一種多關(guān)節(jié)式機械機械機構(gòu)的設(shè)計

一種多關(guān)節(jié)式機械機械機構(gòu)的設(shè)計

1驅(qū)動單元問題多關(guān)節(jié)手臂的良好性能在多個行業(yè)得到了廣泛應用。然而，這項研究遇到了許多困難，尤其是手臂的重量。關(guān)節(jié)多而長的機械手臂由于龐大的重量而難以在實踐中推廣應用,而重量問題中的瓶頸問題是驅(qū)動單元問題。目前驅(qū)動的主體是電機,而電機的重量又是一個待解決的問題,電機的安裝位置及其數(shù)量則是直接影響因素,在傳統(tǒng)的多個關(guān)節(jié)式手臂設(shè)計中都是把電機固定在關(guān)節(jié)上,以驅(qū)動手臂。對一個長而且較重的多關(guān)節(jié)手臂,這樣一種結(jié)構(gòu)是無法獲得應用的,并且由于運動慣性的加大,過沖量的加大,在運動規(guī)劃中必然造成控制器設(shè)計復雜化。本文設(shè)計了一種由同步帶傳輸動力的新型傳動機構(gòu),僅用兩個電機帶動多個關(guān)節(jié),并將電機下置,有效解決了上述問題。2提高織物的靈活性本文機械手臂設(shè)計的主要思路是將動力裝置下載至底座,由同步帶將動力傳遞給各關(guān)節(jié),在關(guān)節(jié)處設(shè)置有離合、制動裝置,提高了手臂的靈活性和空間的柔性運動。如圖-1所示為其機構(gòu)簡圖。其自由度F=3n-2p1=4(活動臂個數(shù)n=4;回轉(zhuǎn)副個數(shù)p1=4),由于在關(guān)節(jié)處采用了離合器,類似于將電機安裝在關(guān)節(jié)處直接驅(qū)動手臂,相當于有四個動力源(其中包括兩個電機)。此機械手臂可用于完成搬運、焊接、噴漆、檢測、裝配等工藝操作,是一種典型的操作機械手臂。2.1臂氏機構(gòu)設(shè)計機械手主要由臂座和手臂兩部分組成。臂座的主要任務(wù)是支撐和完成手臂回轉(zhuǎn),實現(xiàn)其在整個空間的運動。電機固定在臂座上。臂座和大臂由轉(zhuǎn)動靈活的交叉裝子軸承聯(lián)接。其機構(gòu)如圖2所示。底座的外形采用方型結(jié)構(gòu),在其每個邊上都各有一根伸縮桿,其長度隨手臂的運動范圍而定,用于平衡手臂的運動。電機-1固定在臂座上,通過諧波減速器-1將動力傳遞給固定在大臂上的齒輪-1,帶動大臂的回轉(zhuǎn)。大臂的內(nèi)腔采用立形結(jié)構(gòu),便于圓錐齒輪和帶輪在其內(nèi)部的安裝和同步帶的傳動。電機-2固定在臂痤的另一側(cè),由諧波減速器-2將其動力傳給齒輪-2,并帶動圓錐齒輪轉(zhuǎn)動,再由同步帶傳遞給臂關(guān)節(jié)。手臂運動的快慢和正反向控制,可由控制器調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)。2.2臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的改變多關(guān)節(jié)手臂關(guān)節(jié)的動力靠同步帶來傳遞,同步帶傳動以其體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單及傳動比準確而保證了手臂運動的靈活性和定位的精確性。機械手臂的運動是通過臂關(guān)節(jié)的擺轉(zhuǎn)來進行的。為了保證同步帶傳輸?shù)倪B續(xù)性和關(guān)節(jié)的正常擺轉(zhuǎn),本文設(shè)計了如3所示的臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu);同步帶帶動帶輪旋轉(zhuǎn),帶輪通過牙嵌離合器使手臂關(guān)節(jié)擺轉(zhuǎn)。若手臂運動到所需的位置,可通過控制器使電磁鐵帶電吸引離合齒右移,將離合齒脫離。同時制動器受到電磁鐵的吸引而制動,使關(guān)節(jié)停止擺轉(zhuǎn),手臂停在所到的位置。若要恢復手臂的運動,可將控制器打開,電磁鐵失去磁力,離合齒在彈簧力的作用下自動嚙合,同時制動器打開,手臂恢復原有的運動。當手臂運動到極限位置時,離合齒脫離嚙合,同時制動器制動,手臂停止運動。若此時帶輪反轉(zhuǎn),離合齒在彈簧力作用下自動嚙合,同時制動器打開,手臂開始反向運動。同步帶傳動的連續(xù)性不受關(guān)節(jié)擺轉(zhuǎn)的影響。各個手臂不僅可以獨立的運動,也可以同時運動(這里的同時運動是指手臂的同向運動,若需手臂同時反向運動,只需在關(guān)節(jié)處置正反轉(zhuǎn)動可控裝置)。3臂膀間的運動3.1機械手臂運動極限位置{臂α1-112°～112°臂α2-143°～143°臂α3-60°～60°臂α4-180°～180°(注∶α1,α2,α3,α4如圖4所示)機械手臂的運動范圍受其結(jié)構(gòu)的限制。在手臂的運動到達結(jié)構(gòu)位置之前,必須使其自動停止。如圖4所示,機械手臂的運動極限位置是由關(guān)節(jié)處牙嵌離合齒上凸起部分而定。設(shè)離合齒上自動離合部分(凸起)的內(nèi)弧長為S,則手臂的動作角度范圍(α=2π-s/r,r為凸起部分內(nèi)弧的半徑,α為結(jié)構(gòu)限位角度)所以S≥r(2π-ε)。3.2滑動非滑動模型手臂在極限位置的自動停止和反向運行完全是靠離合齒上凸起部分與滑塊的接觸實現(xiàn)的。為了使離合齒輪能順利的脫離和嚙合,對離合齒上凸起部分斜面(在滑塊上滑動的部分)的升角β≥arctgμv(μv為斜面與滑塊的實際磨擦系數(shù))只有滿足這個條件,離合齒上凸起部分的斜面與滑塊在滑動時才不會發(fā)生自鎖。這樣手臂才能自動停止和反向運作。3.3如圖5所示手臂的運動軌跡共有p14+p24+p34+p44=15種,由于篇幅有限,只列出以上三種典型的軌跡。4多個關(guān)節(jié)的動作1)電機下載至底座,減輕手臂重量和運動慢性,提高手臂靈敏度。2)多個關(guān)節(jié)的手臂動作通過同步帶由一個電機傳動,結(jié)構(gòu)簡單,動作靈活。3)采用離合器使各臂既能夠同時運動,又能夠互不于涉的獨立運動,從而實現(xiàn)空間內(nèi)的柔性運動。5應用前景5.1接等工藝操作如前所述,此機械手可用于完成搬運、焊接等工藝操作,是一種典型的操作機械手。另外從仿真圖中可知,該機械手的運動軌跡靈活多樣,因此可應用于成形加工中。5.2多種自由度由于多指機器人手通常小于所安裝的機器人體,所以可以提高機器人的整體精度。但是多手指的使用使整個系統(tǒng)的復雜性增加,并且由于多指機器人手的自由度很多,因此使得運動學和動力學分析復雜化,同時由于自由度的增加將使抓取工