还剩89页未读,继续阅读
本资源只提供10页预览,全部文档请下载后查看!喜欢就下载吧,查找使用更方便
文本内容:
中国矿业大学本科生毕业设计姓名刘松学号03101251学院机电工程学院专业机械制造及自动化设计题目移动式机械手设计专题指导教师钱济国职称副教授二O一四年六月徐州中国矿业大学毕业设计任务书学院机电工程学院专业年级机自10-10学生姓名刘松任务下达日期2014年2月28日毕业设计日期2014年2月28日-2014年6月17日毕业设计题目移动式机械手设计毕业设计专题题目毕业设计主要内容和要求基本参数抓重5kg,夹持棒料直径为30-50mm,定位精度±2mm主要内容根据给定的部分设计参数,确定机械手设计的其它规格参数,拟定机械手设计的总体方案,特别是零部件的设计计算及选择结构设计驱动方式选择及其装置设计等机械手总体图绘制,机械手结构装配图的设计与绘制,部分零件图的设计与绘制,机械手运动分析、程序设计院长签字指导教师签字中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书指导教师评语(
①基础理论及基本技能的掌握;
②独立解决实际问题的能力;
③研究内容的理论依据和技术方法;
④取得的主要成果及创新点;
⑤工作态度及工作量;
⑥总体评价及建议成绩;
⑦存在问题;
⑧是否同意答辩等)成绩指导教师签字年月日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语(
①选题的意义;
②基础理论及基本技能的掌握;
③综合运用所学知识解决实际问题的能力;
④工作量的大小;
⑤取得的主要成果及创新点;
⑥写作的规范程度;
⑦总体评价及建议成绩;
⑧存在问题;
⑨是否同意答辩等)成绩评阅教师签字年月日中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书评阅教师评语(
①选题的意义;
②基础理论及基本技能的掌握;
③综合运用所学知识解决实际问题的能力;
④工作量的大小;
⑤取得的主要成果及创新点;
⑥写作的规范程度;
⑦总体评价及建议成绩;
⑧存在问题;
⑨是否同意答辩等)成绩评阅教师签字年月日中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩摘要机械手是通过模仿人的手部动作,按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的一种自动装置它特别是在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中,以及笨重、单调、频繁的操作中代替人作业目前,机械手虽然还不如人手那样灵活,但它具有不断重复工作和劳动,不知疲劳,不怕危险,抓举重物的力量比人手力大的特点,因此获得日益广泛的应用机械手一般由执行机构、驱动系统、控制系统及检测装置三大部分组成,智能机械手还具有感觉系统和智能系统通过对机械专业四年的所学知识进行整合,对工业机械手各部分结构和功能的论述和分析,本文设计了一种圆柱坐标形式的移动式机械手本文重点针对机械手的手腕、手臂、机身等各部分机械结构以及机械手的移动平台进行了设计,同时对液压驱动系统进行了详细的理论分析和计算机械手可用来实现如抓取、操作等动作,移动平台用来扩展机械手的工作空间,使机械手能以更适合的姿态来执行任务关键词移动式机械手;移动平台;液压系统ABSTRACTManipulatorisanautomaticdevicewhichfollowsthegivenprogramtrackandrequirementtorealizeautomaticcapturemovingandoperationthroughimitatinghumanhandmotions.Particularlyindustyinflammableexplosiveradioactiveenvironmentwithhightemperatureandhighpressureitcansubstitutemantocompleteheavytediousandfrequentoperations.Atthemomentthemanipulatorisnotasagileashumanhandbutitsfeaturessuchasrepeatableworkandlabornotyieldingtofatigueunawarenessofdangermorestrengththanmaninliftingweightsisearningitextensiveapplication.Manipulatorisusuallyconstitutedofactuatordrivingsystemcontrolsystemanddetectiondeviceanintelligentmanipulatoralsohassensorysystemandintelligentsystem.Basedontheintegrationofthelastfouryears’mechanicalprofessionalknowledgetheexpositionandanalysisofthestructureandfunctionofanindustrialmanipulator’ingredientsthispaperdesignsamobilemanipulatorintheformofcylindricalcoordinate.Inthispaperthemanipulator’swristarmbodyandothermechanismsandthemobileplatformofthemanipulatoraredesignedmeanwhilethehydraulicdrivingsystemistheoreticallyanalyzedandcalculatedindetail.Manipulatorcanbeusedtorealizeactionssuchascaptureandoperation.Theresponsibilityofthemobileplatformisexpandingworkingspaceforthemanipulatorwhichmakesthemanipulatortoexecutetasksinmoreproperpositions.Keywords:Mobilemanipulator;Mobileplatform;Hydraulicsystem目录一般部分1绪论
11.1机械手简史
11.2应用简况
11.3工业机械手的分类
21.
3.1按规格(所搬运的工件重量)分类
31.
3.2按功能分类
31.
3.3按用途分类
31.
3.4按机械手的驱动方式分类
41.
3.5按控制方式分类
41.4工业机械手的组成
41.
4.1执行机构
51.
4.2驱动机构
61.
4.3控制系统
61.5工业机械手的规格参数
61.6机械手的机能
71.
6.1机能的概述
71.
6.2机能的分类说明
81.
6.3运动机能和识别机能
81.7工业机械手的发展状况与发展趋势92设计内容及方案的拟定
112.1方案的制定原则
112.2结构布置要求及平稳性与定位精度
112.3具体方案选择
122.
3.1自由度的选择
122.
3.2坐标系的选择
132.
3.3驱动方式的选择
142.
3.4机械手的手部结构方案设计
152.
3.5机械手的手腕结构方案设计
152.
3.6机械手的手臂结构方案设计
152.
3.7机械手的总体布置方案
152.4机械手的主要参数
152.5机械手的技术参数
162.
5.1臂力的确定
162.
5.2工作范围的确定
162.
5.3运动速度确定173机械手手部设计
173.1概述
173.2结构选型设计
193.3相关设计计算
203.
3.1夹紧力的计算
203.
3.2驱动力计算
213.
3.3确定液压缸的直径D
223.
3.4手指部连接销的选择与校核
233.
3.5液压缸局部尺寸设计
243.
3.6手爪的夹持误差分析与计算254机械手腕部设计
284.1概述
284.
1.1腕部设计的基本要求
284.
1.2腕部的运动
294.2腕部回转力矩的计算
314.3回转缸尺寸计算
334.4回转液压缸动叶片宽度计算345臂部设计
345.1概述
345.
1.1臂部设计的基本要求
345.2手臂伸缩部设计
365.
2.1结构选型设计
365.
2.2伸缩液压缸的设计计算
375.
2.3伸缩液压缸尺寸的确定
395.
2.4伸缩臂导向套设计
405.3俯仰运动机构设计
405.
3.1俯仰摆动液压缸驱动力矩的计算
415.
3.2俯仰缸摆动驱动力计算
425.
3.3俯仰摆动缸的设计计算446机身的回转机构设计
456.1概述
456.2手臂回转液压缸的设计计算
456.
2.1手臂回转时所需的驱动力矩
456.
2.2回转缸内径D的计算467移动平台设计
477.1概述
477.
1.1移动机器人概述
477.
1.2移动机械手平台系统
477.
1.3国内外研究现状
477.2移动机械手移动平台总体设计
487.3移动平台本体电气系统设计
487.
3.1电机功率计算
487.
3.2直流电机特性508液压驱动系统
528.1液压系统传动方案的确定
528.
1.1各液压缸的换向回路
528.
1.2调速方案
528.
1.3减速缓冲回路
538.
1.4系统安全可靠性
548.2计算和选择液压元件
558.
2.1液压泵
558.
2.2选择液压控制阀和辅助元件56参考文献58翻译部分英文原文59中文译文70致谢801绪论
1.1机械手简史机械手首先是从美国开始研制的195年美国联合控制公司研制出第一台机械手它的结构是机体上安装一回转长臂,端部装有电磁铁的工件抓放机构,控制系统是示教型的1962年,美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手商名为Unimate运动系统仿造坦克炮塔,臂可以回转、俯仰、伸缩,用液压驱动;控制系统用磁鼓作存贮装置1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatrar机械手,原意是灵活搬运该机械手的中央立柱可以回转,臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动,控制系统也是示教再现型虽然这两种机械手出现在六十年代初,但都是国外工业机械手发展的基础1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种Unimation-Vic-arm型工业机械手,装有小型电子计算机进行控制,用于装配作业,定位误差可小于±1毫米美国还十分注意提高机械手的可靠性,改造结构,降低成本如Unimate公司建立的8种机械手试验台,进行各种性能的试验准备把故障前平均时间由400小时提高到1500小时精度可提高到±
0.1毫米联邦德国机器制造业是从1970年开始应用机械手,主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业联办德国KnKa公司还生产一种点焊机械手,采用关节式结构和程序控制瑞士RETAB公司成产一种涂漆用机械手,采用示教方法编制程序瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家自1969年从美国引进两种典型机械手后,大力从事机械手的研究据报道,1979年从事机械手的研究的大专院校、研究单位达50多个1976年各大学和国家研究部门用在机械手的研究经费约占总研究费用的42﹪1979年日本机械手的产值达433亿日元,产量为14535台其中固定程序和可变程序约占一半,达222亿日元,是1978年的二倍具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元,比1978年增长50﹪智能机械手约为17亿日元,为1978年的6倍截至1979年,机械手累计产量达56900台在数量上已占世界首位,约占70﹪,并以每年50~60﹪的速度增长使用机械手最多的是汽车工业,其次是电机、电器苏联自六十年代开始发展应用机械手,至1977年底,其中一半是国产,一半是进口主要用于机械化、自动化程度较低、繁重单调、有害于健康的辅助性工作总之,目前工业机械手大部分还是第一代和第二代第一代机械手主要依靠人工进行控制,控制方式则为开环式,没有识别能力;改进的方向主要是降低成本和提高精度第二代机械手设有微型计算机控制系统,具有视觉、触觉能力,甚至听、想的能力研究安装各种传感器,把感觉到的信息反馈,使机械手具有感觉机能、第三代机械手则能独立地完成工作过程中的任务它与计算机和电视设备保持联系并发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中重要一环
1.2应用简况在现代工业中,生产过程的机械化,自动化已成为主题在机械工业中,加工、装配等生产是不连续的专用机床是大批量生产自动化的有效办法;程控机床、数控机床、加工中心等自动化机械是有效地解决多品种小批量生产自动化的重要办法但除切削加工本身外,还有大量的装卸、搬运、装配等作业工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的在80年代以前,美国偏重于毛坯生产,日本偏重于机械加工随着机械手技术的发展,应用的对象还会有所变化目前使用工业机械手代替人工操作的,主要是危险作业、多粉尘、高温、噪音、工作空间狭小等不适于人工作业的环境而随着科技的日益发展,在各个机械加工行业都有机械手代替人工作业的趋势下面就国内机械工业应用机械手的简况,以及国外机械工业发展和应用机械手的简况,分别介绍如下
1.铸、锻、焊热处理等热加工方面的应用热加工是高温、危险的笨重体力劳动,很久以来就要求实现自动化为了实现高效率和工作安全,尤其对于大件、少量、低速和人力所不能胜任的作业就更需要采用机械手操作机械手在锻造工业中的应用能进一步发挥锻造设备的生产能力,改善热、累的劳动条件因此,国内首先是采用锻造操作机,装取料机械手来代替人工操作,减轻劳动强度在模锻方面,国内大批生产的3t、5t、10t模锻锤,其所配的转底炉,用两只机械手成一定角度布置在炉前,实现进出料自动化
2.冷加工方面冷加工方面机械手主要用于柴油机配件以及轴类、盘类和箱体类等零件单机加工时的上下料和刀具安装等进而在程序控制、数字控制等机床上应用,成为设备的一个组成部分国内机械工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料,减轻工人劳动强度加工箱体类零件的组合机床自动线,一般采用随行夹具传送工件,也有采用机械手的,如上海拖拉机厂的气缸盖加工自动线转位机械手
3.拆修装方面为改善货车油漆作业,日本、美国等发明了一种货车涂漆机械手采用涂漆机械手可以对车的内部进行连续喷漆,以改善劳动条件,提高喷漆的质量和效率
4.在实现单机自动化方面⑴各类半自动机床,有自动夹紧、进刀、切削、退刀和松开的功能,但仍需人工上下料;装上机械手,可实现全自动生产,一人看管多台机床目前,机械手在这方面应用最多由于这方面使用已有成熟的经验,国内一些机床厂已在这类机床产品出厂时就附上机械手,或为用户自行安装机械手提供条件⑵注塑机偶加料、合模、成型、分模等自动工作循环,装上机械手自动装卸工件,可实现全自动生产⑶冲床有自动上下料冲压循环,装上机械手上下料,可实现冲压生产自动化目前机械手在冲床上应用有两个方面一是160t以上的冲床用机械手的较多;一是用于多工位冲床,用作冲压件工位间步进总的来说,工业机械手满足了社会生产的需要,其主要特点是⑴对环境的适应性强,能代替人从事危险有害的操作,在长时间工作对人体有害的场所,机械手不受影响,只要根据工作环境进行合理设计,选择适当的材料和结构,机械手就可以在异常高温或低温、异常压力和有害气体、粉尘、放射性作用下,以及冲压、灭火等危险环境中胜任工作为了谋求操作安全和彻底防止公害,在工伤事故多的工种,如冲压、压铸、热处理、锻造、喷漆记忆有强烈紫外线照射的电弧焊等作业中,推广工业机械手或机器人⑵机械手能持久、耐劳,可以把人从繁重单调的劳动中解放出来,并能扩大和延伸人的功能人在持续工作几小时后,总会感到疲劳或厌倦,而机械手只要注意维护、检修,既能胜任长时间的单调重复劳动⑶由于机械手的动作准确,因此可以稳定和提高产品的质量,同时又可避免人为的操作错误⑷机械手特别是通用工业机械手的通用性、灵活性好,能较好的适应产品品种的不断变化,以满足柔性生产的需要这是因为机械手动作程序和运动位置能够十分灵活快速的予以改变,而其众多的自由度,又提供了迅速改变作业内容的可能,在中小批量自动化生产中,最能发挥其作用⑸采用机械手能明显的提高劳动生产率和降低成本
1.3工业机械手的分类目前,我国对工业机械手尚无较为统一的分类标准一般可按机械手的规格、功能或用途等来分类
1.
3.1按规格(所搬运的工件重量)分类
1.微型的——搬运重量在1kg以下
2.小型的——搬运重量在10kg以下
3.中型的——搬运重量在50kg以下
4.大型的——搬运重量在500kg以下
1.
3.2按功能分类
1.简易型工业机械手有固定程序和可变程序两种固定程序有凸轮转鼓或挡块转鼓控制,可变程序用插销板或转鼓控制来给定程序
2.记忆再现型工业机械手这种机械手有人工通过示教装置领动一遍,由记忆元件把程序记录下来,以后机械手就自动按记忆的程序重复进行循环动作
3.计算机数字控制的工业机械手可通过更换穿孔带或其它介来改变工业机械手的动作程序,还可以进行多机控制
4.智能工业机械手由电子计算机通过各种传感元件等进行控制,具有视觉、热觉、触觉、行走机构等
1.
3.3按用途分类
1.专用机械手它是附属于主机的、具有固定程序而无独立控制系统的机械装置专用机械手具有动作少、工作对象单
一、结构简单、使用可靠和造价低等特点,适用于大批量的自动化生产,如自动机床、自动线的上、下料机械手和“加口工中心”附属的自动换刀机械手
2.通用机械手它是一种具有独立控制系统的、程序可变的、动作灵活多样的机械手在规格性能范围内,其动作程序是可变的,通过调整可在不同场合使用,驱动系统和控制系统是独立的通用机械手的工作范围大、定位精度高、通用性强,适用于不断变换生产品种的中小批量自动化的生产通用机械手按其控制定位的方式不同可分为简易型和伺服型两种:简易型以“开一关”式控制定位,只能是点位控制:伺服型具有伺服系统定位控制系统,可以是点位的,也可以实现连续轨迹控制,一般的伺服型通用机械手属于数控类型
1.
3.4按机械手的驱动方式分类
1.液压传动机械手是以液压的压力来驱动执行机构运动的机械手其主要特点是:抓重可达几百公斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏但对密封装置要求严格,不然油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响,且不宜在高温、低温下工作若机械手采用电液伺服驱动系统,可实现连续轨迹控制,使机械手的通用性扩大,但是电液伺服阀的制造精度高,油液过滤要求严格,成本高
2.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其主要特点是:介质李源极为方便,输出力小,气动动作迅速,结构简单,成本低但是,由于空气具有可压缩的特性,工作速度的稳定性较差,冲击大,而且气源压力较低,抓重一般在30公斤以下,在同样抓重条件下它比液压机械手的结构大,所以适用于高速、轻载、高温和粉尘大的环境中进行工作
3.机械传动机械手即由机械传动机构如凸轮、连杆、齿轮和齿条、间歇机构等驱动的机械手它是一种附属于工作主机的专用机械手,其动力是由工作机械传递的它的主要特点是运动准确可靠,动作频率大,但结构较大,动作程序不可变它常被用于工作主机的上、下料
4.电力传动机械手即有特殊结构的感应电动机、直线电机或功率步进电机直接驱动执行机构运动的机械手,因为不需要中间的转换机构,故机械结构简单其中直线电机机械手的运动速度快和行程长,维护和使用方便此类机械手目前还不多,但有发展前途
1.
3.5按控制方式分类
1.点位控制它的运动为空间点到点之间的移动,只能控制运动过程中几个点的位置,不能控制其运动轨迹若欲控制的点数多,则必然增加电气控制系统的复杂性目前使用的专用和通用工业机械手均属于此类
2.连续轨迹控制它的运动轨迹为空间的任意连续曲线,其特点是设定点为无限的,整个移动过程处于控制之下,可以实现平稳和准确的运动,并且使用范围广,但电气控制系统复杂这类工业机械手一般采用小型计算机进行控制
1.4工业机械手的组成工业机械手是由执行机构、驱动系统和控制系统所组成的,各部关系图如图1-1所示图1-1工业机械手组成框图
1.
4.1执行机构执行机构由抓取部分(手部)、腕部、臂部和行走机构等运动部件组成⑴手部手部安装在手臂的前端手臂的内孔装有传动轴,可把动作传给手腕,以转动、伸屈手腕,开闭手指手部一般是回转型或平移型手部的构造系模仿人的手指,分为无关节、固定关节和自由关节三种手指的数量又可分为二指、三指、四指等,其中以二指用得最多可根据夹持对象的形状大大小配备多种形状和尺寸的夹头,以适应操作的需要所谓没有手指的手部,一般是指真空吸盘或磁性吸盘⑵腕部是连接手部和手臂的部件,并可用来调整被抓物件的方位它可有上下摆动,左右摆动和绕自身轴线的回转三个运动如有特殊要求,手腕还可以有一个小距离的横移也有的工业机械手没有腕部自由度⑶臂部手臂是支撑被抓物体、手部、腕部的重要部件手臂的作用是带动手指去抓取物件,并按预定要求将其搬运到给定的位置手臂有三个自由度,可采用直角坐标(前后、上下、左右都是直线),圆柱坐标(前后、上下直线往复运动和左右旋转),球坐标(前后伸缩、上下摆动和左右旋转)和多关节(手臂能任意伸屈)四种方式手臂可能实现的运动如图1-2所示:图1-2手臂运动形式⑷立柱立柱是支承手臂的部件,立柱也可以是手臂的一部分,手臂的回转运动和升降或俯仰运动均与立柱有密切的联系机械手的立往通常为固定不动的,但因工作需要,有时也可作横向移动,即称为可移式立柱⑸行走机构当工业机械手需要完成较远距离的操作,或扩大使用范围时,可在机座上安装滚轮、轨道等行走机构,以实现工业机械手的整机运动滚滚轮轮式式布行走机构可分为有轨的和无轨的两种驱动滚轮运动则应另外增设机械传动装置⑹机座机座是机械手的基础部分,机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上,故起支撑和连接的作用图1-3所示为机械手的手指、手腕、手臂的运动示意图图1-3机械手运动示意图
1.
4.2驱动机构驱动机构主要有四种液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动其中以液压、气压用的最多,占90﹪以上;电动、机械驱动用得较少液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动它利用油缸、马达和齿轮、齿条实现直线运动;利用摆动油缸、马达于减速器、油缸与齿轮、齿条或链条、链轮等实现回转运动液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大,动作平缓,可无级变速,自锁方便,并能在中间位置停止缺点是需配备压力源,系统复杂,成本较高气动驱动所采用的元件为气压缸、气马达、气阀等一般采用4~6个大气压,个别的达到8~10个大气压它的优点是气源方便,维护简单,成本低缺点是出力小,体积大由于空气的可压缩性大,很难实现中间位置的停止,只能用于点位控制,而且润滑性较差,气压系统容易生锈电气驱动的优点是动力源简单;维护使用方便驱动机构和控制系统可以采用同一型式的动力,出力比较大;缺点是控制响应速度比较慢机械驱动只用于动作固定的场合一一般用凸轮连杆机构实现规定的动作它的优点是动作确实可靠,工作速度高,成本低;缺点是不易于调整
1.
4.3控制系统机械手控制的要素,包括工作顺序、到达位置、动作时间、运动速度和加减速度等机械手的控制分为点位控制和连续轨迹控制两种;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贮,然后再根据固定的程序,控制机械手进行工作现在的控制系统大多采用可编程控制器、微型计算机数字控制等
1.5工业机械手的规格参数工业机械手的规格参数,是说明机械手规格和性能的具体指标,一般包括以下几个方面⑴主参数抓重(臂力)——额定抓取重量或称额定负荷,单位为kg,必要时注明在限定运动速度下的抓重(臂力)⑵自由度数目和坐标形式整机、手臂及腕部共有几个自由度,并说明坐标形式⑶定位方式固定机械挡块,可调机械挡块,行程开关,电位器及其他各种位置设定和检测装置;各自由度设定的位置数目或位置信息用量(多少点);点位控制或连续轨迹控制⑷驱动方式液压、气压、电动和机械⑸手臂运动参数如表1-
1、表1-2形式当手臂的运动速度很高时,手臂在起动和制动过程中会产生很大的冲击和震动,这会影响手臂的定位精度因此,手臂运动速度应根据生产节拍时间的长短、生产过程的平稳性和定位精度等要求来确定常用的最大直线运行速度在1000mm/s以下最大回转运行速度一般不超过120°/s一般应用的直线速度常在200~300mm/s,回转速度在50°/s左右⑹手指夹持范围(mm)和握力(即夹紧力或吸力)(N)⑺定位精度位置设定精度及重复定位精度(±mm)⑻程序编制方法及程序容量如插销板、二极管矩阵插销板、可编程控制、微机控制以及示教存储等⑼控制系统动力电、气⑽驱动源气动的气压大小,液压的使用压力,液压泵规格,电动机功率,电动机类型、规格⑾轮廓尺寸长×宽×高(mm)⑿重量整机重量(kg)表1-1表1-
21.6机械手的机能
1.
6.1机能的概述机械手的机能就是指它具有完成人们预定作业所需要的能力如运动机能就是指机械手完成预定工艺操作应具有的运动自由度,以及所能到达的活动范围同时还要求机械手具有对物体的抓放、定向、工艺操作和行走的能力等通用机械手应根据作业的要求,设计成具有较完善的运动机能,即它的动作接近于人手操作时的某些运动机能,以适应广大作业范围的需要专用机械手则仅需赋予部分的运动机能,可按照工艺操作的需要来确定机械手又应具有一定的物理机能如载荷能力、运动速度、持续工作能力以及工作的准确性和稳定性等性能此外还应具有一定的耐热、耐腐蚀的能力,以适应工艺操作的需要和具体的工作环境机械手另一个重要机能就是控制机能对专用机械手而言,是指能自动的完成作业程序的能力但对于一般的通用机械手其控制机能是指它具有自动地、或被动地变换程序的能力,即按照指令能自动地、再现地完成规定的动作程序的机能对于高级通用机械手是指它具有某些人的逻辑思维的能力,对环境条件的反应能力,以及对工艺操作的自适应能力等但需指出,无论机械手的机能如何完善,它仍然是一种自动机械,它与人手比较仍有着根本的区别机械手的物理机能可以超过人手,但运动机能和控制机能则远不如人手这是由于人的大脑、神经系统和四肢的完善和智慧,绝不是任何机械手都能完全代替的而机械手可以在载荷、运动速度和工作持续时间等方面超过人,但它在完成作业时需有人来进行操纵装有计算机的机械手可具有一定的控制机能饿,而且其运算速度可以超过一般人,但其逻辑思维能力仍然不如人的大脑
1.
6.2机能的分类说明
1.操作机能⑴臂、腕动作机能——臂腕在空间动作机能;⑵抓握机能——手爪抓握物体机能;⑶行走机能——机械手本体或轮子行走机能
2.控制机能⑷控制动作机能——冲程、速度和力的控制;⑸程序控制机能——动作的程序;⑹示教机能——动作程序示教方法;⑺存储记忆方法——示教存储方法;
2.测量识别机能⑻测量机能——位移、速度等物理量的测量;⑼识别机能——对物体图样外形和特征的辨认机能;⑽触觉传感——识别机械手和物体间的接触机能;⑾力传感——物体和机械手之间反馈的作用力;⑿视觉传感——对工作区域内情况的观察
1.
6.3运动机能和识别机能
1.运动机能机械手的引动机能系根据作业的要求把手臂、手腕和手指等的动作以及机身的一些动作加以组合构成机械手在运动中有上限、下限、内限、外限手臂端头伸出限、手臂摆动限度等,其限界的范围也是根据作业的要求来确定
2.手爪抓取机能机械手能否抓取物体取决于它能不能抓住物体为此要分析人手抓取的机能当人手抓取物体时是以五个手指包络物体,冰河手掌一起抓取物体处于相对的状态机械手只有手指而没有手掌,因而其抓取机能与人手相比还有着相当大的距离
3.抓取物体的极限尺寸设计机械手手爪时,一方面要考虑手指的约束,同时要确定它能抓多大的物体,即极限尺寸极限尺寸容许范围宽,手爪使用的范围就广,相反,手爪的使用范围就受到限制手爪抓取物体的极限尺寸与人手相比要小得多,因此要很好的研究手爪的极限尺寸并与手爪的本身的尺寸相适应据资料分析,得到的结论是由极限尺寸和极限尺寸比来表示二个指、四个指的固定关节指与无关节指相比;以及自由关节指与固定关节指相比;使用越是高级或机构越复杂的手指,极限尺寸比值就越高若要极限尺寸比值高,而且构造又简单时,以固定关节三个指为宜
4.偏心度偏心度就是指以手爪的基准点到物体基准点的距离的最大偏差量用极限尺寸差去除所得的值仅具有自由关节指的手爪,手爪的张开角度又在60°以下,偏心度可以达到零但在这种情况下,对自由关节指弯曲角的控制要求高对于直进型手爪的偏心度,虽没有同极限尺寸一样提出来,但若把物体的基准置于轴心或者重心位置,只有固定关节指对向动作时,可以没有偏心度然而,手爪的结构要比回转型的要大,其动作机构也较为复杂
5.测量和识别机能⑴内部信息检测机能内部信息检测机能是指机械手本体状态的机能而言,如手爪各关节状态和伸缩部分,就需了解他们所处的状态控制手爪动作必须要有位置传感器或位置及速度信号反馈传感器等⑵外部信息检测机能外部信息检测机能是指机械手对工作对象及障碍物等外界状态的检测机能而言握力是工作对象和手爪之间的相关量就目前所知,握力有触觉、压觉、力觉、视觉、听觉、接近觉等⑶识别机能识别机能是指机械手所具有的识别机能而言,即手爪通过握和持,能知道物体的形状及硬度等机能⑷诊断机能诊断机能是指能掌握自己状态是否正常的机能如诊断手指有无损坏或其他故障等
1.7工业机械手的发展状况与发展趋势专用机械手经过几十年的发展,如今已进入以通用机械手为标志的时代由于通用机械手的应用和发展,进而促进了智能机器人的研制智能机器人涉及的知识内容,不仅包括一般的机械、液压、气动等基础知识,而且还应用一些电子技术、电视技术、通讯技术、计算技术、无线电控制仿生学和假肢工艺等,因此它是一项综合性较强的新技术目前国内外对发展这一新技术都很重视几十年来,这项技术的研究和发展一直比较活跃,设计在不断的修改,品种在不断的增加,应用领域在不断地扩大机械工业中,应用机械手的主要目的,一是解决生产过程自动化,二是改善劳动条件,降低劳动强度,提高劳动生产率和降低产品成本因此,要求机械手成本低,品种多样化,零部件系列化、通用化、标准化,性能稳定可靠⑴降低较小的的成本为了扩大机械手的适用范围,必须降低机械手的成本据统计,机械手电气控制装置所占成本的比重较大⑵品种多样化为了适应不同工作的需要,应使机械手的品种多样化,用机械手代替更多的人的手工劳动,进而实现生产过程自动化特别是那些工作比较单
一、重复性很大而工作条件又较差和劳动量较大的工种,更应注意设计和使用各种类型的机械手⑶零件、部件系列化、通用化、标准化为了加速扩大机械手的应用领域,应尽量缩短其设计和制造的周期这样,就要求机械手的某种零件、部件系列化、通用化、标准化然后,即可根据具体工作的需要,将这些零件、部件进行组合,组成所需要的机械手当然,这样的机械手还应保证组合方便,一旦工作变更时,就能迅速而顺利的重新组合⑷产品性能稳定可靠机械手的重要技术指标之一,就是其性能应稳定可靠为此,要求设计合理,元件稳定,制造精确国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势:1工业机器人性能不断提高高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修,而单机价格不断下降,平均单机价格从91年的
10.3万美元降至97年的65万美元2机械结构向模块化、可重构化发展例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市3工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性4机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用5虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人6当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例7机器人化机械开始兴起从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域我国的工业机器人从80年代“七五”科技攻关开始起步,在国家的支持下,通过“七五”、“八五”科技攻关,目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人;其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线站上获得规模应用,弧焊机器人己应用在汽车制造厂的焊装线上但总的来看,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,如:可靠性低于国外产品;机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上,我国己安装的国产工业机器人约200台,约占全球已安装台数的万分之四以上原因主要是没有形成机器人产业,当前我国的机器人生产都是应用户的要求,“一客户,一次重新设计”,品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本也不低,而且质量、可靠性不稳定因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模块化设计,积极推进产业化进程.我国的智能机器人和特种机器人在“863”计划的支持下,也取得了不少成果其中最为突出的是水下机器人,6000m水下无缆机器人的成果居世界领先水平,还开发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种:在机器人视觉、力觉、触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作,有了一定的发展基础但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步,与国外先进水平差距较大,需要在原有成绩的基础上,有重点地系统攻关,才能形成系统配套可供实用的技术和产品,以期在“十五”后期立于世界先进行列之中2设计内容及方案的拟定
2.1方案的制定原则对液动式机械手的基本要求是能快速、准确地拾一放和搬运物件,这就要求它们具有高精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性设计液动式机械手的原则是:充分分析作业对象工件的作业技术要求,拟定最合理的作业工序和工艺,并满足系统功能要求和环境条件;明确工件的结构形状和材料特性,定位精度要求,抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等,从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求;尽量选用定型的标准组件,简化设计制造过程,兼顾通用性和专用性,并能实现柔性转换和编程控制本次设计的机械手是通用移动式机械手,它采用液压来进行驱动是一种适合可以改变动作程序的自动搬运或操作设备,动强度大和操作单调频繁的生产场合它可用于操作环境恶劣,劳动强度大和操作单调频繁的生产场合设计时,用全面综合考虑,尽可能使之做到结构简单、紧凑、容易,操作安全可靠,安装维修方便,经济性好要求,手架能作任何角度的伸缩和转动,是独立的自动化机械装置,通用性高,机械手结构比较复杂手臂可作前后伸缩、上下升降和水平左右摆动三个动作,手臂可以绕Z轴转动360度
2.2结构布置要求及平稳性与定位精度机械手工作中运动速度较高,在结构布置上应保证运动平稳,这样可提高机械手使用的可靠性,并可延长使用寿命,在结构上要注意以下几点
1.臂部要防止偏重通常臂部处于悬臂的工作状态,在设计臂部、手部结构时要尽量使其总的重心在支撑中心,防止对支撑中心的偏重偏重将会产生附加的弯矩引起立柱和导向的变形,工作中引起导向装置不均匀的磨损在回转运动中偏重对回转轴附加有动压力,其方向不断的变化,特别是高速及速度突然变化时更为明显,这将引起机械手的振动,严重时会造成卡死防止偏重过大可采取的措施如下⑴减轻手部重量,并尽量减少偏心载荷⑵合理分布臂部上各部件重量和增加平衡重,使臂部平衡⑶机械手在结构上无法避免偏重,则应加强导向支撑,尽力减轻偏重对运动的影响
2.加强臂部刚度选取臂部结构时要注意各个方向的刚度提高臂部刚度是减少手部颤动的关键,有利于提高定位精度臂部的刚度决定于臂部的结构和导向形式
3.改进缓冲装置和提高配合精度机械手缓冲装置是保证运动平稳和减少振动的主要措施冲击有两种一种是机械冲击,它是臂部运动中与定位装置相撞而产生,用可靠缓冲装置来消除另一种是液压系统动作时产生的冲击这种冲击作用于管路之中,仍会引起机械手振动,要靠改进液压系统设计来叫解决提高部件的配合精度,减少间隙都有利于运动平稳在生产中要求机械手工作速度快,运动平稳,定位精度高应注意其影响因素,设计合理结构,以满足要求⑴惯性力的影响 机械手速度突变,加(减)速度不连续,会产生巨大惯性冲击力,致使工件滑移,部件松动,零件破裂定位时,大的减速度使臂部往复振动,直接降低定位精度因此,应根据机械手的运动特性,选择适宜的控制系统,使加(减)速度按所需的运动规律变化同时,在保证刚度前提下减轻机械手运动部件的重量⑵结构刚度的影响 零件结构刚性低,配合间隙大以及整机固有频率低时,受较小惯性冲击就发生振动,不但降低定位精度,而且降低机械寿命应选择合理结构,提高机械手固有频率以及承受惯性载荷的能力⑶定位方法的影响 常用定位方法中电气开关定位的精度最低,伺服定位较高,机械挡块定位精度最高⑷控制系统的影响 电控系统误差,阀类泄露,检测元件失灵,挡块偏移等都会降低定位精度⑸驱动源的影响 液压、气压、电压和油温波动都会降低平稳性及定位精度,必要时,用蓄能器、稳压器等稳定压力和电压,用加热器冷却器控制油温
2.3具体方案选择
2.
3.1自由度的选择采用工业机械手的目的是为了能部分地代替人的手进行操作为此,必须使机械手具有类似于人手的技能为了达到或部分达到这个目的,实现接近于人手的操作机能,必须对机械手的机能、特性以及有关问题作初步的探讨根据古典力学观点,物体在三维空间内的静止位置是由三个坐标和绕三轴旋转的角度来决定因此,抓握物体的位置和方向能从理论上求得据资料显示,如果采用的机械手,它的机能要接近于人的上肢,则就要具有27个自由度,而每一个自由度至少要有一根“人造肌肉”这样就需要安装27根重量轻、小型和高输出力的“人造肌肉”就目前的技术状况来说,这很难办到而且把机械手的运动搞得那么复杂,动作彼此严重重叠也是完全不必要的退一步,如果机械手要求具有完全通用的程度,那么它的整机、本体、手臂和手指都得有三个直线运动和三个旋转运动,总共就要有24个自由度这在实际上也是不必要的,这样会使机械手结构复杂,费用增多因此,不要盲目模仿人手的动作,增加过多的自由度,而应该根据实际需要的动作,设计出最少的自由度就能完成作业所要求的动作所以一般专用机械手(不包括握紧动作)通常只有二到三个自由度而通用机械手则一般取四到五个自由度自由度是指机械手各运动部件在三维空间坐标轴上所具有的独立运动数本设计中的机械手要实现的动作包括手部夹紧、腕部回转、臂部伸缩、臂部俯仰、机身回转,因此自由度数为
52.
3.2坐标系的选择机械手的坐标型式主要有四种——直角坐标式,圆柱坐标式,球坐标式和关节式
1.直角坐标式机械手直角坐标式机械手是适合于工作位置成行排列或于传送带配合使用的一种机械手它的手臂可作伸缩、左右和上下移动,按直角坐标形式X、Y、Z三个方向的直线进行运动其工作范围可以是一个直线运动;二个直线运动或三个直线运动如在X、Y、Z三个方向上各具有A、B、C三个回转运动,即构成六个自由度但在实际上是很少有的直角坐标式机械手的优点是⑴产量大,节拍短,能满足高速的要求;⑵容易与生产线上的传送带和加工装配机械相配合;⑶适于装箱类、多工序复杂的工作,定位容易变更;⑷定位精度高,可达到±
0.5mm以下,载重发生变化时不会影响精度;⑸易于实现数控,可与开环或闭环数控机械配合使用缺点是这种机械手作业范围较小
2.圆柱坐标式机械手圆柱坐标式机械手是应用最多的一种型式,它适用于搬运和测量工件具有直观性好,结构简单,本体占用的空间较小,而动作范围较大等优点圆柱坐标式机械手由X、Z、Φ三个运动组成它的工作范围可分为一个旋转运动,一个直线运动,加一个不在直线运动所在平面内的旋转运动;二个直线运动加一个旋转运动⑴圆柱坐标式机械手有五个基本动作⑵手臂水平回转;⑶手臂伸缩;⑷手臂上下;⑸手臂回转动作;⑹手爪加紧动作圆柱坐标式机械手的特征是在垂直导柱上装有滑动套筒,手臂装在滑动套筒上,手臂可做上下直线运动Z和在水平面内做圆弧状的左右摆动Φ
3.球坐标式机械手球坐标式机械手是一种自由度较多,用途较广的机械手它是由X、θ、Φ三个方面的运动组成球坐标式机械手的工作范围包括一个旋转运动;二个旋转运动;二个旋转运动加一个直线运动球坐标式机械手可实现以下八个动作⑴手臂上下动作,即俯仰动作;⑵手臂左右动作,即回转动作;⑶手臂前后动作,即伸缩动作;⑷手腕上下弯曲;⑸手腕左右摆动;⑹手腕旋转运动;⑺手爪夹紧动作;⑻机械手的整体移动球坐标式机械手的特征是将手臂装在枢轴上,枢轴又装在叉形架上,能在垂直面内作圆弧状上下俯仰运动,它的臂可作伸缩、横向水平摆动,工作范围和人手的动作类似它的特点是能自动选择最合理的动作路线,所以效率高;另外由于上下摆动,它的相对体积小,而动作范围大如以行程为203毫米的工作油缸为例,其手臂的上下移动距离就能达到2450毫米若采用圆柱坐标式则其高度就要达到2450毫米球坐标式机械手作业范围可达9立方米,较其它形式约大三至五倍
4.关节式机械手关节式机械手是一种适用于靠近机体操作的传动型式它像人手一样有肘关节,可实现多个自由度,动作比较灵活,适于在狭窄空间工作关节式机械手,早在四十年代就在原子能工业中得到应用,随后在开发海洋中应用,有一定的发展前途关节式机械手有大臂和小臂的摆动,以及肘关节和肩关节的运动;关节式机械手具有上肢结结构,可实现近似于人手操作的机能为具有近似人手操作的机能,需要研制最合适的结构关节式机械手的传动机构采用齿轮、齿条式和摆动式传动机构采用哪一种型式,主要根据工件的轻重来决定若按摆动式扭矩来设计,则油缸将加大,而装载油缸的机架也将随之加大特别是靠近关节式前端关节部分的重量对肩部影响很大传动机构在承受负荷的同时必须承受自重因此,传动效率很低如需要大的转动角,则宜采用摆动油缸本设计中的机械手要实现手臂的俯仰运动,所以必须选用球坐标式机械手
2.
3.3驱动方式的选择工业机械手的驱动系统,按动力源分为液压、气动和电动三大类根据需要也可由这三种基本类型组成复合式的驱动系统
1.液压驱动系统由于液压技术是一种比较成熟的技术,它具有动力大、力(或力矩)惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点,适用于承载能力大、惯量大以及在防暴环境中工作的机械手
2.气动驱动系统具有速度快、系统结构简单、维修方便、价格低等特点,适用于中、小负载的系统中但难于实现伺服控制,多用于程序控制的机械手中如在上下料和冲压机械手中应用较多
3.电动驱动系统由于低惯量、大扭矩的交、直流伺服电机及配套的伺服驱动器(交流变频器、直流脉冲调制器)的广泛应用,这类驱动系统在机械手中被大量选用设计机械手时,选择哪一种驱动系统,要根据机械手的用途、作业要求、机械手的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性能与价格比以及现有条件等综合因素加以考虑在注意各类驱动系统特点的基础上,综合上述各因素,充分论证其合理性、可行性、经济性及可靠性后进行最终的选择一般情况下机械手的驱动系统的选择大致按如下原则物料搬运(包括上下料)用有限点位控制的程序控制机械手,重负载的可选用液压驱动系统,中等负载的可选用电动驱动系统,轻负载的可选用气动驱动系统冲压机械手多用气动系统用于点焊和弧焊及喷涂作业的机械手,要求具有任意点位和轨迹控制功能,需采用伺服驱动系统只有采用液压或电动伺服系统才能满足要求由于液压驱动系统易于直接驱动的特点,我选用液压驱动方式来进行驱动;而机械手的移动平台用电机驱动比较容易实现,所以我选用的驱动系统是液压、电动的复合式驱动系统
2.
3.4机械手的手部结构方案设计为了使机械手的通用性更强,把机械手的手部结构设计成可更换结构,当工件是棒料时,使用夹持式手部;当工件是板料时,使用气流负压式吸盘本设计中,工件时棒料,所以选用夹持式手部
2.
3.5机械手的手腕结构方案设计考虑到机械手的通用性,同时由于被抓取工件是水平放置,因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求因此,手腕设计成回转结构,实现手腕回转运动的机构为回转液压缸
2.
3.6机械手的手臂结构方案设计按照抓取工件的要求,本机械手的手臂有三个自由度,即手臂的伸缩、左右回转和俯仰运动手臂的回转运动是通过立柱来实现的,立柱的横向移动即为手臂的横移;手臂的俯仰运动是由与立柱连接的俯仰缸来实现手臂的各种运动由液压缸来实现
2.
3.7机械手的总体布置方案为了使整个机构尽量趋于轻便化简单,本次设计采用如下图2-1所示的结构布置方案图2-1机械手布置方案即为手爪+夹紧缸+手腕回转缸+伸缩缸+俯仰摆动缸+机身回转缸
2.4机械手的主要参数主参数机械手的最大抓重是其规格的主参数,我所机械手抓重为5千克基本参数运动速度是机械手主要的基本参数操作节拍对机械手速度提出了要求,设计速度过低限制了它的使用范围而影响机械手动作快慢的主要因素是手臂伸缩及回转的速度该机械手最大移动速度设计为1m/s,最大回转速度设计为60°/s,平均移动速度为50cm/s,平均回转速度为40°/s机械手动作时有启动、停止过程的加、减速度存在,用速度一行程曲线来说明速度特性较为全面,因为平均速度与行程有关,故用平均速度表示速度的快慢更为符合速度特性除了运动速度以外,手臂设计的基本参数还有伸缩行程和工作半径大部分机械手设计成相当于人工坐着或站着且略有走动操作的空间过大的伸缩行程和工作半径,必然带来偏重力矩增大而刚性降低在这种情况下宜采用自动传送装置为好根据统计和比较,该机械手手臂的伸缩行程定为600mm最大工作半径为1200mm,手臂安装前后可调200mm手臂回转行程范围定为2400应大于180否则需安装多只手臂定位精度也是基本参数之一该机械手的定位精度为土2mm
2.5机械手的技术参数
2.
5.1臂力的确定提取重量是用来表明机械手负荷能力的技术参数,这项技术参数与机械手的运动速度有关,一般指其正常运行时所能提取的工件重量当机械手运行速度可调时,低速运行所能提取工件的最大重量较高速运行的为大,为安全起见亦有将高速时所能提取的工件重量坐为指标,此时则常指明运行速度目前使用的机械手的臂力范围较大,国内现有的机械手的臂力最小为
0.15N,最大为8000N本液压机械手的臂力为N臂=1650(N),安全系数K一般可在
1.5-3,本机械手取安全系数K=2定位精度为±2mm
2.
5.2工作范围的确定机械手的工作范围根据工艺要求和操作运动的轨迹来确定一个操作运动的轨迹是几个动作的合成,在确定的工作范围时,可将轨迹分解成单个的动作,由单个动作的行程确定机械手的最大行程本机械手的动作范围确定如下手腕回转角度±180°手臂伸缩行程630mm手臂回转角度±210°手臂俯仰角度-30°~40°(俯角30°,仰角40°)手臂水平运动行程100mm手指夹持直径范围30mm~50mm缓冲方式用节流阀减速缓冲
2.
5.3运动速度确定机械手各动作的最大行程确定之后,可根据生产需要的工作拍节分配每个动作的时间,进而确定各动作的运动速度液压上料机械手要完成整个上料过程,需完成夹紧工件、手臂升降、伸缩、回转,平移等一系列的动作,这些动作都应该在工作拍节规定的时间内完成,具体时间的分配取决于很多因素,根据各种因素反复考虑,对分配的方案进行比较,才能确定机械手的总动作时间应小于或等于工作拍节,如果两个动作同时进行,要按时间长的计算,分配各动作时间应考虑以下要求给定的运动时间应大于电气、液压元件的执行时间;伸缩运动的速度要大于回转运动的速度,因为回转运动的惯性一般大于伸缩运动的惯性在满足工作拍节要求的条件下,应尽量选取较底的运动速度机械手的运动速度与臂力、行程、驱动方式、缓冲方式、定位方式都有很大关系,应根据具体情况加以确定在工作拍节短、动作多的情况下,常使几个动作同时进行为此驱动系统要采取相应的措施,以保证动作的同步机械手的各运动速度如下手腕回转速度40°/s手臂伸缩速度100mm/s手臂回转速度40°/s手指夹紧油缸的运动速度50mm/s3机械手手部设计
3.1概述手部是用来直接握持工件的部件,由于被握持工件的形状、尺寸大小、重量、材料性能、表面状况等的不同,所以工业机械手的手部结构是多种多样的,常用的手部大致可分为夹持和吸附两大类夹持式是最常见的一种,其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式或内涨式和外夹式两种:按模仿人手手指的动作,手指可分为一支点回转型,二支点回转型和移动型或称直进型,其中以二支点回转型为基本型式当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时,就变成了一支点回转型手指;同理,当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时,就成为移动型回转型手指开闭角较小,结构简单,制造容易,应用广泛移动型应用较少,其结构比较复杂庞大,当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置,能适应不同直径的工件手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位是外廓或是内孔和物件的重量及尺寸常用的指形有平面的、V形面的和曲面的;手指有外夹式和内撑式;指数有双指式、多指式和双手双指式等而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务传力机构型式较多,常用的有:滑槽杠杆式、连杆杠杆式、斜面杠杆式、齿轮齿条式、丝杠螺母弹簧式和重力式等夹钳式手部一般由以下几部分组成
1.手指它是直接与工件接触的构件手部松开和夹紧工件就是通过手指的张开和闭合实现的一般情况下,机械手手部只有两个手指组成,少数为三指或多指他们的结构形式常取决于被夹持工件的形状或特性手指的形状常见的有⑴V形指它一般适用于夹持圆柱形工件,其特点是夹持平稳可靠,夹持误差较小也可用两个滚柱代替V型体两个面V型体一般单独制造,用螺钉固定在手指上,着呀在手指面磨损后便于迅速更换可浮动V型指有自卫能力,能更好地与工件接触但必须注意,浮动件是机构中一个不稳定的因素它在夹持时和运动中受到的外力,必须有固定的支承来承受,或者浮动件可以锁紧⑵平面指一般用于夹持方形工件、板状零件及细小棒料工件⑶尖指和薄、长指尖指一般用于夹持小型工件和柔软工件;薄指一般用于夹持处于狭小工作场地的细小工件,以避免和周围障碍物相碰;长指可用于夹持炽热的工件,可以防止热辐射对传动机构的影响⑷特型指对于一般不规则的工件,必须设计出与工件形状相适应的专用手指,才能夹持工件手指指面类型常见的有以下几种类型⑴光滑指面直面光滑平整,用于以加工好的表面,避免已加工光整表面受损齿形表面指面上刻有齿纹,可以增加与被夹持工件的摩擦力,以确保工件牢固的夹紧这类指面大多用于夹持表面粗糙的毛胚或者半成品齿形有滚花细齿和各种形状的粗齿⑵柔性指面指面相衬橡胶、泡沫塑料、石棉等物,可以增加摩擦力,保护工件表面、隔热作用一般用于夹持已加工工件的表面或炽热制品,也适用于夹持薄壁件和脆性件本设计采用柔性指面手指的材料手指材料的适当选用,对机械手的使用效果很有影响通常情况下,对于夹钳式手部,其手指材料可选用一般的碳素钢为了可以适当缩小手部结构尺寸,以保证手指有足够的强度,可选用合金结构钢对于夹持重型工件的巨型手指,可采用铸钢件为了使手指经久耐用,指面可镶嵌硬质合金高温作业的手指可选用耐热钢,在手部可以采用中空循环水冷,改善手指工作环境在有腐蚀气体工作环境,可采用渡鉻或搪瓷处理,也可采用耐腐材料例如玻璃钢、聚四氟乙烯等作衬垫吸附式手部主要由吸盘等构成,它是靠吸附力如吸盘内形成负压或产生电磁力吸附物件,相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类对于轻小片状零件、光滑薄板材料等,通常用负压吸盘吸料造成负压的方式有气流负压式和真空泵式对于导磁性的环类和带孔的盘类零件,以及有网孔状的板料等,通常用电磁吸盘吸料电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生用负压吸盘和电磁吸盘吸料,其吸盘的形状、数量、吸附力大小,根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定此外,根据特殊需要,手部还有勺式如浇铸机械手的浇包部分、托式如冷齿轮机床上下料机械手的手部等型式手部的分类形式如下图4-1所示外夹持夹钳式平移型夹持类勾托式内撑式弹簧式回转型手部挤气气吸式真空喷气吸附式永久磁铁磁吸式交流磁铁直流磁铁图3-1手部的分类设计时考虑的几个问题1具有足够的握力即夹紧力在确定手指的握力时,除考虑工件重量外,还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动,以保证工件不致产生松动或脱落2手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开,若夹持不同直径的工件,应按最大直径的工件考虑对于移动型手指只有开闭幅度的要求3保证工件准确定位为使手指和被夹持工件保持准确的相对位置,必须根据被抓取工件的形状,选择相应的手指形状例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指,以便自动定心4具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外,还受到机械手在运动过程中所产生的惯性力和振动的影响,要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形,当应尽量使结构简单紧凑,自重轻,并使手部的中心在手腕的回转轴线上,以使手腕的扭转力矩最小为佳5考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要,通过比较,我们采用的机械手的手部结构是一支点两指回转型,由于工件多为圆柱形,故手指形状设计成V型,其结构如附图所示
3.2结构选型设计本设计中所涉及的物件为圆柱形棒料,所以选用夹持类手部中的滑槽杠杆式,这种手部的优点是夹持平稳可靠、误差小手指端的形状选用V型指,自由关节指手部结构如图3-2所示图4-2滑槽杠杆式手部结构
3.3相关设计计算
3.
3.1夹紧力的计算手指加在工件上的夹紧力,是设计手部的主要依据必须对其大小、方向和作用点进行分析、计算一般来说,夹紧力必须克服工件重力所产生的静载荷以及工件运动状态变化所产生的载荷(惯性力或惯性力矩),以使工件保持可靠的夹紧状态手指对工件的夹紧力可按下式计算3-1式中——安全系数,通常取
1.2~
2.0;——工作情况系数,主要考虑惯性力的影响可近似按下式估算其中——运载工件时重力方向的最大上升加速度;——重力加速度,;——运载工件时重力方向的最大上升速度;——系统达到最高速度的时间;根据设计参数选取一般取
0.03~
0.5——方位系数,根据手指与工件形状以及手指与工件位置不同进行选定本设计中,手指与工件的位置为手指是水平放置夹垂直放置的工件——被抓取工件所受重力()根据各个系数的要求,选取、值为,,因此,选取,,,,将各系数值代入式4-1中,得
3.
3.2驱动力计算图3-3受力分析如图3-3所示,在杠杆3的作用下,销轴2向上的拉力为,并通过销轴中心点,两手指1的滑槽对销轴的反作用力为、,其力的方向垂直于滑槽的是中心线和并指向点,和的延长线交于及由得得由得(3-2)式中a——手指的回转支点到对称中心线的距离(mm)——工件被夹紧时手指的滑槽方向与两回转支点连线间的夹角由式4-1可知,当驱动力F一定时,角增大,则握力也随之增加,但角过大会导致拉杆的行程过大,以及手指滑槽尺寸长度增大,使结构加大,因此建议=30°~40°取,,,,将各数值代入式4-2,得取效率,得
3.
3.3确定液压缸的直径D夹紧装置是使手爪开、闭动作的动力装置其动力源是液压或气动图3-4是夹紧装置的原理示意图本设计是选用液压来进行驱动的,夹紧缸的拉力(或推力)为(4-3)图3-4夹紧装置原理图活塞杆直径,压力油工作压力,将各数值代入式3-3,得综合各个因素,根据液压缸内径系列,我们取,因此,
3.
3.4手指部连接销的选择与校核根据GB,结合本设计具体的机构尺寸,选择马氏体不锈钢表面经简单处理的圆柱销尺寸参数为公称直径d=3mm公差为m6公称长度在规定范围内,按照公称范围(8mm—30mm选取推拉二力杆与手指杠杆的连接处选用销标记为GB/T
119.2⑴剪切强度校核计算由杠杆原理可得校核销处的垂直方向的作用力驱动二力杆所受压力为首先剪切强度校核,已知图3-5销轴联接处剪切强度符合要求⑵挤压强度校核计算观察上图可知,销钉中部所二力杆受挤压载荷最大,所以对其进行校核许用挤压强度为挤压强度符合要求
3.
3.5液压缸局部尺寸设计
1.活塞活塞与活塞杆的连接采用螺纹连接,活塞与缸体的密封采用O型密封圈密封,活塞材料采用铝合金
2.活塞杆端部为螺纹连接(外螺纹,带肩)活塞采用实心,材料为45﹟钢,粗加工调质到硬度HB229-285然后高频淬火,硬度到HRC45—
553.缸体螺栓计算螺栓为GB/T5780—2000M8×30,螺母为GB/T41—2000M8,缸体与缸盖用法兰与螺栓连接,螺栓材料为45#钢,螺栓强度计算如下每个螺栓在危险剖面上承受的拉力为工作载荷之和式中式中——工作压力;——驱动力;——预紧力,K=
1.5~
1.8;——危险剖面直径(m);——螺栓个数=6螺栓的强度条件为式中——计算载荷(F);抗拉许用应力(单位为MPa)——螺纹内径(m);——螺钉材料屈服极限取K=
1.6,p=,,所以螺栓强度符合要求
4.手部旋转驱动轴承设计选用轴承时,首先选液压缸的壁厚,这里选中等壁厚,既
163.2,其中D为液压缸的内径,D=32mm,取=4mm所以液压缸外径为40mm选用深沟球轴承,轴承有关参数轴承名称NSK6808轴承新型号61808旧型号1000808内径40mm外径52mm参考型号6808轴承名称NSK轴承类型深沟球轴承
3.
3.6手爪的夹持误差分析与计算机械手能否准确夹持工件,把工件送到指定位置,不仅取决于机械手定位精度(由臂部和腕部等运动部件确定),而且也与手指的夹持误差大小有关特别是在多品种的中、小批量生产中,为了适应工件尺寸在一定范围内变化,避免产生手指夹持的定位误差,必须注意选用合理的手部结构参数,从而使夹持误差控制在较小的范围内在机械加工中,通常情况使手爪的夹持误差不超过±1mm就可以了本设计中定位误差为±2mm这就可以在满足定位精度的条件下,采用简单的回转型手爪而避免单纯追求自动定心,而使设计出的结构过分复杂本设计中的机械手手部是两支点回转型手指如图3-6所示图3-6两支点回转型手指图中——手指长度;—V型槽夹角;—偏转角(V型槽角平分线与手指AB的夹角);2a—两回转支点距离;R—工件半径钳口与钳爪的连接点E为铰链联结如图示几何关系若设钳爪对称中心O到工件中心O′的距离为x则根据几何关系有为了讨论方便起见上式改写为或该方程同样为双曲线方程分析结果见图3-7对于两支点回转型手爪,偏转角的大小不易按夹持误差最小的条件确定,主要考虑这样极易出现在抓取半径较小时,两手爪的边平行,抓不着工件为避免上述情况,通常按手爪抓取工件的平均半径,以为条件确定两支点回转型手爪的偏转角,即为分析图3-7得图3-7工件半径与夹持误差的关系当当定位误差为中最大者其中,抓取棒料的最大直径是,所以,工件的平均半径取手指长度,V型钳的夹角偏转角按最佳偏转角确定计算夹持误差符合设计要求4机械手腕部设计
4.1概述手腕腕部设置于手部和臂部之间,它的作用主要是在臂部运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的方位,以扩大机械手的动作范围,并使机械手变得更灵巧,适应性更强手腕部件具有独立的自由度手腕运动有绕X轴转动称为回转运动;绕Y轴转动称为上下摆动(或俯仰);绕Z轴转动称为左右摆动;有的甚至是沿Y轴(或Z轴)的横向移动一般手腕设有回转运动或再增加一个上下摆动即可满足工作要求,一些动作较简单的专用机械手,为简化结构,可以不设置腕部,而直接由臂部的运动驱使手部搬运工件目前,应用最广泛的手腕回转运动机构为回转液压缸,它的结构紧凑,灵巧但回转角度较小(一般小于270°),并且要求严格密封,否则就很难保证稳定的输出扭矩因此,在要求较大回转角的情况下,采用齿条齿轮传动或链轮以及轮系结构
4.
1.1腕部设计的基本要求
1.力求结构紧凑、重量轻腕部处于臂部的最前端,它连同手部的静、动载荷均由臂部承受显然,腕部的结构、重量和重力载荷,直接影响着臂部的结构、重量和运转性能因此,在腕部设计时,必须力求结构紧凑、重量轻目前来看,对于活动度数较多以及驱动力要求较大的腕部,在结构设计中矛盾更为突出因为对于腕部每一个活动度就要相应配有一套驱动件和执行件如果要使腕部在较小的空间内同时容纳几套元件,困难是不小的从现有的腕部结构来看,用油缸直接装配的腕部,只有两个活动度;用机械传动的腕部,已有三个活动度超过三个活动度的腕部结构,还未见其用因此,研制小型、重量轻和输出功率大的腕部新结构是机械手发展中的一个任务
2.综合考虑、合理布局腕部作为机械手的执行机构,又承担连接和支撑作用,除保证力和运动的要求以及具有足够的强度、刚度外,还应综合考虑,合理布局如何解决好腕部与臂部和手部的连接,腕部各个自由度的位置检测,管线布置,以及润滑、维修、调整等问题
3.必须考虑工作条件对于高温环境下及在腐蚀介质中工作的机械手,其腕部和手部经常在高温的区域或腐蚀介质中停留与作业,直接受高温辐射的影响或易受腐蚀因此,在设计时应充分估计对机械手腕部的不良影响(如热膨胀、压力油的粘度及其燃点、有关材料及电控电测元件的耐热性能等),采取相应措施,保证机械手腕部仍有良好的工作性能和较长的使用寿命
4.
1.2腕部的运动腕部的运动大多是转动有些活动度较少的腕部,也有作短距离平移运动为使机械手更灵活,适应性更广,就希望机械手的腕部能向人的手腕那样,可以任意改变方向多活动度的腕部,对于那些要在空间曲面上进行连续作业(如焊接、喷气等)的机械手来说,是完全必要的然而,腕部活动度越多,结构就越复杂,技术难度也就越大对于那些只做搬运工件的机械手,常常因为工件和机床设备的相对位置是按一定规律配置的(如设备多位立式或卧式,工件也多是水平或垂直安放的),从而使任意定向的要求成为了多余必要的腕部运动往往是根据具体的要求来决定在这种情况下,腕部只需要较少的活动度就可满足要求,可使结构简化,更有利于提高机械手的工作性能腕部的运动形式选择
1.直线型机械手腕部的运动选择悬挂式直移行机械手若无腕部运动,则手部只能在手臂伸缩和横向移动范围内垂直提取工件,而且在移动过程中手部的方向始终保持不变,工件的方向也是不变的
2.回转型机械手腕部的运动选择回转型机械手腕部工作情况和直移型机械手就不会完全相同回转型机械手的臂部在做伸缩、升降和回转运动时,手部在圆柱体范围内活动如果没有腕部的运动,手部在提取水平安放的工件后作水平回转,工件的轴线方向在每一时刻都在改变(沿着手臂回转的圆周切线方向)如要在臂部水平回转的情况下能根据要求改变工件的方向,必须增加腕部摆动这一活动度这样,看似腕部的回转运动和臂部的水平回转运动重复了,而实际上臂部的水平回转主要是实现工件的移动,腕部的摆动是为了实现工件在水平面内不同位置的定向运动,不能相互代替如果要将水平放置的工件改为垂直放置,必须有腕部绕轴的旋转才能实现也就是说腕部的回转运动,可以实现工件的掉头和反转如果腕部同时具有旋转和摆动这两个自由度,那么手部既能水平提取工件也能处置提取工件
3.俯仰型机械手腕部运动的选择俯仰型机械手的臂部一般都有上下俯仰、左右回转和前后伸缩的运动这样可使手部处于球体范围内的任意一点上如腕部具有可使手部绕自身轴线作自转的运动,则手部握持着工件或工具就可在空中掉头或者是翻转如果腕部具有上下摆动的运动,则机械手可更灵活例如,更能适应提取接近地面的工件一般俯仰型机械手除臂部有三个自由度外,腕部如在具有上述两个自由度,亦能适应更多的场合若再增加一个活动度,即腕部能绕臂部轴线旋转那就可使手部处于运动范围内的任意方向上,当然结构也相当复杂
4.屈伸型机械手腕部运动的选择屈伸型机械手大臂对于机身作俯仰、回转运动,小臂又对大臂俯仰形成伸缩运动,因此机械手臂部运动较灵活,小臂又对大臂形成屈伸运动,因此机械手臂部前端运动较灵活,动作范围较大腕部的存在,更能发挥屈伸型机械手的优点,增加机械手工作的灵活度,扩大机械手工作范围,易于满足定向要求但应注意屈伸型机械手大小臂运动较复杂,另外由于机械手活动关节多,应注意腕部对各环节结构和动力影响一般情况下,屈伸型机械手的腕部可具有旋转和摆动这两个自由度来满足工作求影响腕部运动选择的其他因素腕部的运动,除了根据不同的运动形式和运动要求来选择外,还要考虑其他因素
1.选择腕部运动的一些因素一般情况下,腕部的旋转的目的主要是使手部的转动,以实现工件的旋转、掉头或转为,而选用臂部的自身的转动,也可达到这个目的也就是说,只要在臂部转动或腕部的旋转两者之间选择一种即可通常在高温条件下作业的机械手,为使驱动系统远离热源和尽量减少直接接触的炽热工件的零部件,而有需要手部转动时,往往不选择腕部的旋转,而选择臂部绕自身轴线的转动来满足又如,对于提取一些长大工件的卧式安装臂部的机械手,手部尺寸已经比较大了,若再加上腕部结构显然要增加悬伸臂端的承载能力,并增加臂部水平回转时的转动惯量因此,往往不选择腕部旋转
2.腕部平移运动选择应当指出,腕部的运动不只是局限与绕三个坐标轴的回转,在某些情况下,机械手为满足特殊需要,例如要把工件送入或移出卡盘,若由臂部带动手部作小距离移动显得不合理时,可增加腕部的直线移动来解决本设计中采用具有一个自由度的回转缸驱动的腕部结构直接用回转液压缸驱动实现腕部的回转运动,因具有结构紧凑、灵活等优点而被广泛应用图4-1所示的腕部结构,采用一个回转液压缸,实现腕部的旋转运动从A-A剖视图上可以看出,回转叶片(简称动片)用螺钉、销钉和转轴10连接在一起,定片8则和缸体9连接压力油分别由油孔
5、7进出油腔,实现手部的旋转旋转角的极限值由动片、定片之间允许回转的角度来决定,图示液压缸可以回转±90°腕部旋转位置控制问题,可采用机械挡块定位当要求任意点定位时,可采用位置检测元件对所需位置进行检测并加以反馈控制图示手臂的开闭动作采用单作用液压缸,只需一个油管通向手部驱动液压缸的油管是从回转轴中心通过,腕部回转式,油路仍可保证畅通,这种布置可使油管既不外露,又不受扭转腕部用来和臂部连接,三根油管(一根供手部油管,两根供腕部回转液压缸)由手臂内通过并经腕架分别进入回转液压缸和手部驱动液压缸在要求大于270°转角的情况下,可采用齿条活塞驱动的腕部结构它的摆动角度比较大,传动平稳这种结构外形尺寸较大,一般适用于悬挂式臂部其它比较典型的腕部结构还有
1.具有两个自由度的回转缸驱动的腕部结构,腕部具有绕垂直和水平轴转动的两个自由度
2.机—液结合的腕部结构手部回转由回转液压驱动此种手腕具有传动简单、结构紧凑和轻巧的特点图4-1用一个回转液压缸实现腕部旋转的结构1—手部驱动液压缸2—回转液压缸3—通向摆动缸的油管4—腕架5—左进油孔6—通向手部的油管7—右进油孔8—固定叶片9—缸体10—回转缸11—回转叶片
4.2腕部回转力矩的计算腕部回转时,需要克服以下几种阻力⑴腕部回转支撑处的摩擦力矩从图4-2可以看出4-1式中、——轴承处支反力(),可由静力平衡方程求得;、——轴承直径(m);——轴承的摩擦系数,对于滚动轴承=
0.01~
0.02;对于滑动轴承=
0.1为简化计算,取图4-2中,为工件重量(kg),为手部重量(kg),为手腕转动件重量(kg)图4-2腕部支撑反力计算⑵克服由于工件重心偏置所需的力矩式中,——工件重心到手腕回转轴线的垂直距离(m)⑶克服启动惯性所需的力矩启动过程近似等加速运动,根据手腕回转的角速度及启动时间,按下式计算4-2或者根据腕部角速度及启动过程转过的角度按下式(4-3)式中——工件对手腕回转轴线的转动惯量;——手腕回转部分对腕部回转轴线的转动惯量;——手腕回转过程的角速度——启动过程中所需时间,一般取
0.05~
0.3s;——启动过程所转过的角度设启动过程所转过的角度,启动过程中所需时间因此,手爪、手部驱动液压缸、回转液压缸等效为一个圆柱体,,因此手腕回转所需的驱动力矩相当于上述三项之和
4.3回转缸尺寸计算按许用剪应力计算,液压缸直径计算公式为——转动轴直径;——许用扭转剪应力材料选用合金钢,所以按扭转刚度计算有所以,我们用后一种方法计算轴径,选取回转缸内径选为
4.4回转液压缸动叶片宽度计算回转液压缸所产生的驱动力必须大于大于总的阻力矩或我们取5臂部设计
5.1概述手臂部分是机械手的主要握持部件它的作用是支承腕部和手部(包括工件或工具),并带动它们作空间运动臂部运动的目的把手部送到空间运动范围内的任意一点如果改变手部的姿态(方位),则用腕部的自由度加以实现因此,一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求,即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰)运动梳篦的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构(如液压缸或气缸)来实现,从臂部的受力情况分析,它在工作中即直接承受腕部、手部和工件的静、动载荷,而且自身运动又较多,故受力复杂因而,它的结构、工作范围、灵活性以及抓重大小和定位精度等直接影响机械手的工作性能机身是直接支撑和驱动手臂的部件一般实现臂部的升降、回转或俯仰等驱动装置或传动件都安装在机身上,或者直接构成机身的躯干与底座相连因此,臂部的运动愈多,机身的结构和受力情况就愈复杂机身既可以是固定的,也可以是行走的,既可以沿地面或架空轨道引动
5.
1.1臂部设计的基本要求臂部设计首先要实现所要求的运动,为此,需满足下列各项基本要求
1.臂部应承载能力大、刚度好、自重轻对于机械手臂部或机身的承载能力,通常取决于其刚度以臂部为例,一般结构上较多采用悬伸梁形式(水平或垂直悬伸)显然伸缩臂杆的悬伸长度愈长,则刚度愈差而且其刚度随着臂杆的伸缩不断变化对机械手的运动性能、位置精度和负荷能力等影响很大为提高刚度,除尽可能缩短臂杆的悬伸长度外,尚应注意以下几个方面根据受力情况,合理选择截面形状和轮廓尺寸和机身通常既受弯曲,也受扭转,应选用抗弯和抗扭刚度较高的截面形状在截面积和单位重量基本相同的情况下,钢管、工字钢和槽钢的惯性矩要比圆钢大得多所以,机械手常用无缝钢管作为导向杆,用工字钢或槽钢作为支撑板,这样既提高了手臂的刚度,又大大减轻了手臂的自重,而且空心的内部还可以布置驱动装置、传动机构以及管道,这样就使结构紧凑,外形整齐⑵提高支撑刚度和合理选择支撑间的距离臂杆或机身的变形量不仅与本身刚度有关,而且与支撑件的刚度和支撑件间的距离有很大关系要提高支撑刚度,除从支座的结构形状、底板的刚度以及支座与底板的连接刚度等方面考虑外,特别注意提高配合面间的接触刚度⑶合理布置作用力的位置和方向在结构设计时应结合具体受力情况,设法使各作用力引起的变形相互抵消⑷注意简化结构在设计臂部时,元件越多,间隙越大,刚性就越低,因此应尽可能使结构简单,要全面分析各尺寸链,在要求高的部位合理确定调整补偿环节,以减少重要部件的间隙,从而提高刚度⑸提高配合精度水平放置的手臂,要增加导向杆的刚度,同时提高其配合精度和相对位置精度,使导向杆承受部分或大部分自重和抓取重量提高活塞和缸体内径配合精度,以提高手臂前伸时的刚度
2.臂部运动速度要高,惯性要小机械手手臂的运动速度是机械手的主要参数之一,它反映机械手的生产水平,一般根据生产节拍的要求来决定确定了生产节拍和行程范围,就确定了手臂的运行速度在一般情况下,手臂的移动和回转俯仰均要求匀速运动,但在手臂的起动和终止瞬间,运动是变化的,为了减少冲击,要求起动时间的加速度和终止前减速度不能太大,否则引起冲击和振动为减少转动惯量,应采取以下措施⑴减少手臂运动件的重量,采用铝合金等轻质高强度材料⑵减少手臂运动件的轮廓尺寸⑶减少回转半径,在安排机械手动作顺序时,先缩后回转,尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作⑷驱动系统中设有缓冲装置
3.手臂动作应灵活为减少手臂运动件之间的摩擦阻力,尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦对于悬臂式的机械手,其传动件、导向件和定位件布置应合理(见图5-1),使手臂运动过程尽可能平衡,以减少对升降支撑轴线的偏心力矩,特别要防止发生“卡死”的现象为此,必须计算使之满足不自锁的条件
4.位置精度要高一般来说,直角和圆柱坐标式机械手位置精度较高;关节式机械手的位置最难控制,故精度差;在手臂上加设定位装置和检测机构,能较好地控制位置精度,检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动、啮合件的间隙除此之外,要求机械手通用性好,能适合多种作业的要求;工艺性好,便于加工和安装;用于热加工的机械手,还要考虑隔热、冷却;用于作业区粉尘大的机械手还要设置防尘装置等图5-1手臂各部件重心位置图
5.2手臂伸缩部设计
5.
2.1结构选型设计本设计中采用的是双导向杆手臂伸缩结构,如下图5-2所示这里实现直线往复运动是采用液压驱动的活塞油缸由于活塞油缸的体积小、重量轻,因而在机械手的手臂机构中应用比较多手臂和手腕是通过连接板安装在升降油缸的上端,当双作用油缸1的两腔分别通入压力油时,则推动活塞杆2(即手臂)作往复直线运动导向杆3在导向套4内移动,以防止手臂伸缩时的转动(并兼做手腕回转缸6及手部7的夹紧油缸用的输油管道)由于手臂的伸缩油缸安装在两导向杆之间,由导向杆承受弯曲作用,活塞杆只受拉压作用,故受力简单,传动平稳,外形整齐美观,结构紧凑可用于抓重大、行程较长的场合液压驱动的机械手手臂在进行伸缩(或升降)运动时,为了防止手臂绕轴线发生转动,以保证手指的正确方向,并使活塞杆不受较大的弯曲力矩的作用,以增加手臂的刚性,在设计手臂的结构时,必须采用适当的导向装置它根据手臂的安装形式,具体的结构和抓取重量等因素加以确定,同时在结构设计和布局上应尽量减少运动部件的重量和减少手臂对回转中心的转动惯量目前采用的导向装置有单导向杆、双导向杆、四导向杆和其他的导向装置,本机械手采用的是双导向杆导向机构双导向杆配置在手臂伸缩油缸两侧,并兼做手部和手腕油路的管道对于伸缩行程大的手臂,为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形,可在导向杆尾部增设辅助支承架,以提高导向杆的刚性如图5-3所示,对于伸缩行程大的手臂,为了防止导向杆悬伸部分的弯曲变形,可在导向杆尾部增设辅助支承架,以提高导向杆的刚性如图5-3所示,在导向杆1的尾端用支承架4将两个导向杆连接起来,支承架的两侧安装两个滚动轴承2,当导向杆随同伸缩缸的活塞杆一起移动时,支承架上的滚动轴承就在支承板3的支承面上滚动图5-2双导向杆手臂的伸缩机构图5-3双导向杆手臂结构其它较常见的伸缩机构有双层液压缸空心活塞杆单杆导向结构、采用花键套导向的手臂伸缩结构、双活塞杆液压缸结构和活塞杆和齿轮齿条机构等
5.
2.2伸缩液压缸的设计计算
1.作水平伸缩直线运动液压缸的驱动力根据液压缸运动时所需克服的摩擦、回油背压及惯性等几个方面的阻力,来确定液压缸所需的驱动力液压缸活塞的驱动力的计算(5-1)式中——摩擦阻力手臂运动时,为运动件表面的摩擦阻力若是导向装置,则为活塞和缸壁等处的摩擦阻力——密封装置处的摩擦阻力;——液压缸回油腔低压油液所造成的阻力;——起动或制动时,活塞杆所受平均惯性力的计算如下⑴的计算不同的配置和不同的导向截面形状,其摩擦阻力不同,要根据具体情况进行估算由于所选伸缩部结构为双导向杆结构,导向杆截面形状为圆柱面,导向杆对称配置在伸缩缸的两侧,启动时,导向装置的摩擦阻力较大,计算如下由于导向杆对称配置,两导向杆受力均衡,可按一个导向杆计算得得(6-2)式中——参与运动的零部件所受的总重力(含工件重)(N);——手臂参与运动的零部件的总重量的重心到导向支撑前端的距离(mm);——导向支承的长度(m);——当量摩擦系数,其值与导向支承的截面形状有关对于圆柱面~~——摩擦系数,对于静摩擦且无润滑时钢对青铜取~钢对铸铁取~因此,取,则设,将各数值代入式5-2,得⑵的计算不同的密封圈其摩擦阻力不同,其计算公式如下本设计中采用O形密封圈,当液压缸工作压力小于12MPa活塞杆直径为液压缸直径的一半,活塞与活塞杆处都采用O形密封圈时,液压缸密封处的总的摩擦力为:⑶的计算一般背压阻力较小,可按⑷的计算(6-3)——参与运动零部件所受的总重力(包括工件重量)(N);——重力加速度,取;——由静止加速到常速的变化量();——起动过程时间(s),一般取
0.01~
0.5s,对轻载低速运动部件取较小值,对高载高速运动部件取较大值取,,将各数值代入式6-3,得因此
5.
2.3伸缩液压缸尺寸的确定
1.液压缸内径的计算如图5-4所示,当油进入无杆腔当油进入有杆腔液压缸的有效面积故有(无杆腔)(5-4)(有杆腔)(5-5)式中——驱动力(N);——液压缸的工作压力(Pa);——活塞杆直径(m);——液压缸直径(m);——液压缸机械效率因为,,,,将各数值代入式5-4得代入式5-5得根据液压缸内径系列,并综合考虑,我们取,
2.液压缸壁厚计算液压缸壁厚计算,选取中等壁厚,则,所以所以我们取缸体外径为
5.
2.4伸缩臂导向套设计H——最小导向长度
5.3俯仰运动机构设计俯仰型机械手的机身要实现上下俯仰运动是采用俯仰摆动式液压缸来驱动的如图5-5所示,为实现俯仰运动的结构如图5-5所示,回转液压缸布置在机身上部,手臂部件用销轴2与回转缸体4上的耳叉1连接,作为手臂俯仰运动的支点回转缸的转轴和立柱5固连,回转缸体和转动套相连转动套筒上装有手臂俯仰液压缸7俯仰液压缸采用底部耳环摆动式直线缸,活塞杆8与手臂也用铰链连接,支持在手臂重心附近,手臂重心的变化范围在两支点附近回转缸工作时,缸体带动缸套及俯仰液压缸7,手臂等一起转动俯仰缸工作时便通过活塞杆8带动手臂作俯仰运动为保证机身具有较好的支撑刚性,上下轴承应有一定距离由于手臂伸缩缸等运动部件有一定的重量,加之工件重量,工作时活塞杆受弯曲作用较大,故不适用于重型机械手图5-5底部耳环摆动式液压缸实现俯仰运动的机身1—耳叉2—销轴3—轴承4—回转缸体5—立柱6—转动套筒7—俯仰液压缸8—活塞杆
5.
3.1俯仰摆动液压缸驱动力矩的计算驱动手臂俯仰的驱动力矩,应克服手臂等部件的重量对回转轴线所产生的偏重力矩和手臂在起动时所产生的惯性力矩以及各回转副处摩擦力矩,即图5-6为机械手手臂俯仰时的受力示意图一般因手臂座与立柱连接轴O处装有滚动轴承,其摩擦力矩较小,在铰链、和处配合直径较小,相对转角亦小,故(5-6)式中——手臂作俯仰运动,起动时的惯性力矩;5-7取,,将值代入式5-7,得——工件对手臂回转轴线的转动惯量;——手臂回转部分对手臂回转轴线的转动惯量;——手臂回转过程的角速度();——启动过程中所需的时间,一般取
0.05~
0.3s;——手臂等部件重量对回转轴线的偏重力矩…将数值代入式6-6,得
5.
3.2俯仰缸摆动驱动力计算如图5-6所示,当手臂与水平位置成仰角和俯角时,铰链活塞杆的驱动力(即俯仰摆动缸驱动力)的作用线与铅垂线的夹角是在~范围内变化,而作用在活塞上的驱动力通过连杆机构产生的驱动力矩与手臂俯仰角有关⑴当手臂处仰角的位置时,故式中——俯仰摆动缸产生的驱动力;——机械手的手臂结构尺寸;将代入,即为所计算的俯仰摆动缸所需的驱动力矩设,,,又⑵当手臂处俯角的位置时,,由,得选取两个位置上的最大驱动力F作为摆动设计计算的驱动力,因此,图5-6手臂俯仰时的受力分析
5.
3.3俯仰摆动缸的设计计算俯仰摆动缸的内径D按下式进行计算根据液压缸内径系列,选取,则缸壁厚度取为6机身的回转机构设计
6.1概述机械手的机身是支撑手臂的部件,又是带动其运动的部件主要实现手臂的升降、平移、回转或俯仰等运动的机构及有关导向装置、支承件等组成由于机械手的运动形式、使用条件、负荷能力的不同,和采用驱动装置、传动机构、导向装置的不同,以及各部件间配置和布局的不同,所以机身机构会有很大的差异现以机械手的运动形式分类,介绍一些具体的机身结构回转型机械手的机身,主要由实现机械手的回转和俯仰运动的机构组成本设计中采用的是回转型机身结构图6-1所示,为本设计中采用的回转型机身结构图6-1回转机身结构
6.2手臂回转液压缸的设计计算
6.
2.1手臂回转时所需的驱动力矩驱动手臂回转的力矩,应该与手臂起动时所产生的惯性力矩及各密封装置处的摩擦阻力矩相平衡式中——密封装置处的摩擦力矩;近似取——手臂起动时所产生的惯性力矩式中——回转缸动片的角速度变化量,在起动过程中;——起动过程的时间;——手臂回转部件(包括工件)对回转轴线的转动惯量若手臂回转零件的重心与回转轴的距离为,则式中——回转零件对重心轴线的转动惯量取为,取为,则求得
6.
2.2回转缸内径D的计算内径可按以下公式来计算式中——回转缸内径;——作用在动片的外载荷力矩;——回转液压缸的工作压力;——输出轴与动片联接处的直径;——动片宽度为减少动片与输出轴的联接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度,选择动片宽度时,可选用取求得综合考虑,根据液压缸内径系列,我们选取则7移动平台设计
7.1概述
7.
1.1移动机器人概述移动平台本身就是通常所说的移动机器人,移动机器人的研究始于60年代末期,斯坦福研究院(SRI)的Nilssen和CharlesRosen等人,在1966年至1972年中研造出了取名Shakey的自主移动机器人目的是研究应用人工智能技术,在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制与此同时,最早的操作式步行机器人也研制成功,从而开始了机器人步行结构方面的研究,以解决机器人在不平整地域内的运动问题,设计并研制出了多足步行机器人70年代末期,随着计算机的应用和传感器技术的发展,移动机器人研究又出现了新高潮特别是在80年代中期,设计和制造机器人的浪潮席卷了全世界,一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台,这些移动机器人主要作为大学及研究机构的移动机器人实验平台,从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现90年代以来,以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术,高适应性的移动机器人控制技术,真实环境下的规划技术为标志,开展了移动机器人更高层次的研究
7.
1.2移动机械手平台系统移动机器人是一个集环境感知、动态决策和规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统移动机械手是由机械手固定在移动平台上构成的一类移动机器人系统其中,平台的移动用来扩展机械手的工作空间,使机械手能以更适合的姿态执行任务目前可供选择的移动平台大体可分为三种足式、履带式和轮式前两种目前还处于试验阶段,尤其是足式机器人在技术上还不成熟、不完善而轮式移动机器人因其控制简单,运动稳定等特点,因此设计移动式机械手的移动平台时就选择了轮式移动平台根据运动平台的特性,又可以把移动平台分为两种全方位移动机器人和非全方位移动机器人常见的移动机器人多为差分驱动型或car-like型,其成本较低、容易制作,但不可避免的引入了非完整约束,给规划和控制带来了困难若移动平台具有前后、左右及自转3个自由度,则为全方位移动机器人,否则即为全方位移动机器人
7.
1.3国内外研究现状美国在2003年发射的两辆火星探测车“勇气”号和“机遇”号分别于2004年1月3日和24日在火星不同区域安全着陆,并完成了90个火星日的科研工作这两辆先进的探测车又一次向世人展示了美国在机器人技术领域的领先地位拿“勇气”号探测车来说,就是一个具有手臂的移动机器人他的大脑是一台高速计算机,车体依靠自身具有的六个轮子在火星地面运动最先进的部分要数探测车上的机械手臂,手臂末端装备了各种工具有显微镜成像仪、三种质谱仪和两种分光计等日本TMSUK公司开发的抢险救灾机器人属于双臂式油压驱动机器人,通过履带移动,双臂有22个自由度,可在事故现场完成数倍于人力的工作以及救援人员无法接近的危险区救援等此外,美国出售的专供高校进行研究的机器人移动平台系统都配备了机械手臂,可以在其上开展许多有价值的研究我国对移动机械手的研究虽然起步较晚,但也取得了一定的成果中科院自动化研究所复杂系统与智能科学实验室开发的CASIA-1型机器人是集多种传感器、视觉、语音识别与会话功能于一体的智能移动机器人,它利用多传感器信息融合技术,使机器人能够理解自己的状态和所处的外部环境信息,并实时地做出自己的运动控制的决策,实现自主移动、定点运动、轨迹跟踪、漫游等基本功能今年由南京大学研制的“灵晰-B”型排爆机器人在南京市公安局特勤支队正式服役该机器人为三段履带式设计,身上装置行走、机械手、云台三个摄像头,最大行走速度30米/秒,能抓取15公斤重物,爬行40度斜坡和楼梯,超过40厘米高障碍和50厘米宽壕沟
7.2移动机械手移动平台总体设计移动机械手平台系统是采用一辆轮式平面移动车作为移动平台,机械手就装置在其上面平台建立在一辆3轮小车上,前边两轮独立驱动,后边一个随动轮车轮采用直流伺服电机驱动,车体转向通过两个驱动轮差速运动来完成为在有限空间内合理放置电机,电机轴和车轮轴采用链条连接移动平台的本体参数如下外形尺寸600×400×300(mm);重量40kg;最大载重35kg;最大速度1m/s;最大加速度
17.3移动平台本体电气系统设计驱动平台车轮的电机是平台系统的重要部件,直接关系到平台的运动性能由于直流伺服电机具有调速范围宽,机械特性和调节特性的线性度好,响应速度快等优点,所以用其来驱动移动平台的车轮非常理想我们对平台的运动进行分析,计算电机所必须要达到的参数指标,来对电机进行选型
7.
3.1电机功率计算为使移动平台达到要求的性能指标(速度、加速度、),必须选择合适的电机,在达到规定的性能后有一定的余量
1.功率计算机械手整体运动性能指标最大速度最大加速度车轮直径质量如图7-1所示,为平台车体受力分析,图7-2所示为平台实际运动曲线图7-1平台受力分析图7-2平台实际运动曲线车体在地面行走受到的阻力可用计算,为行走阻力系数,当车轮位于轨道或平整的路面上时~,当车轮位于砂石路面这类不平整的道路上时,~,效率~⑴车体匀速运动时牵引力总功率单轮功率⑵车体加速运动时牵引力总功率单轮功率则单个车轮电机的功率的最大值车轮的最大角速度由,有电机最大连续输出转矩
2.电机选型我们选择速比低一些的271的二级传动的减速器,效率为75%将速度和转矩折算到电机轴上所以我们选用电动机的型号为Y80M1-2,具体参数为,,
7.
3.2直流电机特性直流电机稳态运行方程为电枢电压,为转矩常数为电势常数,为电枢电阻,为负载转矩
1.机械特性机械特性是指电枢电压恒定时,电机转速随负载转矩变化的关系电机的空载转速,电机的堵转转矩转矩平衡时,即负载转矩等于电磁转矩,有,如图7-3,可见随控制电压增加,机械特性曲线平行地向转速和转矩增加的方向移动图7-3直流电机机械特性曲线
2.控制特性是指负载转矩恒定时,转速随控制电压变化的规律为常量,即,则,特性曲线如图7-4图7-4直流电机控制特性曲线当时,有,称为电机的启动电压,与负载转矩的大小成正比由于电机自身摩擦阻转矩的存在,永远不为零,恒大于零电机启动时,当时,电磁转矩小于负载转矩,电机无法转动;当时,电机启动,达到稳定状态转矩平衡,则,电枢电流恒定不变,电枢电压增大的部分用于改变电机转速,,控制电压的变化使电机达到要求的速度机械手车体在地面运动时,电机加在车轮上的力矩要克服车轮与地面的摩擦力f;而其从静止到运动要克服静摩擦力,并且,因此电机的启动电压为,,所以启动时的电枢电流也比稳态运行时的电枢电流大实际控制曲线如图7-5图7-5直流电机控制特性曲线
3.动态特性在电机的电枢上加阶跃电压,转子速度随时间的变化规律称为动态特性,用表示由于电机存在两种惯性机械惯性和电磁惯性,动态特性本质上可由过渡过程来描述直流电机的过渡过程应尽可能的短,以便转速的变化跟上控制信号的变化电机的电枢回路等效图如下图7-6所示,它通常可以看成一个惯性环节来建立传递函数转子角速度的公式式中为电机理想空载角速度,为电机的机械时间常数电机角速度随时间变化的关系如图7-7所示从式中,当时,电机的角速度上升到稳定角速度的
0.632倍;当时,电机角速度,一般可认为过渡过程的结束电机的机械时间常数是衡量过渡过程的一个重要指标图7-6电机电枢回路等效图图7-7电机动态特性图8液压驱动系统液压系统自60年代初到现在,已在机械手中获得广泛应用目前,中等负载以下的机械手中有采用电机驱动负载系统,但在简易经济型、重型的工业机械手和喷涂机械手中采用液压系统的仍然占有较大比例液压系统在机械手中所起的作用是通过电-液转换元件把控制信号进行功率放大,对液压动力机构进行方向、位置和速度的控制,进而控制机械手的手臂按给定的运动规律动作液压动力机构多数情况下采用直线液压缸或摆动液压缸用于实现手臂的伸缩升降以及手腕、手臂的回转
8.1液压系统传动方案的确定
8.
1.1各液压缸的换向回路为便于机械手的自动控制,如采用可编程序控制器或微机进行控制,从工况图中可知系统的压力和流量都不高,因此一般都选用电磁换向阀回路,以获得较好的自动化程度和经济效益液压机械手一般采用单泵或双泵供油,手臂伸缩、手臂俯仰和手臂旋转等机构采用并联供油,这样可有效降低系统的供油压力,此时为了保证多缸运动的系统互不干扰,实现同步或非同步运动,换向阀需采用中位“O”型换向阀本设计中夹紧缸换向选用二位二通电磁阀,其他缸全部选用O型三位四通电磁换向阀选电磁阀便于微机控制,选中位为O型使定位准确
8.
1.2调速方案整个液压系统只用单泵或双泵工作,各液压缸所需的流量相差较大,各液压缸都用液压泵的全流量工作是无法满足设计要求的尽管有的液压缸是单一速度工作,但也需要进行节流调速,用以保证液压缸进行的平稳运行各缸可选择油路或回油路节流调速,因为系统为中低系统,一般适宜选用节流阀调速机械手的手臂伸缩和手臂俯仰或升降缸采用两个单向节流阀来实现,如图8-1所示若只有一节流阀调速时,则进油达到最大允许速度来调节当无杆腔进油时,其速度就少于最大允许速度,但仍然符合设计需求在一般情况下,机械手的各个部位是分别动作的,手腕回转缸和手臂回转缸所需的流量较为接近,且它们两组缸所需的流量相差较大,这样不但可以选择单泵供油系统,也可采用双泵供油系统本设计中采用的是单泵供油系统单泵供油系统要以所有液压缸中需流量最大的来选择泵的流量优点是系统较为简单,所需的元件较少,经济性好缺点是当所需流量较少的液压缸动作时,系统的溢流损失较大,能源利用率较低对于系统功率较小的场合是可取的双泵供油系统,它在需要大流量动作的缸运动时,双泵同时为其供油,在需小流量动作液压缸运动时,则用小流量泵2供油,而大流量泵1低压卸荷双泵供油系统避免了溢流损失过大,而且可以用双联泵代替双泵,其优缺点与单泵供油系统相反本设计中,系统功率功率较小,故选简单的进油路节流阀调速同样理由选用单泵供油,力求获得较好的经济性图8-1双向节流系统图8-2进油节流调速方案
8.
1.3减速缓冲回路通用工业机械手要求可变过程,它是由微机控制,可在行程中任意点定位,故应在液压系统中采用缓冲装置,行程缓冲回路如图8-3所示,就是一例它有二位二通电磁换向阀和节流阀并联组成当液压缸运动快到希望点时,由位置检测装置发讯号给微机,然后微机控制电磁铁1YA通电切断二位二通阀的通路,液压缸的回路改经节流阀回油箱,增大了回油路的阻力,使液压缸速度减慢,防止冲击达到缓冲目的,这种回路也适用于摆动缸也可以在油路中设置单向行程节流阀进行缓冲,它有可靠性好、定位精度高的特点,但在自动化程度和通用性方面不如上述方案本设计中采用的就是图8-3所示的缓冲回路图8-3回油节流缓冲回路
8.
1.4系统安全可靠性手臂俯仰缸在系统失压情况下会自由下落或超速下行,所以应在回路中增加平衡回路,方法可用单向顺序阀做平衡阀手臂伸缩缸有俯仰状态时,亦应同样考虑夹紧缸在夹紧工件时,为防止失电等意外情况,应加锁紧保压回路为防止夹紧缸压力受系统压力波动的影响或过高,导致夹紧力过大损坏工件,或过低无法夹紧工件,造成意外的安全事故,需在油路上增加减压阀保证夹紧缸的压力恒定不变本设计中,为防止俯仰缸因自重自由下滑和伸缩缸在仰起一定角度后自由下滑,都采用单向顺序阀来平衡如图8-4所示为保证夹紧缸夹持工作的可靠性选用液控单向阀保压和锁紧,如图8-4所示
8.
1.5合成并完善液压系统在上述主要液压回路选好后,再配上其它功用的辅助油路(如卸荷、测压等油路),就可以进行合并,完善为完整的液压系统,并编制液压系统动作循环及电磁铁动作顺序表如图8-5所示,压力继电器在夹紧工件时发讯,让微机控制其他缸开始动作二位二通电磁换向阀用于系统卸荷根据动作要就编制液压动作循环及电磁铁动作顺序表,如表8-1所示表8-1液压系统动作循环及电磁铁动作顺序表
8.2计算和选择液压元件
8.
2.1液压泵
1.计算液压泵的工作压力泵的工作压力是所有液压缸中工作压力最大者与泵至该液压缸的全部压力损失之和即式中——管路和各阀的全部压力损失之和;~,估算
2.计算液压泵的流量式中——所有液压缸中所需流量最大的流量;——泄漏折算系数,一般~,取
3.选择液压泵的规格参照设计手册或产品样本,选取其额定压力比高20%~60%,其流量与上述计算一致的液压泵根据《液压传动设计手册》,选CB-B40,,,
4.计算功率,选用电动机取泵的总效率,则选电动机Y100L1-4,,
8.
2.2选择液压控制阀和辅助元件本设计中选用的液压元件如表8-2所示图8-4液压缸防滑保护回路和夹紧缸保压回路表8-2机械手所用液压元件一览表图8-5机械手液压系统原理图参考文献
[1]李允文.工业机械手设计.北京机械工业出版社,1996
[2]《工业机械手图册》编写组.工业机械手图册.北京机械工业出版社,1978
[3]王承义.机械手及其应用.北京机械工业出版社,1981
[4]陆祥生,杨秀莲.机械手-理论及应用.北京中国铁道出版社,1985
[5]韩正铜,王天煜.机械精度设计与检测.徐州中国矿业大学出版社,2007
[6]徐福玲,陈尧明.液压与气压传动.北京机械工业出版社,2009
[7]谢桂林,黄章,刘允纮.电力拖动与控制.徐州中国矿业大学出版社,2004
[8]成大先.机械设计手册润滑与密封(单行本).北京化学工业出版社,2004
[9]成大先.机械设计手册联接与紧固(单行本).北京化学工业出版社,2004
[10]成大先.机械设计手册液压传动(单行本).北京化学工业出版社,2004
[11]成大先.机械设计手册轴承(单行本).北京化学工业出版社,2005
[12]杜祥瑛.工业机器人及其应用.北京机械工业出版社,1986
[13]周伯英.工业机器人设计.北京机械工业出版社,1995
[14]李爱军,陈国平.画法几何及机械制图.徐州中国矿业大学出版社,2007
[15]吕晓龙.移动机械手平台系统设计[硕士学位论文].哈尔滨哈尔滨工程大学,2005
[16]李新春,赵冬斌,易建强等.移动机械手结构设计.北京中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学实验室,2004英文原文Self-motionManifoldsofan8-DOFNon—holonomicMobileManipulatorYAOYu-fengZHAOJian-wenSUNLi-ningAbstract:Forthenon-holonomicconstraintrobot,determiningtheposeofitsend-effectorwillrelyonitsjoints’displacementandthevelocityofitsnon-holonomicconstraintjointsaswell.Therefore,itbecomesincreasinglydifficulttoobtaintheanalyticsolutionofitsself-motionmanifoldinthetraditionalwayforsolvingmatrixequation.Inthispaperwetaketheposeofendmanipulatorastheresultofthejointsequentialmotionbasedonthementalityofmotionequivalencethestructureandthereferencevelocitywhichcorrespondpreciselytothepointsinself-motionmanifoldasself-motionvariable.Thusananalyticalsolutionfortheself-motionmanifoldofthe8degreeoffreedomwheeledmobilemanipulatorispresentedbytakingvectoralgebraasatoolwhichfacilitatesderivingtheclosedsolutionofitsself-motionmanifold.Intheclosingpartofthispaper,calculatingexamplesofself-motionmanifoldandmechanismself-motionsimulationareproposedwhichprovesthevalidityofsolutionalgorithmforself-motionmanifold.Keywords:wheeledmobilemanipulator;self-motion;Non—holonomicconstraint;redundancyIntroductionSelf-motionmanifolddisplaystheentireconfigurationthatmechanismgoesthroughintheprocessofself-motionandthemappingrelationshipbetweeneachconfigurationandend-manipulator,reflectingtheself-motioncapabilityofmechanisminamoreintuitivewaywithrevelationofitsnature.inamoreintuitivewaywithrevelationofitsnature.Asself-motionmanifoldcontainsalltheinversesolution,optimizationofthemotionperformanceforredundantrobotaccomplishedonthebasisoftheself-motiontakesontheglobalfeature.WhiletheintuitivecharacteristicsitdisplayedrelativetogradientprojectionandweightedJacobianmatrixproveitssignificantvalueinredundantrobotmotionplanning.Mollsearchedfortheminimalenergycurveinself-motionmanifoldandthusproviderobotwithguidanceofrouteplanninginperformingsuturetaskinsurgicaloperation.Mullerresearchedontheobstacleavoidanceofredundantrobotbyusingtangentvectorofself-motionmanifoldcombinedwiththeartificialpotentialfield.Onthebasisofdistributionofself-motionmanifoldinjointconfigurationspace,Zhangsingledoutself-motionsuitableforcollisionavoiding,andexperimentshavebeenconductedtoverifytheproposedalgorithmforobstacleavoidingofthe9-DOFrobotinthestructuredenvironment.Manyscholarshavestudiedthecharacteristicsofself-motionmanifoldduetoitssignificantroleinoptimizingredundantrobotmotionperformance.Joelarethepioneerstoresearchontheself-motionmanifoldofplanar3Randspatial4Rmechanism,andthensuppliedthegeometricinterpretationtonullspacebymeansofself-motionmanifold.Thereafterplanar5Rmechanismsself-motionmanifoldwasworkedoutbyMuller.Thepremiseforanalyzingcharacteristicsofself-motionmanifoldshouldbetoacquireitspositionsolution.Thepositionsolutionforredundantrobotbeyond6-DOFishardlyobtainable,whichpushedsomescholarstoapproachtheself-motionpositionsolutionofspatialredundantrobotbynumericalmethod.Theself-motionofsomeanthropomorphicarmhasbeenobtainedbysegregationspeedmethodbywhichvelocityintegralisadoptedtogetdisplacement,itisprovedthatthereexistsbigcalculationerror.Referencealsoprovidestheself-motionpositionsolutionofredundantrobotbyconstructingnullspacevectors,thussimplifythecontrolsystembyusingself-motionvariableasstatevariableofthesystem.Notmuchstudieshavebeenmadebyscholarsonself-motionmanifoldofspatialredundantrobotbeyond6-DOF.Self-motionmanifoldof8-DOFredundantrobotarmwasaccomplishedbyCarlos,however,hefailedtosecurethedescriptiontoitssolution.Zhaodecomposedself-motionmanifoldofredundantrobotintothedirectproductofposition-and-orientationsub-manifold,bywhichtheclosuresolutionof7-DOFredundantrobotwasattained.Astoredundantrobotthatcontainsnon-holonomicconstraintsuchaswheeledmobilemanipulator,WMM,thescholars,moreoftenthannot,completethemotionplanningoftherobotbynumericaloptimizationmethodratherthanbyself-motionmanifold.Thismethodhasthemeritofnotrequiringcomplexmotionanalysisthough,neverthelesstheoptimizationresultdoesnotshowglobalsuperiorityandtheoptimizingprocessisnotperceivableenough.Takingintoaccountthefactthattheself-motionmanifoldofnon-holonimicconstraintredundantmanipulatorhasbeenrarelytouchedbeforeanditssignificancetothemotionoptimizationofredundantmanipulatorisstriking.Inviewofthecharacteristicsofnon-holonimicredundantrobotinthispaperweaimtoworkouttheself-motionmanifoldoftheWMMwhichcontainsnon-holonimicconstraintbylocatingself-motionvariablefromthevelocitylevelandcombiningthethoughtofmotionequivalenceandvectoralgebra.1DistributionofJointsinMobileManipulatorWMMaroboticsystemwhichiscomposedofmobileplatformandoperationarmdemonstratesthefeatureofgreatmobilityandtheflexibleoperationcapacityaswell.Itcanperformanumberofcomplexoperationtasksthroughthecooperativemotionofplatformandmanipulator.TheWMMinquestionhereistherobotsystemdesignedtoaidtheagedanddisabledattheinfantstageofitsdevelopmentwhosemobileplatformisadoubledrivinganddifferentialsteeringpowerwheelchairwhileitsmanipulatorbeinga6-DOFserialarm.ThemodelisindicatedinFig.
1.Tofacilitatethemotionanalysisthewheelchaircanberegardedasarotationjointinserieswithatranslationjoint.Contrarytotheordinaryrotationjointstheaxisofrotationjointinstantaneousvelocitycenterofwheelchaircanmovealongthetouchdownpoints’tiewireoftwowheelsandtiespecificlocationisdeterminedbytheirvelocities.Thetranslationjointmovesinthedirectionofthewheels.Theserialmanipulatorwillfollowthepatternoftwoshoulderorthogonaljointsoneelbowjointandthreewristjoints’axesintersectinginonecross-point.AsshowninFig.2thewholesystemequivalentstoan8-DOFserialmechanism.Definethecirclecentersofwheel1and2asandseparatelytheverticalfaceofpassingalongtheaxisz3ofjoints3intersectsinpointwherethecoordinatesystemcanbeestablishedfixedtothewheelchair.DefinetheinitialpositionofasthebasiccoordinatesystemandthecoordinatesystemofeachjointwillbeconstructedinaccordancewiththestandardD-HmethodwhoseparameterasindicatedinTable
1.Theangleofeachrotationjointrangeswithinwhilethetranslationjointhasnomovementlimit.Thesizeparameterasfollows:.Thedifferencebetweentheequivalentmechanismandthecommonserialmechanismliesinthefactthatvalueisdecidedbytherotatingvelocityoftwodrivingwheelswhichcouldbeadjustedtomeettheneedforthespecificoperationtasks.2PositionSub-manifoldWhentheend-effector’spositionandorientationofredundantrobotsaredecoupledwhoseself-motionmanifoldcanbedecomposedintothedirectproduceofpositionandorientationsub-manifold.Giventhefactthatthethreewristjoints’axesintersectinthesamepointanyspaceposeoftheend-effectorcanbeachievedonlybymeansofwristjointsmotionwhichcompletesthedecouplingoftherobot’sposition-and-orientationsubsequently.Inthispaperwewilldiscusshowthemechanism’sself-motionmanifoldcouldbeconstructedthroughtheanalysistopositionandposesub-manifold.Thesketchforthefirstfivejoints’configurationisindicatedinFig.
3.TheroboticsystemconsistsoftworedundantDOFtomeettherequirementforregularspacepositionoperation.Inviewofthehugeenergyconsumptionwhenjoint1oftheequivalentmechanismisinmotionsoastominimizetheslidingfriction.Themotionofjoint1isadvisablyreducedtotheminimumfromthepointofenergyoptimizationwhentheother7jointscanefficientlysatisfytheadditionaltasks.Forthisreasonthepaperfirstpresentsananalysisonthepositionsub-manifoldoftheequivalentmechanismwhenjoint1islocked.
2.1Positionsub—manifoldwithjoint1beinglockedDesignatejoint2displacementastheself-motionvariable,anglesofjoint3,4and5canbeworkedoutfrom,let’sgetfirst.Makearesearchonself-motionofanypointWinpositionworkspace.SupposepointSlocatesinwhentheangleofthethreejointsiszero,theprojectionfromthedirectionofofplaneinthebasiccoordinatesystemduringmechanismself-motionisindicatedinFig.4.Withoutlossofgenerality,thedisplacementofeachjointduringself-motioncanberegardedasequivalenttowhatattainedthroughtheadjustmentofjoints2to5insequence.SupposepointWmovestopointunderjoint2independently,forthepurposeofreturningtoitsstartingpointW,mechanismshould,bymotionofjoint3,adjusttotheverticalplanepassingthroughsectionWPPisthefootdropofaperpendicularfrompointWtoaxisofjoint4,whoseinitialpositionis,sothatwehavetheguaranteetogetpointbacktoWbymotionofjoints4and5.Regardingtheeffectonsolutionproducedbycompoundarmswedefinethesignofarmconfigurationass+1rightarms=-1leftarmThestateofrightarmisindicatedinFig.4fromthedirectionof,radialWPlocatesontheonesideofWSclockwise,whilethatofleftarmasindicatedinFig.5fromthedirectionof,radialWPlocatesonthesideofWSanticlockwise.Wegetorinwhichcanbeobtainedfrom.InthebasiccoordinatesystemletOW=wehavethefollowingequation:
000.Letweget:.Intheformulasabove
00.Let.Intheformulaabove
001.Whenthesignofarmconfigurations=1:iftake;iftake.Whenthesignofarmconfigurations=-1letiftake;iftake.Wecangetthefollowing:.Iftheeffectofobstaclescanbedisregardedthevaluerangeofshouldbe.1Thevaluerangeishelpfulindeterminingthatof.Inthefollowingpartthesolutionofandwillbedealtwithassistedbytheviewoftheequivalentmechanismfromthedirectionof.TheviewasindicatedinFig.
6.ConsideringthatpointSmoveswithjoint2,inthebasiccoordinatesystemwecanget.Definethesignofarmconfigurationase:+1rightarme=-1leftarmLetthesolutionformulaofcanbeexpressedasfollows:Let’sdefineWhere
01.Incasetakeandiftakesinisthesymbolfunction.Taked2asparameteritcanbeconcludedfromtheabovereasoningprocessthatandcanallbedesignatedasd
2.Thuswegetthefollowingparameterequationforwhichcanberepresentedinacompactwayas:.2Equation2istheparameterequationofthepositionsub-manifold.Parameterd2shouldsatisfythefollowinggroupequation Inwhich,sfandsbaredeterminedbyobstaclesinfrontofandbehindthewheelchair.Takethesignofarmconfigurations=±l,e=±l,wecanobtainfourcurvesofthepositionsub-manifoldinjointconfigurationspaceCse.Inthespecifiedarmconfiguration,let’ssupposed2changeswithin[-sb,sf],therunningtrackofeachpointinpolygonallineSEWwillbeobtainable,whichthusmakesreferencetotherobots’additionalcollision-avoidancetasks.
2.2Positionsub-manifoldinnormalstateSincethewheelchairisanon-holonomicconstraintsystem,determiningtheposeofarm’send-effectorwillrelyontheangleformedbyitswheelandjoints,andtherunningvelocityoftwowheelsaswell.Let’ssupposetheangularvelocityoftwowheelsisandseparately,viewingfromthedirectionof,rotatinganticlockwiseispositive,whileclockwiseisnegative.Theradiusofthewheelisr,thedistancebetweentwowheels’touchdownpointsis=DthedistancebetweenthewheelO1anditscoordinatesystemoriginis,andtheinitialvalueofthesecondjointvariableinequivalentmechanismis,whichisdeterminedbytheinstallationpositionofarminwheelchairs.Takethewheelchairasarigidbodymovingintheplane,whosevelocityinstantaneouscenterVshouldbeonthebeelineO1O2.Designateitscoordinateinthewheelchaircoordinatesystemas0,,O,whenthewheelchairrotatesanticlockwisearoundaxisoverangle,therelativepositionrelationofeachreferencepointintheplaneasindicatedinFig.7.Letwecanget.Sothat.Theangularvelocityofthewheelchairis.Thesignofcanbedefinedas rotatinganticlockwisearoundz0ispositive.ThevelocityofpointSinthewheelchair’scoordinatesystemasfollows:.ThevelocityinpointSinthebasiccoordinatesystemcanbeconstructedfromthetransformedcoordinate.Intheformulasaboveand.Wecanbuildthematrixequationfromtherelationamongand.InEqs.3and4wecangettheangularvelocityofthewheelchairbyand.When0-ttheangulardisplacementshouldbe.5InEq.5isthefunctionrelativetoandwhichcanbeworkedoutfromEqs.3and
4.Whileandcanbeobtainedbymotionplanningarithmetic.AdoptingthesamemethodasinSection
2.1wecanget6IntheformulaabovethesolutionforisidenticaltothatinSection
2.
1.WhatleftustodoistosubstitutepointOSandseparatedfor.Combine345and6wecanget.AgainthesolutionforandcopythatinSection
2.1neverthelessthereplacementforSWiscompulsory..Fromthesolvingprocedureaboveweconcludethatconfigurationinthemechanismself-motionprocesscorrespondspreciselytothevelocityvectorwhichcanbederivedfromtheresultofmotionplanning.Whilecanbeobtainedfromtheintegraloftheinitialmomentthroughthusandcanbeexpressedasandwhichmakesthefollowingparameterequationobtainableitcanbeputinabstractformas:7Equation7beingtheparameterequationofpositionsub-manifold.Parameterandshouldsatisfythefollowinginequation:Whereandaredeterminedbyobstaclesaroundthewheelchair.Takethesignofarmconfigurations=±l,e=±1,wecangetthefourcurvedsurfaceofpositionsub-manifoldinjointconfigurationspaceUptonow,thedimensionofself-motionmanifoldgoesuptotwo,whichindicatesthefurtherimprovedoptimizingcapacityofrobots.Underthespecifiedarmconfiguration,allowandtochangeintheirindividualpermissivespan,wecangettherunningtrackofeachpointinpolygonallineSEW.
2.3Positionsub-manifoldwhenAtthispointtherobotslosetheirself—motioncapability,andthepositionsub-manifolddegeneratestotwodiscretepointscorrespondingtothearmconfiguration’ssigns=±
1.Underthespecifiedarmconfiguration,theangleofjointshasbutonesolution.3PoseSub-manifoldTheposeofcoordinatesystemofjoint8willmakecorrespondingchangeasaresultoftheconvectedmotionofshoulderandelbowjoints,however,themotionofwristjointscanbringitbacktoitsoriginalpose.TherelativepositionrelationsofeachwristjointaxisinmotionareillustratedasinFig.
8.Normally,theself-adjustmentofendeffector’sposecanberegardedasequaltotheresultofjointsequentialmotion.Afterjoints1-jofarmcompletesitsmotion,thenewaxisxyandzofjointicanbedefinedasrespectively.Inorderthattheposeofcoordinatesystemofjoint8cangetbacktoitsoriginalvaluethroughthemotionofjoints67and8aftertheconvectedmotionofjoints1234and5themotionofjoints6and7shouldensurethesuperpositionofandwhichwillconsequentlyleadtothesuperpositionofandthroughthemotionofjoint
8.Thereforeshouldbethecommonnormalofand.Definethesignofwristconfiguration:FromtheanalysisinSections
2.1and
2.2wecaneasilygettheposetransformmatrixbetweencoordinatesystemofjoint5andbasiccoordinatesystem,andthusweobtainthesolutiontowristjointangle.Thereafter,presentthesolutionntoangleinwristjoints.InEq.8:4Self-motionManifoldTheintegrationofthepositionsub-manifoldwiththeposesub-manifoldconstitutestheself-motionmanifoldofmechanism.Forthisreason,when,theself-motionmanifoldofmechanismisdisplayedastheeightcurvedsurfaceinjointconfigurationspaceCcorrespondingtos=±1,e=±1,andw=±lrespectively,andcanbedescribedbyparameterequationwithrespecttoandwhichisderivedfromEqs.1and2.Whenlockjointl,theself-motionmanifoldofmechanismcanberepresentedbytheeightcurvesinjointconfigurationspaceC,whichcanbedescribedbyparameterequationofd2obtainedfromEq.1.When,theself-motionmanifoldofmechanismistheonlyfourdiscretepointscorrespondingtos=±1w=±1respectively.5ConclusionsInthispaper,wesecuretheanalyticsolutionofself-motionmanifoldinthe8-DOFWMMbydesignatingthereferencevelocitycorrespondingtothepointsinself-motionmanifoldasself-motionvariable.Undernormalcircumstance,theself-motionmanifoldofmechanismcanberepresentedbytheeightcurvedsurfaceinjointconfigurationspace.Self-motionmanifoldresearchedinthepaperhasitssignificantvalueinthesensethatitcanprovideguidanceinoptimizingmotioncapabilityofthisredundantrobotmode1.Thementalityoftakingjointvelocityasself-motionvariableandconductingmotionanalysisbymeansofvectoralgebracouldbehelpfulandinstructivetothemotionanalysisofothertypesofnon-holonomicconstraintrobots.中文译文一个8自由度非完整移动机械手的自运动流形姚玉峰,赵建文,孙立宁摘要对于非完整约束机器人,确定其最终效应构成将依靠其节点位移和其非完整约束的关节速度因此,它变得越来越难以用传统的方式获得解决矩阵方程的自运动流形的解在本论文中,我们采取机械手末端姿态作为联合连续运动的等价的结果,结构和对应的参考速度恰恰为自运动中的自运动流形点变量从而为自运动的8自由度轮式移动机器人的等多方面的解,提出议案,采取向量代数作为一种工具,这有利于产生自运动流形闭合解在本文的最后部分,提出了一种解决自运动流形和自运动仿真计算实例的方案,证明了自动流形算法的有效性关键词轮式移动机械手;自运动;非完整约束;冗余简介自运动流形上显示整个配置机制,通过自我运动过程和相互之间的配置和最终机械手的映射关系,它用一种更直观的方式反映机械装置的自运动能力由于自运动流形包含了所有的反解,在自运动呈现总体特征的基础上,完成了对冗余机器人运动性能的优化它相对于梯度投影显示和加权雅可比矩阵的直观特点证明了冗余机器人运动规划的重大价值莫尔搜查自运动的最小能量流形曲线从而为在手术缝合中执行任务的机器人路径规划提供指导穆勒利用自运动流形上切向量结合人工势场对冗余度机器人的避障进行了研究在自运动流形分布在联合配置空间的基础上,张提出了避免自运动碰撞的合理方案,实验结果已经验证了9自由度机器人在结构化环境避障所提出的算法由于其在优化冗余度机器人运动性能的重要作用,许多学者研究了自运许动的特点乔尔是对平面3R和空间4R机构自运动流形研究的开拓者,然后提供了几何解释为NULL的自运动流形空间的手段此后平面5R的机制的自运动流形是由穆勒提出的在自我运动分析多方面特点的前提下,应掌握其立场的解决方案对于超出6自由度的冗余机器人的位置解决方案是几乎不可能得到的,这迫使一些学者采用数值方法接近的空间冗余度机器人自运动立场的解决方案拟人化的手臂的自运动已获得分离速度的方法,其中流速积分是通过位移来获得的,实践证明,这存在着很大的计算误差引用也提供了通过构造零空间向量的冗余度机器人自运动立场的解决方案,从而简化了作为系统变量自运动变量控制系统在自运动流形上超过6自由度的空间冗余度机器人没有太多的研究已经被学者取得自运动的8自由度冗余度机器人手臂流形是由卡洛斯完成的,然而,他未能确保其解决方案的说明赵将自运动流形的冗余度机器人分解为位置和定向子流形的直接产物其中7个自由度冗余机器人的解决方案是实现截流至于冗余的机器人,它包含非完整约束(如轮式移动机械手),学者们,往往不是,完成机器人的运动规划是用数值优化方法,而不是自运动流形他的方法具有不需要复杂的运动分析的长处,但尽管如此,优化结果显示全球的优越性和优化过程却没有没有足够的感知考虑到该非完整约束冗余度机器人自运动流形之前已很少触及事实及其意义的冗余度机器人运动优化是惊人的考虑非完整约束冗余机器人的特点,在本文中,我们的目标是制定出轮式机械手的自运动流形其中包含的非完整约束通过从速度级别中定位自运动变量,并结合运动思想和向量代数等价1移动机械手的关节分布轮式移动机械手,一个机器人系统,它是由移动平台和操作臂组成的,展示了伟大的机动性和作战能力,以及灵活的功能它可以执行许多复杂运动的任务通过平台的移动和机械手的合作有问题的是轮式移动机械手在这里是一个机器人系统,旨在帮助老年人和残疾人,它的发展还处于婴儿阶段,它的移动平台是一个双驱动和差速转向电动轮椅,而它的操纵者是一个6自由度的串连手臂该模型显示在图1为了方便运动分析,轮椅可以被视为一个旋转关节相对于普通的旋转关节,联合关节(轮椅瞬心)的轴可以沿着着陆点的两个轮子绑丝,打结的具体位置是由他们的速度决定旋转关节在车轮的方向上移动串行机械手将遵循两个肩膀正交关节,一个肘关节和三个腕关节的格局在一轴交叉点交叉图2所示,整个系统等同于一个8自由度串联机构定义轮1和轮2的中心分别为O1和O2,O1O2的垂直面通过接头3的沿轴线z3与O1O2相交在点O’,那里的坐标系可以建立固定在轮椅上定义的初始位置作为基本坐标系,每个关节坐标系将按照标准DH法建设,其参数如表1所示当联合关节没有行动限制时,每个关节的旋转角度为尺寸参数如下等效机制和通用串行机制之间的差异在于,价值取决于两个可以进行调整,以满足具体的操作任务需要旋转速度的驱动车轮2位置子流形当最终效应的冗余机器人的位置和方向都脱钩,其自运动流形可以分解成直接产生的位置和方向子流形鉴于这三个腕关节的轴线相交于同一点,任何空间构成的最终效应才能实现腕关节运动,并完成机器人的位置和定向解耦随后手段本文中,我们将讨论如何让机制的自运动流形可以建造通过分析位置和姿态子流形图3所示为第一个五关节的配置素描图该机器人系统有两个冗余自由度以满足空间位置正常运行的要求在巨大的能源消费观时,等效的联合机制1,可以减少滑动摩擦关节1的运动可以明智地从能量优化点减少到最低限度当另外七关节可以有效地满足额外的任务时出于这个原因,本文首先提出了一种子的位置上分析流形的等效机构当关节1锁定时
2.1位置的子流形与关节1被锁定指定关节2的位移作为自运动的变量,关节34和5的角度可以从d2中得到,让我们先得到θ3在自运动工作空间的任意一个点W位置做一个研究当三个关节角度为0时,假设点S位于点S’,x0Oy0平面的投影在基本坐标系,在自运动中是在图4所示不失一般性,每个关节的自运动位移可以被视为相当于通过关节2到5的顺序调整来获得假设在关节2下点W独立的移动到点W’,为了使W’点回到其初始点W,机械装置应通过关节3的运动,调整W’点通过WP(P是从点W到关节4轴的一个垂足,它的初始位置是P0)截面通过到达垂直平面,因此,我们可以保证达到W’点回到W点通过关节4和5的运动关于在符合手臂生产上的解决方案的效果,我们定义手臂外形的轨迹为s s=+1右臂-1左臂右手臂的状态表示在图4从方向上,WP线位于WS顺时针方向的一侧,而左手臂,在图5所示从方向上,WP线位于WS逆时针方向的一侧我们得到或者,可以从中得到在基本坐标系中,让OW=,我们得到下面的方程式000设,我们得到在上面的公式中,
00.设在上面的公式中,001,当手臂外形的轨迹s=1时,如果,得到;如果,得到当手臂外形的轨迹s=-1时,设,如果,得到;如果,得到我们可以得到如下公式如果可以忽略障碍的影响,d2的范围应该是
(1)d2值的范围对于确定θ3是有帮助的在下面的部分中θ4和θ5的解将会被处理通过从z4的指导得到的等效机理的观点的帮助该视图在图6显示考虑到点S和关节2一起运动,在基本坐标系中,我们可以得到假设手臂外形的轨迹s为e e=-1,右臂e=1,左臂使,θ5的解决公式可以表示为如下式定义,其中01,假使,得,如果,得sin是标志函数让d2作为参数,它可以从上述推理过程中计算出θ3,θ4和θ5可以都指定作为d2因此,我们得到下面的参数方程式,它可以表示在一个紧凑的方程中
(2)方程2是自运动位置的参数方程,参数d2应该满足下列方程组在上述方程组中,sf和sb是由轮椅前后的障碍所决定的手臂外形的轨迹s=±l,e=±l,我们可以在关节位移空间得到四个自运动位置的流行曲线Cse在指定的手臂配置,让我们假设d2在[-sb,sf]中变化,每个点在折线SEW的运行轨迹将是可以得到的,因此才提到了机器人附加防撞任务
2.2正常状态的子流行位置由于轮椅是一个非完整约束系统,手臂的姿势确定最终的效应将依靠其车轮和关节形成的夹角以及两轮子的运行速度假设两个轮子的角速度分别为和,从方向观察,逆时针方向为正,顺势针方向为负轮子的半径为r,两个轮子着陆点的距离为=D,轮子O1和其坐标系原点的距离为,在等价机械装置中,第二个关节变量的初始值为,这是由在轮椅臂的安装位置所决定的把轮椅看作是在平面上移动的刚体,它的速度瞬心V应该在直线O1O2上在轮椅坐标系上指定它的坐标为0,,O,当轮椅绕z0轴逆时针地转过Φ角时,每个在平面参考点的相对位置关系如图7所示让,我们可以得到因此,ωW轨迹可以被定义为绕z0逆时针旋转为正在轮椅坐标系上S点的速度如下在基本坐标系上S点的速度vs可以从变换坐标得到在上面公式中,,我们可以,从和中得到矩阵方程从公式3和4中,我们通过和可以得到车轮的角速度,当0-t时,角位移应该为
(5)在公式5中,是相对于和的函数,能从公式3和4中得到和可以通过运动规划算法获得采用和
2.1中相同的方法,我们可以得到
(6)在上面的公式中,的解与
2.1中的相同我们要做的是用下式分别替代点OS和:联合式
3、
4、5和6,我们能得到的值和的解复制
2.1中的解,然而,SW的替换是必须的.从上面的解题程序,我们可以推断出在该机制自运动配置过程符合精确的速度向量,它可以从运动规划的结果中得到可以通过初始时刻的积分得到,因此,和c可以用和来表示它们来表示下面的参数方程,它可以表示成抽象的形式如下7式7是位置子流形的参数方程参数和应该符合下式的要求和由轮椅周围的障碍所决定让手臂外形的轨迹s=±1,e=±1,我们可以得到四个位置子流形的曲面在关节的位移空间到目前为止,自运动流形的维数增加到了2,这表明机器人的优化能力进一步提高根据指定的手臂配置,允许和在它们自己许可范围内改变,我们可以得到在折线SEW上每个点的路线
2.3当时的位置子流形在这一点上,机器人失去自运动能力,位置子流形退化为2个不连续的点与手臂外形轨迹s=±1相一致在规定的手臂配置下,关节的角度有第二个解3姿态子流形关节8的坐标系的姿态使作为肩和肘关节对流运动的结果相应的变化,然而,腕关节运动可以使其恢复到原来的姿势每个运动中腕关节轴的相对位置关系,如图8所示通常情况下,末梢执行器的姿势的自我调节可视为等于关节连续运动的结果手臂的后关节1-j完成它的运动,i关节的新轴x,y和z可以分别被规定为为了使关节8的坐标系的姿势能通过在关节1234和5的相对运动之后关节6,7和8的运动回到原来的值,关节6和7的运动应该确保和的重合,通过关节8的运动因此,应该和,有相同的公法线定义腕部结构的轨迹从
2.1和
2.2部分的分析来看,我们可以轻松的得到姿势转换矩阵在关节5坐标系和基本坐标系之间,因此,我们得到手腕关节角度的解之后,提出了腕关节角度的解法在公式8中4自运动流形整合的位置子流形和姿势子流形构成自运动流形的机制为此,当时,自运动流形的机制是显示为在关节配置空间C的八个曲面,空间C分别和s=±1,e=±1,w=±1它可以用关于和的参数方程来描述,参数方程来自于公式1和2当锁住关节1时,自运动流形的机制可以被位于关节位移空间C的八个曲线来表示,它可以被从公式1中得到的关于d2的参数方程来描述当时,自运动流形机制只有四个分别于s=±1,w=±1相一致的分散的点5结论本文中,我们得到8自由度轮式移动机械手的自运动流形的解析方法通过指定与在自运动流形中的点相一致的参考速度作为自运动变量在正常环境下,该机制自运动流形可以由八个关节配置空间曲面来表示在本文中自运动流形的研究在某种意义上来说有重大价值,这个意义在于它可以给这种冗余机器人的运动能力提供指导对用关节速度作为子运动变量的方法和用向量代数指导运动分析,它们对其他类型的非完整约束机器人的运动分析是非常有帮助和启发的致谢经过近一学期的努力,我的本科毕业设计终于完成了,这也意味着四年的大学生活即将画上句号感慨之余,更想表达的是对老师同学的祝愿和对未来生活的憧憬本设计是在钱济国老师的悉心指导下完成的,从最初的选题到现在论文的完成,无不倾注了钱老师的心血钱老师为人之真诚,治学之严谨,知识之渊博,态度之谦和,如此种种都给我留下了深刻的印象,也必将是日后享用不尽的记忆财富钱老师还不遗余力的帮我寻找毕业设计所需要的资料感谢学院的各位领导、老师以及辅导员四年来的关心和教育,感谢家人和朋友的支持和鼓励最后,还要感谢对本论文进行评阅的老师们,感谢你们对我设计所提出的宝贵意见答辩情况提出问题回答问题正确基本正确有一般性错误有原则性错误没有回答答辩委员会评语及建议成绩答辩委员会主任签字年月日学院领导小组综合评定成绩学院领导小组负责人年月日运动名称符号行程范围[mm或°]速度[mm/s或°/s]伸缩X升降横移ZY回转Φ俯仰θ运动名称符号行程范围[mm或°]速度[mm/s或°/s]回转ω上下摆动左右摆动θΦ横移Y动作循环电磁铁1234567891011121314手臂伸缩伸出伸出缓冲缩回缩回缓冲++++++手臂俯仰上升上升缓冲下降下降缓冲++++++手臂回转正转正转缓冲反转反转缓冲停止++++++手腕回转正转正转缓冲反转反转缓冲停止++++++夹紧夹紧松开+原位卸荷+序号元件名称型号规格数量1线隙式滤油器XU-B32X100250N32L/min12电动机Y100L1-4N=
2.2kWn=1430r/min13齿轮泵CB-B
252.5MPa25L/min14溢流阀P-B25B
2.5MPaΦ12mm15电磁换向阀22D-25B
2.5MPaΦ12mm16单向阀I-25B
6.3MPaΦ12mm17压力表Y-600~4MPa18减压阀J-10B
6.3MPa19161721222834节流阀L-10B
6.3MPaΦ12mm710电磁换向阀23D-10B
6.3MPaΦ12mm111液控单向阀JY-25B
6.3MPaΦ12mm112压力继电器DP1-63B
1.0~
6.0MPa11520电磁换向阀34D-10B
6.3MPaΦ12mm21823电磁换向阀22D-10BH
6.3MPaΦ12mm22431单向顺序阀XI-B25B
2.5MPaΦ12mm22632电磁换向阀34D-25B
6.3MPaΦ12mm22733节流阀L-25B
6.3MPaΦ12mm22935电磁换向阀22D-25BH
6.3MPaΦ12mm236压力表开关B-6B
6.3MPa1。