鋼絲繩傳動四自由度機械臂的機構設計

1、鋼絲繩傳動四自由度機械臂的機構設計智能工程陶 俊, 袁建軍, 張偉軍, 萬志成(上海交通大學機械與動力工程學院, 上海200240M echanical Design of 4Degrees of Freedom Wire Driving Robot ArmTAO Jun, YUA N Jian -jun, ZHANG Wei -jun, WA N Zhi -cheng(School of M echanical Engineering , Shanghai Jiao T ong U niversit y, Shanghai 200240, China摘要:提出一種用于物流系統(tǒng)的四自由度機械臂

2、解決方案, 并對該機械臂的工作原理和具體設計進行了詳細討論。該機械臂主要由一種簡潔高效的鋼絲繩傳動機構構成, 它將驅(qū)動裝置安裝到遠離相關關節(jié)的基座上, 使得整個機械臂的結構緊湊、整潔, 在減輕機械臂整體重量的同時提高了對外做功的能力。此外, 還設計了一種簡單并易于操作的張緊力調(diào)節(jié)裝置, 可以確保鋼絲繩處于充分的張緊狀態(tài), 從而克服了鋼絲繩傳動精度不高的問題。關鍵詞:機械臂; 機構設計; 鋼絲繩傳動機構; 張緊力調(diào)節(jié)裝置中圖分類號:T P241. 2文獻標識碼:A文章編號:1001-2257(2008 01-0031-03Abstract:This paper pr esented a so l

3、ution of 4degrees of freedo m robot arm w hich is used in ma -terials handling system , and detailedly discussed a -bout the w orking principle and design of the ro bot ar m. T he robot arm is mainly designed w ith a sim -ple and efficient w ire driving structur e, so that all the driving components

4、 can be configured o n the fix ed base w hich is far aw ay fro m the relativ e joints. With this design, not only the structure o f robot arm becomes com pact and simple, but also the entir e w eight is dro pped. At the sam e time, the output pow er to do w ork is increased relatively. In addition,

5、w e also develop a novel w ire tension ad -justm ent mechanism, w hich is very simple and easy to operate. It assur es that the rigidity of w ire can be impr oved to a cer tain extent. T her efore, the pro blem of the end displacem ent accuracy o f ro bot收稿日期:2007-09-19基金項目:上海市浦江人才計劃資助項目(07pj14056ar

6、m is perfectly solv ed.Key words:robot arm; mechanical desig n; w ire driving m echanism; w ir e tensioner0 引言傳統(tǒng)的工業(yè)機器人或者應用于特殊環(huán)境的機械臂關節(jié)普遍采用電機、齒輪減速器、關節(jié)軸三者直接連接的傳動機構1, 這種機構要求電機與齒輪減速器安裝在機械臂關節(jié)附近, 機構簡單但是結構不夠緊湊, 外觀不整潔。尤其突出的缺點是:對于多關節(jié)機械臂, 尤其是重力方向存在多關節(jié)運動能力的折疊展開型機械臂, 下一級關節(jié)的電機與齒輪減速器等驅(qū)動裝置成為上一級關節(jié)的額外負載。這一額外負載帶來的負面影響

7、往往超過機械臂連桿等必要結構件, 因此提高了對機械臂動力和驅(qū)動元件的要求, 由此造成整體重量、體積、造價和內(nèi)部消耗的增加, 降低了機械臂對外做功的能力和效率。按照/最輕自身重量最大負載能力0原則2, 對機械臂機械結構所作的各種改進研究中3-4, 最具有突出效果的是鋼絲繩傳動機構。這其中比較著名的有廣瀨茂男等人研制的四足步行機器人T I -TAN-VIII 。但是, 在傳動張力方面也存在一些不足之處, 為更好地發(fā)揮鋼絲繩傳動的優(yōu)點, 解決機構剛性不足、末端精度不高等問題, 本文設計的機械臂使用了一種能夠控制鋼絲繩有效長度變化和提高機械臂末端精度的傳動機構, 并配備操作簡便的張緊力調(diào)節(jié)裝置來保證鋼

8、絲繩的張緊。該機械臂可以應用到物流等領域、或者作為教學科研演示平臺進行推廣。75-61 四自由度機械臂的整體結構在此討論的四自由度機械臂面向中小型物流系5統(tǒng)應用。其基本的設計要求為:實用、有相對大的作業(yè)空間, 抓取重量不小于2. 5kg, 具有不大于10mm 的重復定位精度, 自身重量輕及外觀整潔。綜合考慮如上文所述關于機械臂的先行研究之后, 確定四自由度機械臂的整體結構方案如下:a. 出于操作便捷實用的考慮, 設計腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部回轉(zhuǎn)4個自由度, 整體采用重力方向折疊展開型結構, 大臂俯仰與小臂俯仰為一組平面自由度, 如圖1所示。采用對稱結構放置在機械臂基座部分; 腕部所需

9、扭矩小, 使用驅(qū)動裝置內(nèi)嵌式設計(小臂方管內(nèi)部 ; 鋼絲繩傳動機構、所有傳感元件和動力控制電纜均采用內(nèi)嵌式設計, 布置在大小臂方管內(nèi)部; 以上保證機械臂的整潔外觀, 詳見使用Pro/E 三維建模設計軟件生成的效果如圖2所示。圖2 P ro/E 建模完成的整體結構大臂俯仰通過電機2和蝸輪蝸桿減速裝置直接驅(qū)動來實現(xiàn); 小臂俯仰通過電機3和蝸輪蝸桿減速裝置驅(qū)動經(jīng)鋼絲傳動機構實現(xiàn)。利用渦輪蝸桿自鎖特性防止突發(fā)事件對物流系統(tǒng)的影響。遵循以上設計討論研制的第一臺樣機實物如圖3所示, 經(jīng)實驗圖1 機械臂整體結構確認, 運動性能和末端重復定位精度均能達到設計指標, 自身重量和負載能力分別為12kg 和3kg

10、。b. 考慮到機械臂主要作業(yè)空間為前方偏下的特點, 配置各個關節(jié)角度、臂長和總伸展長度如表1所示。機械臂可動空間為圖1虛線范圍(只顯示重力方向截面 , 其中深色部分為機械臂主要作業(yè)空間。表1 各項參數(shù)范圍及取值參 數(shù)H 1H 2H 3H 4L 1, L 2, L 3伸展長度總重負載取 值280b (-140b 140b 150b (-10b 140b 180b (30b 210b 300b (-150b 150b 64mm , 350mm , 350mm700mm 12k g 3k g圖3 四自由度機械臂樣機實物2 四自由度機械臂具體機構設計2. 1 鋼絲繩傳動機構設計機械手臂主要通過鋼絲繩傳

11、動機構, 把小臂俯仰關節(jié)的電機和齒輪減速器等額外負載放置在機械臂基座部分, 從而減輕了對其它關節(jié)驅(qū)動元件的要求及機械臂整體的功耗, 降低了機械臂自身重量, 增加了其對外做功的能力和效率。如圖4所示, 大小臂都為中空筒狀, 小臂驅(qū)動軸設計V 形螺旋滾輪結構纏繞鋼絲繩, 小臂驅(qū)動軸兩端通過軸承安裝在大臂根部, 軸線與大臂的長度方向保持垂直并使小臂驅(qū)動軸的V 形螺旋滾輪位于大臂內(nèi)部。大臂驅(qū)動軸固定在大臂根部, 與小臂驅(qū)6 c. 從機械臂負載能力以及各關節(jié)驅(qū)動裝置配備角度考慮, 為盡量獲得最輕自身重量與最大負載能力, 使用鋼絲繩傳動機構, 將小臂俯仰驅(qū)動裝置通過該機構放置到機械臂基座部分, 從而降低對

12、大臂關節(jié)的驅(qū)動裝置的要求, 提高對外做功能力。而腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰2個自由度, 由于本身的驅(qū)動裝置靠近機械臂基座, 仍舊采用普通設計方案。d. 腰部回轉(zhuǎn)關節(jié)1放置于基座中心, 其驅(qū)動裝置置于基座內(nèi)部; 大小臂均使用空心鋁合金方管連接, 在減輕重量的同時獲得高強度; 大小臂驅(qū)動裝置動軸保持同軸。小臂從動軸與小臂根部固定連接, 兩端通過軸承安裝在大臂頂部, 同樣也設計V 形螺旋滾輪結構纏繞鋼絲繩。小臂從動軸的軸線與小臂驅(qū)動軸的軸線保持平行。鋼絲繩纏繞在兩者的V 形槽輪之間, 端部通過固定板固定在小臂上。對角度同比例發(fā)生變化, 因而小臂的絕對姿態(tài)將保持不變。必須通過大小臂同步聯(lián)動控制才可以保持兩者的

13、相對角度不變。2. 2 鋼絲繩張緊力調(diào)節(jié)裝置鋼絲繩傳動機構受負載影響容易出現(xiàn)松弛, 存在精度難控等缺點。能否有效便捷地調(diào)整張緊力, 成為鋼絲繩傳動機構精度控制的關鍵。TITAN -VIII 使用的張緊力調(diào)節(jié)裝置, 不足之處在于鋼絲繩末端的調(diào)整不能直接反映有效長度范圍內(nèi)的張緊力。因此提出新型鋼絲繩張緊裝置, 其結構如圖7所示。該裝置為雙線鋼絲繩調(diào)整。圖4 機械臂的機構原理如圖5所示, 設計2個V 形槽螺旋滾輪具有相同的旋向, 令兩者直徑D 1, D 2與導程P 1, P 2滿足P 1#D 2=P 2#D 1, 即兩者具有相同的螺旋升角。假設鋼絲繩處于繃緊狀態(tài), 螺旋滾輪發(fā)生滾動時, 由于鋼絲繩的

14、旋入長度必然等于旋出長度, 則鋼絲繩有效長度范圍內(nèi)沿2個滾輪軸向偏移的距離也必然相等, 即隨著滾輪滾動, 鋼絲繩有效長度發(fā)生平行偏移。這意味著鋼絲繩的有效長度不會發(fā)生變化, 因而解決了T ITAN-VIII 機構鋼絲繩傳動的問題。圖7 鋼絲繩張緊調(diào)節(jié)裝置結構張緊裝置整體內(nèi)嵌在大臂內(nèi)部, 小臂驅(qū)動軸和小臂從動軸之間。固定塊固定安裝在大臂內(nèi)部, 推力桿安裝在2個固定塊之間, 可以沿固定塊的滑道滑動。調(diào)整螺栓一端安裝在固定塊上, 一端連接推力桿。在大臂外部通過擰動調(diào)整螺栓即可改變推力桿和固定塊之間的相對位置, 在推力桿上自由滾動圖5 鋼絲繩纏繞解決方案與有效工作長度的變化在具體設計中, 為降低制造成

15、本和實現(xiàn)難度, 2個滾輪的直徑和導程均取相同的參數(shù)。機構的剛性和機械臂末端重復定位精度都得到實質(zhì)性的改善。此外, 需要注意的是鋼絲繩傳動機械臂機構(圖2 與圖6所示平行四邊形連桿機構類似。當只對電機2通電使大臂發(fā)生轉(zhuǎn)動時, 小臂與大臂之間的相的槽輪推動鋼絲繩從而實現(xiàn)張緊力調(diào)整。其優(yōu)點是調(diào)整方便、易于操作。且將調(diào)整螺栓安裝在距離推力桿較遠的一端, 使鋼絲繩張緊時張力的合力對調(diào)整螺栓產(chǎn)生一個壓緊固定塊的作用力, 從而實現(xiàn)張緊力調(diào)節(jié)裝置內(nèi)部的力平衡。3 結束語四自由度機械臂采用鋼絲繩傳動機構將驅(qū)動裝置放置到機械臂基座上, 通過內(nèi)嵌式等結構設計獲得簡單整潔的外觀。該機械臂不僅實現(xiàn)重量輕、對外做功能力大

16、等性能指標要求, 自重與負載能力比圖6 類似的平行四邊形手臂機構5達到4B 1, 而且具有制造簡單造價低等優(yōu)點, 有利基于數(shù)據(jù)挖掘的柴油機磨損故障診斷Petri 網(wǎng)絡模型王南蘭(湖南文理學院電氣系, 湖南常德415000Pet ri N et M odel of Diesel Eng ine Wear Fault Diag nosis Based on Data M iningWANG Nan -lan(Elect rical Eng ineering D epar tment o f Hunan U niv ersity of A r ts and Sciences, Chang de 41

17、5000, China摘要:首先利用數(shù)據(jù)挖掘中的粗糙集理論對鐵譜磨損模式進行了簡化, 再建立發(fā)動機磨損故障診斷的模糊Petr i 網(wǎng)模型, 該模型將模糊啟發(fā)式規(guī)則的表示和診斷能力融為一體, 完成不確定性知識和過程性的模糊診斷推理, 并通過簡單的矩陣運算快速獲得了診斷結果。M atlab 的仿真結果證明, 該方法在信息不完善或不準確的情況下, 對柴油機磨損故障診斷是有效的。收稿日期:2007-07-27基金項目:湖南省教育廳基金項目(04c414關鍵詞:柴油機; 磨損; 粗糙集; 模糊Petr i 網(wǎng); 故障診斷中圖分類號:TK427文獻標識碼:A文章編號:1001-2257(2008 01-0

18、034-04Abstract:First m odified the m odel library of the diesel engine w ear patterns by r oug h sets of da -ta mining , then established the fuzzy petr i net mod -el of diesel eng ine w ear fault diagnosis. T his mo del m erg es the ex pr ession of the fuzzy heuristic rule于工業(yè)推廣普及。通過新型內(nèi)嵌式鋼絲繩張緊裝置可對張緊

19、力進行現(xiàn)場調(diào)節(jié), 解決了鋼絲繩傳動存在的各種問題, 有效地提高了機械臂重復定位精度。此鋼絲繩傳動機械臂為第一臺原理樣機。只在一個關節(jié)上使用單線鋼絲繩傳動。今后將根據(jù)應用環(huán)境的復雜化要求, 深入研究使用多線鋼絲繩傳動機構, 完成五自由度甚至是六自由度機械手的設計開發(fā), 以提高機械手的運動性能。參考文獻:1 Q iao R, Xia T , Y ang R , Xu Z. Desig n o f a ter rain tent a -tiv e sensing machine/senso r fo r a mobile robot J. In -ternatio nal Jour nal of A

20、 dv anced M anufacturing T ech -no lo gy , 2006, 27(5-6 :588-592.2 潘沛霖, 楊 宏, 高 波, 吳偉光. 四自由度折疊式機械手的結構設計與分析J. 哈爾濱工業(yè)大學學報, 1994, 26(4 :90-95.3 K ato K , H iro se S. Development o f quadruped walkingr obot, T IT A N -IX -mechanical desig n co ncept and ap -plication for the humanitarian demining r obotJ. A d -vanced Ro bo tics, 2001, 15(2 :191-204.4 H odoshima R , Do i T , Fukuda Y , H irose S, OkamotoT , M o ri J. Develo pment of T IT AN XI:a quadruped w alking r obot to wo rk on slopes -Design of system and mechanismA . Pro c. Int. Conf. o n Intelligent R o -b