《机械手结构设计文献综述3500字》

气动控制的机械手结构设计文献综述1.气动机械臂研究（1）国外研究综述机器人领域中，气动技术最早是应用在工业机器人的末端夹具中，而气压驱动机械臂是近些年随着气动技术发展而来的一种新型的机械臂类型。从20世纪80年代开始，国外著名的气动元件公司，如德国FESTO公司，日本SMC气动元件公司相继成功研发出了电气伺服阀、电气比例阀和高速开关阀等高性能的气动控制元件，这些元器件的研发成功为气动机械臂的诞生做出了开创性的成果。早期的气动机械臂都是由人工肌肉作为主驱动器实现的。20世纪_50年代美国原子物理学家JosephL.McKibben为他患病的女儿设计出第一个气动人工肌肉，用于驱动假肢运动，它被称作McKibben肌肉。之后学者们相继又研制出Morin肌肉、Yarlott型肌肉等，以人工肌肉为驱动的机械臂开始被研制出来。如Festo公司研发的气动机械臂Airic'sarm，骨骼与肌肉结构完全按照人体骨骼构成，“肌肉”即是用“气动肌键”所构成，它的优点在于可以方便的控制设备的刚度和力度。日本东京理科大学小林宏教授同样采用McKibben型人工肌肉设计了一款可穿戴助力型的机械臂，该类机械臂都是由金属骨架和人工肌肉来模仿人的手臂进行研究的，从而开辟了气动机械臂的应用先河。麻省理工学院Krebs等人研发出平面动作机械手臂MIT-MANUS系统，训练时病人用患侧握在机械手臂末端，辅助病人做上肢康复运动，利用Video-games，病人依靠屏幕上所显示的目标来移动机械手臂，由视觉、听觉、触觉回馈来完成手臂动作。当病人无法对视觉或听觉的提示做出反应时，机械手臂会辅助来带动病人的手。利用系统上的感测器可记录病人手部动作轨迹及位置、速度、力量等物理量，控制力量输出的大小，能确保病人与机械手臂接触做练习时的安全，缓和机器震动，维持整体的稳定性。机械手具有反向可驱动性，阻抗控制；主要辅助或阻碍肩和肘的平面运动，并可以通过计算机屏幕为患者提供力场反馈。学者Lum与斯坦福大学合作开发了使用名为MirrorImageMovementEnabler的系统，此系统是有两个可移动的胳膊支撑，一个六自由度的机械手臂组成。MIME有三种单侧操作方式和一种双侧操作方式，单侧操作方式有12种预定的轨迹可选，双侧操作方式中，健肢运动是由监测的传感器和光电编码器记录运动，通过PUMA机械手镜像至患者肢体。当运动阻力超过预定值时，机械手停止动作。意大利帕多瓦大学GiulioRosati等人设计的绳驱动三自由度机械手NeReBot，可以帮助中风患者进行手臂的康复运动训练。在机械手的中间位置有一个托板，它分别由支撑架上的三根绳吊着，绳子分别由三个电机驱动来控制。通过电机转动来控制三根绳子长短的变化，从而带动托板在空间运动。患者在进行康复运动训练时，首先需要把病人的手臂固定在托板上，通过电机转动，带动患者的手臂在三个自由度方向上运动，而且托盘的运动轨迹是通过示教再现的方式进行规划控制的。（2）国内研究综述虽然国内起步较晚，但也有不少学者对此进行研究，如哈尔滨工程大学隋立明等人研制的基于人工肌肉的四自由度的机械臂，该机械臂肩部采用虎克铰的形式，基本满足了人手臂的柔顺性运行的要求;之后北京理工大学彭光正课题组在此基础上设计了一种七自由度的仿人机械臂，该机械臂在设计上拥有较多的自由度，因此灵活性上得到了大大的提升。上海交通大学的洪熠通过高速开关阀研究了基于气动人工肌肉的六自由度的机械臂的设计和控制研究，较为完整的探究了气动机械臂柔顺性和灵活性。虽然人工肌肉的使用从一定程度上促进了气动机械臂的发展，但由于其较小的负载承受能力以及较大的柔性限制了其在工业上的应用，同时在实际应用过程中，经常会使用多个人工肌肉并联才能达到预期的使用效果，因此这些都在一定程度上限制了其应用的范围。台湾学者陈秋旺设计出一应用于中风病人上肢复健之机械手臂，如，林栋煌、董宪奇延续进行软硬件的改良及测试。其机器手臂结构设计采用Asada所提出的“五连杆平行驱动机构设计”方法来设计，并利用模糊理论来进行位置及力量的控制，应用伺服马达驱动机械手臂，可记录复健过程中的轨迹路径、速度及机械手臂与被训练者手部之间的接触力量。近些年来，随着高性能气动伺服阀的研制成功，国内外的一些学者也开始使用传统的气缸作为驱动器研究机械臂，使得气动机械臂在机械结构和运动精度上逐渐的接近于电机驱动的传统机械臂。这其中最具有代表性的是气动元件制造巨头德国FESTO公司研制的BioriicCobot和BioriicSoftArm气动机械臂，该机械臂设计为七自由度，使用摆动气缸为作为驱动，通过电气比例伺服阀进行控制气腔的压力的控制进而控制每个关节的运动，由于气体的可压缩性，其机械臂在运动过程中，相对于传统的电机驱动机械臂柔顺性更好，更加接近于人类手臂，同时比传统的人工肌肉刚性更好，使其能够完成更多的复杂和较繁重的任务.在国内，通过使用传统气动执行器作为驱动研究机械臂则相对落后，部分学者使用直线气缸做驱动，通过设计相关结构使直线运动变为转动从而控制机械臂关节旋转，如哈尔滨工业大学的毛新涛研制了一款应用于工业涂胶的三自由度串联式气动机械手。该机械臂腰部采用摆动气缸控制，大臂和小臂采用直线气缸控制，并配以比例流量阀控制腔内压力大小从而控制关节运动。该研究通过建立机械手运动学模型，并进行正运动学和逆运动学分析。通过气动机械手的运动学模型，采用基于逆运动学模型的角度规划轨迹方法，进行多种轨迹的仿真分析研究，样机试验结果表明其运动精度控制在2%以内。2.气动伺服控制系统国内外研究现状（1）国外研究现状长期以来，为解决气动技术的高精度伺服控制的难题，国内外有关学者进行了不懈的努力和探索，自从1997年德国亚探工业大学WBacke教授研制出的世界上第一个气动伺服阀之后，气动伺服控制系统开始发展起来。80年代初，T.Eun等人研制出了一种新的气动开关伺服结构，并深入研究了该结构的鲁棒性和精度。而PWM开关伺服控制是日本的则次俊郎首先开始引入研究，他首次将PWM电-气开关/伺服系统应用于输送机中。之后又最先把PCM控制技术应用于气动系统的控制。美国的JingYihLai等人以自由度机械臂为控制对象进行了PWM气动控制理论分析和实验研究。而国内，周洪博士等人较早的对电一气伺服系统及其控制进行了研究;随后哈尔滨工业大学许耀铭教授主持进行了电一气伺服系统及其电一气伺服器件的开发研究;同时国内众多学者开始对气动伺服技术进行深入研究。气动旋转位置伺服系统相对于直线位置伺服系统更复杂，模型建立更加困难，产生的非线性因素也更多，因此对它的研究也相对较晚。近些年随着工业自动化领域中对旋转运动需求的增多，以摆动气缸和气马达为主要执行器的研究逐渐增多。如李尚义等人对PCM开关阀控气马达转角位置控制系统进行了初步研究运用控制理论对其稳定性和误差进行了定量分析。Tillett,N.D研究了摆动气缸的非线性结构和影响摩擦力的因素，建立了系统的非线性模型，较精确的反映了系统的特性。对于气动伺服控制，其中一个重要的问题就是解决气缸的低速爬行的问题，而产生低速爬行的一个重要的原因就是因为动静摩擦力之间差值所造成的位置跳动不受控的问题，目前学者们对气缸所产生的摩擦力已经进行了较深入的研究，如最早对气缸摩擦力进行研究的意大利学者G.Belforte教授，根据实验数据总结了相关性因素得出了气缸摩擦力的计算公式。同时该研究得到了不同密封下的摩擦力系数，对与寻找低摩擦力气缸与密封之间的关系具有指导价值。日本工业大学的寺岛幸雄等人，通过仿真和实验，研究了排气节流中的气缸爬行现象，根据得到的不同工况下的摩擦力，建立了气缸的Stribeck摩擦力模型，并总结提出了爬行速度这一概念。（2）国内研究综述北京理工大学的王鹏基于比例压力阀的齿轮齿条式摆动气缸位置伺服控制中，通过模糊PID和模型参考自适应控制算法进行研究，在线调节控制器的参数，但控制性能不够理想，超调量较高。南京理工大学的李小宁课题组对比例流量阀控叶片式摆动气缸进行了深入研究，通过非线性补偿的方法，并通过速度+压力差反馈控制策略，使误差达到了±0.5°的精度。上海交通大学的王旭永通过深入研究摆动气缸的特性，对于控制系统容易受到干扰的特点分别分析了传统PID控制和滑模变结构控制的特点。对滑膜变结构控制特有的抖振现象进行了分析并采用饱和趋近率的方法来削弱抖振。在气动伺服控制方面，北京理工大学张百海等人通过出口节流调速的方法对气缸摩擦力特性进行了研究，得出气缸的动摩擦力和速度的拟合关系是二次曲线的结论。南京理工大学的柏艳红通过建立摆动气缸的仿真模型，并对其进行