智能機械手臂造型設計研究論文

智能機械手臂造型設計研究論文

　　摘要：現階段的機械手臂控制方法忽略了外部環(huán)境中動(dòng)勢能等不定性因素在機械手臂運行中的影響,致使機械手臂位姿不準確,定位精度低,自由度擴展性弱。本文對機械手臂智能角度控制方法進(jìn)行了研究。通過(guò)對外部環(huán)境不定性參數進(jìn)行分析建立數學(xué)模型轉化動(dòng)能與勢能對機械手臂運動(dòng)的影響。

　　關(guān)鍵詞：機械論文發(fā)表

　　前言

　　作為一種智能化程度較高的生產(chǎn)制作工具，智能機械手臂在近期得到了廣泛的應用和長(cháng)足的發(fā)展。研究智能機械手臂的造型設計，能夠更好地完善機械手臂的外觀(guān)，從而更好地與其功能相融合。本文從介紹其造型設計的特點(diǎn)著(zhù)手研究。

　　1.智能機械手臂造型設計特點(diǎn)

　　1.1功能原理對造型的影響

　　智能機械手臂的功能依附于機構工作原理而實(shí)現。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的機械手臂有多軸和三軸等，尤其以六軸機械手臂應用較為廣泛。在造型設計時(shí)需先確定機械手臂大致形態(tài)與結構比例，再考慮各個(gè)關(guān)節的連接方式、造型元素、細節形態(tài)及圖形化設計等。機械手臂造型可采用全包裹式或半包裹式，雙臂式或單臂式，都以功能需求為造型基礎。產(chǎn)品形態(tài)是表達產(chǎn)品設計思想與實(shí)現產(chǎn)品功能的語(yǔ)言和媒介。在造型創(chuàng )新的過(guò)程中，考慮機械手臂的關(guān)節結構及傳動(dòng)規律，在此基礎上進(jìn)行造型設計才具有實(shí)際意義。

　　1.2造型特點(diǎn)對比分析

　　(1)同一品牌的產(chǎn)品設計具有家族化色彩偏好及造型曲線(xiàn)偏好，在保證功能與審美的基礎上融入產(chǎn)品族造型基因。產(chǎn)品族設計是企業(yè)競爭的有效手段，使產(chǎn)品能獲得統一的家族特征。

　　(2)輕載機械手臂與重載機械手臂的造型元素選擇具有差異性，輕載機械手臂重視靈活精確，因此多采用線(xiàn)元素來(lái)塑造，強調形態(tài)的輕松、靈動(dòng)，采用雙臂設計將關(guān)節電機內置;重載機械手臂重視力量感與安全可靠性，造型多采用體元素與較寬大的面元素來(lái)凸顯產(chǎn)品厚重感。同時(shí)采用較大的基座設計，一方面符合載重需要，另一方面使視覺(jué)重心下移，下降的視覺(jué)感官是穩定、可靠的，凸顯了造型的力量感，增加人對機械手臂載重可靠性的心理感受。

　　2.智能機械手臂設計中的主要構成

　　2.1執行機構

　　(1)手部：手部安裝在手臂的前端。手臂的內孔中裝有傳動(dòng)軸，可把運用傳給手腕，以轉動(dòng)、伸曲手腕、開(kāi)閉手指。機械手手部的構造系模仿人的手指，分為無(wú)關(guān)節、固定關(guān)節和自由關(guān)節三種。手指的數量又可分為二指、三指、四指等，其中以二指用的最多�？筛鶕�夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和大小的夾頭以適應操作的需要。

　　(2)手臂：手臂的作用是引導手指準確地抓住工件，并運送到所需的位置上。為了使機械手能夠正確地工作，手臂的三個(gè)自由度都要精確地定位。

　　(3)軀干：軀干是安裝手臂、動(dòng)力源和各種執行機構的支架。

　　2.2驅動(dòng)機構

　　(1)液壓驅動(dòng)式：液壓驅動(dòng)式機械手通常由液動(dòng)機、伺服閥、油泵、油箱等組成驅動(dòng)系統，由驅動(dòng)機械手執行機構進(jìn)行工作。通常它的具有很大的抓舉能力，其特點(diǎn)是結構緊湊、動(dòng)作平穩、耐沖擊、耐震動(dòng)、防爆性好，但液壓元件要求有較高的制造精度和密封性能，否則漏油將污染環(huán)境。

　　(2)氣壓驅動(dòng)式：其驅動(dòng)系統通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機組成，其特點(diǎn)是氣源方便、動(dòng)作迅速、結構簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、維修方便。但難以進(jìn)行速度控制，氣壓不可太高，故抓舉能力較低。

　　(3)電氣驅動(dòng)式：電力驅動(dòng)是機械手使用得最多的一種驅動(dòng)方式。其特點(diǎn)是電源方便，響應快，驅動(dòng)力較大，信號檢測、傳動(dòng)、處理方便，并可采用多種靈活的控制方案。

　　2.3控制系統

　　控制系統可根據動(dòng)作的要求，設計采用數字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據規定的程序，控制機械手進(jìn)行工作程序的存儲方式有分離存儲和集中存儲兩種。分離存儲是將各種控制因素的信息分別存儲于兩種以上的存儲裝置中，如順序信息存儲于插銷(xiāo)板、凸輪轉鼓、穿孔帶內;位置信息存儲于時(shí)間繼電器、定速回轉鼓等;集中存儲是將各種控制因素的信息全部存儲于一種存儲裝置內，如磁帶、磁鼓等。這種方式使用于順序、位置、時(shí)間、速度等必須同時(shí)控制的場(chǎng)合，即連續控制的情況下使用。

　　3.造型設計規律分析

　　3.1形態(tài)仿生曲線(xiàn)運用

　　機械手臂形態(tài)設計要體現力量與美感的雙重訴求，需從點(diǎn)、線(xiàn)、面、體等形態(tài)元素中體現。德國KUKA公司推出的重載機械手臂承載力可達1300kg，外形采用了仿生學(xué)設計，曲線(xiàn)較為平滑、舒展流暢、整體感強，充滿(mǎn)了向上的張力。瑞士ABB公司的重載機械手臂，最大承載力500kg，相比之下，該形態(tài)曲線(xiàn)轉折較多，大量折線(xiàn)的運用使機體輪廓線(xiàn)較為瑣碎，削弱了機體線(xiàn)條的流暢性。

　　3.2色彩運用

　　色彩依附于產(chǎn)品形態(tài)而存在，人對造型設計的第一印象來(lái)自其色彩。機械手臂一般采用具有一定辨識度的色彩作為產(chǎn)品主色調，增強品牌的識別度。意大利COMAU公司生產(chǎn)的機械手臂，選用紅色作為主色調，體現了意大利文化中的奔放、熱情;德國KUKA公司生產(chǎn)的輕載機械手臂，選用淺色為主色調，表達質(zhì)輕、高效、靈動(dòng)的特征，同時(shí)可緩和視覺(jué)緊張感，局部采用高純度亮色作為點(diǎn)綴，強化視覺(jué)中心，增強產(chǎn)品的色彩節奏感。產(chǎn)品色彩的選擇需考慮與環(huán)境色的搭配，可使場(chǎng)景功能區分明確，色彩對比分明，營(yíng)造嚴謹的工作環(huán)境。

　　3.3材料與質(zhì)感的運用

　　機械手臂的外殼材料需保證一定的強度要求，并體現材質(zhì)感。德國KUKA公司生產(chǎn)的工業(yè)機械手臂，采用新型碳纖維加強材料，機身質(zhì)量較輕但強度卻很高，同時(shí)能保持具有一定光澤度的質(zhì)感。日本YASKAWA公司仿生家用雙臂機器手，機身采用啞光淺色塑料，手臂采用高光澤度亮色塑料，給人輕巧、親和的感覺(jué)。

　　4.結束語(yǔ)

　　通過(guò)對智能機械手臂造型設計的相關(guān)研究，我們可以發(fā)現，作為一種實(shí)際應用效果良好的人工替代工具，智能機械手臂的造型可以進(jìn)行更深度的優(yōu)化。有關(guān)人員應該根據智能機械手臂的實(shí)際應用環(huán)境，研究制定最優(yōu)化的造型設計方案。

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