一種多關節式機械機械機構的設計

1驅動單元問題多關節手臂的良好性能在多個行業得到了廣泛應用。然而，這項研究遇到了許多困難，尤其是手臂的重量。關節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動單元問題。目前驅動的主體是電機,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量則是直接影響因素,在傳統的多個關節式手臂設計中都是把電機固定在關節上,以驅動手臂。對一個長而且較重的多關節手臂,這樣一種結構是無法獲得應用的,并且由于運動慣性的加大,過沖量的加大,在運動規劃中必然造成控制器設計復雜化。本文設計了一種由同步帶傳輸動力的新型傳動機構,僅用兩個電機帶動多個關節,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節,在關節處設置有離合、制動裝置,提高了手臂的靈活性和空間的柔性運動。如圖-1所示為其機構簡圖。其自由度F=3n-2p1=4(活動臂個數n=4;回轉副個數p1=4),由于在關節處采用了離合器,類似于將電機安裝在關節處直接驅動手臂,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臂氏機構設計機械手主要由臂座和手臂兩部分組成。臂座的主要任務是支撐和完成手臂回轉,實現其在整個空間的運動。電機固定在臂座上。臂座和大臂由轉動靈活的交叉裝子軸承聯接。其機構如圖2所示。底座的外形采用方型結構,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。大臂的內腔采用立形結構,便于圓錐齒輪和帶輪在其內部的安裝和同步帶的傳動。電機-2固定在臂痤的另一側,由諧波減速器-2將其動力傳給齒輪-2,并帶動圓錐齒輪轉動,再由同步帶傳遞給臂關節。手臂運動的快慢和正反向控制,可由控制器調節電機的轉速和轉向來實現。2.2臂關節結構的改變多關節手臂關節的動力靠同步帶來傳遞,同步帶傳動以其體積小、重量輕、結構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節的擺轉來進行的。為了保證同步帶傳輸的連續性和關節的正常擺轉,本文設計了如3所示的臂關節結構;同步帶帶動帶輪旋轉,帶輪通過牙嵌離合器使手臂關節擺轉。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,使關節停止擺轉,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,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。同步帶傳動的連續性不受關節擺轉的影響。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,只需在關節處置正反轉動可控裝置)。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構的限制。在手臂的運動到達結構位置之前,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節處牙嵌離合齒上凸起部分而定。設離合齒上自動離合部分(凸起)的內弧長為S,則手臂的動作角度范圍(α=2π-s/r,r為凸起部分內弧的半徑,α為結構限位角度)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)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多個關節的動作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)多個關節的手臂動作通過同步帶由一個電機傳動,結構簡單,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,從而實現空間內的柔性運動。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