机械手臂篇1
一、引言
气动机械手臂是气动技术在机械加工领域运用最多的一种技术，其具有质量好，重量轻，操作简单，性能稳定以及环保节能灯特点。气动机械手臂主要采用模块化的设计模式，尤其是使用当前传输技术的气动机械手臂，使用可多次编程的阀岛技术进行控制，同时，其气动伺服系统，也全部采用模块化的设计进行组装，便于进行精确定位[1]。
本文的核心内容是研发构建一种定位精确、适用性广的气动机械手臂，对研发过程中具体涉及的机械原理和系统配置进行了研究，设计了基于三菱的FX2n可编程控制器的控制系统的硬件和软件。
二、气动机械手臂总体结构设计方案
气动机械手臂有多种类型，根据具体运动模式，可以区分为圆柱坐标、球式坐标、直角坐标和关节式四种机械类型[2]。机械手臂的运行组件由主体和辅助部件组成。用来改变抓取对象的空间位置的组件称为主运动部件，主要包括手臂部位和立柱部位，而单纯改变抓取对象方位和状态、不涉及空间位置改变的组件就是辅助运动部件，主要有手腕和手指部位。
气动机械手臂的工作为两个位置点之间的材料移动工作，因此机械手臂要具有基本的升降、回转和伸缩能力，因此，这里采取圆柱坐标式构造模式，此处机械手臂保留三个自由度，即升降自由度（用x表示、包含上升下降两参数）、回转自由度（用θ表示，有正转反转两个参数）和伸缩自由度（用r表示，分为伸展和收回两个动作）。该机械手臂的运动模式如图1所示。
图1机械手臂运动简图
三、控制系统的功能及结构分析
控制系统的设计首要问题是如何选择一台理想的pLC（主要是规格和型号），其次是pLC的i/o（输入/输出）点和设备的配置。然后是程序流程设计与程序编制[3]。
1、直线控制单元的控制
如图2所示为气缸的位置控制器及其构成图。图中气管线路用虚线代表，电线或电缆用实线表示。控制器的信号来自pLC，pLC是这部分的核心，通过磁传感器识别气缸到达的位置，达到实时精准地控制气缸。
2、pLC控制硬件
要实现系统的主要功能，就必须对此气动机械手的每一个动作都要求要有一个手控的按键。为保证机械手执行工作的准确性，就要求在程序设计时要考虑到相互牵连的功能。在现实情况中，控制机械手的启动按键和停止按键必须要在一起的，这主要在于设置控制机械手的启停时考虑到节省pLC的输入输出点数这个因素。系统在运转时，要保证机械手的工作在一个正常的循环周期内。在设计时考虑到在机械手在进行每一个周期的工作时，机械手的设定值按系统主体需要设定，比如正转、反转、上升、下降、伸出、缩回、加紧、放松。每次开始前，需重新设定，使机械手回到原来的位置，进行工作，也就是所谓的“回原点”。对于回原点，包括自动式和手动式。根据系统需要选择pLC的型号，并对pLC端的输入输出点进行i/o分配，相关的分配表如表1所示。
图2直线控制单元构成图
3、pLC控制软件
在连续模式下，机械手的运行是按照操控主体的初始设定进行的，要保证整个连续模式下的系统的高效运行[4]，就要求在操作之前检验整个系统的操作是否处在真正的设定值上。整个操作可利用各个具体的操作按键操控气缸的运行，在到达相对应的初始位置时再对气缸的运动进行减压、停止，这就保证了整个系统合理有效的会到初始值的原点。对于正处于连续模式的机械手来说，当系统被手动操控回到原始位置时，整个系统会自觉的进入到下一个正常的循环中。图3所示为循环动作梯形图。
图3循环动作程序段
四、结论
对气动机械手的构造进行模块化整理，对气动机械手的整体进行相关的分析和设计，对其气动位置控制系统进行了深入研究，对气动机械手的控制系统的硬件、软件进行了设计。经过调试运行，达到了预定效果。实践证明，所开发的以pLC为核心的气动机械手控制系统，运行可靠性高，操作简单方便，环境适应性强。
参考文献
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机械手臂篇2
LiaoShengwenwangYuqinZhangXiaoyingwunaYangJian
（ChaoHuUniversityChaohucity238000）
abstract：Fischertechnikmodelbasedontheconceptualdesignofthemechanicalarm.Designofthemaincontentincludingtheoveralldesignofthemechanicalarm，completemechanicalsystemschemedesignandmodelmaking，ofmechanicalarmintheprocessofcargohandlingtheoperationparametersoftheoverallplanning，thefinalpreparationofthecompletedtheoverallcontrolprogramanddebugging.theexperimentalresultsshowthatthestructureofthesystemissimpleandfeasible.
Keywords：Fischertechnology；mechanicalarm；controlprogram
中图分类号：tp24文献标识码：a文章编号：1003-9082（2015）10-0270-02
引言
近年来，随着科技发展迅速，人们的生活节奏不断加快，越来越多的人不想从事体力劳动，进而企业出现“用工荒”的问题。在高校教学过程中，由于部分理论知识较抽象，教师讲解较难，学生理解掌握起来也较难，这样就达不到想要的教学效果。本次设计的机械手臂在生活中应用较广，如建筑工地上的旋转升降型机械手臂、吊臂，企业在生产制造过程中使用的机械手臂等。这些机械手臂在结构和控制上都比较复杂，所以我们在教学过程中的讲解就有一定的困难。机械手臂模型方案是基于慧鱼技术进行设计的，它的主要功能是将物品从某一位置移到另一位置，在这个过程中机械手臂共完成了对物品的夹起、移动、升降和旋转等动作。从某方面来说，机械手臂的出现代替了劳动力，进而为现代企业解决用工荒的难题。该模型与常见的机构相比具有体积小且易于移动，故灵活性强，可以在教学中的典型机构与它相结合演示给学生看，通过演示更深入理解各个结构之间是如何运转，采用理论与实践相结合的方法，让学生学习理论课程更具有生动性和形象性，达到掌握该课程理论知识的目的。
慧鱼创意组合模型是一个技术含量很高的工程技术类趣味拼装模型，其主要部件尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装并不影响模型结合的精确度。它为应用型高校在教学过程中创新教育和创新实验提供了很好的实践平台。总体来说，慧鱼模型的使用，既让学生融汇贯通各学科多领域的综合知识，将其应用于实践过程中，又培养了创新的意识，最重要的是给予学生实现创新的平台。为此设计并制作拼接了机械手臂，文章主要对机械手臂的机械系统与控制系统进行了组装设计讲解。
一、机械系统设计方案
机械手臂的主要功能是将物品从某一位置移到另一位置，即：机械手臂从起始位置到物品所在位置后将物品夹起，再到指定位置把物品放下，最后返回原位准备进行下一动作。根据它的功能目标机械手臂的机械系统主要有旋转机构、伸缩机构、升降机构以及开合机构四大部分组成，模型实物如图1所示，该模型体积较小，各个机构的运转可清楚的看见，方便教师携带，可将其模型展示给学生观看，便于学生理解和巩固。
图1机械手臂
Fig.1multi-functionrobotarm
1.机械手臂的旋转装置
机械手臂的旋转功能在方案中是通过齿轮啮合传动实现的，并在起始位置和终止位置中放置行程开关来控制机械手臂的移动范围和旋转方向的变换。其传动简图如图1.1所示。图中小齿轮是主动轮，便于对旋转速度的控制。
（a）旋转装置简图
1―转盘2―小齿轮3―齿轮箱4―马达箱图
1.1实际旋转机构图
Fig1.1actualrotatingmechanismchart
2.机械手臂的伸缩机构
通过利用蜗轮蜗杆、齿轮之间的传动以及连杆与滑块杆之间的滑动来进行实现机械手臂的伸缩功能。并通过齿轮箱来控制它的速度。实现这一功能的意义在于，可以增大其工作范围，通过它的伸缩功能，机械手臂可以不用移动就能到达指定位置，其传动简图如图1.2所示。
（a）伸缩装置简图
1―马达2―齿轮箱3―蜗杆4―连杆
图1.2实际伸缩机构图
Fig1.2actualrotatingmechanismchart
3.机械手臂的升降机构
机械手臂的升降功能则是通过链传动和涡轮蜗杆传动之间的相互连接来进行实现的。它的传动简图如图1.3所示。
（a）链传动机构简图
1―小齿轮；2―链条
图1.3实际升降机构图
Fig1.3actualliftingmechanismchart
4.机械手臂的开合机构
物品的夹起与放开都是通过机械手臂的开合来完成，在设计过程中，选用涡轮蜗杆的结构作为运转的机构。将涡轮蜗杆固定在机械手臂的中间，通过马达带动蜗杆的转动，涡轮与手臂之间的衔接物会带动手臂向两侧张开或夹紧，实现机械手臂对物品的夹紧和放下的功能。
（a）夹紧机构简图
1-开关；2-销；3-机械手臂；4-涡轮；5-蜗杆
图1.4实际夹紧机构图
Fig1.4actualclampingmechanism
二、控制系统设计方案
1.总体运行过程
假设机械手臂现处于张开状态，且在最底层，手臂未发生移动，将物品放置于某一位置，高度与机械手臂高度一致。运行过程如下：一开始，先转动转盘至某一角度，由马达m2控制，其位置在小齿轮的齿轮箱旁边，顺时针为正转。然后将机械手臂向前伸出一定距离，使其恰能触碰到物品，由马达m3控制，其位置在移动机构中远离机械手臂的一侧，顺时针时伸缩装置向前运动。接下来，用机械手臂夹紧物品，由马达m4控制，逆时针为手臂闭合。夹住物品后，利用升降结构将物品升至同货架高度一致的位置，由马达m1控制，逆时针为上升。接着，调节物品与货架之间的距离，通过向前或后退移动一定距离，直至两者之间距离为零，再通过旋转功能，旋转到货架上面，最后控制夹手张开，将物品放置在货架上，完成运输功能。系统的总体运行程序如图2所示。
图2总体控制程序图
Fig2overallcontrolchart
（1）旋转功能介绍。物品的转移可以通过偏置一定的角度，使物品到达指定的地点，可通过编程控制马达m2实现旋转，顺时针旋转为正转。
（2）伸缩功能介绍。要想精确的定位重物在哪个位置放置，可通过移动装置，实现机械手臂的伸缩功能，编程控制马达m3实现机械手臂的伸缩，顺时针旋转为向前移动。
（3）升降功能介绍。要使物品放到货架上，则需要调节物品的高度不得高于货架且不能过低，装置通过链条传动，利用小齿轮将链条带动，然后控制涡轮蜗杆的升降，从而实现物品的升降，编程控制马达m1实现升降，逆时针旋转为物品上升。
（4）开合功能介绍。物品的夹取是在运输过程中的重要环节，通过涡轮蜗杆机构，编程控制马达m4实现夹手的张开与闭合功能，顺时针旋转为夹手张开状态。
三、结语
机械手臂篇3
这种脑电波连接在一起的设备可以抓起使用者希望得到的物体，该系统使用微小电极直接植入初级运动皮质，这是大脑控制运动的区域。信息通过大脑皮层上的一个“小盒子”发送，这个小盒子通过连线与一个小型冰箱大小的计算机连接起来，之后计算机将大脑运动模式以一定的运算法则进行解析，能够直接将指令传达至机械手臂。
美国罗得岛州普罗维登斯市退伍军人事务部神经病学家里海-霍兹博格（LeighHochberg）说：“我们的最终目标是开发神经学技术，为那些无法控制四肢的瘫痪群体恢复移动性。我们希望直接提供大脑信号来指挥和控制辅助设备或者肢体。”
霍兹博格和布朗大学大脑研究学会主管约翰-唐纳休（JohnDonoghue）曾在2006年合作完成了“脑门”工程，显示一位患者如何使用大脑-计算机神经界面来控制计算机光标。他们的这项最新研究发表在5月15日出版的英国科学期刊《自然》杂志上，更近一步地研究出一个单独的神经学通道从大脑向机械手臂传递信息。
霍兹博格称，现已对两位患者进行了实验，一位男性和一位女性患者由于中风导致丧失肢体活动和语言能力。在实验中，这两位患者均能移动机械手臂来抓住泡沫球，女性患者自15年前受伤之后首次能端起一个金属咖啡杯，并用一根吸管饮用咖啡。他说：“这位女性患者面部出现的笑容是我和研究小组成员无法忘记的。”
研究人员警告称，两位患者成功操作的概率大约是66%，目前并不能像人类手臂一样实现快速精确的操作。这项实验为数百万瘫痪患者带来了希望，尤其是由于中风或者其他物理性创伤所导致的身体瘫痪现象。
研究人员将一组婴儿阿司匹林大小的电极植入患者大脑运动皮质，在这里96个头发般纤细的电极能够获得大脑信号，并将大脑信号发送到头皮顶部一个便士大小的盒子。这个盒子是一种信号发射器，能够中继大脑信号传送至计算机，从而控制机械手臂。
唐纳休指出，每个神经元就像是一个无线电广播塔，能够释放信号产生一种图案模式。计算机通过一定的软件运算法则可以将这种图案模式转化为控制机械手臂向左或者向右的指令。
下一步将装配“脑门系统”至患者可以穿戴的义肢，研究人员将他们最新研发的系统与研制起搏器和深度大脑刺激器(目前用于帕金森氏症患者治疗)的工程学和神经科学进行了对比，起初该系统装置处于实验状态，且成本昂贵，但目前这些装置已非常普通，人们能够承担。
霍兹博格说：“毫无疑问地讲这种装置是非常成功的，它能够让那些迫切需要的群体经济能力承担得起。”
机械手臂篇4
关键词：Solidworks关节型工业机器人anSYS有限元分析
中图分类号：tp242文献标识码：a文章编号：1674-098X（2014）07（c）-0071-04
随着自动化技术的发展，工业机械手的应用场合不断扩展，在装配、喷涂、焊接等各种危险和单调的重复劳动中发挥重要角色。这里基于Solidworks和anSYS完成了一款五自由度关节式机械手设计及分析。
1机械手结构方案
关节式机器人具有很好的作业适应性，是目前通用工业机器人的主要结构形式。
机械手的驱动形式主要有液压驱动、电驱动、气动等。液压驱动主要用于承载大、要求快速反应场所；气动具有价格低、适用负载小、结构简单等特点，但其难以实现伺服控制；电驱动由于拥有噪声低、控制方便、精度高等特点而被广泛运用[1]。本设计中采用伺服电机作为驱动源，通过齿轮、同步带（轮）等进行传动。腕关节上设计有装配手爪用法兰，可以通过更换手爪来实现不同的作业任务。
五自由度机械手为基本的关节式结构，图1为其结构简图，共拥有5个旋转自由度，分别为：机身旋转关节J1（肩关节）、大臂旋转关节J2（肩关节）、小臂旋转关节J3（肘关节）和手腕仰俯运动关节J4、手腕旋转运动关节J5（腕关节）[2-4]。其中的2个肩关节协同1个肘关节完成定位操作，2个腕关节进行定向。两个肩关节分别实现俯仰和绕竖直线方向旋转，两个肩关节的旋转轴线正交，肘关节转动轴线平行于实现俯仰的肩关节J2]。这种构型拥有动作灵敏准确、占用空间小，作业过程不发生干涉等优点，是通用机械手的常见选型。
2基于Solidworks的机械手本体设计
计算机辅助设计（CaD）在生产中的应用日益广泛。Solidworks作为常用的三维CaD软件之一，可实现CaD/Cae/Cam的集成和数据信息共享，将设计、分析、加工于一体，可以提供三维建模、有限元分析、运动仿真、工程图纸等众多功能[5]。
2.1材料的选择
材料的选用决定着产品的使用质量，同时也影响着产品的设计理念和结构方式。本文设计的机械手，根据其具体的工作条件，主要考虑以下几点因素：（1）强度、硬度高，以保证在弯矩较大时候仍可以有很高的定位能力；（2）重量轻，机械手由于要求运动快速稳定，所以尽量减少惯性是必须考虑的因素之一；（3）弹性模量大、阻尼大，减少变形且同时吸收多余能量。
综上所述，机身选用合金钢16mnV，手臂采用铸铝ZalSi7mga。ZalSi7mga具有良好的铸造性能，弹性e不大，且密度小，e/e比可与钢相比。
2.2机身的设计
机身连接着机械手，作为机械手的载体可实现机械手的升降和旋转等动作。通常机械手的机身都与底座连为一体，且机身可具有三个以内的自由度。作为整个系统的支撑部件，要具有较高刚性和良好的系统稳定性，以便于实现精准的运动定位。如果机身如果可以提供竖直方向的自由度，即升降运动，则需设计能够承受住比较大的弯矩力精确的导向装置。因为导向装置在升降的过程中要承受机械手大臂、小臂以及负载的载荷。
根据机械手的实际工作需要，机身只提供一个转动轴为竖直方向的转动自由度，具体结构如图2所示。机身的水平方向转动，由交流伺服电机作为动力源。机身在水平方向由转动轴带动旋转过程中，机身转动轴的上下两端分别与底座外壳上下部采用轴承连接，且机身转动轴在运动过程中轴向和径向将同时受力，所以轴承均采用角接触球轴承实现良好的径向和轴向载荷承载能力。图2为Solidworks中机身的结构。
2.3机械手臂的设计
机械手由大臂、小臂、腕部组成，手臂连接于机身并支撑起腕部，提供给末端机构的准确定位。机械手末端轨迹复杂且运动速度高，应考虑系统刚度、稳定性、惯性等因素。可采用合理的截面以减少同样刚度下的手臂质量，同时自重减轻也有利于提高机械手的定位准确性。
2.3.1大臂设计
机械手大臂通过两端连接轴分别与机身和小臂连接。大臂内部布置了自身的驱动电机，同时为减少整个手臂运动过程的阻力矩和转动惯量，将机械手小臂的驱动电机也紧凑的安装在大臂内部，图3为Solidworks中大臂结构图。
大臂和小臂的驱动电机安装在大臂中部并与减速器连接，减速器通过固定板安装在大臂内。减速器的输出轴通过齿形带将驱动力传递至大臂两端的转动轴，转动轴用深沟球轴承安装于大臂两侧，并通过平键将轴分别与机身和小臂连接。采用此种驱动传递方式可实现各个关节的同级运动控制，易于平稳和精确的末端轨迹控制。
使用的同步传送带由于工作过程有较大的张紧力，在使用中会发生塑性伸长进而有可能会产生松弛和打滑等现象，因此在传送带的设计过程中添加了一个可以调整位置的张紧装置，用以确保带轮有固定的张紧力。如图4所示，张紧轮通过弹簧有一个向上的固定压紧力，可以在带松弛时会自动施压来保证张紧。
2.3.2小臂和手腕的设计
机械手的小臂一端通过轴承连接安装于大臂末端，另一端联接手腕。小臂的驱动电机安装在大臂的内部，而为了结构的紧凑性及减小机械手转动惯量，小臂内部用于安装手腕驱动电机。在传动形式上腕部与小臂、大臂不同，小臂内手腕驱动电机通过齿轮传动传递至腕部安装轴。采用齿轮传动可以提高传动效率和稳定性，减少机械手整体的运动误差。图5为小臂和手腕的结构图。
2.4机械手三维建模及渲染
零件的实体造型，就是在计算机中通过基本元素完成几何模型的确切表达。这样可以使技术人员直接在计算机上进行三维的设计，免去了二维图纸来表达三维信息的各种受限因素，且可减少此过程可能产生的错误，机械手模型如图6。
photoworks作为Solidworks的自带插件，可以提供各种材质以及背景添加，能够达到很好的渲染效果，不需要进行昂贵的加工才能看到样件的效果。使用交互式三维模型渲染，可提快速的提供纹理和景观效果的渲染预览。photoworks模块为减少侧影“齿距”，采用的自适应防图形失真技术大大提高了图片的质量。机械手最终的渲染效果如图7。
3基于anSYS的机械手关键部件分析
软件模拟分析是计算机和现代工程方法的完美结合，有限单元分析是计算机辅助工程Cae技术中一种重要的方法。anSYS是一种通用的有限元分析软件，融合了多种性能分析于一体，被广泛应诉于各个行业。anSYS可以实现多场和多场耦合分析；具有一体化的前后处理以及求解数据库；可以进行非线性分析以及优化的计算方法；多种网格划分技术等良好性能[6]。
机械手作过程中，轨迹复杂且运动速度快。为了保证机械手的安全性和稳定性，进行有限元力学分析是十分必要的，这里以其中关键部件机械手大臂为例。
3.1anSYS模型建立
anSYS软件内部提供了实体模型建立和有限元模型直接生成两种建模方法，但其建模方法与目前的主流三维造型软件相比，效率低很多。因此采用pRo/e、UG、Solidworks等三维软件进行设计后，再导入anSYS进行相关分析和处理[7]。
先将机械手大臂的Solidworks三维模型保存为parasolid文件，通过“文件”、“导入”、“paRa”等菜单就可以完成在anSYS中实体模型的导入，结果如图8所示。
3.2单元属性设置
单元类型设置如下：preprocessor>elementtype>add/edit/Delete，设置为StructuralSolid，20node95。机械手大臂的材料采用的是铸造合金铝，查询相关资料确定其性质进行材料特性的设置：弹性模量设置为70Gpa，泊松比0.33，密度2680kg/m3。
3.3网格划分
网格划分分为自由网格划分、映射划分、拖拉和扫掠网格划分等。根据此次分析实际需要，采用自动网格划分来自动生成四面体网格。对于重要部分（比如大臂、小臂）的两端受力部位还要再使用网格细化，进一步完善网格划分，以得到更好的分析结果。在网格划分过程中使用了SmartSize，智能网格划分尺寸选择5，具体效果如图10所示。
3.4加载与求解
大臂与小臂平行且都在水平位置。此时小臂以及末端重量都加载在大臂末端用于安装轴承的内孔面上。另外，大臂本身的自重力，视为均匀分布。通过mainmenu>Solution>DefineLoads>apply>Structural>inertia>Gravity加载。大臂左端通过转支架固定。转矩加载大小根据电机选型时计算得出的数值进行加载，并且大臂左端承受转矩通过齿形带和带轮传递至大臂中部的驱动电机。得到的变形和应力分布如图11。
从图11（a）可见大臂在载荷作用下出现了一定变形，最大变形量很小，在运动过程中可以通过闭环控制进行实时的姿态调整，减少因弯曲变形而导致的定位不准因素。也可作为指导进一步进行优化设计，在大臂内侧增加加强筋来减少变形，以达到更好的定位效果。
从图11（b）中可得，机械手大臂在弯矩最大状态时，大臂应力最大处位于安装大臂驱动电机的安装孔处，最大约为103mpa，远小于选用材料ZalSi7mga的许用应力（180～250mpa），指导大臂非主要受力位置厚度等尺寸可适当缩小，整体用料精简。
4结语
通过Solisworks设计完成五自由度机械手，并将其模型导入anSYS内进行有限元分析，确保载荷最大状态时机械手工作的安全性，以验证机械手整体设计的正确性，并及时发现不足之处予以优化，同时也为后续控制系统设计打下基础。
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机械手臂篇5
关键词：采摘机械手臂；苹果；结构设计
引言
水果采摘季节性强、费用高且劳动量大[1]。加速农业现代化进程，实施“精确”农业，广泛应用农业机器人，提高资源利用率和农业产出率，降低劳动强度，提高经济效率将是现代农业发展的必然趋势。研究采摘机械人，对于降低人工劳动强度和采摘成本、保证水果适时采收，具有重大的意义[2]。我国从上世纪70年代开始研究水果蔬菜类的采摘机械，并且也逐渐起步，如上海交通大学已经开始了对黄瓜采摘机器人的研制[3]，浙江大学对番茄采摘机器人进行了结构分析与设计的优化[4]，中国农业大学对采摘机器人的视觉识别装置进行了研究[5]。目前，我国研究的采摘机器人还有西红柿、橘子、草莓、荔枝和葡萄采摘机器人等[6-8]。文章对苹果采摘机械手臂进行选型，进一步进行详细结构设计，最后对设计结果进行试验验证。
1机械人机构选型及自由度的确定
由于采摘机械人的作业对象是苹果，质量轻，体积小，故而可选择较为简单、灵活、紧凑的结构形式。
根据机械人手臂的动作形态，按坐标形式大致可将机械人手臂部分分为以下四类[9]：直角坐标型机械手；圆柱坐标型机械手；球坐标（极坐标）型机械手；多关节型机械手。采摘机械臂的结构型式选取主要取决于机械人的活动范围、灵活性、重复定位精度、持重能力和控制难易等要求。以上四种型式，它们的活动范围和灵活度逐渐增大。经过对苹果采摘空间的研究，结果表明，苹果树树冠和底部的苹果分布极少，大多分布在树冠中部，大约有80%以上的苹果分布在距地面垂直高度1-2m、距树干左右方向1-2m的空间范围内，且阴阳两面的苹果分布率并无明显的差异。这就要求采摘机械手应当具有较大的工作空间，因此选用多关节型机械手较为合适，且其占地面积较小，更加适合苹果采摘作业。
实际中，苹果生长位置随机分布，这就要求机械臂的末端执行器能够以准确的位置和姿态移动到指定点，因此，采摘机械人还应具有一定数量的自由度。机械臂的自由度是设计的关键参数，其数目应该与所要完成的任务相匹配。一般来说，自由度数量越多，机械臂的灵活性、避障能力越好，通用性也越广，但增加一个自由度就相当于增加了一级驱动，会使得机器人的成本上升，而对于农业机器人而言，成本高将会大大的减缓其机械商品化实用化进程，同时增加自由度会相应增加机器人的控制难度，降低机器人的可靠性。综合考虑，将自由度数目定为六个，这样不仅能够使得末端执行器具有较为完善的功能，而且到达采摘空间中的任意位置，而且不会出现冗余问题。
2采摘机械臂工作原理
图1机械人结构简图
图1是本次设计的球类水果采摘机械人的结构简图。该结构为六自由度机构，可划分为底座、大臂、小臂、腕部和手五个部分。机械臂的底座通过舵机带动传动系统实现各个部分之间的相对转动和旋转。其中的各个转动和旋转均是通过电机驱动螺旋丝杆来实现。该设计机械臂的传动如下：（1）底座旋转。确定与底座平面互相垂直的目标采摘物所在的平面。（2）大臂转动。移动至目标采摘位置附近的上方或下方。（3）小臂转动。将采摘机械手送至目标采摘物的附近。（4）手腕转动及旋转。调整机械手末端采摘机构的姿态，使其处于一个合适的位置，保证采摘任务能够合理完成。（5）手夹紧放松，完成对目标采摘物的采摘任务。此外，将末端执行器设计为关节型的两只手指，通过舵机6（舵机分配情况见图2）、齿轮的啮合及连杆机构实现对目标采摘物的夹紧与放松。
由以上分析得出：机械手的空间位姿由各个关节的空间坐标来决定，即当机械手的各个舵机的坐标确定的时候，就可以确定机械手的空间位姿。而决定舵机坐标的因素就是臂长及臂的转动角度，而在这两个参数中，设计结束后臂长是确定的常量，角度为变量。在模型当中，舵机1、2的相对位置固定不变，控制末端执行器的舵机6用来调整手的姿态，因此可以先忽略舵机1、6，将舵机2轴线中心的位置设为坐标系原点。
图2舵机分配方框图
3机械臂结构设计
首先用pro/e软件中的零件模块对机械人各个零件进行绘制，然后再对零件进行自下而上的装配，以及进行零件图及装配图的绘制。大臂、小臂和腕部、机械手零件图以及装配图分别见图3、图4、图5、图6和图7（单位均为mm）。
4试验台搭建与抓取效果实验
根据零件图及装配图进行试验台搭建。由于设计尺寸较大，故将整体尺寸缩小4倍来进行搭建。实物如图8所示。通过操作上位机控制软件指令信号，可给伺服舵机控制器发送控制指令信号，从而实现机械人在空间中精确作业。试验结果表明：机械人能够较为平稳、准确地对目标物进行夹取、移动、放置等任务。证明设计合理，试验台搭建正确。
5结束语
通过对水果采摘作业的分析，设计了一套六自由度关节型采摘机械人。其运动范围覆盖了水果果实的分布范围，末端执行器能够执行对水果的采摘任务。在采摘过程中，只需对舵机进行控制，在一定程度上降低了控制的难度和复杂性。当然，设计中也存在不足，例如缺少对果实的切割装置，而且对葡萄等较小、较软的果实采摘技术不成熟，有待进一步的改善。
参考文献
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机械手臂篇6
关键词机械臂；游戏杆；自由度
中图分类号tp24文献标识码a文章编号1674-6708（2013）102-0217-02
0引言
机械臂是机器人中应用最为广泛的一种，由于机械臂的智能限制，在非结构环境下还需操作者根据现场环境遥操作机械臂来完成任务。因此，遥操作机械臂系统的建立具有一定的工程应用价值。
遥操作机器人控制方法总体可概括为：监督控制方法、直接控制方法、基于事件的控制方法、混合动态系统研究方法等。监督控制由操作者的智能基于反馈信息来识别判断系统的状态，适用于以获取信息为目的并对操作效率要求不高的遥操作应用领域；直接控制方法基于无源性理论，以双向力反馈为基础并将无源性理论应用到机器人遥操作系统中得到的；基于事件的方法运行时，系统的参考不再为时间，从而使得系统的信息传输能够在事件域内有序合理的完成，保证了系统的信息匹配，进而克服了网络通讯的时延等因素对系统的影响；混合动态系统是同时包含有相互作用的离散事件动态系统和连续变量动态系统的一类大系统，离散事件过程需要采用逻辑类型的模型来建模并服从于离散事件动态系统的演化机制，连续变量过程需要采用微分方程或差分方程形式的模型并服从于连续变量系统的运动规律，离散事件和连续变量互为约束，依据某种规则构成相互作用。
本文将现有的机器人技术和遥操作技术相结合，通过对六自由度遥操作系统的设计及实际工程的应用，探讨遥操作机器人的工程实现方法，对于遥操作机器人系统的应用研究具有一定的现实意义。
1六自由度机械臂系统
根据机械臂完成任务的要求，本次设计的机械臂由五个转动关节和一个自由度的手爪组成，所设计的机械臂本体结构如图1所示。
控制系统选用嵌入式系统，任务是调度各个任务模块的工作，使整个系统可以协调的工作，其中包括直流电机驱动控制，光电编码器输出信号处理、串行通讯实施、环境检测驱动与处理等，其控制系统如图2所示。
2遥操作机械臂系统
整个遥操作的实验平台如图3所示。
系统由游戏杆、pC机、无线数传模块ptR4000、单片机at89S52、RS232电平转换电路、六自由度机械臂组成。游戏杆是microsoft公司出产的具有力反馈功能的游戏杆，具备X、Y和转动三个自由度。操作者通过游戏杆将机械臂各关节的命令利用pC机经过RS232电平转换后送给下位机at89S52，此后单片机将命令传给无线数传模块ptR4000进行无线传输，远端机器人上的无线接收模块接收到数据后直接给机械臂控制器，与此同时机械臂控制器将检测到的现场环境信息通过无线模块传回给pC机，使操作者进行下一步的操作，如此构成了一个闭环系统。
3基于游戏杆的位姿控制
游戏杆是用来传递操作者的信息给上位机的，它把操作者的动作信息转换成控制命令来发送给远端的机器人实现遥操作控制。上位机与游戏杆之间的通讯主要用DirectX技术，应用Directinput建立操纵手柄力反馈流程如图4所示。
4实验研究
遥操作系统分为主端和从端，操作者所在端为主端，机械臂所在端为从端。六自由度机械臂遥操作模拟实验基于图3遥操作机械臂系统，在主从端增加了比较成熟的视频传输系统。
主端pC机主频为2.66G，内存为512m，操作系统为windowsXp。操作者基于视频和机械臂手爪末端超声波测量的与目标物的距离信息对所设计的六自由度机械臂进行遥操作，操作过程结果如图5所示。
5结论
根据实际工程要求，设计了六自由度机械臂系统；给出了作为操作者操纵装置—游戏杆的软件设计及操作者远程操作六自由度机械臂的操作手法；设计了实际遥操作六自由度机械臂系统，并进行了遥操作模拟实验，实现了利用游戏杆遥操作六自由度机械臂的目的。
参考文献
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机械手臂篇7
关键词：重力；空间机械臂；运动控制；动力学模型；轨迹跟踪控制
中图分类号：tH138.5
随着现代化科学技术的蓬勃发展，以及人们在未来的空间活动中越来越频繁，促使对于空间机械臂运动控制的研究工作越来越受到人们的普遍关注及重视。一般而言，空间机械臂主要位于航天器上，并被用于完成释放、回收卫星，以及帮助在轨建造、维修空间站等任务，不但能够有效减少宇航员的舱外活动时间，保障宇航员的生命安全，同时，还能够大大缩减出舱作业所产生的一系列费用。为此，本研究拟结合空间机械臂在重力的影响下所进行的运动控制情况，以及应用到的模型构建、仿真设计等进行讨论，具体分析如下。
1空间机械臂的概述
1.1空间机械臂的内容介绍
空间机械臂是集机械、视觉、动力学、电子和控制等学科为一体的高端航天装备，是航天飞机开创的一个空间机构发展新方向。其最直接的用途是通过捕捉运输飞船进行自动化精密对接。一般来说，空间机械臂主要具有抓手工作半径大、杆件质量轻、刚度小，以及负载质量变化范围广等基本特点；在载体姿控系统处于关闭状态期间，空间机械臂系统往往还呈现为自由漂浮和无根多体的系统。不过受到空间机械臂的臂部与载体动力学耦合作用的影响，促使与其相关的运动学、动力学及运动控制等问题明显趋于复杂化、多样化，例如由于动量矩守恒方程的不可积影响，往往容易使得空间机械臂表现出非完整力学的特性；而由于铰转动角当前值以及铰转动时间历程的影响，抓手及负载的位姿也会受到相当程度的影响；即便是在相同的空间机械臂的最终铰转动角情况下，控制规律的不同，同样能够使得载体的最终姿态发生改变。
1.2空间机械臂的核心部件
空间机械臂的核心部件及其实现各项功能的基础――关节，在研制空间机械臂系统的过程中，发挥着相当程度的作用。可以说，正确建立关节的动力学模型，是空间机械臂系统设计、分析和控制的基础。一般来说，空间机械臂的关节主要是采用无刷直流电机的驱动形式设计而成的，结合其传动装置来看，空间机械臂的关节主要有谐波齿轮传动关节和行星齿轮传动关节两种。其中，谐波齿轮传动关节的单级传动比大，重量轻，结构紧凑，近乎零间隙，但其扭转刚度存在显著的滞回特性，在热真空环境中，极易产生局部过应力，导致柔轮疲劳破坏，可靠性相对较低；而行星齿轮传动关节则具有承载能力大、可靠性高、寿命长等优势，不过要达到较高的传动比，则需要采用多级或复合传动，增加结构的体积、重量和复杂性。
2空间机械臂系统的构建
在构建空间机械臂系统期间，可以通过以下步骤加以考虑，并完成构建。
首先，空间机械臂系统设计采用刚体系统；其次，空间机械臂系统的构造拟采用基座和连杆完成，由基座、测量臂、旋转关节等部位串联连接；最后，完成机械臂动力学模型的建立。具体如图1所示：
3空间机械臂的运动控制设计
3.1空间机械臂的动力学设计
结合图1双关节旋转空间机械臂的动力学模型，得出空间机械臂两连杆的质心向量表达式为：
3.2空间机械臂的轨迹跟踪控制
在当前，空间机械臂控制系统的设计，主要可以采用pD控制、自适应控制以及鲁棒控制等几种设计方法。本文关键在于讨论基于自适应pD控制下的轨迹跟踪控制设计，具体分析如下。
在此过程中，空间机械臂系统主要受到微重力的影响，此时空间机械臂各连杆的势能w可以表示为：
其中，（θ）表示重力载荷向量矩阵的估算值。此时应分地面装调阶段和空间应用阶段两种情况讨论：第一种，当系统处于地面装调阶段时，重力能够促使空间机械臂动力学模型所产生的重力载荷向量矩阵与控制器中的重力补偿项进行抵消，从而可以尽快达到预期的轨迹追踪控制，而且跟踪误差也可以快速向0值收敛。第二种，当系统处于空间应用阶段时，此时没有重力存在，导致机械臂无法将控制器当中的重力补偿项进行抵消，受其影响，机械臂的轨迹跟踪无法达到预期的轨迹跟踪控制。通过在不同阶段对重力载荷向量矩阵的准确估值，能够促使自适应pD控制器大大提高对空间机械臂跟踪控制轨迹的准确性，从而寻求全局渐进稳定的平衡点。
4空间机械臂运动控制的仿真研究
4.1基于控制力矩和跟踪轨迹的空间机械臂运动控制仿真
在matlab7.0的环境下，研究重力对双关节旋转空间机械臂的仿真效果，仿真时间设置在10s。该空间机械臂系统的各杆件号参数设置如下：
另外，在期望位置方面，θd1和θd2均设置在1.0。根据相关要求，调整系统的控制参数，得出空间机械臂的各关节控制力矩仿真曲线如图2所示。
另外，调整相关系统参数设置，得出空间机械臂的各关节跟踪输出仿真曲线如图3所示。
4.2仿真结果
通过仿真研究，可以看出，该双关节旋转空间机械臂运动控制系统具有较好的跟踪阶跃输入能力，而且1号和2号关节的响应速度相对较快，能够保证系统不出现超调现象。除此之外，该系统的驱动力矩还具有初始力矩小的特点。另外，系统开始保持基本恒定的时间约在3s到5s之间，能够达到一定的控制精度要求，适用于大多数操作环境。
5结束语
本研究通过结合空间机械臂的相关知识点以及双关节旋转空间机械臂的仿真设计，详细阐述了重力对空间机械臂运动控制的影响。可以看出，在地面装调阶段和空间应用阶段，重力对空间机械臂所产生的重力项与其所需驱动力矩均有密切关系，影响到轨迹追踪精度，在设计时需要予以充分考虑。另外，结合双关节旋转空间机械臂的仿真实例来看，该系统则能够具备较好的跟踪阶跃输入能力，且满足良好的精度控制要求，能够适用于大多数操作环境。
参考文献：
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机械手臂篇8
关键词：气动机械手，结构优化，结构设计
前言：
气动机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。气动机械手具有结构简单、重量轻、动作迅速、可靠、节能、不污染环境、可实现无级调速、易实现过载保护等优点，特别适用于汽车制造业、食品和药品包装行业、化工行业、精密仪器制造业和军事工业等。
在现代工业技术应用的气动机械手能够实现4个自由度的运动，其各自的自由度的驱动全部由气动肌肉来实现。最前端的气爪抓取物品，通过气动肌肉的驱动实现各自关节的转动，使物品在空间上运动，根据合理的控制，最终实现机械手的动作要求。气动机械手回转臂的设计主要是选择合适的控制阀，设计合理的气动控制回路，通过控制和调节各个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作。
1.气动机械手的原理
气压传动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。它巧妙地应用力的平衡原理，使操作者对重物进行相应的位移，就可在空间内平衡移动定位负荷。重物在提升或下降时形成浮动状态，靠气路实现微重力的物料位移，操作力受工件重量影响。无需熟练的点动操作，操作者用手推拉重物，就可以把重物正确地放到空间中的任何位置，或者通过操作台控制工件的位移可完成以下动作：送料、预夹紧、手臂上升、手臂旋转、小臂伸长、手腕旋转。
图1：气动机械手系统工作原理图
气压传动机械手的优点：（1）不用增速机构就能获得较高的运动速度，这是简易机械手的一项主要性能，其可适应各种快速自动搬运的工作。（2）能源方便，工厂都有压缩工作站。（3）空气泄漏基本无害。（4）适应易爆、易燃等恶劣环境。
（5）结构、保养都简单，成本低。（6）可将直线风缸和摆动风缸做成手臂的一部分，结构简单，刚性好。
2.气动机械手的主要部件和设计要求
根据模块化设计思想，机械手的各模块化机构分别为：立柱、手臂、小臂、手腕和手爪几个部分。论文选择圆柱坐标式机械手，木设计的机械手具有3个自由度：手臂伸缩；机身回转；机身升降。木设计的机械手主要由3个大部件和3个气缸组成：手部，采用一个气爪，通过机构运动实现手爪的运动。臂部，采用直线缸来实现手臂的伸缩。机身，采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂升降和回转。
机械手的手部是机械手上承担抓取工件的机构，由于被抓取物件（炮弹）的形状近似于圆台，所以，其手爪采用特殊的V字型结构，即手爪的内表而设计成与圆台斜度相同的斜而，即保证了抓取的稳定又不会因“线接触”而影响炮弹的表而质量。通过对平衡气缸内空气压力快速精确的调节，实现对某一重量范围内工件的实时平衡状态。机械手可选择定制功能：平衡系统；垂直提升；负载平衡。设备回转关节设置刹车系统，可在任意所需要的位置刹车，使机械手可以长期或定期保持需要的状态。翻转90度、翻转180度和翻转任意角度（maX270°）；断气保护：设备被意外断气时，设备上的储气罐装置可保证工人正常完成一个循环工作，然后进入刹车状态指不功能：负载指示、到位指示。误操作保护功能：工件在悬空时不可被释放。人性化操作手柄：控制按钮和人性化防滑手柄集成一体，让操作人更便捷操纵机体。工件表面保护：夹具接触工件部位装置保护物件，保证工件表而不会被刮伤。高效率工作：夹具设置抓取导向，让工件的拾取更高效。
控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作程序的存储方式有分离存储和集中存储两种。分离存储是将各种控制因素的信息分别存储于两种以上的存储装置中，如顺序信息存储于插销板、凸轮转鼓、穿孔带内；位置信息存储于时间继电器、定速回转鼓等；集中存储是将各种控制因素的信息全部存储于一种存储装置内，如磁带、磁鼓等这种方式使用于顺序、位置、时间、速度等必须同时控制的场合，即连续控制的情况下使用。
3.机械手回转臂的结构优化措施
为防止手臂沿伸缩方向轴线转动、加大承载能力，以及提高运动精度，必须设有导向装置。伸缩手臂的导向装置需根据伸缩手臂的安装形式、结构及负荷等条件来确定。用的有单导向杆和双导向杆。在气动伺服系统中要实现高精度定位比较困难，将旋转气缸安装在底板上，实现机械手的回转运动，使机械手向左或向右摆动。机械手末端执行器的水平伸缩运动和竖直升降运动各由一个气缸控制，即以最简单的形式，在完全伸出和回缩位置之间进行切换。
机械手臂篇9
论文关键词：pLC,三维机械手,步进控制
随着自动化控制领域的不断发展，智能机械手的不断推新，机器人手臂的智能化程度不断提升，连续多角度控制的机器人手臂的出现，给机械手的教学带来了新的挑战。原来的教学机械手均以两维空间模拟仿真教学为主。自2007年全国电工电子技能大赛以来，三维空间的机械手的教学需求尤为突出。
一、三维机械手的硬件结构
图1所示是该三维机械手的实物图。整个三维机械手能完成八个自由度动作，手臂伸缩、手臂旋转、手爪上下、手爪紧松。手爪提升气缸采用双向电控气阀控制，气缸伸出或缩回可任意定位。磁性传感器用来检测手爪提升气缸处于伸出或缩回位置。手爪抓取物料由单向电控气阀控制，当单向电控气阀得电，手爪夹紧磁性传感器有信号输出，指示灯亮，单向电控气阀断电，手爪松开。旋转气缸用来控制机械手臂的正反转，由双向电控气阀控制。接近传感器用来判断机械手臂正转和反转到位后，接近传感器信号输出。双杆气缸用来控制机械手臂伸出、缩回，由双向电控气阀控制。气缸上装有两个磁性传感器，检测气缸伸出或缩回位置。缓冲器对旋转气缸高速正转和反转到位时，起缓冲减速作用。
二、三维机械手的动作过程
图2所示是该三维机械手的动作示意图。当需将工件有右工作台搬至左工作台时，在按下启动的时候，右工作台传感器判断有无工作，若有机械手动作，若无，机械手停止。当机械手左旋并前伸到位准备下降时，为了确保安全，必须在左工作台上无工件时才允许机械手下降。也就是说，若上一次搬运到左工作台上的工件尚未搬走时，机械手应自动停止下降。
图1三维机械手实物图图2三维机械手动作示意图
三维机械手的工作过程为：（1）从原点开始前伸；（原点位置为机械手右旋到限位，手臂缩回，手爪上升到上限位，手爪放松）（2）到前限位后开始下降；（3）倒下限位后，机械手加紧工件，延时2s；（4）上升；（5）到上限位后，缩回；（6）到后限位后，左旋；（7）到左限位后，前伸；（8）到前限位后，下降；（9）到下限位后，机械手松开，延时2s；（10）上升；（11）到上限位后，缩回；（12）到后限位后，右旋，返回原点。
根据三维机械手的工作过程及要求，可以画出机械手的动作流程图，如图3所示。
图3机械手动作流程图图4机械手状态转移图
三、pLC硬件的选择和i/o点分配
pLC的种类非常多，根据三维机械手的控制要求，由于其输入、输出节点少，要求电气控制部分体积较小，成本低，并能够用计算机对pLC进行监控和管理，故选用日本三菱（mitSUBiSHi）公司生产的多功能小型FX1n-40mR-001主机。该机型合计有输入输出点40个，其中24个输入点和16个输出点，采用继电器方式有触点输出，能交流、直流负载两用。内部主要有：辅助继电器1280个，其中特殊功能辅助继电器256个，断电保持辅助继电器1152个；状态继电器1000个；定时继电器256个；计数继电器256个；数据寄存器8256个。
根据图3所示的三维机械手动作流程图，确定电气控制系统的i/o点分配，如表1所示。
根据图3流程图和表1的i/o分配表，可以编制出机械手的状态转移图，如图4所示。
四、控制程序的设计方法及编程运行
常用的pLC程序设计方法有经验法和顺序功能法。根据图4状态转移图，编制的步进梯形图程序如图5所示。
表1三维机械手控制i/o分配表
输入
输出
名称
输入点
名称
输出点
停止
SB1
X0
手爪紧/松气缸阀
YV1
Y1
启动
SB2
X1
手臂气缸伸出阀
YV2
Y2
物品检测传感器
SQ0
X2
手臂气缸缩回阀
YV3
Y3
气动手爪传感器
SQ1
X3
提升气缸下降阀
YV4
Y4
旋转左限位接近传感器
SQ2
X4
提升气缸上升阀
YV5
Y5
旋转右限位接近传感器
SQ3
X5
旋转气缸左移阀
YV6
Y6
伸出臂前点限位传感器
SQ4
X6
旋转气缸右移阀
YV7
Y7
缩回臂后点限位传感器
SQ5
X7
提升气缸上限位传感器
SQ6
X10
提升气缸下限位传感器
SQ7
X11
图5步进控制梯形图
图5中，m8044是用作原点条件，判断机械手是否在原点开始工作。
如果要实现断电保护，在图5的步进控制梯形图中，将普通辅助/计时/状态继电器均换成断电保护型。
上电后，直接初始状态继电器S0，在满足原点条件继电器m8044下，按下启动按钮SB2，X1得电，进入等待状态继电器S20；此时物品检测传感器SQ0检测到上料端有料，X2得电，进入机械手臂伸出状态S21；机械手伸出Y2得电，机械手前伸到前限位时，进入机械手下降状态；机械手下降Y4得电，机械手下降到下限位时，进入机械手抓料延时状态；机械手抓紧并延时，延时时间到，进入机械手上升状态…………如此，每当该步动作到位，限位条件满足时，状态转移进入下一工作步，进行动作。
需要停止时，按下停止按钮SB1,X0得电，停止标志继电器m0得电并自锁，当机械手右旋到有限位时，如果停止标志有信号，则机械手回到初始状态，如果停止标志没有信号，则机械手进行下一周期的搬运工作。
五、结束语
本文以三维机械手为例介绍了日本三菱mitSUBiSHi公司生产的FX1n系列微型可编程控制器在步进控制中的设计应用。阐述了三维机械手的动作原理，设计要求，程序设计方法等。本文介绍的程序在实际生产和各届各级电工电子技能大赛中获得成功的应用。
参考文献
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机械手臂篇10
简单机械广泛存在于生活之中,我们要学会用科学的眼光来看待生活,把生活内容用科学原理去解释,这样才能达到“科学是从生活中来,到生活中去”的目的。
例1下列工具:①钢丝钳②钓鱼竿③筷子④镊子⑤开酒瓶用的起子,其中属于费力杠杆的是()。
a.①②③B.②③④C.①③⑤D.②③⑤
解析:要区分费力杠杆或省力杠杆还是等臂杠杆,可以从力臂去判断,动力臂大于阻力臂的,是省力杠杆,反之是费力杠杆,力臂相等的则是等臂杠杆。题中的这些工具,钢丝钳、起子的动力臂较长,其他的动力臂小于阻力臂,这两种是省力杠杆,其他的都是费力杠杆。
答案:B。
例2在海南举办的大力士比赛中,有一个项目是把车轮推上台阶。下面把车轮推上台阶的四种方法,推力的作用点相同,推力的方向不同,如图所示,则哪一种推法最省力()?
解析:要把车轮推上台阶,首先需要确定哪一点是支点,支点一般以相对固定不动的地方作为支点,则应把车轮碰到台阶的那个点作为支点。确定支点后,去找动力臂,即从支点出发向动力作垂线,用刻度尺试一下就会发现到F3的垂直距离最大,即动力臂最大。
答案:C。
二、简单机械在人体中的应用
人体中有很多杠杆,这在物理题目中也有较多的体现。
例3如图是手负重(指能承受的最大物重)示意图,当手臂按图示方向伸展时,最能表示负重大小与手臂伸展程度大致关系的是()。
解析:如图所示,我们可以把手臂看做是一根杠杆,o为支点,重物对手的压力可看做阻力,手臂肌肉所产生的力可看做动力。甲图oa为动力臂,当手伸开到乙图时,oC为动力臂,很明显oa>oC(直角边和斜边的关系),即动力臂变小。肌肉所能施加的动力F,我们可以认为是个定值,由杠杆平衡条件F×L=F×L可知,F大小不变,L变小,L可认为不变,则F只能变小,即手所能承受的最大物重很明显将变小,故选B。
答案:B。
三、简单机械在学科内的综合
简单机械可以与浮力、流体力学、压强等相结合,进行学科内的综合。
例4乒乓球、保龄球等表面都是光滑的,为什么高尔夫球的表面上布满小坑呢?经有关科学家研究发现:两个等大的球,一个表面布满小坑,另一个光滑,在空中高速飞行时,表面布满小坑的球受到的空气阻力较小。现将质量与体积均相等的两个小球a(表面布满小坑)与B(表面光滑)分别利用细绳悬挂在等臂杠杆的两端,使杠杆水平平衡,如上图所示。当从两球正下方同时以相同速度(足够大)的风对准它们竖直向上吹时,则以下的说法中正确的是()。
a.杠杆左端下降
B.杠杆右端下降
C.杠杆仍然在水平方向处于平衡状态
D.无法判断杠杆的转动情况
解析:在没有吹风时等臂杠杆保持平衡,说明a、B两球的重力相等,当吹以相同速度的风时,由于球受到的阻力大小不同,且表面布满小坑的球受到的空气阻力较小,我们对a、B两球作力的分析,两球在竖直方向上受到两个力的作用:向下的重力和向上的因风吹而产生的力,这个力的大小与球受到的阻力是相等的,这样,在竖直方向上的合力是a球大,杠杆左端下降。
答案:a。
四、简单机械与其他学科的结合
杠杆可以与化学、数学、生物等学科的内容相结合。
例5某同学用一根合适的轻杆和大小相同的空杯,制作如图所示的实验装置,通过在杯底粘橡皮泥的方法调节装置,使杆在水平位置平衡。当他往右侧空杯中缓慢倾倒密度比空气大的二氧化碳气体时,杆的侧将下降。
解答:因为二氧化碳的密度比空气大,向右侧空杯中倾倒二氧化碳时,右侧压力变大,右侧下降。
五、简单机械与功、功率结合
功和功率是两个基本概念,与简单机械结合密切,我们可以根据具体情况分别运用原理或公式进行解答。
例6右图是2008年北京残奥会开幕式最后一棒火炬手侯斌,靠自己双手的力量,攀爬到火炬台底部并最终点燃圣火的照片,该点火仪式充分体现了残疾人自强自立、拼搏向上的勇气和精神。已知他和轮椅总质量为80kg,攀爬高度39m,历时约3min20s。
(1)如果不计机械装置的额外功,求他的平均功率多大。
(2)小明同学看到火炬手攀爬很费劲,想到物理课上学过利用滑轮组可以省力。小明同学如果站在地面上,用如下图所示的哪个滑轮组拉起火炬手侯斌最合适,理由是什么?如果该滑轮组机械效率为80%,求小明同学的拉力至少要多大。(g取10n/kg)
分析:火炬手在单位时间内做的功就是他的功率,他做的功是把自己和椅子拉到了一定的高度,他是克服重力在做功,所以可以利用功的公式和功率计算公式求得。如果用滑轮组来达到最省力的目的,而且最后力的方向应该朝下,所以用多个滑轮组成的滑轮组比较好,
符合要求的是D。此时他做的有用功就是第(1)小题求得的功,根据机械效率可以求出总功,再根据求功的公式,求出所用的力,但要注意的是绳子移动的距离应是人上升距离的4倍。
解答:(1)p=w/t=Gh/t=mgh/t=80×10n/×39m/200s=156w。
(2)D滑轮组.拉力方向向下且更省力。