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论机械手腕的结构设计

发布时间:2017-01-04      文章来源:论文无忧网

摘要:随着科技的不断进步,高科技产品不断的被发明出来并运用到生活当中,人们已不满足于人工劳动,而是在不断的研究机器人这类高科技产品,以让其代替人工劳动。机器人的设计中,对于手腕的设计是一个很关键的环节,就像人的手腕,是连接手臂与手的关键部位,而机器人的“手”就是末端执行器,具有执行命令的重要作用。本文就是研究了机械手腕的结构设计内容,通过图形介绍了机械手腕设计的重要性。
关键词:机械手腕;结构设计;自由度


        机械手是近代自动控制技术领域新发明出来的,其成功应用对于近代机械制造生产来说有着非常大的作用。机械手代替了人工的操作,其所拥有的优点使得机械手从发明到发展成熟一直被大家所关注与接受。机械手的成功应用大大的提高了工作效率,改善了工作条件,使得生产力也提高了,为工业自动化的迅猛发展提供了非常好的条件。这项技术不仅引起了工业领域的重视,被国家也纳入了重点研究项目当中。随着国家在机器人设计制造方面有了很迅猛的发展,并且制造出了很多很好的机械手并运用到了机械工业当中去,机械手不仅仅是一项发明,还逐渐的成为了高等教育学习中的一门重要的学科。

一、机械手腕总体设计概述
        机械手腕与人的手腕是有异曲同工之妙的,是连接末端执行器和手臂的重要组成部分,但它与人的手腕不同之处在于机械手腕是具有独立的自由度,可以任意的调整和改变末端执行器的方向的。在空间几何中有X、Y、Z三个方向的坐标组成的坐标轴,而机械手腕的设计就是根据它而设计的,从而使得机械手腕可以自由的进行翻转R(Roll)、俯仰P(Pitch)和偏转Y(Yaw),这在学术上成为三个自由度。手腕的自由度的选择是与机器人本身的属性有很大的关系的。
         一般来说要确定末端执行器的具体执行角度是需要三个回转关节的运动角度组合而成的,每个角度不同,最后末端执行器所执行的角度也就不同。从上图可以看出,腕关节配置一般就是由三个部分组成的:臂转,即手臂围绕Z轴方向的旋转;腕摆,以手臂为相对点的末端执行器的摆动;手转,即末端执行器的转动。
        手腕的设计是非常复杂的,因为其灵活性非常的大,因此不仅要满足最基本的完成起动和传递着两个过程所需要的输出力,还要满足很多琐碎的要求,主要有这几点:
(一)机械手腕部分是处在手臂与与手连接的部分的,也就是说手腕的重量全靠手臂来支撑,因此在设计的时候最好是保证腕部结构的紧凑性和适度的重量,这样就可以有效的减轻手臂的负荷,也可以将手腕的驱动装置安装在手臂的后端,又可以做到控制的效果,又可以减轻手臂的负荷。
(二)在进行手腕自由度配置的时候最好是联合实际进行配置,因为自由度越多就说明手腕相关的部位活动的空间就很大,看似给工作带来了便利,实际上是增加了工作量,因为自由度越多,操控起来就越不方便了。
(三)在手腕部进行设计的时候,各个环节之间应采用刚性的设计,这样就可以避免转动的时候出现柔性差,影响动作执行精确度。
(四)手腕的每个回转关节轴上都必须设置一个限位的开关,这样就能及时的知道是否超限,从而避免事故的发生。

注:出稿时经Ucheck查重检测合格,出自论文无忧网(lunwen5u.com),专注原创文章定制

二、腕部的结构设计特点
(一)腕部基本概述
        腕部的结构设计一般来说都是设计成为转动的模式,转动算是比较好操作的一种,而根据转动的方式不同,腕部的转动模式又可以分为弯转和滚转这两种方式:
 
图1 腕部的运动形式
(二)机械手腕的分类
1.单自由度手腕
就目前而言,SCARA水平关节装配机器人用的最多的就是这种结构模式。单自由度手腕是一个相邻关节的转轴是垂直关系的手腕,这个非常的简单,但是其易操作。这个手腕的方向完全取决于驱动器的命令,与大小臂有着不大的关系。
2.二自由度手腕
二自由度是有汇交式和偏置式两种类型的。汇交式二自由度采用的是末杆与小臂中线的重合,而两边对称的悬挂着链轮,这样设计出来灵活度dex= 0+80%+100%,图2所示;偏置式二自由度采用的是末杆与小臂中线不重合,而是稍偏于中线,这样设计出来的灵活度dex=0+100%+100%。两种相比较之下,第二种反而灵活度更高一些,主要是因为其手腕部分设计的时候关节设计紧凑一些,这样灵活度也就高一些。
 
图2 汇交式两自由度
1-法兰 2-锥齿轮组 3-锥齿轮 4-弹簧5、8-链轮 6-轴承 7-壳体
3.三自由度手腕
三自由度手腕与前两种比起来结构形式是非常多的,主要是其设计上加上了一个新的自由度α,即以小臂为参照点,手腕的转动角度。一般在不考虑设计难度的情况下,α、β(末杆在Y平面的转动角度)、γ(末杆自传角度)是可以360°旋转的,在这种情况下灵活度dex=100%+100%+100%,也就是说末端执行器是可以百分之百的灵活,全方位的转动的。由于三自由度手腕的灵活性非常的高,因此现在关节型的机器人一般都会采用这种手腕设计。
三自由度手腕与二自由度手腕一样可以分为汇交式手腕和偏置式手腕,不同的是三自由度手腕是三根轴线是相交的。三自由度的汇交式是三根轴线相交于一点,而偏置式是互相垂直,不相交于一点。
   4.柔顺手腕结构
手腕的柔顺性是针对那些进行精密装配作业的机器人的手腕提出来的,一般来说设计的机械手腕都是能满足日常需求的,但是当机器人进行精密装配工作时就有可能不能满足,因此就提出了柔顺性装配技术。
柔顺性装配技术主要含有主动和被动这两种:主动柔顺装置就是在手爪上配置检测元件,然后通过检测和控制,让手腕能实现一边配置作业,一边检测不达标的环节,一边进行校正,这样来完成工作;被动柔顺装置就是在进行配置前就给手腕上加载一个柔顺的环节以方便手腕在进行配置的时候能通过柔顺装置能暂时达到标准。主动柔顺手腕与被动相比较而言,主动柔顺手腕的通用性很强,能很快的校正装置,但是由于其要同时反应几个命令,这样就装置起来非常的慢,同时成本相对也高一些。


三、机械手腕的驱动
由于机械手腕的设计要求不同,其驱动模式可以大致分为两种:
1.直接驱动模式。这种驱动模式的驱动器是直接安装在手腕上的,这样就可以直接的进行驱动,不用传递,但是这个模式一般来说比较困难,因为要设计出符合尺寸、重量、灵活度高、性能好、适合机器的驱动器是很麻烦的。
2.远距离传动驱动模式。有时候为了驱动大型的末端执行器就必须采用大型的驱动器,这种驱动器如果安装在手腕上就会增加手臂的压力和降低手腕的灵活度,因此为了解决这个问题就会采用远距离传动驱动模式,这样就能通过传动有效的对手腕进行驱动。

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四、结语
机械手腕在机器人的研究中一直是一个大的研究项目,手腕要求的是灵活度高,根据不同的工作条件对于末端执行器的旋转要求不同,这也就是对手腕有要求。目前为止还没有设计出一种易操作而且适应大多数情况的机械手,因此研究机械手腕的工程还在继续中。科技在不断的发展,社会需求在不断的提高,因此随着对于机械手腕的要求也会越来越高,这就需要大家不停的努力研究,争取研究出最佳状态的机械手,这一突破将会给机器人的研究带来重大的影响。
参考文献:
[1]李晓刚,刘晋浩.码垛机器人多功能末端执行器的设计[J].包装工程.2001.
[2]侯忠坤.六自由度教学机器人手臂系统研究[D].西南交通大学,2011.
[3]马纲,王之硕.工业机器人常用手部典型结构分析[J].机器人技术与应用,2001.
[4]赵红伟.斜四关节手腕运动与动力学分析及仿真研究[D].哈尔滨工业大学,2006.

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