電氣復(fù)合驅(qū)動(dòng)柔性欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),機(jī)械工程論文

電氣復(fù)合驅(qū)動(dòng)柔性欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),機(jī)械工程論文摘要：目的針對(duì)輕工業(yè)、食操行業(yè)中被抓取對(duì)象物性多樣、尺寸范圍較大等問題,設(shè)計(jì)一種通用的欠驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)械手。方式方法根據(jù)機(jī)械手需要知足的功能設(shè)計(jì)機(jī)械手構(gòu)造,運(yùn)用Matlab軟件中的Fsolve函數(shù)求解機(jī)械手中指節(jié)、指尖節(jié)相對(duì)轉(zhuǎn)角與筆形氣缸壓力的關(guān)系,并以此繪制機(jī)械手的工作空間圖,建立機(jī)械手的簡(jiǎn)化抓取模型,并以500mL的啤酒、160mL的可樂為抓取目的進(jìn)行機(jī)械手抓取計(jì)算。結(jié)果機(jī)械手的尺寸自適應(yīng)連續(xù)寬度范圍為0～200mm,在適應(yīng)被抓物體尺寸大小的同時(shí)能夠?qū)C(jī)械手與物體間的接觸力進(jìn)行精到準(zhǔn)確控制。結(jié)論設(shè)計(jì)的機(jī)械手抓取范圍較大,裝有扭彈簧的串聯(lián)雙鉸鏈構(gòu)造使機(jī)械手無需傳感器就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目的的可靠抓取。本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：機(jī)械手;抓取范圍;工作空間;抓取模型分析;Abstract：Theworkaimstodesignageneralunderactuatedflexiblemanipulator,withrespecttotheproblemthattheobjecttobegraspedinthelightindustryandfoodindustryhasvariousphysicalpropertiesandalargesizerange.Themanipulatorstructurewasdesignedaccordingtothefunctionthatthemanipulatorneededtomeet.TheFsolvefunctioninMatlabsoftwarewasusedtosolvetherelationshipbetweentherelativerotationangleofthemiddlefingerandfingertipofthemanipulatorandthepressureofthepen-shapedcylinder,basedonwhichtheworkspacedrawingofthemanipulatorwasdrawn.Thesimplifiedgrabmodelofthemanipulatorwasestablished,andthegrabcalculationofthemanipulatorwascarriedoutwith500mLbeerand160mLcolaasthegrabtargets.Thesizeadaptivecontinuouswidthrangeofthemanipulatorwas0-200mm,whichcouldaccuratelycontrolthecontactforcebetweenthemanipulatorandtheobjectwhileadaptingtothesizeoftheobjecttobegrasped.Thedesignedmanipulatorhasalargegrabrange,andtheseriesdoublehingestructureinstalledwithtorsionspringenablesthemanipulatortoachievereliablegrabbingofthetargetwithoutsensors.Keyword：manipulator;grabrange;workspace;grabmodelanalysis;針對(duì)輕工、農(nóng)產(chǎn)操行業(yè)在分揀、包裝、搬運(yùn)[1,2,3,4,5]等環(huán)節(jié)中被抓取對(duì)象尺寸范圍大、物性變化大、形狀多變等問題[6],急需抓取復(fù)雜對(duì)象的機(jī)械手。由Laval大學(xué)和加拿大MDROBOTICS公司合作開發(fā)的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手[7],該機(jī)械手有3個(gè)手指,每個(gè)手指由3個(gè)指節(jié)組成,靠彈簧的彈性變形來適應(yīng)物體的形狀與大小。該機(jī)械手無法控制機(jī)械手手指與被抓物體間的接觸力,抓取時(shí)可能會(huì)毀壞被抓物體外表。美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)所研發(fā)Modular機(jī)械手[8]有26個(gè)關(guān)節(jié),該機(jī)械手能夠?qū)?fù)雜對(duì)象進(jìn)行可靠的抓取。擬人機(jī)械手價(jià)格昂貴、維護(hù)成本大,不太適用于輕工、食操行業(yè)。文中提出的柔性欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手有2個(gè)驅(qū)動(dòng),步進(jìn)電機(jī)精到準(zhǔn)確控制機(jī)械手的指根節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度能夠使機(jī)械手具有很大的尺寸適應(yīng)性,氣缸推動(dòng)含扭彈簧鉸鏈[9,10]的彈性協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng),能夠知足抓持力需求。該機(jī)械手無需傳感器就能夠精到準(zhǔn)確地控制物體與機(jī)械手手指間的接觸力且機(jī)械手對(duì)被抓取物體形狀、尺寸適應(yīng)性好。1機(jī)械手構(gòu)造及工作原理機(jī)械手構(gòu)造示見圖1,機(jī)械手構(gòu)造主要由驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)構(gòu)造和手指構(gòu)造2個(gè)部分組成。圖1機(jī)械手構(gòu)造Fig.1Manipulatorstructure1.絲桿步進(jìn)電機(jī)2.電機(jī)固定盤3.支撐導(dǎo)柱4.絲桿螺母5.直線軸承6.運(yùn)動(dòng)盤7.推桿固定板8.推桿9.手指座10.二力桿11.單耳座12.L型板13.指根節(jié)14.帶雙耳座筆形氣缸15.中指節(jié)16.雙耳座連接件17.防反轉(zhuǎn)限位板18.指尖節(jié)19.小扭彈簧20.大扭彈簧21.防滑橡膠條22.帶座軸承23.手指固定盤驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)構(gòu)造:電機(jī)固定盤2與手指固定盤23通過2根支撐導(dǎo)柱3連接,支撐導(dǎo)柱3穿過運(yùn)動(dòng)盤6上的直線軸承5;絲桿步進(jìn)電機(jī)1通過螺釘固定在電機(jī)固定盤2上,絲桿的末端固定在手指固定盤23的帶座軸承22上,絲桿步進(jìn)電機(jī)1的絲桿通過絲桿螺母4與運(yùn)動(dòng)盤6連接;推桿固定板7通過螺釘固定在運(yùn)動(dòng)盤6上,推桿8的一端車出螺紋通過螺母固定在推桿固定板7上,二力桿10的一端與推桿8通過銷軸連接,二力桿10的另一端通過銷軸與單耳座11連接,單耳座11通過螺釘固定在指根節(jié)13上;帶雙耳座筆形氣缸14的雙耳座部分與單耳座通過銷軸連接,單耳座通過螺釘固定在L型板12上,雙耳座連接件16的螺紋孔與帶雙耳座筆形氣缸14的螺紋部分配合,雙耳環(huán)連接件16與單耳座通過銷軸連接。手指構(gòu)造:機(jī)械手的3個(gè)柔性手指呈120分布,每個(gè)柔性手指由3個(gè)指節(jié)組成。手指座9通過螺釘固定在手指固定盤22上,指根節(jié)13通過銷軸與手指座9連接,中指節(jié)15通過銷軸與指根節(jié)13連接,指尖節(jié)18通過銷軸與中指節(jié)連接,中指節(jié)15、指尖節(jié)18的銷軸上分別裝有小扭彈簧19和大扭彈簧20,防反轉(zhuǎn)限位板18通過螺釘固定在中指節(jié)15上,3個(gè)指節(jié)的內(nèi)側(cè)均裝有防滑橡膠條21。工作原理:絲桿步進(jìn)電機(jī)1帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng),由于支撐導(dǎo)柱3對(duì)絲桿螺母4有限制作用,絲桿螺母4帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)盤6上下運(yùn)動(dòng),進(jìn)而帶動(dòng)推桿8運(yùn)動(dòng),改變指根節(jié)13和手指座9的夾角。絲桿步進(jìn)電機(jī)1正轉(zhuǎn),帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)盤6向下運(yùn)動(dòng),進(jìn)而推桿向下運(yùn)動(dòng)使得指根節(jié)13與手指座9間的夾角增大,絲桿電機(jī)1反轉(zhuǎn),指根節(jié)13與手指座9間的夾角變小;氣缸壓力增大推動(dòng)手指克制小扭彈簧19的彈性力,中指節(jié)15開場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng),氣缸壓力繼續(xù)增大推動(dòng)手指克制小扭彈簧19、大扭彈簧20的彈性力,中指節(jié)15、指尖節(jié)18開場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)。絲桿步進(jìn)電機(jī)1驅(qū)動(dòng)指根節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)定角度,氣缸壓力到達(dá)預(yù)定值,機(jī)械手抓持物體。電機(jī)斷電螺桿螺母機(jī)構(gòu)自鎖、同時(shí)筆形氣缸保壓,能夠保持抓持力不變。2機(jī)械手單個(gè)手指的工作空間計(jì)算機(jī)械手尺寸:指根節(jié)長(zhǎng)度l1=60mm,中指節(jié)長(zhǎng)度l2=65mm,指尖節(jié)長(zhǎng)度l3=60mm,L型板到鉸鏈中心B的距離c=30mm,L型板的高度h=35mm,指尖節(jié)圓弧部分r=25mm,手指座安裝中心距L=50mm。扭彈簧參數(shù):大扭彈簧剛度k1=0.29944Nm/rad,小扭彈簧剛度k2=0.11727Nm/rad,大扭彈簧預(yù)緊角01=0.65958rad,小扭彈簧預(yù)緊角02=0.13640rad。機(jī)械手單個(gè)手指簡(jiǎn)化力學(xué)模型見圖2,A點(diǎn)為手指座鉸鏈中心,B,C2點(diǎn)為2個(gè)鉸鏈的中心,以通過機(jī)械手手掌中心的垂線為y軸、過A點(diǎn)的水平線為x軸,建立坐標(biāo)系。計(jì)算機(jī)械手空載運(yùn)動(dòng)[11,12]經(jīng)過中臨界轉(zhuǎn)動(dòng)氣壓:圖2機(jī)械手單個(gè)手指簡(jiǎn)化力學(xué)模型Fig.2Simplifiedmechanicalmodelofmanipulatorssinglefinger式中:F為氣缸的推力;S為筆形氣缸2個(gè)安裝中心的距離;為氣缸軸線與L形板間的夾角;3為指根節(jié)與x軸構(gòu)成的夾角;2為中指節(jié)與指根節(jié)的相對(duì)轉(zhuǎn)角;1為指尖節(jié)與中指節(jié)構(gòu)成的相對(duì)轉(zhuǎn)角。假設(shè)中指節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0時(shí),求解氣缸的推力為k11/c;帶入數(shù)據(jù)得指尖節(jié)臨界轉(zhuǎn)動(dòng)氣壓為p1=0.08382MPa。假設(shè)指尖節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0時(shí),求解氣缸的推力為k22/(c-12sin(-/2));帶入數(shù)據(jù)得中指節(jié)節(jié)臨界轉(zhuǎn)動(dòng)氣壓為p2=0.00581MPa。由于中指節(jié)的臨界轉(zhuǎn)動(dòng)氣壓p2小于指尖節(jié)的臨界轉(zhuǎn)動(dòng)氣壓p1,所以中指節(jié)比指尖節(jié)先轉(zhuǎn)動(dòng)。計(jì)算只要中指節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度:計(jì)算指尖節(jié)在中指節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下的臨界轉(zhuǎn)動(dòng)氣壓:用Matlab軟件的中的Fsolve函數(shù)計(jì)算得:在氣壓為0.08993MPa時(shí)指尖節(jié)開場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)中指節(jié)相對(duì)轉(zhuǎn)角為0.73001rad。計(jì)算中指節(jié)、指尖節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度:根據(jù)計(jì)算公式繪制機(jī)械手指尖節(jié)、中指節(jié)相對(duì)轉(zhuǎn)角與氣壓的關(guān)系見圖3。圖3機(jī)械手中指節(jié)、指尖節(jié)相對(duì)轉(zhuǎn)角與氣壓的關(guān)系Fig.3Relationshipbetweentherelativeangleofthephalanxandthefingertipofthemanipulatorandtheairpressure根據(jù)機(jī)械手與物體接觸點(diǎn)坐標(biāo)與氣壓、指根角間的關(guān)系繪制機(jī)械手工作空間[13]見圖4。圖4機(jī)械手工作空間Fig.4Manipulatorworkspace3機(jī)械手指尖捏取圓柱模型分析及實(shí)物抓取計(jì)算3.1機(jī)械手單個(gè)手指抓取物體靜載力學(xué)模型機(jī)械手靜載經(jīng)過:機(jī)械手指根節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)到計(jì)算的角度,筆形氣缸壓力增大,中指節(jié)、指尖節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)[14]。機(jī)械手接觸被抓物體且接觸力不斷增大,到達(dá)預(yù)定壓力機(jī)會(huì)械手與被抓物體間的接觸力到達(dá)所設(shè)的預(yù)定值。機(jī)械手靜載受力分析見圖5。圖5機(jī)械手單個(gè)手指靜載受力分析Fig.5Staticloadforceanalysisofmanipulatorssinglefinger根據(jù)機(jī)械手幾何關(guān)系,接觸力N對(duì)鉸鏈中心B的力臂:接觸力N對(duì)鉸鏈中心C的力臂:抓取對(duì)象為半徑為R的圓柱:3.2機(jī)械手抓取物體懸停力學(xué)模型機(jī)械手懸停狀態(tài):機(jī)械手與被抓物體間的接觸力到達(dá)預(yù)定值,勻速提起被抓物體。由于被抓物體的重力作用,機(jī)械手與被抓物體間的接觸力與接觸點(diǎn)位置發(fā)生變化。機(jī)械手懸停受力分析見圖6。根據(jù)機(jī)械手幾何關(guān)系,摩擦力f對(duì)指尖節(jié)鉸鏈中心的力臂:摩擦力f對(duì)中指節(jié)鉸鏈中心的力臂:圖6單個(gè)手指懸停受力分析Fig.6Hoverforceanalysisofasinglefinger3.3灌裝飲料抓取驗(yàn)證常見灌裝飲料規(guī)格見表1。表1常見飲料規(guī)格Tab.1Commonbeveragespecifications以抓取500mL容量的啤酒、160mL容量的可樂為抓取對(duì)象。對(duì)2種灌裝飲料稱量得:500mL的啤酒的質(zhì)量約為0.521kg,160mL的可樂約為0.172kg。鋁制飲料罐與橡膠的摩擦因數(shù)為0.61[15]。取安全系數(shù)s為1.2。抓取500mL啤酒所需的接觸力為:m1gs/(3),帶入數(shù)據(jù)得所需接觸力為3.34485N。抓取160mL可樂所需的接觸力為:m2gs/(3),帶入數(shù)據(jù)得所需接觸力為1.10531N。抓取對(duì)象為500mL的啤酒時(shí),機(jī)械手抓取半徑為32.5mL、接觸力為3.4N;抓取對(duì)象為160mL的可樂時(shí),機(jī)械手抓取半徑為27mL、接觸力為1.2N。使用Matlab軟件的Fsolve函數(shù)進(jìn)行計(jì)算:抓起160mL可樂飲料時(shí):機(jī)械手所需最小氣壓為0.16MPa,指根節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為1.290729,中指節(jié)相對(duì)角度為0.530501rad,指尖節(jié)相對(duì)角度為0.120921rad;抓起500mL啤酒時(shí),機(jī)械手所需最小氣壓為0.2MPa,指根節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為1.549433,中指節(jié)相對(duì)轉(zhuǎn)角為0.109601rad,指尖節(jié)相對(duì)轉(zhuǎn)角為0.121713rad。4討論1)分析文中各計(jì)算公式,其基本構(gòu)成均為一次正余弦函數(shù),所以方程組的解是連續(xù)的。2)數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用能夠保證機(jī)械手零部件的加工精度,但同一批次的扭彈簧由于材料、制造誤差以及熱處理等原因會(huì)存在一定的誤差,取扭彈簧參數(shù)誤差為10%。3)扭彈簧的剛度及初始角(預(yù)緊角)為影響機(jī)械手抓取性能的主要參數(shù)。分析扭彈簧參數(shù)的4種極限狀態(tài)(小扭彈簧、大扭彈簧參數(shù)均取最大值;小扭彈簧、大扭彈簧參數(shù)均取最小值;小扭彈簧參數(shù)取最大值、大扭彈簧參數(shù)取最小值;小扭彈簧參數(shù)取最小值、大扭彈簧參數(shù)取最大值)對(duì)機(jī)械手的影響。扭彈簧參數(shù)4種極限狀態(tài)對(duì)機(jī)械手工作空間的影響見圖7。分析圖7可得,扭彈簧參數(shù)的誤差對(duì)機(jī)械手工作空間影響不大,機(jī)械手抓取寬度、抓取高度范圍變化很小。扭彈簧參數(shù)4種極限狀態(tài)對(duì)機(jī)械手抓取160mL可樂飲料、500mL啤酒時(shí)的預(yù)定接觸力的影響見表2。使用Matlab軟件的Fsolve函數(shù)計(jì)算:抓取500mL啤酒飲料罐時(shí),控制筆形氣缸氣壓為0.2MPa,指根節(jié)角度為1.549433rad;抓取160mL啤酒飲料罐時(shí),控制筆形氣缸氣壓為0.16MPa,指根節(jié)角度為1.290729rad。圖7扭彈簧參數(shù)4種極限狀態(tài)機(jī)械手工作空間Fig.7Manipulatorworkspacemapinfourlimitstatesoftorsionspringparameters表2抓取2種規(guī)格飲料罐時(shí)接觸力隨扭彈簧參數(shù)變化Tab.2Changeofcontactforcewithtorsionspringparameterswhengrabbingthebeveragecansoftwospecifications由上可得出結(jié)論:大、小扭彈簧參數(shù)均取最大值時(shí)接觸力最小,大、小扭彈簧參數(shù)均取最小值時(shí)接觸力最大。由于扭彈簧參數(shù)的誤差,導(dǎo)致抓取500mL啤酒飲料罐時(shí),機(jī)械手與飲料罐間的接觸力偏差為-1.37%～1.16%。由于扭彈簧參數(shù)的誤差,導(dǎo)致抓取160mL可樂飲料罐時(shí),機(jī)械手與飲料罐間的接觸力偏差為-8.64%～7.84%。扭彈簧參數(shù)的誤差會(huì)影響機(jī)械手對(duì)物體的抓取,需要在安裝大、小扭彈簧前測(cè)定扭彈簧的實(shí)際值,并根據(jù)實(shí)際值更新機(jī)械手的計(jì)算公式。5結(jié)束語(yǔ)電氣復(fù)合驅(qū)動(dòng)柔性欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手,指根節(jié)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、筆形氣缸推動(dòng)2個(gè)含扭彈簧的指節(jié)協(xié)調(diào)轉(zhuǎn)動(dòng)。指根節(jié)的精到準(zhǔn)確調(diào)整使得機(jī)械手具有很好的尺寸適應(yīng)性,帶扭彈簧的串聯(lián)雙鉸鏈構(gòu)造能夠很好地控制機(jī)械手與被抓物體間的接觸力。機(jī)械手配合視覺系統(tǒng)在無需傳感器的條件下就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜對(duì)象進(jìn)行可靠抓取。以下為參考文獻(xiàn):[1]WANGKe,ZHOUJi-ping.KineaticalAnalysisandSimulationofHigh-speedPlateCarryingManipulatorBasedonMATLAB[J].MechanicalDesignandManufacturingEngineering,2020,4(12):850-856.[2]李國(guó)昌,趙成,李蕊,等.某自動(dòng)化流水線搬運(yùn)機(jī)械手的仿真與試驗(yàn)分析[J].包裝工程,2021,39(15):166-172.LIGuo-chang,ZHAOCheng,LIRui,etal.SimulationandExperimentalAnalysisofaAutoProductionLineHandlingManipulator[J].PackagingEngineering,2021,39(15):166-172.[3]童俊華,程培林,武傳宇,等.堆聚態(tài)采血針管自動(dòng)分料拾取機(jī)械手研究[J].包裝工程,2021,39(3):124-129.TONGJun-hua,CHENGPei-lin,WUChuan-yu,etal.ResearchonAutomaticSortingandPickingManipulatorforStackedPolymericLancetTubes[J].PackagingEngineering,2021,39(3):124-129.[4]張碧濤,何衛(wèi)鋒.一種包裝堆垛機(jī)械手的構(gòu)造優(yōu)化[J].包裝工程,2021,38(7):142-145.ZHANGBi-tao,HEWei-feng.StructuralOptimizationofaPackagingandStackingManipulator[J].PackagingEngineering,2021,38(7):142-145.[5]張聰.罐頭裝箱組合式機(jī)械手設(shè)計(jì)[J].包裝工程,2021,37(19):163-167.ZHANGCong.DesignofCannedPackingCombinedManipulator[J].PackagingEngineering,2021,37(19):163-167.[6]田志偉.一種可變約束欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的設(shè)計(jì)研究[D].無錫:江南大學(xué),2021.TIANZhi-wei.DesignandResearchofaVariableConstrainedUnderact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