一種多關(guān)節(jié)式機(jī)械機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

一種多關(guān)節(jié)式機(jī)械機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1驅(qū)動(dòng)單元問題多關(guān)節(jié)手臂的良好性能在多個(gè)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。然而，這項(xiàng)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(jī)械手臂由于龐大的重量而難以在實(shí)踐中推廣應(yīng)用,而重量問題中的瓶頸問題是驅(qū)動(dòng)單元問題。目前驅(qū)動(dòng)的主體是電機(jī),而電機(jī)的重量又是一個(gè)待解決的問題,電機(jī)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(gè)關(guān)節(jié)式手臂設(shè)計(jì)中都是把電機(jī)固定在關(guān)節(jié)上,以驅(qū)動(dòng)手臂。對(duì)一個(gè)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(yīng)用的,并且由于運(yùn)動(dòng)慣性的加大,過沖量的加大,在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中必然造成控制器設(shè)計(jì)復(fù)雜化。本文設(shè)計(jì)了一種由同步帶傳輸動(dòng)力的新型傳動(dòng)機(jī)構(gòu),僅用兩個(gè)電機(jī)帶動(dòng)多個(gè)關(guān)節(jié),并將電機(jī)下置,有效解決了上述問題。2提高織物的靈活性本文機(jī)械手臂設(shè)計(jì)的主要思路是將動(dòng)力裝置下載至底座,由同步帶將動(dòng)力傳遞給各關(guān)節(jié),在關(guān)節(jié)處設(shè)置有離合、制動(dòng)裝置,提高了手臂的靈活性和空間的柔性運(yùn)動(dòng)。如圖-1所示為其機(jī)構(gòu)簡圖。其自由度F=3n-2p1=4(活動(dòng)臂個(gè)數(shù)n=4;回轉(zhuǎn)副個(gè)數(shù)p1=4),由于在關(guān)節(jié)處采用了離合器,類似于將電機(jī)安裝在關(guān)節(jié)處直接驅(qū)動(dòng)手臂,相當(dāng)于有四個(gè)動(dòng)力源(其中包括兩個(gè)電機(jī))。此機(jī)械手臂可用于完成搬運(yùn)、焊接、噴漆、檢測、裝配等工藝操作,是一種典型的操作機(jī)械手臂。2.1臂氏機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)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(shí)現(xiàn)其在整個(gè)空間的運(yùn)動(dòng)。電機(jī)固定在臂座上。臂座和大臂由轉(zhuǎn)動(dòng)靈活的交叉裝子軸承聯(lián)接。其機(jī)構(gòu)如圖2所示。底座的外形采用方型結(jié)構(gòu),在其每個(gè)邊上都各有一根伸縮桿,其長度隨手臂的運(yùn)動(dòng)范圍而定,用于平衡手臂的運(yùn)動(dòng)。電機(jī)-1固定在臂座上,通過諧波減速器-1將動(dòng)力傳遞給固定在大臂上的齒輪-1,帶動(dòng)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(dòng)。電機(jī)-2固定在臂痤的另一側(cè),由諧波減速器-2將其動(dòng)力傳給齒輪-2,并帶動(dòng)圓錐齒輪轉(zhuǎn)動(dòng),再由同步帶傳遞給臂關(guān)節(jié)。手臂運(yùn)動(dòng)的快慢和正反向控制,可由控制器調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向來實(shí)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(dòng)力靠同步帶來傳遞,同步帶傳動(dòng)以其體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單及傳動(dòng)比準(zhǔn)確而保證了手臂運(yùn)動(dòng)的靈活性和定位的精確性。機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)是通過臂關(guān)節(jié)的擺轉(zhuǎn)來進(jìn)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(jì)了如3所示的臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu);同步帶帶動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(shí)制動(dòng)器受到電磁鐵的吸引而制動(dòng),使關(guān)節(jié)停止擺轉(zhuǎn),手臂停在所到的位置。若要恢復(fù)手臂的運(yùn)動(dòng),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(dòng)嚙合,同時(shí)制動(dòng)器打開,手臂恢復(fù)原有的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)手臂運(yùn)動(dòng)到極限位置時(shí),離合齒脫離嚙合,同時(shí)制動(dòng)器制動(dòng),手臂停止運(yùn)動(dòng)。若此時(shí)帶輪反轉(zhuǎn),離合齒在彈簧力作用下自動(dòng)嚙合,同時(shí)制動(dòng)器打開,手臂開始反向運(yùn)動(dòng)。同步帶傳動(dòng)的連續(xù)性不受關(guān)節(jié)擺轉(zhuǎn)的影響。各個(gè)手臂不僅可以獨(dú)立的運(yùn)動(dòng),也可以同時(shí)運(yùn)動(dòng)(這里的同時(shí)運(yùn)動(dòng)是指手臂的同向運(yùn)動(dòng),若需手臂同時(shí)反向運(yùn)動(dòng),只需在關(guān)節(jié)處置正反轉(zhuǎn)動(dòng)可控裝置)。3臂膀間的運(yùn)動(dòng)3.1機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)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(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)范圍受其結(jié)構(gòu)的限制。在手臂的運(yùn)動(dòng)到達(dá)結(jié)構(gòu)位置之前,必須使其自動(dòng)停止。如圖4所示,機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)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(dòng)離合部分(凸起)的內(nèi)弧長為S,則手臂的動(dòng)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(dòng)非滑動(dòng)模型手臂在極限位置的自動(dòng)停止和反向運(yùn)行完全是靠離合齒上凸起部分與滑塊的接觸實(shí)現(xiàn)的。為了使離合齒輪能順利的脫離和嚙合,對(duì)離合齒上凸起部分斜面(在滑塊上滑動(dòng)的部分)的升角β≥arctgμv(μv為斜面與滑塊的實(shí)際磨擦系數(shù))只有滿足這個(gè)條件,離合齒上凸起部分的斜面與滑塊在滑動(dòng)時(shí)才不會(huì)發(fā)生自鎖。這樣手臂才能自動(dòng)停止和反向運(yùn)作。3.3如圖5所示手臂的運(yùn)動(dòng)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(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)作1)電機(jī)下載至底座,減輕手臂重量和運(yùn)動(dòng)慢性,提高手臂靈敏度。2)多個(gè)關(guān)節(jié)的手臂動(dòng)作通過同步帶由一個(gè)電機(jī)傳動(dòng),結(jié)構(gòu)簡單,動(dòng)作靈活。3)采用離合器使各臂既能夠同時(shí)運(yùn)動(dòng),又能夠互不于涉的獨(dú)立運(yùn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)的柔性運(yùn)動(dòng)。5應(yīng)用前景5.1接等工藝操作如前所述,此機(jī)械手可用于完成搬運(yùn)、焊接等工藝操作,是一種典型的操作機(jī)械手。另外從仿真圖中可知,該機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡靈活多樣,因此可應(yīng)用于成形加工中。5.2多種自由度由于多指機(jī)器人手通常小于所安裝的機(jī)器人體,所以可以提高機(jī)器人的整體精度。但是多手指的使用使整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性增加,并且由于多指機(jī)器人手的自由度很多,因此使得運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析復(fù)雜化,同時(shí)由于自由度的增加將使抓取工