机械手的组成机构及其技术指标的确定

机械手的组成机构及其技术指标的确定? 刘明保, 吕春红, 张春梅 ( 河南机电高等专科学校 机电系, 河南 新乡 453002) 摘要: 本文论述了工业机器人和机械手的机构组成, 并讨论了工业机器人和机械手的工作空间、 看管区域、 位置函 数、 运动速度等技术指标的确定方法, 为机器人和机械手的机构设计及创新提供了理论基础. 关键词: 机器人; 机械手; 机构; 技术指标 中图分类号: TP24? ? ? ? ? ? 文献标识码: A? ? ? ? ? ? 文章编号: 1008 ?2093( 2004)01?0018 ?03 ? ? 用于再现人手功能的技术装置称为机械手. 机械手的基 本机构是具有非闭合运动链和多个自由度的空间机构它可以 完成锻压、 铸造、 焊接、 装配、 喷漆等一系列工艺操作, 尤其是 在对人体有害或危险环境里, 在完成笨重和单调的工作中, 更 是可以大显身手. 1? 机械手的组成机构 目前工业中使用的机械手可分为手动控制型和自动控制 型两大类. 手动控制型机械手可复现操作者手的动作和作用 力, 并且在许多场合下, 可以增大执行机构的位移和作用力. 机械式仿形机械手由两个对称分布的机构? ? 控制机构和执 行机构组成, 它们之间的联系靠各种机械传动来实现. 图 1 机械手的传动装置可分为机械式、 电气式、 液压式、 气动 式和复合式. 在生产中用于多次完成一定的工艺和运输操作 的可变程序多功能机械手, 或通用不同程序的调用来完成各 种工作任务的特种装置, 称为工业机器人. 工业机器人和一般 自动机的区别为, 前者为具有多自由度基本机构的非闭合运 动链, 因此, 它们的工作机构具有大范围的各种空间运动, 并 且可敏捷地调整到执行别的程序. 工业机器人的种类繁多. 图 1a 所示是一种工业机器人, 图1b给出了它的运动简图, 考虑到抓取器钳口的运动, 该机 器人设计为六个自由度. 图 2 所示为包括抓取器钳口运动在 内具有六个自由度的工业机器人机械手的机构模型. 组成该 机构的基本单元有: 固定支座 0, 回转工作台 1, 由构件 2、 3、 4 组成的 手!, 腕!5和带有钳口 手指!的抓取器6. 图 2 根据用途和场合, 每种工业机器人都有不同结构的抓取 器. 采用什么样的抓取器取决于抓取对象的形状和尺寸. 一般 抓取器的类型有: 夹钳式、 滑动夹爪式、 吸气装置、 电磁铁等. 当需要有关与操作对象接触的信息时, 在抓取器上可装设相 应的传感器. 在工业机器人机械手的连杆机构中, 具有单自由度往复 移动副和转动副的运动链应用最广泛. 由上分析可知, 机器人和机械手都是由机构或机构的组 合而组成的. 因此合理地确定机构和机构的组合形式是设计 机器人和机械手的基础. 2? 机械手技术指标的确定 机械手和工业机器人的工作性能是由一系列的技术指标 来表示的, 其主要技术指标是: 工作空间的形状和尺寸; 机械 手的灵活性; 摆动的角度和系数; 基本机构的自由度数目等. 2. 1? 工作空间的形状和尺寸 机械手的非闭合运动链可以使抓取器占据一定范围内的 不同位置. 由包络抓取器所有可能位置的表面所限定的空间 称为机械手的工作空间. 例如, 对于图 3a 所示的机械手, 其工 作空间是半径 r1等于 1、 2、 3 长度之和的球面. 工作空间表示 18 第 12卷 第 1 期 ? 2004年 01 月 河南机电高等专科学校学报 Journal of Henan Mechanical and Electrical Engineering College ? ? Vol. 12 . 1 Jan. 2004 ?收稿日期: 2003 ?10 ?15 作者简介: 刘明保( 1946 ?) , 男, 河南新乡人, 本科, 教授,研究方向: 机械设计. 机械手的最大外形尺寸. 图 3 为了绕过障碍和完成对操纵对象的复杂操作, 机构的运 动链可以不同的方式接近工作空间内的给定点. 机械手的这 个特性一般用机械手的灵活性来表征, 它决定于抓取器在固 定位置下移近给定点时机构的自由度数. 机械手的灵活性不 仅取决于运动副的类型和数目, 而且还与它们的位置有关. 如 图 3a 所示的机械手具有的灵活性等于 1. 在这种情况下, 当抓 取器不动时, 按马雷舍夫公式计算其自由度: W = 6n- # 5 i= 1 (6 - i) = 6 2- 5 1- 3 2= 1, 这就是杆组的活动度, 它表 示构件 1、 2 在不同位置时, 抓取器都可以接近在给定方向 CE 上的给定点 E. 构件 1和 2 的轨迹将是以 A 和 C 为顶点, 以 AB 和CB 为母线所形成的锥面. 如果运动副A 和B 交换位置, 如图 3b 所示, 按马雷舍夫公式计算的自由度数目仍然为W= 1, 但这 是局部的活动性, 表示构件绕轴 BC转动的可能性, 而灵活性将 为零. 因为在这种情况下, 抓取器只能在构件 1、 2 惟一的位置 沿给定方向 CE找近工作空间内的给定点E. 灵活性越大, 沿最合理的最短路径对操纵对象完成复杂 操作的可能性就越大. 2. 2? 机械手的看管区域 能够对操纵对象完成操作的那部分工作空间称为看管区 域. 如图 3所示机械手, 最大的工作区域是半径为 r1= AD %和 r1= AD % % 的球面之间的空间. 在具体的情况下, 看管区域仅为 该空间的一部分( 图 3a 上的虚线部分); 对于图 3b 所示的机 械手, 最大的可能工作区域是尺寸为 r1= AD %和 r= B %D %的圆 环( 圆截面的环); 如图 3c 所示, 看管区域也仅为圆环的一部 分. 具有三个移动副的机械手如图 4a 所示. 其工作区域是矩 形六面体. 该六面体的尺寸 a、 b、 c 取决于相应构件在其导轨 内的最大位移(行程) : 构件 2 沿 Y 轴, 构件 3 沿 X 轴和构件 1 相对于 Z 轴的位移. 若是一个具有一个转动副和两个移动副 的机械手, 如图 4b, 最大可能的工作区域是一个空心圆柱空 间, 其半径差值 r2- r1取决于构件 3 相对于构件 2 的最大位 移; 高度 h 则取决于构件 2相对于构件 1 的最大位移. 但在某 个具体场合, 看管区域仅为在? 角范围内的那部分空间(图 4b 中的点画线所夹的部分). 2. 3? 机械手的位置函数 图 4 当选定机械手的结构简图后, 为了按给定的工作区域确 定机械手各构件的尺寸, 必须采用坐标变换的矩阵分析法研 究它的位置函数. 图 5 如图 5所示为具有 3个自由度的机械手. 抓取器点 D 的 位置函数是与广义坐标及构件 lBC和 LCD的不变长度有关的点 的矢径. 由于它是无过盈装配, 这种具有非闭合运动链的机构 是静定的, 没有多余的约束. 机构中有三个单自由度运动副: 两个转动副 A、 C 和一个移动副 B. 三个广义坐标是: ?10? 构件1 相对机架 4的转角; Z21? 构 件 2相对构件 1 的线位移; ?32? 构件 3 相对构件 2 的转角. 根 19 刘明保等: 机械手的组成机构及其技术指标的确定 据马雷舍夫公式可以确定其自由度: W = 6n- # 5 i= 1 (6- i) pi- q = 6 3- 5 3 = 3 坐标系 O1X (1)r(1) Z(1)与绕轴 Z(1)转动的构件1 相连; 坐 标系 O2X (2) r(2)Z(2)与相对于构件 1 作直线运动构件 2相连; 坐标系 O3X (3) r(3)Z(3)与绕轴 x(3)转动的构件 3相连. 轴 Z0 增加它们的目的在于使矩阵成为方阵, 然 后可以互乘. 矩阵相乘按已知的法则即行乘列进行. 在式(1) 中矩阵的顺序相乘可得到如下等式: x(0) D r (0) D Z(0) D 1 = - LBCsin10- lCDsin10cos32 LBCcos10+ lCDcos10cos32 Z21+ lCDsin32 1 因此, 点 D 在固定坐标系 ox(0)r(0)Z(0)中的特定坐标是: x(0) D= - LBCsin10- lCDsin10cos32 r(0) D=LBCcos10+ lCDcos10cos32 Z(0) D= Z21+ lCDsin32 (2) ? ? 有了点 D 坐标的给定变化范围, 依据式( 2)可以选择构件 LBC、 LCD的所需长度和广义坐标10、 Z21和32的变化范围. 2. 4? 机械手的运动速度 机械手的最大运动速度不仅取决于机械手工作过程的特性 和传动装置的功率, 而且还取决于工作人员安全工作的条件. 如果广义坐标和时间关系已知, 则速度就可以通过位置 函数对时间求导获得. 例如, 对于上述具有 3 个自由度的机械 手, 在给定了关系式 10( t), Z21( t) 和 32( t) 的情况下, 抓取 器点 D 的速度矢量在坐标轴上的投影, 可由式(2) 对时间求 导求得: vDX= X(0) D = - #1cos10(lBC+ lCDcos32) + #32LCDsin10sin32 vDY= r(0) D = - #1sin10( lBC+ lCDcos32) - #32LCDcos10sin32 vDZ= Z(0) D = v21+ #32lc dcos (3) ? ? 点 D 的速度矢量的方向和大小按如下公式求得: vD=V2DX+ V2DY+ V2DZ cos?= vDY VD cos= vDX VD cos%= vDZ VD (4) 式中 、 ?、 % ? 速度矢量的方向角. 根据式(3) 和(4) 可具体评价抓取器点 D 的变化特性及其 最大速度. 2. 5? 机械手的摆动角和摆动系数 一般情况下, 机械手工作区域中的每一个点都有一个主 体角 (值 为 1的点是全摆动区域中的点, 在那里抓取器可沿任何方向 接近这些点. 设计时一般是根据在抓取器中心的各种确定的 位置上机械手机构构件运动的分析来确定摆动系数. 现以具有两个球面副和一个转动副的机械手为例, 来研 究摆动系数 (的确定方法. 如图 3a 所示, 为确定工作区域内 某点 E 的摆动角 抓取器中心点 D 和给定点 E 重合, 如图 6a 所示. 图 6 首先确定构件 CD(夹具) 在图纸平面内的可能位置, 然 后将平面四杆机构相对于长度为 r 的假想机架回转, 以确定 构件 CD 在空间内所有可能的位置, 机架 AD 与空间坐标系 Oxyz 的X 轴重合. 在摆动角 (= 1的区域内, 摆动角 ?= 4. 因此, 点 C 应该有可能占据球心在点D, 半径为 DC = L3的球 面内的任何位置. 为此, 在平面四杆机构中, 构件 CD 应该是 曲柄, 也就是能整周回转. 根据机械原理中, 曲柄存在的条件, 若构件 1为最长时, 而构件 3为最短的, ? ? ( 下转第 23页) 20 河南机电高等专科学校学报? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2003 年 4期 图 8? 立铣刀实体模型 3? 结束语 立铣刀实体模型的创建完成以后, 可将其实体模型导入 专用有限元分析系统, 进行工程分析, 为新产品设计和先进制 造技术的应用奠定基础.( 责任编辑? 王? 慧) 参考文献: 1 李良福译: 用计算机计算立铣刀螺旋容屑槽的法向截形 J , 工具 技术1996( 5) . 2 陆剑中, 孙家宁: 金属切削原理与刀具 M , 机械工业出版社, 1993. 3 林春平. Pre/ENGINEER2000i 实用教程 M , 人民教育出版社, 2000. 4 钟建林.Pro/ engineer 典型机械设计M, 机械工业出版社, 2002. 5 程伟, 叶伟昌. 切削刀具发展的新动向 J , 新技术新工艺, 2003 (1) . 6 李锡文, 张洁, 杜润生, 杨叔子. 小直径立铣刀后刀面磨损带的研 究J , 工具技术, 2000(6) . 7 李锡文、 杜润生、 杨叔子. 带螺旋槽圆柱形铣刀圆周刃刃宽的工艺 计算 J , 工具技术, 2000(7) . Three- dimension solid modeling of end milling cutter LI Hong?de, et al ( Xi) an Jiaotong University, Xi) an 710049, China) Abstract:The figure of end milling cutter is complex, and it is difficult to build a three- dimension solid modeling .The key technologies to denote the geometrical parameters of end milling cutter by computer are introduced .Using the artifices of characteristic and blend in PRO/ E , the accurate 3D modeling of end milling cutter is achieved. Key words: end milling cutter; 3D modeling; PRO/ E ( 上接第 20 页) 那么有 L1+ L3? r + l2由此可得 rmax= r1= l1- l2+ l3 ? ? 如果最长的构件 AD= r, 而最短的是构件 3, 那么有 r + L3? l1+ l2, 由此可得: rmax= r2= l1+ l2- l3 由此可知, 在从 r1到 r2的范围内, (图 6b 中的区域 ) ( = 1. 如果构件3是摇杆, 那么( 1. 当构件1、 2、 3位于一条直 线 AX 上时为极限位置, (= 0. 这种情况一般发生在 r = r0= l1- l2- l3和 r =r3=l1+ l2+ l3的时候. 因此, 在图 8b 中 的区域 + 和 , 内, ( 1. 在图 6b 中的区域 + 或 , 的任何中间点, 如 D% 点, 可以 按如下方法确定摆动系数 (. 找出当构件AD%和BC%位于一条 直线上时, 摇杆 C%D% 的最大可能转角 m, 就可以确定半径为 R = L3的球面扇形的表面和角度 = m( 图6c) . 通过将单元 表面积 ds = 2 Rsin. Rd 在从 = 0到 = m区间内求和, 可以得到球面扇形表面积 S 的公式: s = m 0 2R2sind = 2 R2( 1- cosm) 在前述情况下, R =L3则 S = 2 L23(1- cosm) 所以(= ? 4= s/ l23 4 = 1- cosm 2 在图 6a 中, r = AD%cosm. 0. 24此时(= 0. 38对于具有 图6a 所示构件尺寸的机械手, 它的 (= ( r) 关系式曲线如图 6b 所示, 这种曲线称为摆动系数曲线. 根据摆动系数曲线可 研究已有机械手的运动性能, 也能按照给定条件设计机械手 的运动简图. 必须指出, 表征机械手和工业机器人特性的技术指标还 有其他的内容, 如起重性能或负荷能力; 在按给定程序完成操 作时消耗机械手构件运动上的时间, 即快速动作特性; 在多次 重复工艺操作时确定工业机器人的手臂位置偏差的定位精度 以及能量消耗等, 设计可参阅有关技术资料. ( 责任编辑? 王? 慧) 参考文献: 1