第一篇：關于研發機械手編程控制系統申請報告

關于研發機械手編程控制系統

申請報告

編制：

日期：2011年6月8日星期三

目 錄

前 言

機械手：mechanical hand，也被稱為自動手，auto hand 機械手是模仿人的手部和臂的某些動作功能，按固定程序、軌跡和要求實現自動抓取、搬運物件和操作工具的自動裝置。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。

機械手主要由手部、運動機構和控制系統三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現規定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度。

機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續軌跡控制機械手等。

機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。機械手在鍛造工業中的應用能進一步發展鍛造設備的生產能力，改善熱、累等勞動條件。

在工業生產和其他領域內，由于工作的需要，人們經常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，增加了工人們勞動強度，甚至危及生命。機械手就是在這種條件下誕生的，機械手是工業機器人系統中的傳統的任務執行機構，是機器人的關鍵部件之一。它特別是在高溫、高壓、多粉塵、易燃、易爆、放射性等惡劣環境中，以及笨重、單調、頻繁的操作中代替人作業。機械手雖然目前還不如然手那樣靈活，但它具有不斷重復工作和勞支，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此獲得日益廣泛的應用。

機械手是在機械化，自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置。隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。在現代生產過程中，機械手被廣泛的動用于自動生產線中，它更加促進了機械手的發展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。

結 論

研發設計機械手主要應用于機床加工生產，貨物、工具調運等生產場合。機械手采用PLC控制，體積小，重量輕，控制方式靈活，可靠性高，操作簡單，維修容易。使用該機械手代替人工搬運工件，既安全，又準確，不但提高了勞動生產率，還保證了工件的質量，并降低了工人的勞動強度，具有較好的經濟效益和社會效益。

可編程控制器PLC以其豐富的I/O接口模塊、高可靠性，可以在機械手的控制系統的設計中起到了十分重要的作用。可以有效地提高編程控制系統的抗干擾能力，并可進行精確的控制，取得了良好的效果。

隨著機械手應用的普及，機械手向著專用化，機械結構向模塊化、可重構化的方向發展，機械手的動作更加靈活多樣，其控制方式也在向著多元化的方向發展，在PLC控制的過程中，還有許多問題需要解決，PLC在機械手開發中的開發應用還有很大的空間。

綜上所述，研發機械手編程控制系統是必然趨勢,為實現目標研發項目勢在必行，請求給予批準研發為盼。

商祺！

第二篇：機械手運行控制系統設計

機電系畢業設計任務書

（二）指導教師：張國同

一、設計題目機械手運行控制系統設計

（二）二、設計目標

1）掌握機械手動作流程。

2）以PLC為系統控制核心

3）掌握正確選擇PLC的方法

4）掌握電氣控制元件的選擇與計算方法。

3）掌握液壓元件選擇與應用。

三、設計內容

機械手由液壓元件驅動，左，右運行采用雙伸出桿液壓缸。機械手的基本動作： 機械手原位→下降→抓物→上升→右行→下降→放物→上升→左行→到原位結束。

1）選擇正確的電氣控制器件

2）選擇正確的液壓元件（包括液壓泵和電機型號）。

3）有各步的工作狀態指示。

4）有必要的電、液保護和聯鎖。

5）繪制電氣控制原理圖和液壓原理圖。

6）繪制元件安裝布置圖。

7）繪制接線圖、控制方框圖、控制流程圖。

四、畢業設計說明書格式要求（15000字以上）。以機電系畢業設計要求為準。

1）設計題目

2）控制原理說明設計方案論證

3）主要器件選擇依據與計算

4）元件明細表

5）設計總結及改進意見

6）主要參考資料

五、參考文獻

工廠電氣控制技術機械工業出版社 主編方承遠

工廠電氣控制設備機械工業出版社 主編許廖

機床電氣控制技術機械工業出版社 主編王炳實

可編程序控制器的應用技術機械工業出版社 主編 王兆義

可編程序控制器的原理及程序設計電子工業出版社 主編崔亞軍

第三篇：基于plc機械手控制系統的設計

基于plc機械手控制系統的工程設計 課題背景及研究意義

機械手是工業自動化領域中經常遇到的一種控制對象。近年來隨著工業自動化的發展機械手逐漸成為一門新興學科，并得到了較快的發展。機械手廣泛地應用與鍛壓、沖壓、鍛造、焊接、裝配、機加、噴漆、熱處理等各個行業。特別是在笨重、高溫、有毒、危險、放射性、多粉塵等惡劣的勞動環境中，機械手由于其顯著的優點而受到特別重視。總之，機械手是提高勞動生產率，改善勞動條件，減輕工人勞動強度和實現工業生產自動化的一個重要手段。國內外都十分重視它的應用和發展。

可編程序控制器（PLC)是專為在工業環境下應用而設計的實時工業控制裝置。隨著微電子技術、自動控制技術和計算機通信技術的飛速發展，PLC在硬件配置、軟件編程、通訊聯網功能以及模擬量控制等方面均取得了長足的進步，已經成為工廠自動化的標準配置之一。

由于自動化可以節省大量的人力、物力等，而PLC也具有其他控制方式所不具有的特殊優越性，如通用性好、實用性強、硬件配套齊全、編程方法簡單易學，因此工業領域中廣泛應用PLC。機械手在美國、加拿大等國家應用較多，如用果實采摘機械手來摘果實、裝配生產線上應用智能機器人等。我國自動化水平本身比較低，因此用PLC來控制的機械手還比較少。本次課題設計的機械手就是通過PLC來實現自動化控制的。通過此次設計可以更進一步學習PLC的相關知識，了解世界先進水平，盡可能多的應用于實踐。

組態王是一套用于快速構造和生成計算機監控系統的組態軟件，它能夠在基于Microsoft的各種32位Windows平臺上運行，通過對現場數據的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案，在自動化領域中有著廣泛的應用。本設計通過組態軟件對機械手進行監控，將機械手的動作過程進行了動畫顯示，使機械手的動作過程更加形象化。機械手

2.1 機械手介紹

Mechanical hand也被稱為自動手，Auto hand能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。

2.2機械手的分類

機械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現規定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用 機械手有2~3個自由度。

機械手的種類，按驅動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續軌跡控制機械手等。

機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險物品的主從式操作手也常稱為機械手。

機械手是在機械化、自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。

2.3機械手的特點

機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用，例如：

1.機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍。

2.在裝配作業中應用廣泛，在電子行業中它可以用來裝配印制電路板，在機械行業中它可以用來組裝零部件。

3.可在勞動條件差，單調重復易子疲勞的工作環境工作，以代替人的勞動。

4.可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等。

5.宇宙及海洋的開發。

6.軍事工程及生物醫學方面的研究和試驗。

2.4 機械手的構成

機械手簡述：機械手的形式是多種多樣的，有的較為簡單，有的較為復雜，但基本的組成形式是相同的，一般由執行機構、傳動系統、控制系統和輔助裝置組成。

1.執行機構 機械手的執行機構，由手、手腕、手臂、支柱組成。手是抓取機構，用來夾緊和松開工件，與人的手指相仿，能完成人手的類似動作。手腕是連接手指與手臂的元件，可以進行上下、左右和回轉動作。簡單的機械手可以沒有手腕。支柱用來支撐手臂，也可以根據需要做成移動。

2.傳動系統 執行機構的動作要由傳動系統來實現。常用機械手傳動系統分機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電力傳動等幾種形式。

3.控制系統機械手控制系統的主要作用是控制機械手按一定的程序、方向、位置、速度進行動作，簡單的機械手一般不設置專用的控制系統，只采用行程開關、繼電器、控制閥及電路便可實現動傳動系統的控制，使執行機構按要求進行動作。動作復雜的機械手則要采用可編程控制器、微型計算機進行控制 機械手控制方式的選擇

3.1 控制方式的分類

傳統的工業設備自動控制主要由繼電器或分立的電子線路來實現，這種控制方式投資相對少一些，目前僅在一些舊式的、簡單的工業設備中還有一定市場，但該控制方式卻有以下致命缺陷：

(1)僅適合于簡單的邏輯控制；

(2)僅適合特殊的工程項目，而沒有通用性；

(3)沒有改動和優化的可能性。伴隨著工業自動化技術的迅速發展，我國工業領域的自動化已經基本實現了從繼電器控制到計算機控制的轉變，計算機控制方式具有以下兩個特點：

(1)硬件上至少有一個微處理器；

(2)通過軟件實現控制思想。

目前，工業自動化領域比較典型的控制方式有：

(1)可編程序邏輯控制器（PLC）；

(2)工業控制計算機（IPC）；

(3)集散控制系統（DCS）。

3.2 PLC與工業控制計算機（IPC）和集散控制系統（DCS）的比較及選型

1.各自技術發展的起源

計算機是為了滿足快速大量數據處理要求的設備。硬件結構方面，總線標準化程度高，兼容性強，軟件資源豐富，特別是有實時操作系統的支持，故對要求快速、實時性強、模型復雜和計算工作量大的工業對象的控制占有優勢。

集散系統從工業自動化儀表控制系統發展到以工業控制計算機為中心的集散系統，所以其在模擬量處理、回路調節方面具有一定優勢，初期主要用在連續過程控制，側重回路調節功能。PLC是由繼電器邏輯系統發展而來，主要應用在工序控制上，初期主要是代替繼電器控制系統，側重于開關量順序控制方面。

近年來隨著微電子技術、大規模集成電路技術、計算機技術和通信技術等的發展，PLC在技術和功能上發生了飛躍。在初期邏輯運算的基礎上，增加了數值運算、閉環調節等功能，增加了模擬量和PID調節等功能模塊；運算速度提高，CPU的能力趕上了工業控制計算機；通信能力的提高發展了多種局部總線和網絡(LAN)，因而也可構成為一個集散系統。特別是個人計算機也被吸收到PLC系統中。PLC在過程控制的發展將是一智能變送器和現場總線，暨向下拓展功能，開放總線。

2.相同點 在微電子技術發展的背景下，從硬件的角度來看，PLC、工業計算機、集散系統(DCS)之間的差別正在縮小，都將由類似的一些微電子元件、微處理器、大容量半導體存儲器和I/O模件組成。編程方面也有很多相同點。

3.不同點由于PLC和計算機屬于兩類產品，經過幾十年的發展都形成了自身的裝置特點和軟件工具，實際上它們的區別仍然存在。

PLC用編程器或計算機編程，編程語言是梯形圖、功能塊圖、順序功能表圖和指令表等。集散系統自身或用計算機結構形成組態構成開發系統環境。

特別需要提出的是，PLC與STD總線工控機的區別，無論從維修、安裝和模件功能都很相似。PLC更適用于黑模式下運行，但在線運行時若要進行較大的程序修改，其能力略遜于STD工控機，但是從開關量控制而言，PLC的性能優于STD工控機。

總的來說，在選擇控制器時，首先要從工程要求、現場環境和經濟性等方面考慮。沒有哪種控制器是絕對完善的，也沒有哪種產品絕對差，只能說根據不同的環境選擇更適用的產品。

本章小結

本章主要介紹了機械手的來源、研究背景及研究意義，機械手的分類、特點。由于機械手是在搬運中的應用，所以采用傳送帶加旋轉的機械手類型。此機械手易于操作，性 能可靠。機械手的控制方式可以有多種，本文主要研究通過PLC來控制機械手。

第四篇：編程轉職申請報告

數控編程轉職申請報告

徐廠長：您好

本人于2004年七月正式加入本公司，根據公司的需要，目前在MVR38/42A機床上做操作工，本人工作認真、細心且具有較強的責任心和進取心，勤勉不懈，極富工作熱情；性格開朗，樂于與他人溝通，具有良好和熟練的溝通技巧，有很強的團隊協作能力；責任感強，能完成領導交付的工作，和公司員工關系相處融洽而和睦，配合部門領導完成各項工作；積極學習新知識、技能，注重自身發展和進步。先后被公司評為先進工作者，以及派送赴日研修，這對于我來說，既是動力也是壓力。在本部門的工作中，我勤奮工作，獲得了本部門領導和同事的認同。

在本部門的工作中，當然，在工作中我也出現了一些小的差錯和問題，部門領導及時給我指出，促進了我工作的成熟性, 隨著對機加工工作的日益了解, 越發覺的自己并不是很適合于在這個部門的工作, 特提出轉職申請。

回國快一年多了，我一直以一個研修生的姿態嚴格要求自己，一定要做的比別人好，雖然很努力了，但并沒有什么很突出的創新，我感覺很失敗，我想這有很大一部分原因是由于我的興趣愛好所致，因為我對編程很感興趣。

企業的存在與發展離不開員工的努力工作，同樣，一個員工的發展，也離不開企業的培養，公司給了我這樣一個發揮的舞臺,我就要珍惜這次機會，為公司的發展盡全力。由于我本人對編程很感興趣，先后自學AutoCAD2004,Mastercam9編程軟件，現在已經有點成績，并熟悉于西門子840D程序和法蘭克程序手工編程，而且熟悉于日本先進的編程格式，在編程過程中積累了豐富的經驗，結合本人的性格特點及素質，我覺得我更適合擔任機加工編程這一職位。

我對編程很感興趣！

其次，今年我報考了西南科技大學夜校，機械類專科，打算花兩年半時間攻讀這門課程，無法全身心投入我現在的三班倒工作。

如果公司給了我這樣一個發揮的舞臺，我就要珍惜這次機會，為公司的發展竭盡全力。在此我提出轉入數控編程職位申請，希望能成為數控編程中的一員，懇請領導予以批準。

如果領導可以批準我的請求，本人工作轉接如下：

現在機床上的三個副手都已經在本機床上工作三年了，已經達到可以獨立操作的水平，當然其中兩個是我的徒弟，這點我是可以肯定的。所以我的轉職不會對公司正常生產造成影響。

致 禮

申請人：黃盛日期：2010-1-18

第五篇：外文翻譯機械手的機械和控制系統

本科畢業設計

外文翻譯

題

目 姓

名 專

業 指導教師

機械手的機械和控制系統 謝百松

學

號 20051103006

機械設計制造及其自動化 肖新棉

職

稱 副教授

中國·武漢 二○○九年 二月

華中農業大學本科畢業設計外文翻譯

機械手的機械和控制系統

文章來源: Dirk Osswald, Heinz W?rn.Department of Computer Science , Institute for Process Control and Robotics(IPR).,Engler-Bunte-Ring 8-Building 40.28.摘要: 最近，全球內帶有多指夾子或手的機械人系統已經發展起來了，多種方法應用其上，有擬人化的和非擬人化的。不僅調查了這些系統的機械結構,而且還包括其必要的控制系統。如同人手一樣，這些機械人系統可以用它們的手去抓不同的物體，而不用改換夾子。這些機械手具備特殊的運動能力（比如小質量和小慣性），這使被抓物體在機械手的工作范圍內做更復雜、更精確的操作變得可能。這些復雜的操作被抓物體繞任意角度和軸旋轉。本文概述了這種機械手的一般設計方法，同時給出了此類機械手的一個示例，如卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ。本文末介紹了一些新的構想，如利用液體驅動器為類人型機器人設計一個全新的機械手。關鍵詞：多指機械手；機器人手；精操作；機械系統；控制系統

1.引言

2001年6月在德國卡爾斯魯厄開展的“人形機器人”特別研究，是為了開發在正常環境（如廚房或客廳）下能夠和人類合作和互動的機器人系統。設計這些機器人系統是為了能夠在非專業、非工業的條件下（如身處多物之中），幫我們抓取不同尺寸、形狀和重量的物體。同時，它們必須 1

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能夠很好的操縱被抓物體。這種極強的靈活性只能通過一個適應性極強的機械人手抓系統來獲得，即所謂的多指機械手或機器人手。

上文提到的研究項目，就是要制造一個人形機器人，此機器人將裝備這種機器人手系統。這個新手將由兩個機構合作制造，它們是卡爾斯魯厄大學的IPR（過程控制和機器人技術研究院）和c（計算機應用科學研究院）。這兩個組織都有制造此種系統的相關經驗，但是稍有不同的觀點。

IPR制造的卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（如圖1所示），是一個四指相互獨立的手爪，我們將在此文中詳細介紹。IAI制造的手（如圖17所示）是作為殘疾人的假肢。

圖1.IPR的卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ

圖2.IAI開發的流體手 2.機器人手的一般結構

一個機器人手可以分成兩大主要子系統：機械系統和控制系統。機械系統又可分為結構設計、驅動系統和傳感系統，我們將在第三部分作進一步介紹。在第四部分介紹的控制系統至少由控制硬件和控制軟件組成。

我們將對這兩大子系統的問題作一番基本介紹，然后用卡爾斯魯厄靈 2

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巧手Ⅱ演示一下。

3.機械系統

機械系統將描述這個手看起來如何以及由什么元件組成。它決定結構設計、手指的數量及使用的材料。此外，還確定驅動器（如電動機）、傳感器（如位置編碼器）的位置。

3.1 結構設計

結構設計將對機械手的靈活度起很大的作用，即它能抓取何種類型的物體以及能對被抓物體進行何種操作。設計一個機器人手的時候，必須確定三個基本要素：手指的數量、手指的關節數量以及手指的尺寸和安置位置。

為了能夠在機械手的工作范圍內安全的抓取和操作物件，至少需要三根手指。為了能夠對被抓物體的操作獲得6個自由度（3個平移和3個旋轉自由度），每個手指必須具備3個獨立的關節。這種方法在第一代卡爾斯魯厄靈巧手上被采用過。但是，為了能夠重抓一個物件而無需將它先釋放再拾取的話，至少需要4根手指。

要確定手指的尺寸和安置位置，可以采用兩種方法：擬人化和非擬人化。然后將取決與被操作的物體以及選擇何種期望的操作類型。擬人化的安置方式很容易從人手到機器人手轉移抓取意圖。但是每個手指不同的尺寸和不對稱的安置位置將增加加工費用，并且是其控制系統變得更加復雜，因為每個手指都必須分別加以控制。對于相同手指的對稱布置，常采用非 3

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擬人化方法。因為只需加工和構建單一的“手指模塊”，因此可減少加工費用，同時也可是控制系統簡化。

3.2 驅動系統

指關節的驅動器對手的靈活度也有很大的影響，因為它決定潛在的力量、精度及關節運動的速度。機械運動的兩個方面需加以考慮：運動來源和運動方向。在這方面，文獻里描述了有幾種不同的方法，如文獻[3]中說可由液壓缸或氣壓缸產生運動，或者，正如大部分情況一樣使用電動機。在多數情況下，運動驅動器（如電機）太大而不能直接與相應的指關節結合在一起，因此，這個運動必須由驅動器（一般位于機器臂最后的連接點處）轉移過來。有幾種不同的方法可實現這種運動方式，如使用鍵、傳動帶以及活動軸。使用這種間接驅動指關節的方法，或多或少地降低了整個系統的強度和精度，同時也使控制系統復雜化，因為每根手指的不同關節常常是機械地連在一起，但是在控制系統的軟件里卻要將它們分別獨立控制。由于具有這些缺點，因此小型化的運動驅動器與指關節的直接融合就顯得相當必要。

3.3 傳感系統

機器手的傳感系統可將反饋信息從硬件傳給控制軟件。對手指或被抓物體建立一個閉環控制是很必要的。在機器手中使用了3種類型的傳感器： 1.手爪狀態傳感器確定指關節和指尖的位置以及手指上的作用力情況。知道了指尖的精確位置將使精確控制變得可能。另外，知道手指作用 4

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在被抓物體上的力，就可以抓取易碎物件而不會打破它。

2.抓取狀態傳感器提供手指與被抓物體之間的接觸狀態信息。這種觸覺信息可在抓取過程中及時確定與物體第一次接觸的位置點，同時也可避免不正確的抓取，如抓到物體的邊緣和尖端。另外還能察覺到已抓物體是否滑落，從而避免物體因跌落而損壞。

3.物體狀態或姿態傳感器用于確定手指內物體的形狀、位置和方向。如果在抓取物體之前并不清楚這些信息的情況下，這種傳感器是非常必要的。如果此傳感器還能作用于已抓物體上的話，它也能控制物體的姿態（位置和方向），從而監測是否滑落。

根據不同的驅動系統，有關指關節位置的幾何信息可以在運動驅動器或直接在關節處出測量。例如，如在電動機和指關節之間有一剛性聯軸器，那么就可以用電機軸上的一個角度編碼器（在齒輪前或齒輪后）來測量關節的位置。但是如果此聯軸器剛度不夠或著要獲得很高的精度的話，就不能用這種方法。

3.4卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的機械系統

為了能夠獲得如重抓等更加復雜的操作，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（KDHⅡ）由4根手指組成，且每根手指由3個相互獨立的關節組成。設計該手是為了能夠在工業環境中應用（圖3所示）和操縱箱、缸及螺釘螺帽等物體。因此，我們選用四個相同手指，將它們作對稱、非擬人化配置，且每個手指都能旋轉90°（圖4所示）。

鑒于從第一代卡爾斯魯厄靈巧手設計中得到的經驗，比如因傳動帶而導 5

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致的機械問題以及較大摩擦因數導致的控制問題，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ采用了一些不同的設計決策。每根手指的關節2和關節3之間的直流電機被整合到手指前部肢體中（圖5所示）。這種布置可使用很硬的球軸齒輪將運動傳遞到手指的關節處。處在電機軸上的角度編碼器（在齒輪前）此時可作為一個精度很高的位置狀態傳感器。

圖3.工業機器人上的KDHⅡ

圖4.KDHⅡ的頂視圖

為了感知作用在物體上的手指力量，我們發明了一個六維力扭矩傳感器（圖6所示）。這個傳感器可當作手指末端肢體使用，且配有一個球形指尖。它可以抓取較輕的物體，同時也能抓取3-5kg相近的較重物體。此傳感器能測量X、Y和Z方向的力及繞相關軸的力矩。另外，3個共線的激光三角測量傳感器被安置在KDHⅡ的手掌上（圖5所示）。因為有3個這樣的傳感器，因此不僅可以測量3單點之間的距離，如果知道物體的形狀，還能測出被抓物體表面之間的距離和方向。物體狀態傳感器的工作頻率為1kHz，它能檢測和避免物體的滑落。

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圖5.KDHⅡ的側視圖

圖6.帶應變計量傳感器的六自由度扭轉傳感器

4.控制系統

機器人手的控制系統決定哪些潛在的靈巧技能能夠被實際利用，這些技能都是由機械系統所提供的。如前所述，控制系統可分為控制計算機即硬件和控制算法即軟件。

控制系統必須滿足以下幾個的條件：

1.必須要有足夠的輸入輸出端口。例如，一具有9個自由度的低級手，其驅動器至少需要9路模擬輸出端口，且要有9路從角度編碼器的輸入端口。如再加上每個手指上的力傳感器、觸覺傳感器及物體狀態傳感器的話，則端口數量將增加號幾倍。

2.需具備對外部事件快速實時反應的能力。例如，當檢測到物體滑落時，能立即采取相應的措施。

3.需具備較高的計算能力以應對一些不同的任務。如可以對多指及物體并行執行路徑規劃、坐標轉換及閉環控制等任務。

4.控制系統的體積要小，以便能夠將其直接集成到操作系統當中。

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5.在控制系統與驅動器及傳感器之間必須要電氣短接。特別是對傳感器來說，若沒有的話，很多的干擾信號將會干擾傳感器信號。

4.1 控制硬件

為了應對系統的要求，控制硬件一般分布在幾個專門的處理器中。如可通過一個簡單的微控制器處理很低端的輸入輸出接口（馬達和傳感器），因此控制器尺寸很小，能輕易地集成到操縱系統中。但是較高水平的控制端口則需要較高的計算能力，且需要一個靈活實時操作系統的支持。這可以通過PC機輕易地解決。

因此，控制硬件常由一個非均勻的分布式計算機系統組成，它的一端是微控制器，而另一端則是一個功能強大的處理器。不同的計算單元則通過一個通信系統連接起來，比如總線系統。

4.2 控制軟件

機器人手的控制軟件是相當復雜的。必須對要對手指進行實時及平行控制，同時還要計劃手指和物體的新的軌跡。因此，為了減少問題的復雜性，就有必要將此問題分成幾個子問題來處理。

另一方面涉及軟件的開發。機器人手其實是一個研究項目，它的編程環境如用戶界面，編程工具和調試設施都必須十分強大和靈活。這些只能使用一個標準的操作系統才能得到滿足。在機械人中普遍使用的分層控制系統方法都經過了修剪，以滿足機械手的特殊控制要求。

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4.3卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的控制系統

如在4.1節中所說，對于卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的控制硬件，采用了一種分布式方法（圖7所示）。一個微控制器分別控制一個手指的驅動器和傳感器，另外一個微控制器用于控制物體狀態傳感器（激光三角傳感器）。這些微控制器（圖7左側和右側的外箱）直接安裝在手上，所以可以保證和驅動器及傳感器之間較短的電氣連接。這些微控制器都是使用串行總線系統和主控計算機連在一起的。這個主控計算機（圖

7、圖8中的灰色方塊）是由六臺工業計算機組成的一個并行計算機。這些電腦都被排列在一個二維平面。相鄰電腦模塊（一臺電腦最多有8個相鄰模塊）使用雙端口RAM進行快速通信（圖7中暗灰色方塊所示）。一臺電腦用于控制一個手指。另一臺用于控制物體狀態傳感器及計算物體之間的位置。其余的電腦被安在前面提到的電腦的周圍。這些電腦用于協調整個控制系統。控制軟件的結構反映了控制硬件的架構。如圖9所示。

圖7.KDH II的控制硬件構架

圖8.控制KDH II的平行主計算機

一個關于此手控制系統的三個最高層次的網上計劃正在規劃。理想的

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物體位移命令可由優越的機器人控制系統得到，并可用作物體路徑的精確規劃。根據已產生的目標路徑就可規劃可行的抓取行為（手指作用在物體上的可行抓取位置點）。現在知道了物體的運動計劃，就可以由手指路徑規劃得出每個手指的運動軌跡，并傳遞給系統的實時能力部分。如果一個物體被抓取了，那么其手指的運動路徑就傳遞給了物體的狀態控制器。這個控制器控制物體的姿態，它由手指和物體狀態傳感器所決定，用以獲得所需的物體姿態。如果一個手指沒有跟物體接觸，那么它的移動路徑將會直接傳遞給手控制器。這個手控制器將相關的預期手指位置傳遞給所有的手指控制器，以協調所有手指的運動。這些在手指傳感器的幫助下又反過來驅動手指驅動器。

圖9.KDHⅡ的手部控制系統

5.實驗結果

為了驗證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的能力，我們選擇了兩個要求操作問題。一個問題是在網上對處于外部影響下的被抓物體姿態（位置和方向）的控制。另一個問題是被抓物體必須能夠繞任意角度旋轉，這只能通過重抓才能實現。這可以反映卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ對復雜任務的操作能力。

5.1 物體姿態控制

這個物體姿態控制器的目的是為了確定好被抓物體的位置和方向以適

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合給定的軌跡。此任務必須在實時條件通過在線獲得，盡管有內部變化及外部干擾的存在。內部變化比如在物體移動過程中，球形指尖在被抓物體上的滾動。這種狀況如圖

10、圖11所示。這將導致物體的不必要的額外移動和傾斜。這些錯誤的物體姿勢很難預先估計。因此，物體狀態傳感器的輸入必須要修改這些錯誤。對于卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ來說，其上的三個激光三角傳感器就是用來糾正此種錯誤的。圖12定量地說明了圖9中物體在沒有姿態控制情況下的傾斜情況。下圖顯示了在X方向上隨時間推移的預期軌跡，而上圖顯示了物體實際的旋轉（傾斜）結果情況。因為啟用了物體狀態控制，圖13中的物體傾斜得到了很大的減少。上圖物體的旋轉保持基本恒定，這和期望的一樣。

圖10.因滾動產生的額外位移

圖12.沒有狀態控制的物體傾斜

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圖11.因球形指尖在物體上的滾動而產生

圖13.物體狀態控制下減少的物體

額外的不期望傾斜情況

傾斜情況

物體狀態控制器對補償外界干擾也是十分必要的。比如，機器人（手臂、手或手指）或被抓物體與外界的碰撞可能導致物體的滑落。這更有可能導致被抓物體的損耗，這是不能出現的情況。為了能夠避免物體在這種情況下的損失，就必須檢測出物體的滑落并迅速采取行動以穩定物體的狀態。

為了驗證卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ控制系統對這種干擾情況的處理能力，我們做了以下的實驗：物件被抓后，將手指的接觸力恒定減少直至物體開始滑落。在激光三角傳感器檢測滑落后，物體狀態控制器采取措施將物體重新調控到所期望的位置。圖14和圖15展示了此種實驗的一個例子。尤其是圖14，它顯示出物體滑落啟動的相當突然且相當快。但是物體狀態控制器也能夠足夠快地檢測和補償滑落，這樣物體的位置（這里：特別是X方向，就是滑落的方向）和物體的方向能夠與最開始的期望值很快地相符。

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圖14.滑落實驗：X方向的實際物體

圖15.滑落實驗：關于Z軸的實際

位置

物體方向

5.2 重抓

雖然卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ非常的靈活，但是它不能在第一次操作中就能得到每一個理想的對象操縱。這源于這樣一個事實：手指相對于正常的工業機器人來說是十分小的，因此所具備的工作范圍也是很有限的。如果物體被手指抓住，那么它第一次只能在所有手指的剩余空間內被操縱。可行操作的條件是所有的接觸點必須長期地處在相聯手指的工作范圍內。這很大地限制了操作的可行性。為了能夠克服此種限制，一個叫做重抓的操作就必須執行。即當一個接觸點到達了相聯手指的限制區域時，這個手指就必須從物體上脫離，并移到一個新的接觸位置。這必須是多于3個手指的手才能使操作可靠。周期性的移動這些手指，就能使任意的操作變得可行。關于此種操作有一個例子，就是在大角度旋轉被抓物體時，此時重抓動作很有必要。圖16顯示了卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ在旋轉一個螺帽狀物體時的一系列圖片。這個物體是繞它的垂直軸旋轉的。在a到c圖中所有的手指都跟物體接觸，并且四個手指相互協調運動才使物體旋轉。圖d到圖f顯示了一 13

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個手指的的重抓動作。在d圖中這個手指已經運動到其工作范圍的極限位置，這時所有手指的協調運動也被終止。左前方的手指脫離物體并單獨移動到另一個接觸點。在圖f中這個手指重新跟物體接觸，另一個手指此時可以重新定位（沒有顯示）。所有的手指重新定位之后，協調旋轉運動繼續進行。視具體情況而定，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ也可以同時進行幾個手指的重抓動作。這可以加速重抓過程，但是只能是被抓物體與外界接觸的條件下才有可能。比如說螺絲釘上的螺帽或孔里的一掛鉤。圖17顯示了卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ將一個木柱從一個平方的基座孔內拉出來的一系列圖片。圖a到圖b顯示木柱被拉出一半，然后左手指和右手指在同一時刻脫離物體并重新定位（圖c到圖e）。那之后，前面與后面的手指也重新定位（圖f）。那之后，整個木柱被拉出，從而可進行進一步的操作（沒有顯示）。

圖16.利用重抓旋轉螺帽狀物體

圖17.利用重抓從孔中拉出 14

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木柱

6.結論

為了使機械手能夠完成靈活精確的操作，一合適的機械系統和控制系統是必需的。這些介紹的標準是必需加以考慮的，正如文中所說。卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ表現的非常成功。這種機械手能夠抓取很大范圍的不同形狀、尺寸和重量的物體。被抓物體的姿態也能可靠地加以控制，即使在外部干擾的情況下。此外，由于此系統，復雜的精細操作（如重抓）也能實現。在人行機器人的特殊研究領域，基于一個不同的概念叫做流體化（圖2所示）的基礎上，小型機械手也具有擬人化和機械化。這概念是由卡爾斯魯厄研究中心的IAI所提出的。但是，這個控制軟件的主要結構可經過相應修改而為此種小型機械手所用。