但是繼電器接觸器控制系統(tǒng)有明顯的缺點:設備體積大。 可靠性差,動作速度慢,功能少,難于實現(xiàn)復雜的控制,特別是由于它是靠硬 件連線邏輯構成的系統(tǒng),接線復雜,當生產工藝或控制對象需

39、要改變時,原有 的接線和控制箱(柜)就要更換,所以通用性和靈活性較差。 20 世紀 70 年代末,美國的汽車制造業(yè)競爭激烈,各生產廠家的汽車型號 不斷更新.它必然要求生產線的控制系統(tǒng)亦隨之改變,以及對整個控制系統(tǒng)重 新配置。為拋棄傳統(tǒng)的繼電器一接觸器控制系統(tǒng)的束縛,適應白熱化的市場競 爭要求,1968 年美國通用汽車公司決定對汽車生產線采用計算機程序控制, 提出將繼電器一接觸器控制的簡單易懂、使用方便、價格低廉的優(yōu)點與計算機 的功能完善、靈活性、通用性好的優(yōu)點結合起來,將繼電器接觸器控制的硬件 連線邏輯轉變?yōu)橛嬎銠C的軟件邏輯編程的設想, 并進行公開招標。 1969 年美 國數(shù)字設備公司根據(jù)上述

40、要求,研制開發(fā)出世界上第一臺可編程控制器,并在 美國通用汽車公司汽車生產線上首次應用。當時人們把它稱為可編程邏輯控制 器,它主要用來取代繼電器一接觸器控制系統(tǒng)。 隨著微電子技術的發(fā)展,20 世紀 70 年代中期出現(xiàn)了微處理器和微型計算機, 人們將微機技術應用到 PLC 中。使它能更多的發(fā)揮計算機的功能,不僅用程序 邏輯取代硬件連線,還增加了運算、數(shù)據(jù)傳送和處理等功能,使其真正成為一 種電子計算機工業(yè)控制設備。 1987 年國際電工委員會(International Electrical Committee)頒布的 PLC 標準草案中對 PLC 做了如下定義:”PLC 是一種專門為在工業(yè)環(huán)境下應

41、用而 設計的數(shù)字運算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器,用來在其內 部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序運算、計時、計數(shù)和算術運算等操作的指令,并能 通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出,控制各種類型的機械或生產過程。PLC 及 其有關的外圍設備都應該按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個整體,易于擴展其功 能的原則而設計?！?3 2.5、課題研究的背景和意義 時變、強耦合及多輸入—多輸出特點 的系統(tǒng)。科學技術的發(fā)展使得復雜機械系統(tǒng)的趨于集成化、大型化和智能 化,使得勞動生產率大幅度的提高,也相應的減少生產人員、提高產品或 工程質量。同時,由于系統(tǒng)的復雜程度不斷提高,使得系統(tǒng)各部分的關聯(lián) 程度也越來越大

42、,導致機械系統(tǒng)出現(xiàn)了一系列問題,如突發(fā)性故障率高、 停機損失大、維修費用高和維修周期長等[1]。這類系統(tǒng)一旦發(fā)生事故,就 會造成人員和財產的巨大損失。 為保證復雜機械系統(tǒng)的可靠、安全,提早發(fā)現(xiàn)潛在故障,確保各項任 務的圓滿完成,對復雜機械系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測至關重要。復雜機械系統(tǒng)的狀 態(tài)監(jiān)測是通過各種測量、檢測和分析方法,結合系統(tǒng)運行的歷史和現(xiàn)狀, 對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行評估,以便了解和掌握系統(tǒng)的運行狀況,并且對系統(tǒng) 狀態(tài)進行顯示和記錄,對異常情況進行處理、并為系統(tǒng)的故障分析、性能 評估提供基礎的數(shù)據(jù)[2]。其主要作用有:保證機械系統(tǒng)的運行狀態(tài)在設計 約束之內,對于系統(tǒng)運行異常情況,提醒操作人員及時采取

43、補救措施;保 證系統(tǒng)工作在滿意狀態(tài)下的完整性,提高系統(tǒng)設備的使用效率,并為系統(tǒng) 的維護內容、維護周期等提供依據(jù);保證人們生命財產的安全。利用監(jiān)測 系統(tǒng)對復雜機械系統(tǒng)進行連續(xù)監(jiān)測,可在任何時刻很好的了解機械系統(tǒng)設 備的運行狀態(tài),為系統(tǒng)的運行狀態(tài)提供準確地描述。當系統(tǒng)設備發(fā)生故障 時,預先編制好程序的監(jiān)測系統(tǒng)就會發(fā)出警報,根據(jù)警報的內容,監(jiān)測系 統(tǒng)自動的判別與診斷出故障的類型以及嚴重程度,對系統(tǒng)設備實行某種控 制,或是提醒操作人員采取相應的措施,防止重大事故的產生[3,4]。 為了保證復雜機械系統(tǒng)的正常運行,并使其發(fā)揮最佳技術性能,許多 生產企業(yè)和科研機構對系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測進行研究,研究內容涉及到控制

44、、電 氣、計算機、電子和數(shù)學等多門學科。通過有效的系統(tǒng)監(jiān)測診斷復雜機械 2 系統(tǒng),保證復雜機械系統(tǒng)的安全運行,避免系統(tǒng)的運行造成災難性的后果 帶來不必要的損失,為保證復雜機械系統(tǒng)順利地完成工作任務具有重要的 實際意義。 2.6、研究背景 生產線1.1.1 自動生產線 一、自動生產線定義 自動生產線是在流水線的基礎上逐漸發(fā)展起來的。它不僅要求線體上各種 機械加工裝置能自動地完成預定的各道工序及工藝過程,使產品成為合格的制 品,而且要求在裝卸工件、工位夾緊、工件在工序間輸送、工件的分揀甚至包 裝等都能自動地進行,使其按照規(guī)定的程序自動地進行工作。 二、自動生產線的特點 自動生產線的特點是

45、它的綜合性和系統(tǒng)性,在這里,機械技術、電工電子 技術、傳感器技術、PLC 控制技術、接口技術、驅動技術、網(wǎng)絡通信技術、觸 摸屏組態(tài)編程等多種技術有機地結合,并綜合應用到生產設備中;而系統(tǒng)性指 的是,生產線的傳感、檢測控制、傳輸與處理、執(zhí)行與驅動等機構在 PLC 的控 制下協(xié)調有序地工作并有機地融合在一起。 3、研究意義 3.1、本課題的意義 在現(xiàn)實生活中,機器人并不是在簡單意義上代替人的勞動,而是綜合了人的特長和 機器特長的一種擬人的電子機械裝置。這種裝置既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應和分析判 斷能力,又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力。從某種意義上說, 機器人是機

46、器進化過程的產物,是工業(yè)以及非產業(yè)界的重要生產服務性設備,也是先進 制造技術領域不可缺少的自動化設備[1][2]。 工業(yè)機械手已成為現(xiàn)代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分。這種新技術發(fā)展 很快,逐漸形成了一門新興的學科-機械手工程。機械手是由于它的積極作用正日益 為人們所認識而得以迅速發(fā)展起來的:其一,它能部分地代替人工操作;其二,它能按 照生產工藝的要求,遵循一定的程序、時間和位置來完成各種動作;其三,它能操作必 要的機具代替人類進行焊接和裝配等。它的發(fā)展大大改善了工人的勞動條件,顯著提高 了勞動生產效率,加快了實現(xiàn)工業(yè)生產自動化的步伐。因而,廣泛受到各先進工業(yè)國家 的高度重視,并投入大量

47、的人力物力加以研究和應用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音 以及帶有放射性和污染的場合,應用更為廣泛。在我國,近幾年來也有較快的發(fā)展,并 取得一定的效果,尤其受到了機械工業(yè)和鐵路部門的青睞。 本課題主要研究如何利用機械手的操作來完成發(fā)動機曲軸在兩個生產線之間的搬 運和定位的問題。該項目具有實用性、可靠性、經(jīng)濟性、推廣性、智能性等特點。一是 實用性。能夠完成企業(yè)兩條自動化生產線上的工件的搬運動作。二是可靠性。比起人工 2 完成搬運,安全可靠,機械手能按照事先設定的程序進行動作,不會受工人的身體狀況、 精神狀態(tài)、情緒等的影響。三是經(jīng)濟性。整個項目的完成可以使企業(yè)降低成本、提高生 產率。三是推廣性。這類

48、機械手應用非常廣泛,經(jīng)過一定的調整和改進可以完成工廠、 企業(yè)里大部分工件、裝備等的移動。四是智能性。該機械手采用 PLC 作為核心控制元 件,并配有人機交互裝置,可以對系統(tǒng)本身的故障進行自診斷,并顯示出錯誤位置和原 因,為工作人員進行故障排除提供幫助,還可以對工作過程進行實時監(jiān)控,遇到故障時 自動報警。 3.2、課題的研究背景及意義 機床的發(fā)展趨勢已經(jīng)明顯呈現(xiàn)出高精度、高速、復合化 的特點[1]。對于磨床,它的發(fā)展從普通單一功能發(fā)展到多功能,伴隨著數(shù)控技術的應用, 又發(fā)展到數(shù)控形式的多功能磨床。在許多領域中,為配合某類特定零件的專用加工,出 現(xiàn)了曲軸磨床、凸輪磨床、齒輪磨床、導軌磨床

49、等一系列專用化磨床,這類專用化磨床 加工范圍小,基本是只適合同類零件的加工。普通磨床有磨削平面的平面磨床、磨削圓 面的內外圓磨床和無心磨床等系列。平面磨床用于平面的磨削,內外圓磨床用于內外圓 的磨削,如果一種零件平面、內外圓甚至是錐面都需要磨削加工的話,就只能在多個磨 床上加工了。這樣的話加工就會造成效率低、多次裝夾也會造成精度不高的情況。 近年來,為適應磨削加工的高效率、高精度、高復合加工,出現(xiàn)了一種磨削加工中 心。磨削加工中心(Grinding Center),一般具備磨削工具的自動交換或自動選擇的功能, 工件一次裝夾能進行多工序磨削加工[1]。磨削加工中心是典型的工序復合高效加工,將 多

50、種磨削方式整合,一次裝夾就可以完成平面、內外圓、錐面甚至是曲面等磨削加工。 由于只裝夾一次,加工基準統(tǒng)一,保證了各工序的加工精度[2]。在工業(yè)生產中,磨削中 心縮短加工的輔助時間、節(jié)省購置其他磨床和夾具的費用,降低了工人的勞動強度,經(jīng) 濟效益明顯提高。對于磨削加工中心,其優(yōu)點在于通過磨削工具的自動更換來提高加工 效率與加工精度,其磨削工具更換部件的性能是關鍵。因此,研究砂輪的自動更換技術 就顯得尤為重要。 3.3、課題主要研究的內容及意義 本文設計自動配料系統(tǒng)的實訓平臺,開發(fā)以滿足高校和高、中職學生專業(yè)方面的技 術和實際應用操作方面能力的需求。特別是提升了他們的實踐、快速適應工作崗

51、位的動 手能力。自動配料生產線,具有很高的”模擬”的要求,應可拆卸和組裝,可以任意設置 故障,并預留位置,可以按教學目的,來增減教學內容。例如可以滿足教學和用人單位 “人才定做”的要求。該自動配料生產設備,具有全面的、系統(tǒng)的特點。本課題研究的 自動配料系統(tǒng)的實訓平臺涉及到傳感器技術,微電子技術,機械技術,電力電子技術, 接口技術等,將各種技術的應用整合在實訓平臺上,力爭使學生通過在實訓平臺上的實 踐,熟悉生產線檢測,傳輸和處理的執(zhí)行過程,及系統(tǒng)控制過程,達到掌握機電一體化 技術的目的。 自動配料生產線的實訓平臺,設置在鋁合金導軌上,它可模擬實際生產中的各個控 制環(huán)節(jié)如物料加工,裝配,運輸,分揀

52、等,使操作者獲得與實際自動化生產過程的經(jīng)驗, 縮短理論教學與實際生產之間的距離。 3.4、內嵌式形狀記憶合金擬人機械手的研究意義 研究跨越眾多學科,技術 含量高,是當代科技的研究熱點之一,也是一個國家高科技綜合實力和發(fā)展水平的 重要標志,因此世界發(fā)達國家都投入巨資對其進行開發(fā)研究。機械手作為機器人的 末端執(zhí)行器,其驅動器的重要性與特殊性受到研究者的關注。 常用機械手驅動器如電磁式伺服電機和氣動、液動驅動器,因為功率-重量比 較低,必須安裝在遠離驅動點的位置,而且電機高速運行后需要減速齒輪來降低速 度,使整套系統(tǒng)復雜。國內外比較典型的機械手大多使用這類驅動器[1],如日本研 制的 Ok

53、ada 手,由電機驅動,采用鋼絲和滑輪完成運動和力的傳遞。貝爾格萊德 大學與美國南加州大學聯(lián)合研制的 Belgrade/USC 手爪機構,由直流電機通過渦 輪、渦桿帶動驅動杠桿動作。美國麻省理工學院和猶他大學聯(lián)合研制的 Utah/MIT 靈巧手中,手指的每個關節(jié)由膜、活動連桿與滑輪來帶動,驅動元件采用的是一排 氣動伺服缸。斯坦福大學研制了 STD/JPL 手,每個手指的三關節(jié)均由電機通過繩 索驅動。國內北京航空航天大學研制了仿 JPL 多指靈巧手,其驅動微電機放置在靈 巧手的內部。以上機械手各有優(yōu)勢,但仍存在體積較大、機構復雜、控制困難、缺 乏柔性等不足。同樣,在航空航天、醫(yī)療及其它操作空間有

54、限的領域內,基于傳統(tǒng) 電機與液壓氣壓等原理構成的驅動裝置很難滿足精密操作的要求,越來越多的任務 需要體積小,結構簡單,運行柔性的驅動裝置。 近年來,各種新型功能材料不斷出現(xiàn),為減小驅動器體積提供了各種新的解決 方案,形狀記憶合金驅動器就是其中之一。SMA 驅動器是一種全新意義上的驅動 器,它有可能集傳感、控制、換能、致動于一身,利用 SMA 材料獨特的形狀記憶 效應(Shape Memory Effect, SME),輔以一定的偏動裝置,通過特定的控制手段,構 成雙程可逆致動元件,實現(xiàn)機電能量的轉換。SMA 驅動器重量輕,功率密度大; 結構簡單,易構成微型驅動器;動作連續(xù)柔和;運行無噪聲,對環(huán)

55、境無污染。因此, SMA 驅動器在機器人、航空航天、醫(yī)療、家用電器和汽車工業(yè)領域被廣泛應用。 但在大多數(shù)傳統(tǒng)的 SMA 驅動器中,致動元件 SMA 與偏動元件(普通彈簧或 變形梁)空間分離,驅動單元和執(zhí)行單元(與目標物直接接觸)也各自獨立。復雜 的結構使得體積很難縮小,在一定程度上降低了 SMA 高功率體積比的優(yōu)勢。為尋 2 求可靠的解決方案,本課題組提出并研制了一種新型偏動式 SMA 驅動器[1],設計 為:先將 SMA 絲記憶為圓弧狀,然后在室溫時使其順直并嵌入液體圓柱形硅橡膠 中,硅橡膠固化成硅膠棒后,與絲合為一體。SMA 受熱時回復圓弧狀,驅使硅膠 棒彎曲;冷卻時硅膠棒的形變力使整個棒

56、恢復直線狀。這種新型結構的電機稱為內 嵌式形狀記憶合金電機或內嵌式形狀記憶合金驅動器(ESMAA)。設計中硅膠棒既作 為偏動元件,又作為執(zhí)行元件,縮小了整個驅動裝置的體積。這種 ESMAA 具有運 行柔順、結構緊湊的特點,執(zhí)行棒柔軟而有彈性,很適合作為擬人機械手指在機器 人系統(tǒng)中進行柔性操作。 3.5、研究意義 20 世紀末,中國電子通信產業(yè)發(fā)展迅猛,成為世界電子制造業(yè)的大國。由于我國 的電子生產設備大部分依靠國外進口,因此要成為電子制造業(yè)的強國還需要一定的時 間。表面貼裝技術是電子制造業(yè)的基礎性產業(yè),而貼片機是SMT生產線的主要生產設 中北大學學位論文 2 備,目前還處于被發(fā)達國

57、家壟斷的階段,而國內貼片機生產幾乎是空白,很大程度上依 賴進口,在世界上處于極其被動的地位[2]。 我國在貼片機的研究技術上并不算晚,但是國產化程度有一定的難度。首先,企業(yè) 投入與其收益成反比,主要在于貼片機發(fā)展速度與貼裝性能迅速提高,市場價格卻逐漸 下降。其次,貼片機是光、機、電等綜合一體化設備,涉及到多種學科領域的知識,我 國企事業(yè)單位基礎技術人才缺乏,貼片機的關鍵技術無法掌握與應用。因此,生產中用 到的貼片機單靠進口,花銷極其昂貴,對我國電子、通信產業(yè)的長遠發(fā)展有著不利因素。 因此,國內貼片機的研究具有十分重要的意義。 3.6、課題研究意義 液壓泵是液壓傳動系統(tǒng)中不可缺少的部

58、件,其中柱塞泵在工業(yè)領域中的應用更是 極為廣泛。氣壓傳動作為一種綠色化的傳動技術,使用的是清潔的壓縮空氣。因此用 氣壓驅動的柱塞泵以壓縮空氣為動力,與單純的液壓傳動相比,污染程度相對較低, 能顯著減少環(huán)境污染,在綠色化設計與制造理念日益深入人心的今天,更突顯出其特 有的優(yōu)勢。但現(xiàn)有的氣動柱塞泵,存在功能較少、技術性能較差、結構布局不合理等 不足之處。而在高壓、特別是超高壓領域占據(jù)無可替代位置的軸向與徑向柱塞泵,也 存在結構復雜,價格昂貴,流量脈動率指標不理想等缺點。因此,創(chuàng)新設計新型的氣 動式柱塞泵越來越為流體傳動領域需要。 隨著社會的發(fā)展,人們對工程機械的發(fā)展方向提出了更多的要求,許多領域(

59、特別 是石油化工、航空航天等)對高性能的液壓系統(tǒng)需求越來越迫切。即對于現(xiàn)代化工程機 氣壓驅動柱 塞泵的創(chuàng)新 設 計 剛性氣缸驅動 氣動肌腱驅動 串聯(lián)式單 作用單級 有級調壓 串聯(lián)式雙 作用單級 串聯(lián)式雙 作用雙級 并聯(lián)式雙 作用單級 并聯(lián)式雙 作用雙級 無級調壓 雙作用單級 雙作用雙級 基于鉸桿 增力機構 7 械,人們已不滿足其”能工作”,而是要求其”出色工作”,希望能實現(xiàn)省力/自動化/ 智能化和低耗能。因此,對于工程機械特別是流體機械來說,采用機電液一體化系統(tǒng) 已經(jīng)成為其不可逆轉的發(fā)展趨勢,被越來越廣泛地應用于各種工業(yè)場合。機電液一體 化技術的發(fā)展使得傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)與元件發(fā)生的實質性的變化,

60、正向著高性能、低能 耗、操縱輕便靈活、安全舒適、可靠耐用等方向發(fā)展。 從以上角度出發(fā),在傳統(tǒng)柱塞泵工作原理的基礎上,以克服當前柱塞泵存在的缺 陷為前提,總結并創(chuàng)新設計了新型氣動和伺服電機驅動的柱塞泵。 圖 1.5 本課題研究內容框圖二 3.7、研究涵道螺旋槳氣動模型的意義 從涵道螺旋槳的誕生到現(xiàn)在,還沒有非常成熟的理論模型能準確計算涵道 螺旋槳的氣動特性。因此,研究整個涵道系統(tǒng)的性能,建立涵道螺旋槳的氣動 計算模型,掌握涵道螺旋槳系統(tǒng)的總體設計技術,都具有十分重要的理論指導 意義。并且,還可以將此涵道系統(tǒng)結構應用于高速直升機、新概念高速無人直 升機或無人機及地面仿真系統(tǒng)的研究,由此

61、可以大大提高直升機或無人機的性 能。 3.8、課題研究的背景及意義 個重要組成部分。隨著人們生活水平的提高 對康復治療的重視程度也越來越高了?，F(xiàn)實中,腦血管疾病的患者有 70%-80% 會留下不同程度的肢體運動障礙,喪失了勞動和生活自理能力,給患者和家庭帶 來了沉重的負擔。這一部分人需要通過康復治療和訓練來恢復和達到最大可能的 健康程度。根據(jù)現(xiàn)代康復醫(yī)學理論,無論是成年哺乳動物還是非哺乳動物,其中 樞神經(jīng)系統(tǒng)受到損傷后,在適當條件下其結構和功能等都可重新組織再生。這一 理論被稱為腦的可塑性理論[1]。臨床研究也證明,盡早的介入康復訓練能維持關 節(jié)活動度、防止痙攣,且能夠明顯提高患者的

62、最終康復程度[2-4]。 目前在臨床上腦卒中的康復治療主要以物理治療為主,而現(xiàn)在物理治療的內 涵已經(jīng)從傳統(tǒng)的電療、熱療或光療等手段,轉變?yōu)橹饕蕾囘\動康復鍛煉來達到 康復目標,即運動康復訓練。運動康復主要是指通過肢體的主動運動和被動運 動,逐步恢復肢體的運動功能。肢體的恢復性訓練包括上肢、下肢和手的運動訓 練。減重步態(tài)訓練是下肢偏癱患者康復治療普遍采用的有效方法之一,其康復效 果已經(jīng)得到國內外諸多醫(yī)學專家的普遍認同[5-6]。在傳統(tǒng)的步態(tài)康復訓練中,通 常是患者先通過設計減重裝置減輕下肢所承受的重力后站在跑步機上,再由兩名 康復專業(yè)理療師手動引導患者的雙腿來模仿正常的步態(tài)行走(如圖 1-1 所

63、示)。 圖 1-1 傳統(tǒng)步態(tài)康復訓練模式 Fig.1-1 Conventional gait rehabilitation training mode 2 很顯然,如果單靠康復理療師進行康復訓練,康復訓練效率比較低,工作量 大,且不能精確控制和記錄訓練參數(shù)(步態(tài)速度,軌跡等)。從而制約著理療師 對治療方案的確定和改進。因此,康復訓練需要有更先進的方法或者引入更先進 的技術,把理療師從繁重的訓練任務中解脫出來。這樣,康復訓練機器人便應運 而生了。康復訓練機器人是近年來迅速發(fā)展起來的一門新技術,是機器人技術與 康復醫(yī)學理論的結合,有效地降低了理療師的工作強度,提高了康復訓練的效 率。本課題就是利用

64、機器人技術與傳統(tǒng)步態(tài)康復訓練相結合,設計制作一種新型 的基于氣壓驅動的步態(tài)康復訓練機器人系統(tǒng)。 4、研究目的 4.1、課題來源、目的及意義 本課題來源于東莞科技展覽館,是該館現(xiàn)代氣動技術展示項目的子項目,受該 展覽館委托,要求研制一種氣動系統(tǒng),用于展示現(xiàn)代氣動技術在機械手控制中的應 用。通過對項目的分析及方案論證,最終確定開展對簡易型精確定位氣動機械手的 開發(fā)和研究。該氣動機械手要求實現(xiàn) X、Y、Z 三個坐標上的移動,在 X、Y 兩坐標 中可以實現(xiàn)氣缸有效行程內準確定位,X、Y、Z 三坐標的運行機構均為氣缸,采用 9 氣動驅動形式,執(zhí)行機構是真空吸盤,用來吸取球形工件。 在本課題

65、的研究中,舍棄了傳統(tǒng)的電動伺服控制技術,而是采用氣動技術,通 過對氣動伺服定位技術的研究,實現(xiàn)機械手的全氣動控制和驅動。結合課題中的三 自由度氣動機械手,本文深入地研究了氣動位置伺服控制系統(tǒng)的原理及其實現(xiàn)方法, 實現(xiàn)了氣動機械手對無桿氣缸的快速、精確的定位控制。論文對氣動機械手上下位 機控制方式進行了設計和研究,實現(xiàn)了氣動機械手控制面板和 PC 機兩種操作方式。 本課題的研究,為氣動機械手的實現(xiàn)和應用,提供了一種簡單易行且具有一定定位 精度的方法,此方法對氣動技術的發(fā)展和氣動機械手在工業(yè)自動化中的應用,具有 較高的工程實際意義;采用簡易型精確定位氣動機械手開發(fā)的氣動投籃游戲機,2005 年 1

66、2 月 28 日起,在東莞科博館展出,經(jīng)過四個月的考核運行,受到一致好評。 4.2、課題的研究目的和意義 對治療方法存在如下一些問題[27]: (1)一名醫(yī)師只能同時對一名患者進行康復訓練,訓練效率低下; (2)由于醫(yī)師自身的原因,可能無法使患者得到足夠的訓練強度; (3)訓練會受到不同醫(yī)師自身因素的影響,治療效果大多取決于醫(yī)師的實踐 經(jīng)驗和能力; (4)不能對運動過程進行精確的控制和記錄訓練相關參數(shù)(運動時的速度、 末端軌跡、訓練強度等),不利于確定治療方案及其進一步改進; (5)不能記錄描述康復訓練進程的各種數(shù)據(jù),康復評價指標不夠客觀; (6)無法建立起訓練參數(shù)和康復指標之間的相應關系,不利于對偏癱患者神 經(jīng)康復規(guī)律的深入研究; (7)不能對患者提供實時直觀的反饋資源信息; (8)訓練過程沒有吸引力,患者被動地接受治療,主觀參與治療的積極性不 夠。 另外,由于缺乏客觀可控的手段對整個康復訓練過程進行有效監(jiān)控,因此在 現(xiàn)有的各種治療方案中,治療結果并沒有明顯的好壞之分。也就是說,對現(xiàn)有治 療方法還沒有更有效的辦法可以進行比較和優(yōu)化。 可以看出,單純依靠醫(yī)師進行康復訓練,無