关节型机器人二指平动手爪的设计.pdf

第 5 期 总第 150 期 2008 年 10 月 机 械 工 程 与 自 动 化 M E C H A N IC A L E N G lN EE R IN G A U T 0 M A T 10 N N o 5 o c t 文章 编 号 1672 6413 20O8 O5 0O8O O2 关节型机器人二指平动手爪 的设计 苏子 昊 孔 庆 忠 内蒙古 工业大学 机械工程 学院 内蒙古 呼和 浩特010051 摘要 介绍 了一种用于小型五 自由度关节型机器人的机械手爪 它采用二指平 动手 爪方案 以机构为基础 用 电机驱动 实现了手爪开合 手部摆动 手腕 转动一体 化的手部运动 使用混合 四相步进 电机驱动 位置精度 高 响应速度快 该机械手爪尺寸小 携带方便 结构合理 经济 可行 可用于教学型机器人和科研机器人 关键 词 机器 人 二指平 动手爪 运 动分析 中图分类号 T P 242 文献标识码 A 0 引言 机 械 手 由 手 臂 A rm 和 末 端 执 行 器 E nd effec ter 组成 手臂通过关节的运动使末端执行器进 行预定的运动或达到预定的位置 末端执行器直接作 用于任务对象 它是手部 H and 抓持机构 G raspi ng M ec hani sm 手 爪 G ri pper 及 固定 手 臂 末 端 的工 具 等 的总称 一 般机械手有 5 个主要的运动 分别是腰部关节 的转动 大臂摆动 小臂摆动 手腕转动和手腕摆动 这样就有 5 个 自由度 手爪张合所用的 自由度只是对 夹持 的操作起作用 不算 自由度 每个运动环节采用 电机驱动 控制简单 易于实现数字控制 1小型 五 自由度机 器 人的特 点和 手部参 数 1 1 特点 该五 自由度关节型机器人是一种仿真机器人 面 向模拟人的各种动作而设计 形式接近工业机器人 能 完成一些简单的任务 结构小巧轻便 采用组装式机 械结构 便于组合 拆卸和更换零件 采用计算机接 口 可以按指定的要求运动 适应 了教学研究的各方 面要求 1 2 手部参数 本 文讨论 的是一种 应用 于五 自由度关节 机器 人 的 末端执行器的设计 设计对象为面向教研的小型机器 人的手爪 抓取对象为小型规则物体 物体重量不大 于 0 5kg 其手 部参 数如下 从 指尖 到腕 部关 节 的长度 m m 250 手指最大张合距离 m m 50 手 腕摆 动角 度 O 180 手腕转动角度 O 360 末端位置精度 m m 1 1 3 手 爪的设计 方 案 手部机构是机器人直接与工件接触的部件 它能 执行人手的部分功能 手抓取物体要 以物体为 中心 用 手指包络物体 根据抓取物体时的相对状态 抓取方 式可分为捏 夹 握 3 类 靠手指与工件之间的摩擦 力来保持工件 本文采用二指平动手爪 它是夹持式 手爪 手指由平行四杆机构带动 当手爪夹紧和松开 物体时 手指姿态不变 作平动 机器人工作时 依 靠机器人本体接近抓取对象 首先由腰部关节 大臂 小臂调节位姿 然后由手腕调节夹持方向 最后张合 手爪 由手指上的滑动觉传感器及其反馈电路来控制 手爪夹紧力的大小 防止工件受损 设计手部机构时应考虑以下几点 应有足够的 夹 紧力 一般 要求夹 紧 力 为 工件重 量 的2 倍 3 倍 应有足够的张开角 使手指有足够大的移动范 围 能保证工件的可靠定位 应有足够的强度和刚度 应能适应被抓对象的要求 适应工件 的形状 被抓取 部位的尺寸和工作位置 尽可能具有一定的通用性 设 计 二指 平动手 爪 的基本 流 程见 图 1 二指平动手爪 的结构简图见图 2 电机带动左端 连杆使之向左移动时 其它的杆件运动方向如图 2 所 示 此时 手爪 是处 于张 开 的过程 反 之 当电机 带动 左端连杆向右移动时 其它杆件的运动方向和图 2 所 示相反 这样 用电机带动左端连杆 从而使其它杆 收稿 日期 t 2007 12 25 修回 日期 2008 05 0 8 作者简介 苏子吴 1982一 男 江西赣州人 硕 士研究生 研究方向为机器 人技术 的开发 和应用 维普资讯 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 2008 年第 5 期 苏子昊 等 关节型机器人二指平动手爪 的设计 8 1 件运动 带动手爪张合 提 出设计思路 I 根据 已知条件 设计 手爪 l 进行受力分析 l 校 核强度 选 择材料 l 调 整零部件尺寸 I 绘制实体 图 图 1设计流 程图 图 2二指平动手爪 的结构 简图 如图 3 所示 可以用作图法分析当主动件移动至 某个位置时手指的位置 从而确定手爪的张合姿态 大 写字母为初始位置 小写字母 为移动后 的位置 当 F 移动至 厂时 以 厂为圆心 F C 为半径作 圆弧 交以 b 为圆心 B C 为半径的圆弧于点 C 以 C 为圆心 CA 为 半径作圆弧 交以 b 为圆心 B A 为半径的圆弧于点 a 从 而点 也可 以确定 abc defh 为移 动后手 爪 的姿态 图 3 作 图 法 分 析 手 指 的 位 置 1 4手 爪 夹紧力 的计 算 手爪 受力分 析 图见 图 4 A B C D 是 平行 四杆机 构 作用力 P 手爪的夹紧力 方 向如图 4 所示 设 a 为 直线 F C 与力 P 所夹锐角 为 A B C 为 C A 与力 P 的夹角 为 B C 杆长 z 为 A B 杆长 当手爪夹持 D 物 体处于静平衡 后 杆 c F 受力大小为 由 B 点 厶 M 0 根 据几 何关 系有 D L c os 口 y 一N lc osfl 则 一 P 显然 当 a 角 较小 时 可获 得较 大 的增力 比 图 4 手爪 受 力 分 析 2 结构模型参数及其运动过程分析 图 5 为机械手末端执行器的三维模型 为了方便 分析运动过程 零件 2 6 相对于手指所在平面的对称 部分 2 6 及 8 9 处的电机省略未画出 首先 固定在底板 6 上 的电机 7 带动丝杆 5 转动 使得滑块 4 在丝杆上运动 从而带动平行连杆机构 2 运动 使得手爪张开或闭合 当滑块 4 向左移时 手 爪闭合 当滑块 4 右移时 手爪张开 在腕关节 8 处 装有一步进电机 带动整个手部上下摆动 在腕关节 9 处也 有一 步进 电机 带 动手部 和腕 关节 8 回转 另外 在手指 1 抓取的工作面上贴有带软垫的滑动 觉传感器 其作用是确定最佳握紧力的给定值 当握紧 力不够时 要检测被握紧物体的滑动 利用该检测信号 在不损害物体的前提下考虑最可靠的抓取方法 3 驱 动 电机及 零件 材 料的 选择 由于本文中的机器人功率小 又要求有较快的响 应速度 故控制手爪张合 的驱动器选择力矩电机 关 节处的驱动器选择步进电机 具体来说 驱动电机 7 选 用力矩电机 型号为 J3OL Y X 03 腕关节 8 和 9 处的电 机都是步进 电机 型号为 42BY G 步进角 1 8 在两 个 步进 电机 上装 有谐 波减 速 器 基于经济性考虑 结合夹紧力的计算结果 机械 手的材料选择 M C 尼龙 它具有机械强度高 耐磨 耐 腐蚀 抗老化 自润滑 重量轻 吸音减震 无毒等 优点 综合机械性能远优于一般工程塑料 是替代铜 不锈钢及其它有色金属的理想品 零部件 2 4 5 可 选用一般的工程塑料 底板用一般的塑料即可 4 结束 语 本 文 介绍 和讨 论 的是 基 于关 节 型机 器人 的机 械手 爪 的设计和运动 以最简单的二指手爪来模拟机械手 末端执行器的运动 所研制的机械手在仿真过程 中能 很好地实现预期运动 相信对从事机械手研究的人员 有一定 的参考价值 下转 第 84 页 维普资讯 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 84 机 械 工 程 与 自 动 化 2008 年 第 5 期 管式定 向器加装尾喷管来提高火箭弹初速的方案 通 过理论分析 以及对该技术方案关键问题的分析 论证 了通过该方法可以达到提高火箭弹初速 提高射击精 度 提高射程的目的 参考文献 1 朱福亚 火箭弹构造原理与作用 M 北京 国防工业出 版社 2005 2 周长省 鞠玉涛 朱福 亚 等 火箭弹设计理论 M 北 京 北京理工大学 出版社 2005 3 张福祥 火箭燃气射流动力学 M 北京 国防工业出版 社 1988 4 杨 海威 赵 阳 外形设计对微型喷管性 能的影响EJ 推进 5 6 7 8 技术 2007 28 1 68 72 C h o ud h u ri A R B a i rd B G otla ha lli S R E ffec ts o f geom etry and am bi ent pressure on m i c ronozzle flow C 37th A A IA A SM E SA E A SE E Joi nt Propulsi on C on ferenc e an d E x h i b i t S alt L ak e C i ty U tah P ap er N o A IA A 一 2 00 1 33 31 杨建 明 朱荻 王昆 喷管 的镍锰合 金 电铸 及其开裂 问题 的研究 J 制造技术 与机床 2007 2 86 88 熊永亮 郜冶 喷管温度与应力场的数值研究 J 哈尔滨 工程大学学报 2007 28 8 852 855 吴承监 张莺 无后坐炮设计 M 北京 兵器工业出版 社 1994 S tu d y o n th e In stallm en t o f N ozzle i n R o c k et L a u n c h T u b e for Im p ro vi n g Mu zzle V elo c i ty CAO G uan g q un XU Ti an g an g LIU S h u h ua Z H ANG Yan hu a 1 C o lleg e of M ec hani c al and E lec troni c E ngi neeri ng N oa h U ni versi ty of C hi n a T aiy uan 030051 C hi na 2 A rm y of 66028 C hengde 068 150 C hi na A bstrac t A c c ord i n g to roc k et S c h a rac teri sti c s of low i n i ti al veloc i ty an d m u c h d i sp ersi o n a tec h n i c al sc h em e fo r i m p ro vi n g m u zzle v elo c i ty w i th a n o zzle i n ro c ke t la un c h tu be w as p ut forw a rd w h i c h c o uld i m p ro ve the an ti i n te rferenc e a b i li ty redu c e di sp ersi on e nlarg e rang e T he k ey tec h ni c al di ffi c u lty w as also theoreti c ally an alyzed an d the sc h em e w a s p rov ed feasi b le K ey w o rd s roc k et laun c he r lau n c h tub e m uzzle v eloc i ty no zzle I 接第 81 页 1一手指 2一 平行连杆机构 3一端盖和轴承 4 滑块 5一 丝杆 6一底板 7一 电机 8一腕关节 1 摆动 9一腕关节 2 旋转 图 5机械手末端执行器的三维模型 参考文献 出版社 1996 1 柳 洪义 宋伟 刚 机器人技术基 础 M 北京 冶金工业 出 3 成大先 机械设计图册 M 北京 化学工业出版社 2000 版社 2002 4 周伯英 工业机器人设计 M 北京 机械工业出版社 1995 2 马香峰 工业机 器人 的操 作机设计 M 北京 冶金工 业 5 张建民 工业机器人 M 北京 北京理工大学出版社 1988 D esi g n o f T w o fi n ger T ra n slati o n G ri p p er of A rti c u lated R ob ot SU Z i hao K O N G Q i ng zhong C ollege of M ec hani c al E ng in eeri ng Inner M ongoli a Un iversi ty of Tec hnology Huhh ot 0 10051 C h i na A b stra c t T hi s i s a sm all si ze fi ve D O F arti c u lated rob ot w h i c h h as tW O fi n ger tran slati on gri p per It i s d ri ved by a m i xed fo u r p h ase step pi ng m oto r c o m b i n i n g g ri pp er m o vem en t h an d m ov em en t a nd w ri st tu rn