（機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)論文）空間機(jī)器人捕獲手爪的研究.pdf

北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文2 0 0 8 空間機(jī)械手捕獲手爪的研究 摘要 隨著空間技術(shù)的發(fā)展 人類對(duì)太空的探索將越來(lái)越頻繁 對(duì)空間 機(jī)器人技術(shù)的研究已成為各國(guó)關(guān)注的重點(diǎn) 本文以國(guó)家8 6 3 項(xiàng)目 空 間機(jī)器人 為背景 重點(diǎn)針對(duì)空間機(jī)器人捕獲手爪進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究 根據(jù)實(shí)際任務(wù)要求 并考慮手爪的特定工作環(huán)境 文中提出了以 四桿機(jī)構(gòu)作為手爪本體結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)方案 選用無(wú)刷直流電機(jī)作為 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 選用錐齒輪作為系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 并給予詳盡的理論 分析 然后采用模塊化設(shè)計(jì)理念 利用三維建模軟件p r o e 對(duì)手爪各 組成零件進(jìn)行了系列化設(shè)計(jì) 并將設(shè)計(jì)零件進(jìn)行虛擬裝配 以驗(yàn)證設(shè) 計(jì)思路的正確性 文中采用矢量分析法 建立了手爪的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 并以拉格朗日 方程為基礎(chǔ)建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程 確定了手爪各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的位置和 姿態(tài)關(guān)系以及手爪各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)和作用力之間的關(guān)系 使用a d a m s 動(dòng) 力學(xué)分析軟件對(duì)手爪系統(tǒng)進(jìn)行了詳盡的分析 求出了滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要 求的最小驅(qū)動(dòng)力矩 為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù) 文中根據(jù)經(jīng)典控制理論 采用電流 速度 位置三環(huán)控制作為系 統(tǒng)控制策略 以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 為核心器件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)電路和c a n 總線通信電路 并完成系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì) 給出系統(tǒng)各模塊的軟件流 程圖 為驗(yàn)證控制系統(tǒng)的性能 設(shè)計(jì)手爪電模擬器 給出設(shè)計(jì)其硬件電 路和軟件設(shè)計(jì)方案 最后完成電聯(lián)式系統(tǒng)的性能測(cè)試 測(cè)試結(jié)果表明 手爪電模擬器c a n 總線通信性能穩(wěn)定 伺服控制系統(tǒng)能良好 最后根據(jù)加工的實(shí)際零件并結(jié)合所設(shè)計(jì)的手爪控制器 完成了手 爪機(jī)電系統(tǒng)的組裝和聯(lián)合調(diào)試 測(cè)試結(jié)果表明 該手爪符合設(shè)計(jì)指標(biāo) 關(guān)鍵詞 空間機(jī)器人手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)控制系統(tǒng) 電模擬器 北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文2 0 0 8 t h ed e s i g no ft h es p a c er o b o t s c a p t u r eg r i p p e r w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f s p a c et e c h n o l o g y h u m a n ss p a c e e x p l o r a t i o n w i l lb e c o m em o r ea n dm o r ef r e q u e n t t h es p a c er o b o t t e c h n o l o g yr e s e a r c hh a sb e c o m e t h ef o c u so fn a t i o n a lc o n c e m t h ep a p e r l i e so i lt h en a t i o n a l8 6 3p r o j e c t s p a c er o b o t a st h eb a c k g r o u n d f o c u s i n g o nt h ed e s i g na n dr e s e a r c ho ft h es p a c er o b o t sc a p t u r eg r i p p e r a c c o r d i n gt o t h ea c t u a lt a s k sa n dr e q u i r e m e n t s a n dt a k i n gi n t o a c c o u n tt h es p e c i f i cg r i p p e rw o r ke n v i r o n m e n t c h o o s eaf o u ri n s t i t u t i o n s a st h eg r i p p e rb o d ys t r u c t u r e s e l e c t e db m s h l e s sd cm o t o ra st h ed r i v e s y s t e m u s et h eb e v e lg e a ra st h et r a n s m i s s i o ns y s t e m a n dg a v e ad e t a i l e d t h e o r e t i c a l a n a l y s i s t h e n u s e dm o d u l a r d e s i g nc o n c e p t w i t h t h r e e d i m e n s i o n a ls o f t w a r ep r o ed e s i g n e dt h ec o m p o n e n t so ft h eg r i p p e r a n da s s e m b l e di t sc o m p o n e n t sv i r t u a l l y t e s t e dt h ec o r r e c t n e s so ft h e d e s i g ni d e a s v e c t o ra n a l y s i st h e o r yw a su s e di nt h i sp a p e rt o e s t a b l i s ht h e e q u a t i o n so fm o t i o no ft h eg r i p p e r g a i n e dt h es y s t e mk i n e t i ce q u a t i o n b a s e do nl a g r a n g e se q u a t i o n d e d u c e dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ng r i p p e r c o m p o n e n t s p o s i t i o n sa n do r i e n t a t i o n s a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n g r i p p e rc o m p o n e n t s m o v e m e n t s a n d f o r c e s u s e dk i n e t i c a n a l y s i s s o f t w a r ea d a m sa n a l y s i st h es y s t e md e t a i l e d o b t a i n e dt h es y s t e m d r i v i n gt o r q u e p r o v i d e dt h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g no f t h ec o n t r o l s y s t e m a c c o r d i n gt o c l a s s i c a lc o n t r o lt h e o r y u s i n gc u r r e n t s p e e da n d p o s i t i o nc o n t r o l a sat h r e e r i n gs y s t e mc o n t r o ls t r a t e g y w es e l e c t e d t m s 3 2 0 u 砣4 0 7a st h ec o r ed e v i c e d e s i g n e dt h em a i nc o n t r o ls y s t e m h a r d w a r ea n dc a nb u sc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t f i n i s h e dt h es y s t e m s o f t w a r em o d u l ed e s i g n a n dg a v ef l o wc h a r tf o re a c hm o d u l eo ft h e 北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文2 0 0 8 w h o l es y s t e m i no r d e rt ov e r i f yt h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o ls y s t e m s w ed e s i g n e d t h ee l e c t r i cp a ws i m u l a t o r t h er e s u l to ft e s t i n gm a k ei tc l e a rt h a tt h e c a nb u sw o r ks t a b l ya n de f f i c i e n t l y t h ec a p t u r et a s ka r es a t i s f i e di nt h e e l e c t r i cp a ws i m u l a t o l f i n i s h e dt h em e c h a n i c a l e l e c t r i cs y s t e ma s s e m b l a g e a n dc o m p l e t e d t h eu n i t e dt e s t i n go ft h em e c h a n i c a l e l e c t r i cs y s t e m t h er e s u l ts h o w e d t h ep a ws a t i s f i e dt h er e q u e s t k e yw o r d s s p a c er o b o t g r i p p e r s t r u c t u r ed e s i g nk i n e m a t i c s d y n a m i c s c o n t r o ls y s t e m e l e c t r i cs i m u l a t o r 北京郵電大學(xué)碩 l 學(xué)位論文2 0 0 8 獨(dú)創(chuàng)性 或創(chuàng)新性 聲明 本人聲明所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究 成果 盡我所知 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外 論文中不 包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果 也不包含為獲得北京郵電大學(xué)或其他 教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材料 與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任 何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意 申請(qǐng)學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處 本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任 本人簽名 日期 關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明 學(xué)位論文作者完全了解北京郵電大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定 即 研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬北京郵電大學(xué) 學(xué)校有權(quán)保 留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤 允許學(xué)位論文被查閱和借 閱 學(xué)校可以公布學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容 可以允許采用影印 縮印或其它 復(fù)制手段保存 匯編學(xué)位論文 保密的學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定 非保密論文注釋 本學(xué)位論文不屬于保密范圍 適用本授權(quán)書 本人簽名 趁塹 導(dǎo)師簽名 日期 絲望 堡 蘭 北京郵電大學(xué)碩i 學(xué)位論文2 0 0 8 第一章 緒論 1 1 本課題研究的目的和意義 隨著航天技術(shù)的發(fā)展 人類在太空中的活動(dòng)越來(lái)越多 將有大量的空間艙內(nèi) 和艙外任務(wù) 如大型空間站的建筑 維護(hù)及服務(wù) 空間設(shè)備的維修 科學(xué)實(shí)驗(yàn)載 荷的照料 星球表面探測(cè)等諸多工作要做 由于人在太空艙里生存一天的費(fèi)用十 分昂貴 而且宇宙環(huán)境對(duì)人類來(lái)說(shuō)仍然是一個(gè)具有高輻射 高真空 超高溫 微 重力等特點(diǎn)的危險(xiǎn)環(huán)境 那么利用空間機(jī)器人完成一些宇航員無(wú)法完成或者有危 險(xiǎn)的工作就顯得十分必要 采用空問(wèn)機(jī)器人協(xié)助或代替宇航員的工作在經(jīng)濟(jì)性和 安全性方廈都具有重要的意義l l 2 1 手爪是空間機(jī)器人執(zhí)行精巧和復(fù)雜任務(wù)的重要部分 因?yàn)闄C(jī)器人手爪直接作 用于工作對(duì)象 機(jī)器人要完成的各種操作最終必須通過(guò)手爪得以實(shí)現(xiàn) 同時(shí)手爪 的結(jié)構(gòu) 尺寸的設(shè)計(jì)對(duì)于機(jī)器人整體的運(yùn)動(dòng)學(xué) 動(dòng)力學(xué)性能以及工作效率都有著 直接顯著的影響 機(jī)器人整體水平的高低好壞及最終能否正常按照人們的意圖去 工作還要看其末端執(zhí)行機(jī)構(gòu) 因此手爪是機(jī)器人設(shè)計(jì)中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié) 1 2 手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類型和特點(diǎn) 手爪是用來(lái)直接握持物件的部件 由于被握持的物件的形狀 尺寸大小 輕 重和材料性能 表面狀況等的不同 所以機(jī)械手爪的結(jié)構(gòu)是多種多樣的 各種手 爪的結(jié)構(gòu) 不僅結(jié)構(gòu)形式不完全相同 而且它們的工作原理也并不一樣 歸納起 來(lái) 常用的手爪 按其握持物件的原理 大致可分為下面幾種 1 1 機(jī)械夾鉗式手爪 機(jī)械夾鉗式手爪一般由驅(qū)動(dòng)裝置 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和手指組成 按其手指的開(kāi)閉動(dòng) 作和結(jié)構(gòu)的不同 又可分為回轉(zhuǎn)型手爪和平移型手爪 回轉(zhuǎn)型手爪的手指在傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下 繞支點(diǎn)回轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)手指的開(kāi)閉動(dòng)作 平移型手爪的兩個(gè)手指在傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下 作相對(duì)的平行移動(dòng)以實(shí)現(xiàn)開(kāi)閉動(dòng)作 該類手爪一般結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 動(dòng) 作靈活 適應(yīng)性較強(qiáng) 并且大多數(shù)屬于自動(dòng)定心機(jī)構(gòu) 在生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用 2 1 氣吸式手爪 氣吸式手爪由吸盤 吸盤架及進(jìn)排氣系統(tǒng)等組成 根據(jù)吸盤與物件接觸后形 成真空或負(fù)壓內(nèi)腔的方法不同 氣吸式手爪有 擠氣式一靠外力作用使吸盤變形 而將內(nèi)腔空氣排擠出去的方法形成負(fù)壓腔 噴吸式一利用負(fù)壓噴嘴將內(nèi)腔空氣抽 北京郵電人學(xué)碩十學(xué)位論文2 0 0 8 出而形成負(fù)壓腔 真空式一用專門的真空泵系統(tǒng)抽氣 使吸盤內(nèi)腔形成真空 該 類手爪具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 重量輕 使用方便可靠等特點(diǎn) 廣泛應(yīng)用于板材 薄壁零 件 陶瓷 塑料 玻璃器皿和紙張等的吸附工作 具有良好的使用效果 3 1 磁吸式手爪 磁吸式手爪是利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產(chǎn)生磁力 來(lái)吸取磁性材料物件 的 吸附時(shí)不會(huì)破壞物件的表面質(zhì)量 可獲得較大的吸附力 同時(shí)對(duì)物件表面光 整要求不高 對(duì)于表面有通孔或通槽的物件同樣可以吸持 但被吸持的物件會(huì)存 在剩磁 對(duì)于不能有剩磁的物件要經(jīng)過(guò)退磁工序 對(duì)于鋼 鐵等磁性材料制造的 物件 溫度超過(guò)7 2 3 0 c 以后就會(huì)失去磁性 故在高溫時(shí)無(wú)法使用磁吸式手爪 磁吸式乎爪可分為永久磁鐵手爪和電磁鐵手爪 1 3 本課題研究現(xiàn)狀 隨著工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展而產(chǎn)生的 機(jī)械手已成為機(jī)械化 自動(dòng)化生產(chǎn)中 不可缺少的一種自動(dòng)裝置 國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)械手爪的研究已取得相當(dāng)成熟的成果 機(jī) 械手爪也廣泛的應(yīng)用到食品 化工 冶煉 制造等行業(yè)中 近年來(lái)隨著航天技術(shù) 的飛速發(fā)展 機(jī)械手爪也廣泛應(yīng)用于空間領(lǐng)域以實(shí)現(xiàn)太空科學(xué)考察 空間生產(chǎn)和 科學(xué)實(shí)驗(yàn) 衛(wèi)星和航天器的維護(hù)與修理 以及空間建筑裝配等 本課題所研究的手爪用在空間機(jī)器人特定環(huán)境下 屬于機(jī)械手在航天技術(shù)領(lǐng) 域的應(yīng)用 在此主要介紹機(jī)械手在航天領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀 1 3 1 國(guó)外研究現(xiàn)狀 1 9 8 5 年德國(guó)宇航院提出了一項(xiàng)研究計(jì)劃r o t e x r o b o tt e c h n o l o g y e x p e r i m e n t 對(duì)空間機(jī)器人作探索性實(shí)驗(yàn) 這是自動(dòng)化領(lǐng)域在空間進(jìn)行的首次實(shí) 驗(yàn) 并于1 9 9 3 年搭載美國(guó)航天飛機(jī)成功地完成了一系列空間作業(yè) 其機(jī)構(gòu)如圖 1 1 所示 h2 0 k t t 通訊頻率 3 集成手爪機(jī)械裝置 5 觸覺(jué)傳感器陣列 7 數(shù)據(jù)傳輸 9 柔順裝置 1 l 機(jī)器人手臂 圖1 1 德國(guó)r o t e x 機(jī)器人手爪 2 2 測(cè)距電路 4 長(zhǎng)距離測(cè)距傳感器 6 手指測(cè)距傳感器 8 立體攝像機(jī) l t o 剛性力 力矩傳摩器 1 2 串口通訊總線 北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文2 0 0 8 為執(zhí)行更為復(fù)雜的操作任務(wù) 在r o t e x 之后 德國(guó)研制了d u 好指靈巧手 現(xiàn)已研制成功了d l r 4 指靈巧手 它具有十二自由度每指有4 個(gè)關(guān)節(jié) 具有三 自由度 2 5 個(gè)傳感器 每指尖最大承受力為l l n 4 指質(zhì)量為1 8 0 0 9 每個(gè)關(guān)節(jié) 裝有一個(gè)關(guān)節(jié)角度傳感器和一個(gè)關(guān)節(jié)力矩傳感器 4 個(gè)觸覺(jué)傳感器探測(cè)外部受力 的大小 日本智能手爪a r h 是世界上第一只在軌道飛行器艙外的精密遙控機(jī)器人系 統(tǒng) 它安裝在無(wú)人飛行器上并且暴露在空間環(huán)境中 嚴(yán)酷的空間環(huán)境意味著系統(tǒng) 必須有足夠的耐久性 可靠性自主能力 手爪安裝在長(zhǎng)約4 0 e r a 的5 自由度微型手臂的末端 手爪具有更換功能 即 手爪在軌道上通過(guò)編程控制即可以與微型手臂脫開(kāi) 又可以與手臂聯(lián)接 實(shí)驗(yàn)?zāi)?標(biāo)物體如插頭 螺栓 裝配物體等安裝在工作臺(tái)上 工作臺(tái)上有手爪鎖緊裝置 用以發(fā)射時(shí)固定手臂和手爪 該裝置還用于手爪的更換平臺(tái) 其機(jī)構(gòu)如圖1 2 所 示 l t 電氣聯(lián)接插頭2 轉(zhuǎn)換模塊 3 信號(hào)處理如激光爵距傳感囂 5 手指模塊6 配置觸覺(jué)傳感器手指 7 柔順裝置8 徽型攝像機(jī) 圖1 2 日本智能手爪a r l 4 最近美國(guó)采用 一箭多星 的方式 從位于大西洋畔的肯尼迪航天中心將6 枚具有軍事用途的衛(wèi)星送入太空軌道 其中 兩顆名為 軌道快車 的小型衛(wèi)星 因其具有的獨(dú)特功能 引起了全球軍事觀察家們的關(guān)注 軌道快車 小型衛(wèi)星 具有高度自動(dòng)化的機(jī)械手臂 初步具有替代航天員在太空完成太空維修作業(yè)的能 力 同時(shí)它安裝有機(jī)械手爪 可以在太空擄奪敵方衛(wèi)星 如圖1 3 所示 3 北京郵電大學(xué)頌l 二學(xué)位論文2 0 0 8 1 3 2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 圖1 3 軌道快車 j 型衛(wèi)星 隨著我國(guó)科技水平的發(fā)展 我國(guó)在機(jī)器人手爪領(lǐng)域的研究工作也取得了舉世 注目的成績(jī) 哈工大與德國(guó)宇航中心合作研究的四指仿人型機(jī)器人手爪系統(tǒng)h 1 采用了模塊化設(shè)計(jì)技術(shù) 簡(jiǎn)化了手部結(jié)構(gòu) 減輕了手爪的體積 同時(shí)在手指處安 裝有力矩 溫度等傳感器 提高了機(jī)器手的智能性 此項(xiàng)成果達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先 國(guó)際先進(jìn)的水平 如圖1 4 所示 圖1 4 哈工大與德國(guó)宇航中心研制的靈巧手 另外哈工大機(jī)器人研究所研制的 小型智能飛行機(jī)器人空間機(jī)械手系統(tǒng) 樣機(jī)已通過(guò)專家組驗(yàn)收 如圖1 5 所示 該系統(tǒng)可在空間站搭建 衛(wèi)星故障修復(fù) 空間艙內(nèi)科學(xué)實(shí)驗(yàn) 深空探測(cè)等空間作業(yè)領(lǐng)域和核工業(yè)等危險(xiǎn)作業(yè)領(lǐng)域環(huán)境方面 有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值 手爪設(shè)計(jì)為三手指夾持 四連桿驅(qū)動(dòng) 是其具有強(qiáng)度高 夾持力大 快速閉合 捕獲范圍廣等特性 4 北京郵電人學(xué)碩二 學(xué)位論文2 0 0 8 圖1 5 哈工大小型智能飛行機(jī)器人至n g t 械手 由中科院合肥智能研究所為配合北京郵電大學(xué)研制空間機(jī)械手項(xiàng)目設(shè)計(jì)的 捕獲手爪如圖1 6 所示 該手爪兩指運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)夾持塊形成一回轉(zhuǎn)平面上的空間包 絡(luò) 能有效防止捕獲目標(biāo)的逃逸 隨著手指的轉(zhuǎn)動(dòng) 包絡(luò)空間不斷縮小 利用手 指外形 指面形狀 夾持塊 手掌上的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)相配合 完成對(duì)微型目標(biāo)器的定 位 手爪轉(zhuǎn)動(dòng)由一帶減速器的力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng) 手爪轉(zhuǎn)動(dòng)角度由霍耳元器件檢測(cè) 圖1 擊中科院合肥智能研究所設(shè)計(jì)手爪 北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文2 0 0 8 1 4 本課題的研究?jī)?nèi)容 空間機(jī)器人捕獲手爪用來(lái)完成對(duì)空間目標(biāo)物進(jìn)行抓取 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 本論 文主要研究?jī)?nèi)容主要集中在以下幾個(gè)方面 1 手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本課題重點(diǎn)研究的內(nèi)容 主要包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案分析 驅(qū) 動(dòng) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的選型與設(shè)計(jì) 2 手爪的結(jié)構(gòu)仿真 完成手爪各零件的p r o e 三維立體設(shè)計(jì) 驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的合理性 并對(duì) 各零件進(jìn)行虛擬裝配 以檢測(cè)各零件組合的匹配關(guān)系 3 手爪的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析 針對(duì)設(shè)計(jì)的空間機(jī)器人捕獲手爪 完成系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué) 動(dòng)力學(xué)分析 推導(dǎo)出 各桿的速度 角速度 加速度表達(dá)式 以拉格朗日方程為基礎(chǔ) 建立該手爪系統(tǒng) 的動(dòng)力學(xué)模型 并將該系統(tǒng)導(dǎo)入a d m o s 下仿真分析 為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理 論依據(jù) 4 手爪控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 分析手爪控制器的功能需求 制定出總體設(shè)計(jì)方案 完成控制器芯片選型 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì) 確定系統(tǒng)各功能模塊的劃分 完成主控單元 電源管理 驅(qū) 動(dòng)電路 c a n 總線通信等模塊的硬件電路與接口電路設(shè)計(jì) 并根據(jù)硬件電路和 控制系統(tǒng)要求完成軟件設(shè)計(jì) 給定各模塊的軟件流程圖 5 手爪電模擬器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能測(cè)試 根據(jù)手爪控制功能的需求 制定出總體設(shè)計(jì)方案 完成手爪電模擬器硬件電 路與接口電路設(shè)計(jì) 完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 給定各模塊的軟件流程圖 并對(duì)所設(shè) 計(jì)電模擬器進(jìn)行聯(lián)合測(cè)試 以驗(yàn)證控制器性能 1 5 本課題的關(guān)鍵技術(shù) 空間機(jī)器人捕獲手爪的設(shè)計(jì)集機(jī)械設(shè)計(jì) 數(shù)學(xué)分析 電機(jī)控制 硬件設(shè)計(jì) 軟件編程為一體 在空間機(jī)器人捕獲手爪的設(shè)計(jì)中使用的關(guān)鍵技術(shù)如下 1 手爪的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 為滿足空間捕獲任務(wù)要求 所設(shè)計(jì)的手爪結(jié)構(gòu)必須具有牢固可靠 開(kāi)合角度 大 閉合迅速的特點(diǎn) 本文提出以四桿機(jī)構(gòu)作為手爪的本體 圓弧形臂桿作為手 指的新設(shè)計(jì)思想 因此 對(duì)該方案的設(shè)計(jì)與分析是手爪系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和首要任 務(wù) 6 北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文2 0 0 8 2 手爪的動(dòng)力學(xué)仿真 當(dāng)手爪模型建立起來(lái)后需對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析 本文借助于動(dòng)力學(xué)分析軟 件a d m o s 將p r o e 生成的模型導(dǎo)入其下 給模型設(shè)定約束參數(shù)和仿真環(huán)境 完成對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真 其仿真結(jié)果可為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供電機(jī)力矩參數(shù) 3 手爪的硬件設(shè)計(jì) 手爪工作環(huán)境特殊 又是各相任務(wù)的執(zhí)行終端 因此要求必須有穩(wěn)定 可 靠的硬件環(huán)境 經(jīng)過(guò)論證選用d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片作用手爪的主處理芯片 穩(wěn)定的d s p 硬件和接口電路是手爪控制器研制的重要基礎(chǔ) 4 c a n 總線通信 手爪時(shí)時(shí)刻刻在跟機(jī)器人系統(tǒng)保持通信才能有效的完成任務(wù) 總線是手爪與 機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的通道 所以設(shè)計(jì)可靠高效的通信也是關(guān)系到整個(gè)手爪正常 工作的關(guān)鍵 該手爪控制器設(shè)計(jì)為兩路冗余c a n 總線通信接口 一路d s p 自帶 的c a n 通信接口 一路s j a l o o o 外擴(kuò)c a n 通信接口 當(dāng)系統(tǒng)通信出現(xiàn)故障時(shí) 可自動(dòng)切換 7 北京郵電大學(xué)碩十學(xué)位論文2 0 0 8 第二章空間機(jī)器人捕獲手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 1 捕獲目標(biāo)參數(shù)及手爪設(shè)計(jì)要求 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 4 捌 捕獲目標(biāo)質(zhì)量為8 0 k g 捕獲處為表面光滑 直徑5 0 m m 粗糙度為r a1 6 m m 長(zhǎng)度大于1 0 0 r a m 的硬質(zhì)圓柱把手 1 手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 手爪的外形結(jié)構(gòu)要緊湊 捕獲穩(wěn)定 抓取牢固 重量輕 在盡量用簡(jiǎn)單易于 實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)所需要的功能 同時(shí)必須保證能可靠的工作 2 手爪精度設(shè)計(jì)要求 手爪可以在位置誤差 6 0 r a m 三軸 姿態(tài)誤差 1 0 三軸 的情況下可靠 地完成捕獲任務(wù) 最大開(kāi)合時(shí)間4 s 指間夾持力大于1 0 n 指間形狀應(yīng)滿足給 定目標(biāo)的捕獲要求 手爪閉合完成目標(biāo)抓取后 目標(biāo)與手爪的相對(duì)位置和姿態(tài)必 須唯一確定 連接剛度高 3 手爪控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 手爪與中央控制器應(yīng)性能穩(wěn)定 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 可靠性高 采用總線通信方式 推 薦采用c a n 總線 通信速率優(yōu)于5 0 0 k b p s 手爪在電機(jī)斷電后 對(duì)抓取目標(biāo)采 用抱閘鎖定方式 另外手爪工作在太空失重 晝夜溫差大 維護(hù)困難的情況下 這從另一方面 要求其具有高可靠性 能迅速將目標(biāo)捕獲 防止其逃逸 同時(shí)根據(jù)具體的捕獲目 標(biāo)還要求其具有最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu) 以便有利于發(fā)射升空 2 2 空間智能機(jī)器人捕獲手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中 手指數(shù)目的設(shè)計(jì)是重要的一個(gè)環(huán)節(jié) 在太空失重 真空 溫差高的環(huán)境下 氣吸式和磁吸式將失去用場(chǎng) 手爪的設(shè)計(jì)一般采用機(jī)械 夾鉗式設(shè)計(jì) 根據(jù)對(duì)空間機(jī)器人手爪的研究 手爪的設(shè)計(jì)可分為兩指 3 5 指 其中兩指的設(shè)計(jì)多為回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu) 通過(guò)繞支點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)完成手爪的開(kāi)合動(dòng)作 3 5 指的多指手爪每個(gè)指頭又都有多個(gè)關(guān)節(jié)組成 根據(jù)每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo) 物的夾緊 多指手爪一般完成抓獲比較小的物體 用手指內(nèi)壁將目標(biāo)物包絡(luò) 本空間機(jī)器人手爪是為了完成在太空捕獲任務(wù)而設(shè)計(jì) 具體捕獲目標(biāo)為一圓 柱型把手 因此把手比較大 用多指多關(guān)節(jié)的手爪來(lái)實(shí)現(xiàn)抓取任務(wù) 手爪結(jié)構(gòu)相 8 北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文2 0 0 8 當(dāng)復(fù)雜 龐大 固在此選用雙指回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu) 將捕獲把手捕獲后收攏于預(yù)定位置即 可 2 2 l 手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的確定 空間機(jī)器人在太空主要是完成對(duì)空間目標(biāo)物的捕獲任務(wù) 在空間失重的情況 下 捕獲目標(biāo)處于漂浮狀態(tài) 如未在捕獲范圍內(nèi)迅速將其捕獲 有可能失去捕獲 機(jī)會(huì) 因此要去所設(shè)計(jì)的空間機(jī)器人捕獲手爪必須滿足開(kāi)合角度大 閉合迅速 抓取穩(wěn)定的特點(diǎn) 根據(jù)以上設(shè)計(jì)要求 有以下設(shè)計(jì)方案 e s l 可供參考 方案一 如圖2 1 所示 該方案中手指由兩圓弧形臂桿構(gòu)成組成 通過(guò)轉(zhuǎn)軸 固定在座架上 左右側(cè)各有一個(gè) 由轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)手爪的開(kāi)合運(yùn)動(dòng) 該結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)簡(jiǎn)單 易于加工 節(jié)省材料 同時(shí)圓弧形手指結(jié)構(gòu)在捕獲過(guò)程中可以對(duì)捕獲目 標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方位進(jìn)行合理的引導(dǎo) 但該結(jié)構(gòu)抓取不穩(wěn)定 方案二 如圖2 1 所示 該方案手指由四桿機(jī)構(gòu)組成 四桿機(jī)構(gòu)末斷為9 0 圓 弧過(guò)度 通過(guò)四桿機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)牽引手爪的開(kāi)合 該結(jié)構(gòu)運(yùn)用四桿機(jī)構(gòu)的開(kāi)合角度 大 自由度為一 轉(zhuǎn)向穩(wěn)定的特點(diǎn) 但末端9 0 圓弧過(guò)度桿在捕獲過(guò)程中不易于 對(duì)捕獲目標(biāo)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方位引導(dǎo) 另外當(dāng)捕獲目標(biāo)進(jìn)入手爪捕獲范圍內(nèi)時(shí)容易造成 對(duì)手爪的碰撞 整個(gè)空間機(jī)器人在外力沖擊下易于出現(xiàn)故障 方案三 如圖2 1 所示 為改善上述兩種方案的缺點(diǎn) 在此提出第三種解決 方案 該方案綜合了四桿結(jié)構(gòu)開(kāi)合迅速 運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定 自由度為一和圓弧形手指末 段的抓取平穩(wěn) 對(duì)系統(tǒng)沖擊力量小等多種優(yōu)點(diǎn) 通過(guò)以上對(duì)比 空間機(jī)器人捕獲手爪的設(shè)計(jì)選第三中方案 爵一 方案一 方案二方案三 圖2 1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案比較圖 9 北京郵電大學(xué)碩十學(xué)位論文2 0 0 8 2 2 2 手爪四桿機(jī)構(gòu)分析 空間機(jī)器人捕獲手爪由左爪和右爪組成 兩爪各參數(shù)相同 對(duì)稱安裝在箱體 兩側(cè) 手爪在開(kāi)合運(yùn)動(dòng)過(guò)程中 轉(zhuǎn)角的大小和四桿機(jī)構(gòu)各桿長(zhǎng)之間的關(guān)系可通過(guò) 機(jī)構(gòu)矢量理論怕3 推導(dǎo)得出 圖2 2 為手爪四桿機(jī)構(gòu)原理圖 圖2 2 手爪四桿機(jī)構(gòu)原理圖 其中a b 為主動(dòng)桿 驅(qū)動(dòng)桿 d c 為從動(dòng)桿 a d 為固定支架 在此規(guī)定a b 和 x 的正向夾角為0 1 b c 和x 軸的正向夾角為色 c d 和x 軸的正向夾角為巴 e d 和x 軸的正向夾角以和b c 和x 軸的正向夾角島可用矢量法由各桿長(zhǎng)表示 f 2 l 2 1 即f 2 一毛 l 一1 2 2 將等式 2 2 兩端各自點(diǎn)積得 乞 z 2 一 z 3 f 4 1 1 3 l 1 1 2 3 即z z l z 砰 2 v 4 c o s 0 3 2 3 c o s a 一b 一2 1 1 4 c o s 0 1 2 4 經(jīng)整理可得 2 f 3 s i n o a s i n 0 3 2 3 f l c o s b 1 4 c o s 0 3 f 一f 一z 一f 復(fù)l c o s o 一0 2 5 令 a 2 1 1 3s i n o l 2 6 b 一2 3 f 1c o s 0 1 1 4 2 7 c 譬一哿一鬈一巧 2 1 4c o s o l 2 8 上式可簡(jiǎn)化為 1 0 北京郵電人學(xué)碩 f 學(xué)位論文2 0 0 8 月s l l l 0 3 b c o s 以 c1 0 可解得 t a n 0 3 2 一以 爿2 b 2 一c 2 b c 根據(jù)安裝設(shè)計(jì)這里去取正號(hào) 即t a n 0 3 2 爿 4 2 b 2 一c 2 i 口一c 同理可得 厶 i 2 一 譬t 砰 z t l 2 1 l f 2 c o s 0 0 1 2 l l l c o s q 2 1 2 t c o s o 經(jīng)整理可得 2 9 2 1 0 2 1 1 2 1 2 2 1 3 刀l 2 s i n e l s i n 0 2 2 1 f 2c o s 0 1 2 1 d 4 c o s 0 2 砰 1 2 f 一f 2 t l l 4 c o s o 一0 2 1 4 令 di 2 1 l t 2s i n o 2 1 5 e i 笤l z 2 c d s 島一2 2 1 4 2 1 6 f t f 譬 1 4 2 一譬一2 1 x 1 4c o s s t 2 1 7 則 d s i n 0 2 e c o s 0 2 f 1 0 t a n o 2 d 土歷 麗舾一 根據(jù)安裝要求這里也去正號(hào) 2 1 8 2 1 9 即t 柚c o 2 i d 4 0 2 e 2 一f 2 e 一 2 2 0 由以上分析可知 當(dāng)四桿機(jī)構(gòu)各桿長(zhǎng)和o l 角度已知的情況下 可以把吼 以解 出來(lái) 且解是唯一解 在手爪運(yùn)動(dòng)過(guò)程中 電機(jī)驅(qū)動(dòng)桿a b 轉(zhuǎn)動(dòng) 即o l 為給定值 則以 氓都唯一確定 進(jìn)而在知道四桿長(zhǎng)度的情況下四桿機(jī)構(gòu)各桿的位置關(guān)系 唯一確定 設(shè)計(jì)手爪安裝時(shí)兩固定點(diǎn) a d 問(wèn)的連線與水平線間的夾角為1 5 這樣在 手爪開(kāi)合運(yùn)動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)角色轉(zhuǎn)過(guò)的相對(duì)角度較小 有利于手爪的快速閉合 圖 2 3 為手爪的平面安裝示意圖 圖2 3 手爪安裝平面示意圖 北京郵電犬學(xué)碩上學(xué)位論文2 0 0 8 2 2 3 手爪四桿機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度參數(shù)的設(shè)計(jì) 在手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中 四桿機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度的確定是最重要 也是本課題涉及的難點(diǎn) 在確定手爪四桿機(jī)構(gòu)各桿桿長(zhǎng)時(shí)可根據(jù)上節(jié)推導(dǎo)出的角度和桿長(zhǎng)的關(guān)系公式反 推出桿長(zhǎng)和角度間關(guān)系 由式子 2 1 3 可解得 s 毋3 一c o s o 1 c o s a 3 一c o s 0 2 2 一 c o s o 3 c o s q 2 c o s 0 2 3 一c o s 1 1 c o s 0 一吼3 一c o s e 2 2 一q 2 c 0 嗥3 一c o s q l c o s 么一b 3 一c o s 幌l a 1 細(xì)唱3 c o s o 1 2 2 2 1 z 14 cosoi3 cosonxcos023 cos022 cos01 cosot2 cos023 coson 2 c o s 0 2 3 一b 3 一c o s 0 2 1 一吼1 s 臼2 3 一c o s o 一i c o s 一q 3 一c o s 女9 2 2 一只2 c o s 日為一c o s 6 2 1 屑i 萬(wàn)面寫聶j 石習(xí)萬(wàn)而i 面面 2 2 2 2 2 3 式中純?yōu)閎 在第j 中狀態(tài)下的角度值 根據(jù)空間機(jī)器人手爪設(shè)計(jì)要求 在 此取四桿機(jī)構(gòu)的固定桿a d 即l 為5 5 r a m 欲求得其它三桿的長(zhǎng)度 只要給定三 個(gè)捕獲狀態(tài)的島 島 的值便可 在此給定手爪的三個(gè)捕獲狀態(tài)分別為狀態(tài)一 手爪完全張開(kāi) 狀態(tài)二 手爪將捕獲目標(biāo)夾緊 狀態(tài)三 手爪理論上完全閉合 根據(jù)手爪的安裝設(shè)計(jì) 給定以下三種狀態(tài)數(shù)據(jù) 狀態(tài)一 當(dāng)手爪完全張開(kāi)時(shí)給定 只 一一1 5 0 2 6 0 狀態(tài)二 當(dāng)手爪將捕獲目標(biāo)加緊時(shí)給定 最 1 5 民 1 3 5 狀態(tài)三 當(dāng)手爪手爪理論上完全閉合時(shí)給定 幺 3 0 如 1 6 5 其分別對(duì)應(yīng)圖2 4 三種狀態(tài) 一弦 手爪張開(kāi)目標(biāo)抓取手爪閉合 圖2 4 手爪狀態(tài)平面示意圖 把以上數(shù)據(jù)帶入式 2 2 1 2 2 2 和 2 2 3 經(jīng)計(jì)算可得 l l t 9 2 2 4 z 2a5 9 8 5 1 3 6 9 8 5 可以看出上面得到的長(zhǎng)度近似為兩位小數(shù) 為使加工方便 在此對(duì)它們?nèi)≌?取 則四桿機(jī)構(gòu)各桿長(zhǎng)為 l l 一9 0 z 2 6 0 1 3 7 0 1 4t5 5 由于桿長(zhǎng)的取整 必然 導(dǎo)致在上述三種狀態(tài)時(shí)吃的實(shí)際值與先前設(shè)定值不同 下面要對(duì)其修正 取 1 2 北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文2 8 島l 一 1 5 0 盤 1 3 5 0 2 3 1 6 5 同時(shí)由式 2 1 4 復(fù)1 f 2 s i n 0 2 s i n o 2 厶z 2 c o s 0 2 2 1 4 c o s 0 1 z z 日一礙一刃 4 c o s 0 2 0 2 2 4 令 x 一4 f 2s i n 0 2 yt 刀l 2c o s 0 2 2 l 4 z 一彳 f f 一f 一2 2 f 4c o s 0 2 則式 2 2 4 可簡(jiǎn)化為 x s i n 0 1 y c o s 0 1 z 一0 2 2 5 解得 t a n 0 1 2 a x x 2 y 2 一z2 z y 2 2 6 n x y z 皆為 j l l 吼的函數(shù) 故當(dāng) z 屯 l 吼已知 時(shí)根據(jù)式可反解出0 1 的值 根據(jù)安裝設(shè)計(jì)此處取負(fù)號(hào) 結(jié)合式 2 2 0 和式 2 2 6 可解得 o n1 5 7 0 6 7 吼2 1 7 2 1 3 0 0 5 6 如圖2 2 所示 根據(jù)捕獲目標(biāo)物的大小 給定 長(zhǎng)度為1 0 0 m m 的直桿 e f 為 半徑1 0 0 m m 圓弧 角度為9 0 便可在軟件中模擬該手爪的捕獲范圍 圖2 5 為 在v b 界面程序下模擬手爪在給定四桿機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)和角度位姿情況下手爪運(yùn)動(dòng)軌 跡模擬 7 1 由模擬圖可以看出在給定角度內(nèi)手爪開(kāi)合過(guò)程中不存在死角 轉(zhuǎn)動(dòng)靈 活自如 符合設(shè)計(jì)要求 圖2 5 手爪捕獲包絡(luò)空間示意圖 北京郵電人學(xué)碩士學(xué)位論文2 0 0 8 2 3 空間機(jī)器人捕獲手爪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2 3 1 間機(jī)器人捕獲手爪捕獲時(shí)靜力學(xué)分析 根據(jù)設(shè)計(jì)要求 手爪在捕獲目標(biāo)物后處于抱緊捕獲目標(biāo)狀態(tài) 且捕獲時(shí)指 白j 夾持力大于1 0 n 如下圖所示 根據(jù)各力之間的矢量關(guān)系 可得到如下表達(dá)式 e es i n 0 2 一島 2 2 7 e e c o s 0 2 一只 2 2 8 昂 墨c o s 0 o 9 0 2 2 9 圖2 6 手爪捕獲靜力分析圖 推導(dǎo)解得 昂 墨蘭型墮 型 罵要業(yè) 最 c t 鋤魄一0 3 c o s 幌一b 一蚶 2 3 0 s i n 0 2 一幺 一 17 根據(jù)上節(jié)手爪各角度設(shè)定 捕獲時(shí)島一1 5 0 時(shí) o l 3 2 2 1 o z 一1 1 4 4 2 當(dāng) 手爪閉合時(shí) 兩爪和捕獲目標(biāo)問(wèn)的夾持力e2 1 0 n 帶式 2 3 0 可解得 e o 苫1 2 3 7 n 2 3 2 減速機(jī)構(gòu)的選擇 減速機(jī)構(gòu)用來(lái)把電機(jī)的運(yùn)動(dòng)傳遞到傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 該手爪對(duì)減速機(jī)構(gòu)有以下幾項(xiàng) 基本要求 1 結(jié)構(gòu)緊湊 即具有相同的傳動(dòng)功率和減速比時(shí)體積小 重量輕 2 機(jī)械剛度大 即由驅(qū)動(dòng)器的輸出軸到桿件的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時(shí)角度變形要小 這樣可以提高整機(jī)的固有領(lǐng)率 并大大減輕整機(jī)的低頻振動(dòng) 3 回差小 即由 正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時(shí)空行程要小 這樣可以得到較高的位置控制精度 4 壽命長(zhǎng) 價(jià) 格低 下面介紹幾種機(jī)器人常用的減速機(jī)構(gòu) 1 絲杠傳動(dòng) 1 4 北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文2 0 0 8 絲杠傳動(dòng)有滑動(dòng)式滾珠式和靜壓式等機(jī)器人傳動(dòng)用的絲杠具備結(jié)構(gòu)緊湊間 隙小和傳動(dòng)效率高等特點(diǎn)其中最常用的為滾珠絲杠 滾珠絲杠的絲杠和螺母之間 裝了很多鋼球絲杠或螺母 運(yùn)動(dòng)時(shí)鋼球不斷循環(huán)運(yùn)動(dòng)得以傳遞因此即使絲杠的導(dǎo) 程角很小也能得到9 0 以上的傳動(dòng)效率 2 蝸桿傳動(dòng) 蝸桿傳動(dòng)由蝸桿蝸輪組成用來(lái)傳遞兩交錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力軸線交角通 常為9 0 蝸桿傳動(dòng)具有如下特性 傳動(dòng)平穩(wěn) 傳動(dòng)比大 效率較低 必要時(shí)可 設(shè)計(jì)成具有自鎖性能 不宜傳遞很大功率 一般小于6 0 k w 最大7 5 0 k w 和不宜作 長(zhǎng)期持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 蝸桿傳動(dòng)經(jīng)常被用在機(jī)器人關(guān)節(jié)處需要自鎖的地方 3 諧波減速器 諧波減速是利用一個(gè)構(gòu)件的可控制的彈性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的傳遞 諧波 減速器通常由三個(gè)基本構(gòu)件 俗稱三大件 組成 波發(fā)生器 柔輪 剛輪 諧波發(fā)生器通常采用凸輪或偏心安裝的軸承構(gòu)成 剛輪為剛性齒輪 柔輪為 能產(chǎn)生彈性變形的齒輪 當(dāng)諧波發(fā)生器年旋轉(zhuǎn)時(shí) 產(chǎn)生的機(jī)械力時(shí)柔輪變形的過(guò) 程形成了一條基本對(duì)稱的和諧曲線 發(fā)生器波數(shù)表示發(fā)生器轉(zhuǎn)一周時(shí) 柔輪某一 點(diǎn)變形的循環(huán)次數(shù) 其工作原理是 當(dāng)諧波發(fā)生器在柔輪內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí) 迫使柔輪發(fā) 生變形 同時(shí)進(jìn)入或退出剛輪的齒間 在發(fā)生器的短軸方向 剛輪與柔輪的齒間 處于嚙入或嚙出的過(guò)程 這種錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)把輸入運(yùn)動(dòng)變?yōu)檩敵龅臏p速運(yùn)動(dòng) 與一般齒輪傳動(dòng)相比 諧波傳動(dòng)有如下主要特點(diǎn) 1 傳動(dòng)比大 單級(jí)傳動(dòng) 比可為5 0 3 0 0 雙級(jí)傳動(dòng)比可達(dá)1 0 6 2 傳動(dòng)平穩(wěn) 承載能力高 在傳動(dòng)時(shí) 同時(shí)參與嚙合的齒數(shù)多 故傳動(dòng)平穩(wěn) 承載能力高 傳遞單位扭矩的體積和重量 小 在相同的工作條件下 體積可減小2 0 一5 0 3 齒面磨損小而均勻 傳動(dòng) 效率高 若正確選擇嚙合參數(shù) 則齒面的相對(duì)滑動(dòng)速度很低 因此磨損小 效率 高 當(dāng)結(jié)構(gòu)合理 潤(rùn)滑良好時(shí) 對(duì)i 1 0 0 的傳動(dòng)效率可達(dá)0 8 5 對(duì)i 7 5 的傳動(dòng) 效率可達(dá)0 9 2 傳動(dòng)效率隨著扭矩的增加而增加 而當(dāng)傳遞的扭矩比額定值小 于2 0 時(shí) 效率很快降低 4 傳動(dòng)精度商 在制造精度相同的情況下 諧波傳 動(dòng)的精度可比普通齒輪傳動(dòng)高一級(jí) 若齒面經(jīng)過(guò)很好的研磨 則諧波齒輪傳動(dòng)的 傳動(dòng)精度要比普通齒輪傳動(dòng)高4 倍 5 回差小 精密諧波傳動(dòng)回差一般可小于3 7 17 甚至可以實(shí)現(xiàn)無(wú)回差傳動(dòng) 6 可以通過(guò)密封壁傳遞運(yùn)動(dòng) 當(dāng)采用長(zhǎng)杯 式柔輪固定傳動(dòng)時(shí) 可實(shí)現(xiàn)向密封箱內(nèi)傳遞運(yùn)動(dòng) 這是其他傳動(dòng)機(jī)構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)的 硝皆波傳動(dòng)不能獲得中間輸出 并且杯式柔輪剛度較低 4 行星齒輪減速器 由于電動(dòng)機(jī)是高轉(zhuǎn)速 小力矩的驅(qū)動(dòng)器 而機(jī)器人通常卻要求低轉(zhuǎn)速 大力 矩 因此 常用行星齒輪機(jī)構(gòu)減速器來(lái)完成速度和力矩的變換與調(diào)節(jié) 行星齒輪 1 5 北京郵電人學(xué)碩士學(xué)位論文2 0 0 8 傳動(dòng)是一種具有動(dòng)軸線的齒輪傳動(dòng) 可用于減速和差動(dòng)裝置 行星齒輪傳動(dòng)和圓 柱齒輪傳動(dòng)相比具有質(zhì)量輕 體積小 傳動(dòng)比大 效率高等優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù) 雜 精度要求較高 行星齒輪傳動(dòng)不僅可做定傳動(dòng)比傳動(dòng) 減速器 也可做為 速度合成或分解的裝置 差速器 應(yīng)用日益廣泛 通過(guò)以上比較可以看出諧波減速器的減速效果要遠(yuǎn)比其他三種效果好 固在 此選擇諧波減速器作為減速機(jī)構(gòu) 設(shè)減速比為i 手爪閉合時(shí)整個(gè)過(guò)程中主動(dòng)桿轉(zhuǎn)過(guò)4 5 0 5 擬采用電機(jī)的轉(zhuǎn) 速為2 0 0 轉(zhuǎn) 分 則有以下表達(dá)式 2 0 0 旦 4 3 6 0 6 4 5 0 5 f 解得i 一1 0 6 5 故可選取x b 4 0 單級(jí)諧波傳動(dòng)減速器組件 1 5 n m 諧波減速器采用固體潤(rùn)滑方式 2 3 3 電機(jī)的選擇 2 3 1 減速比i 為1 0 0 額定輸出扭矩 機(jī)械手要在太空工作 通過(guò)安裝在衛(wèi)星上的太陽(yáng)能帆板直流電源比較容易獲 得 所以采用直流伺服系統(tǒng)1 8 9 1 常用的直流驅(qū)動(dòng)元件有步進(jìn)電機(jī) 力矩電機(jī) 直流有刷伺服電機(jī) 無(wú)刷直流伺服電機(jī)等 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件 它的輸入 量是脈沖序列 輸出量則為相應(yīng)的增量位移或步進(jìn)運(yùn)動(dòng) 它每轉(zhuǎn)一周具有固定的 步數(shù) 作連續(xù)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí) 其旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系 不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響 可以在很寬范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖頻率來(lái)調(diào)速 能夠快速起動(dòng) 反轉(zhuǎn)和制動(dòng) 通常不需要反饋就能進(jìn)行精確控制 誤差不會(huì)積累 其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 與數(shù)字設(shè)備兼容 因此 步進(jìn)電機(jī)被廣泛應(yīng)用于一些開(kāi)環(huán) 控制系統(tǒng)中 如簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床 送料機(jī)構(gòu) 儀器 儀表等領(lǐng)域 直流力矩電機(jī) 這是因?yàn)橹绷髁仉姍C(jī)具有優(yōu)良的速度控制性能具有較大的 轉(zhuǎn)矩 以克服傳動(dòng)裝置的摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩 調(diào)速范圍寬 且運(yùn)行速度平穩(wěn) 具有快速響應(yīng)能力 可以適應(yīng)復(fù)雜的速度變化 電機(jī)的負(fù)載特性硬 有較大的過(guò) 載能力 確保運(yùn)行速度不受負(fù)載沖擊的影響 直流有刷電機(jī)控制方便 響應(yīng)速度快 輸出轉(zhuǎn)矩大 并且線性性能較好 有 比較好的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性 并且控制電壓的大小和極性改變時(shí) 電機(jī)的轉(zhuǎn)速 和方向也能迅速改變 可以在很大范圍內(nèi)簡(jiǎn)單而平滑地調(diào)速 本課題驅(qū)動(dòng)裝置采用無(wú)刷直流電機(jī) 無(wú)刷直流電機(jī)具有直流有刷電機(jī)的各項(xiàng) 優(yōu)點(diǎn) 但無(wú)刷直流電機(jī)沒(méi)有碳刷與換向器 改用由轉(zhuǎn)子位置控制的換向電路 轉(zhuǎn) 1 6 北京郵電大學(xué)碩 學(xué)位論文2 0 0 8 子為永磁體 所以沒(méi)有激磁損耗的問(wèn)題 綜合效率高 并且電機(jī)可以做成密閉型 或防塵防爆型等結(jié)構(gòu) 機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好 調(diào)速范圍廣 壽命長(zhǎng) 維護(hù)方便噪聲小 不存在因電刷而引起的一系列問(wèn)題 所以很適合應(yīng)用于控制系 統(tǒng)中 1 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩計(jì)算 根據(jù)對(duì)四桿機(jī)構(gòu)抓取力要求計(jì)算減速器的輸出轉(zhuǎn)矩 機(jī)械手的抓取力要大于 1 0 n 根據(jù)之前對(duì)四桿機(jī)構(gòu)的力分析 左右手指的輸入力要大于1 2 3 7 n 設(shè)減速 器的輸出轉(zhuǎn)矩為r 則 t 一2 x 彤l 2 3 2 解得z 一2 2 3 所選電機(jī)應(yīng)該滿足下面的要求 z l0 l 叼 2 3 3 r 為諧波減速器輸出功率 i 為諧波 叩為諧波減速器的傳動(dòng)效率 r 取8 5 則電機(jī)的轉(zhuǎn)矩 則 r z 三 旦 0 0 2 6 2 n m n z l l f 叩 1 0 0 0 8 5 2 電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速計(jì)算 根據(jù)機(jī)械手的最大開(kāi)合時(shí)間小于4 s 的指標(biāo)要求 并根據(jù)諧波減速器的減速 比 確定出電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速 所選用的x b 4 0 單級(jí)諧波減速器減速比為1 0 0 手 爪從張開(kāi)到捕獲時(shí)所轉(zhuǎn)角度為4 5 0 5 故 n ox 3 6 0 x 4 4 5 0 5 2 3 4 1 0 0 6 0 解得 o1 8 7 7 r p m 3 電機(jī)輸出功率計(jì)算 電機(jī)功率公式為 p k t o n 2 3 5 瓦為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 七為安全系數(shù) 為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速 弧度 秒 將以上 參數(shù)帶入式 2 3 4 得 p 1 1 x 0 0 2 6 2 x 1 8 7 7 x 2 6 0 一0 5 7 w 1 7 北京郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文2 0 0 8 2 4 空間機(jī)器人捕獲手爪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 4 1 傳動(dòng)方案的選擇 機(jī)械手的傳動(dòng)方案就是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械手所需完成的動(dòng)作而采取傳動(dòng)類型 它 是設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)所應(yīng)考慮的最重要的特征 在具體設(shè)計(jì)該機(jī)械手運(yùn)動(dòng)方案時(shí) 可 以先從分析機(jī)械手特定的作業(yè)環(huán)境入手 考慮常用的機(jī)構(gòu)形式 然后綜合 得出 幾種可行性實(shí)現(xiàn)方案 最后進(jìn)行比較 篩選出最好的方案 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)和原理的不同 分為機(jī)械傳動(dòng) 液壓傳動(dòng)和氣壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 等 在太空失去重力 白晝溫差大 輻射強(qiáng)烈的環(huán)境下液壓 氣壓傳動(dòng)性能會(huì)明 顯低于在地球上的性能 固我們重點(diǎn)考慮機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是用于傳遞末端執(zhí)行裝置的能量 改變運(yùn)動(dòng)范圍 速度 方向 和轉(zhuǎn)矩的機(jī)構(gòu) 常用有齒輪減速機(jī)構(gòu) 滾珠絲杠等進(jìn)給機(jī)構(gòu) 齒輪齒條機(jī)構(gòu) 帶 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等 1 絲杠傳動(dòng) 絲杠傳動(dòng)主要是一種將螺旋回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng) 同時(shí)傳遞能量和力或 者調(diào)整零件位置的傳動(dòng)形式 按螺紋副摩擦性質(zhì)的不同 絲杠傳動(dòng)可以分為滑動(dòng) 絲杠 滾動(dòng)絲杠和靜壓絲杠三種形式 由于滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)的接觸面存在著較大的 滑動(dòng)摩擦阻力 故其傳動(dòng)效率低 一般為3 0 4 0 磨損快 精度不高 使用壽 命短 滾珠螺旋傳動(dòng)則是為了適應(yīng)高速度和高位置精度的機(jī)械傳動(dòng)要求而發(fā)展起 來(lái)的一種新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 滾動(dòng)傳動(dòng)與滑動(dòng)傳動(dòng)相比摩擦力要小的多 其機(jī)械效率 可以達(dá)到9 0 以上 但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜 靜壓螺旋傳動(dòng)摩擦阻力極小 傳動(dòng)效率可達(dá) 9 9 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜 成本高 2 同步齒形帶與帶傳動(dòng) 同步齒形帶 帶齒的皮帶 v 形帶 三角皮帶 平行帶 鏈 連桿等機(jī)構(gòu)都 是長(zhǎng)距離傳遞運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu) 同步齒形帶兼有帶傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng)及鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) 能方便地實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)中心距的傳動(dòng) 傳動(dòng)過(guò)程無(wú)相對(duì)滑動(dòng) 它與v 型帶相比不需 要很大的張緊 剛度更好 因?yàn)橛旋X的嚙合 所以傳動(dòng)效率較高 鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在 長(zhǎng)距離傳動(dòng)中有較高的剛度 但傳動(dòng)比不穩(wěn)定 且在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存在振動(dòng)噪音問(wèn) 題 3 齒輪傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用最為廣泛