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智能機械手臂造型設(shè)計研究論文
摘要：現(xiàn)階段的機械手臂控制方法忽略了外部環(huán)境中動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(zhǔn)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。通過對外部環(huán)境不定性參數(shù)進(jìn)行分析建立數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化動能與勢能對機械手臂運動的影響。
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(yīng)用和長足的發(fā)展。研究智能機械手臂的造型設(shè)計，能夠更好地完善機械手臂的外觀，從而更好地與其功能相融合。本文從介紹其造型設(shè)計的特點著手研究。
1.智能機械手臂造型設(shè)計特點
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(gòu)工作原理而實現(xiàn)。目前市場上常見的機械手臂有多軸和三軸等，尤其以六軸機械手臂應(yīng)用較為廣泛。在造型設(shè)計時需先確定機械手臂大致形態(tài)與結(jié)構(gòu)比例，再考慮各個關(guān)節(jié)的連接方式、造型元素、細(xì)節(jié)形態(tài)及圖形化設(shè)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(chǔ)。產(chǎn)品形態(tài)是表達(dá)產(chǎn)品設(shè)計思想與實現(xiàn)產(chǎn)品功能的語言和媒介。在造型創(chuàng)新的過程中，考慮機械手臂的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及傳動規(guī)律，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行造型設(shè)計才具有實際意義。
1.2造型特點對比分析
(1)同一品牌的產(chǎn)品設(shè)計具有家族化色彩偏好及造型曲線偏好，在保證功能與審美的基礎(chǔ)上融入產(chǎn)品族造型基因。產(chǎn)品族設(shè)計是企業(yè)競爭的有效手段，使產(chǎn)品能獲得統(tǒng)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，因此多采用線元素來塑造，強調(diào)形態(tài)的輕松、靈動，采用雙臂設(shè)計將關(guān)節(jié)電機內(nèi)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凸顯產(chǎn)品厚重感。同時采用較大的基座設(shè)計，一方面符合載重需要，另一方面使視覺重心下移，下降的視覺感官是穩(wěn)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(shè)計中的主要構(gòu)成
2.1執(zhí)行機構(gòu)
(1)手部：手部安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔中裝有傳動軸，可把運用傳給手腕，以轉(zhuǎn)動、伸曲手腕、開閉手指。機械手手部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又可分為二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。可根據(jù)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(yīng)操作的需要。
(2)手臂：手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)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，手臂的三個自由度都要精確地定位。
(3)軀干：軀干是安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機構(gòu)的支架。
2.2驅(qū)動機構(gòu)
(1)液壓驅(qū)動式：液壓驅(qū)動式機械手通常由液動機、伺服閥、油泵、油箱等組成驅(qū)動系統(tǒng)，由驅(qū)動機械手執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行工作。通常它的具有很大的抓舉能力，其特點是結(jié)構(gòu)緊湊、動作平穩(wěn)、耐沖擊、耐震動、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(qū)動式：其驅(qū)動系統(tǒng)通常由氣缸、氣閥、氣罐和空壓機組成，其特點是氣源方便、動作迅速、結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、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(qū)動式：電力驅(qū)動是機械手使用得最多的一種驅(qū)動方式。其特點是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大，信號檢測、傳動、處理方便，并可采用多種靈活的控制方案。
2.3控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)可根據(jù)動作的要求，設(shè)計采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據(jù)規(guī)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板、凸輪轉(zhuǎn)鼓、穿孔帶內(nèi);位置信息存儲于時間繼電器、定速回轉(zhuǎn)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(nèi)，如磁帶、磁鼓等。這種方式使用于順序、位置、時間、速度等必須同時控制的場合，即連續(xù)控制的情況下使用。
3.造型設(shè)計規(guī)律分析
3.1形態(tài)仿生曲線運用
機械手臂形態(tài)設(shè)計要體現(xiàn)力量與美感的雙重訴求，需從點、線、面、體等形態(tài)元素中體現(xiàn)。德國KUKA公司推出的重載機械手臂承載力可達(dá)1300kg，外形采用了仿生學(xué)設(shè)計，曲線較為平滑、舒展流暢、整體感強，充滿了向上的張力。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)曲線轉(zhuǎn)折較多，大量折線的運用使機體輪廓線較為瑣碎，削弱了機體線條的流暢性。
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(shè)計的第一印象來自其色彩。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(diào)，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(diào)，體現(xiàn)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(diào)，表達(dá)質(zhì)輕、高效、靈動的特征，同時可緩和視覺緊張感，局部采用高純度亮色作為點綴，強化視覺中心，增強產(chǎn)品的色彩節(jié)奏感。產(chǎn)品色彩的選擇需考慮與環(huán)境色的搭配，可使場景功能區(qū)分明確，色彩對比分明，營造嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鳝h(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(xiàn)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。
4.結(jié)束語
通過對智能機械手臂造型設(shè)計的相關(guān)研究，我們可以發(fā)現(xiàn)，作為一種實際應(yīng)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(yīng)該根據(jù)智能機械手臂的實際應(yīng)用環(huán)境，研究制定最優(yōu)化的造型設(shè)計方案。
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