轻型臂的结构设计

第一章轻型机械臂的结构设计1.1引言本章根据用户的设计指标，首先确定轻臂的布置和基本构件参数，然后在绪论中结合当前轻臂的结构设计特点，提出轻臂的结构方案的基础上，设计了轻臂的关节驱动器和驱动器，并对轻臂的主要结构进行了强度分析。1.2轻型机械臂的设计指标本文的目标是开发可折叠轻臂、手系统的原理样机。 表1-5是用户提出的设计指标，是本文轻型臂结构设计的主要依据。表2-1用户设计指标tab.2-1 customersdesignindex指标的分类指标项目具体要求布局自由度的数量四个胳膊棍两个尺寸完全伸长长度约1.5m可到达的工作区以基座为中心半径约1.5 m1/4球体精度重复定位精度小于4mm重量轻型机械臂重量10公斤以下机械手重量0.5Kg以下末端负荷2公斤以上电力整个单元的功率55W以下1.3轻量臂的配置选择根据设计要求，轻型机械臂有四个自由度。 在连接的运动连杆中，因为关节的数量等于所要求的自由度的数量，所以本文的轻量臂需要4个关节。许多n(n6 )自由度的机械臂在最后的n-3关节决定末端执行器的姿势，轴线与手腕关节原点交叉，在前面的3关节决定手腕关节原点的位置。 用这种方法设计的机械臂，可以认为是由定位机构及其后部串联连接的定向结构和手臂构成的。 从机器人学的知识可以看出，这样的机器人具有封闭的运动学解。 并且，定位结构无一例外，采用链节角为0或90，链节长度不同，但链节的偏移均为0的简单的运动机构。根据前3个关节(定位机构)的设计形式，通常有正交型臂、圆柱坐标型臂、球面坐标型臂、SCARA型臂、关节型臂等类型的臂。 在设计指标中可根据轻型机械臂对运动空间的要求，选用球面坐标型机械臂和关节型机械臂。 将球面坐标臂与关节臂相比较，球面坐标臂的前三种关节运动类型是旋转-旋转-移动，而关节臂的前三种关节运动类型是旋转-旋转-旋转。图2-1轻型机械臂配置fig.2-1配置设计者发现，对于相同尺寸的旋转关节和移动关节，旋转关节实现的运动空间远大于移动关节。 考虑到极端的情况，在具有类似于机器人的作业空间体积的情况下，制作关节型机器人臂(前三个关节全部是旋转关节)比制作正交型机器人臂(前三个关节全部是移动关节)消耗更多的材料。 另外，关节型臂与其他配置的臂相比，在作业空间内的干涉最小，具有最佳构造31。 因此，决定采用关节型机器人。关节型臂通常由下述臂关节构成：腰关节33354的臂以垂直轴为中心旋转，肩关节33354的臂相对于水平面俯仰，肘关节33354的臂相对于水平面俯仰，关节轴与通常的肩关节平行，并且位于操作臂的前端。最常见的腕关节形状由两个或三个正交的旋转关节构成。 本文的轻臂共有4个自由度，前3个关节决定腕关节原点的位置，因此腕关节只有1个自由度。 考虑到设计指标对轻臂可折叠性的要求，臂关节采用节距形状，关节轴线与肘关节平行。如上所述，分析了设计指标，结果发现轻型臂具有四个旋转自由度，其中，如图2-1所示，使个节距- 3354个节距旋转。1.4轻型机械臂基本构件参数的确定1.4.1斗杆长度的确定根据设计指标，轻型机械臂有两个机械臂，完全展开后长约1.5m，具有折叠性。 这意味着满足以下约束条件(2-1)在表达式(2-1)中，手臂长度为手臂长度，手臂长度为尖爪长度。 如图2-2、图2-3所示。图2-2完全展开状态的几何配置图2-3折叠状态的几何配置fig.2-2 configullydeployedfig.2-3 configurationwhenpuckered不考虑关节角度的影响。 显然，满足上述条长约束条件的轻臂还满足设计指标对作业空间的要求。 但是，连杆长度不同，对轻臂的操作性有很大影响38。 可操作性定义为对于非冗馀臂进一步简化。 1个机械臂的可操作度值越大，其灵活的作业空间也越大，该机械臂的设计越好。 在此，将可操作性作为优化目标，优化链路长度。建立图2至图4所示的轻臂几何模型图2-4轻型机械臂几何模型fig.2-4几何模型of lwr在基础坐标系中，机械手终点的位置为(2-2)式(2-2)中为大臂旋转角度、大臂俯仰角度、小臂俯仰角度、末端手爪俯仰角度、手爪姿势.当导出式(2-2)时(2-3)根据雅可比矩阵的定义31，可以得到该4自由度轻量臂的雅可比矩阵。(2-4)式2-4中：这个轻型机械臂的操作度(2-5)使用Matlab的遗传算法套件，求出可操作性的最大值，求出所设定的、的初始值范围以及杆长约束条件后，开始计算。 图25和图26示出了重复1000次的结果。图2-5当前最佳变量值图2-6变量之间的平均差fig.2-5 currentlybestindividualfig.2-6 fitness value各变量的反复结束的结果是，整数化的结果是，(单位为毫米)。1.4.2确定关节的旋转范围和运动空间如果确定了杆件的长度，关节的旋转范围将确定轻臂的运动空间。 关节的旋转范围首先要保证轻臂能够折叠，完全展开，然后如图2-7、图2-8所示，在设计指标中应满足轻臂对运动空间的最低要求。图2-7运动空间俯视图图2-8运动空间立体图fig.2-7 workspaceinfrontandtopviewfig.2-8 workspaceinisotropicview必须满足以下约束条件(2-6)表达式中：是()的最大值和最小值。结合以上制约条件，如下决定各关节的运动范围(2-7)轻量臂的运动空间如图2-9、图2-10所示。图2-9运动空间XOZ平面图2-10运动空间XOY平面图fig.2-9 workspaceinxozfig.2-10 workspaceinxoy1.4.3关节定位精度的确定设计指标要求轻量臂前端的定位精度，即绝对定位精度为10mm，重复定位精度为4mm。 这些精度要求是对轻臂末端提出的，是各关节定位误差综合作用的结果。 在设计时，直接设计轻型机械臂前端的定位精度是很困难的，因此需要将这些精度指标分配给各关节。 假设各关节的定位精度和定位误差相同，相当于各关节绕各自的轴线微动，以下用机器人微动理论31求解各关节的定位误差。首先，创建如图2-11所示的D-H关节坐标系，D-H参数如表2-2所示。表2-2 D-H参数tab.2-2 d-h参数关节变量范围10900- 150 o至150 o2716000o150o364300- 120 o至180 o420000- 120 o至180 o图2-11 D-H坐标系fig.2-11 d-h编码轻型臂顶端相对于基座坐标系的坐标变换矩阵(2-8)当第一个关节绕关节轴旋转时，对于前一个关节，该关节的微动变换矩阵(2-9)此时，轻型臂前端相对于基础坐标系的坐标变换矩阵(2-10 )展开公式(2-10 )时，忽略了包含微动矩阵乘法的高次项。 所以呢(2-11 )若将式(2-9)代入式(2-11 )(2-12 )在式(2-12 )中图2-12关节微动和卡爪前端微动fig.2-12 differentialkinematicsofjointsandendmanipulator如图2-12所示，机械手前端微动量的双曲馀弦值。通过Matlab计算，如果是值的话，此时取最大值的是关节定位误差引起的轻臂末端的定位误差。 因此，设计指标中轻臂前端的重复定位精度为4mm，关节的相对定位精度相当于4/52.9410.0756 o。 现作保守估计，将设计时关节的重复定位精度定为0.05o。1.5轻型机械臂的结构设计方案1.5.1总体设计方案总体设计方案-关节模块。 绪论1.3节分析表明，轻臂关节的结构主要有机电综合模块关节和分型关节两种形式。 分离型关节具有响应快、重量轻、能够将最初的3个关节的驱动马达放置在底座下等优点，但绳索通过滑轮缠绕在臂的内部很复杂，需要考虑绳索的张紧和定期更换的问题，很难实现大的减速比。 因此，本文不应采用这种设计方法。 模块化关节是关节驱动、减速、传感器系统一体化、集成度高、传动路径减少、传感器期间信号采样近、可靠32。 关节模块设计的最大优点是将关节结构的差异控制在最小限度，提高设计效率和加工效率，提高关节零件之间的互换性，使调整和检查变得容易 49，50，51 。 因此，本文采用关节模块设计思想进行轻臂的结构设计。 同时，充分考虑关节间的差异，根据关节负荷能力的不同，将四个关节按结构分为两组。 其中腰关节和肩关节结构相同，肘关节和腕关节结构相同。1.5.2传动机构方案传动机构方案-低输出、高减速比、大转矩输出。 第2.2节中设计指标对轻型机械臂的整体功率有严格的限制，致动器的功率和转矩输出也间接受到制约，这与各关节的大转矩输出相矛盾，因此本文采用大减速比的传动机构来解决该问题。 通常，仅通过一个减速装置来实现较大的减速比是不现实的，实际上设计为通过串联连接多个减速装置的方式，进行阶段性减速。 机器人常用的减速机构有谐波传动、RV摆线减速器、蜗轮、滚珠丝杠、齿轮系、同步带、导线传动等。 本课题的设计指标对装置整体质量有严格限制，此处不得采用RV摆线减速机。 滚珠丝杠用于将旋转运动转换成直线运动，涡轮蜗杆的尺寸大而润滑复杂，导线传动需要考虑导线的张紧而定期更换，因此在此不能采用。 因此，此处可使用的减速机构包括谐波传动、齿轮系和同步带。1.5.3关节结构方案关节结构方案-垂直结构。 关节的结构主要是驱动装置和传动装置。 驱动装置在此为电动机。 在设计关节的传动机构时，要配合关节的结构形式，考虑传动机构的配置形式。 为了实现大减速比的传动，本文传动装置应首先包括谐波减速器和行星减速器，结合关节结构形式，选择齿轮系、同步带等其他类型的传动装置。 关节结构可以认为是由输入端和输出端这两个部分构成，具有驱动装置的部分可以是输入端，具有高次谐波减速器的部分可以是输出端，输入端和输出端的轴线可以平行也可以垂直。 另外，关节是否需要制动取决于施加在关节输出端的最大转矩是否能够克服传动装置的最大静摩擦力。 制动器应始终与电机同轴。关节结构方案1关节结构方案2关节结构方案3关节结构方案4图2-13关节结构方案fig.2-13 schemesofjointstructure如图2-13所示，提出了四种关节结构方案(蓝色虚线表示关节的大致轮廓，红色实线表示动力传递路径)。 提案1与美国“勇气号”火星车上搭载的轻臂关节结构类似，输入端和输出端的中心轴线平行且同轴的提案结构简单，动力传递路径短，但长度方向的尺寸大，也不能实现电气中心孔的接线。 第二，输入端和输出端的中心轴线平行，但是保持不同的轴，这里用同步带连接输入端和行星减速器，该提案的长度方向尺寸比提案小，但动力传递路径也比提案长，同样不利于电气中心孔的布线。 输入端和输出端的中心轴线垂直，这里，一对轴线垂直的齿轮实现运动方向的转换。 该方案的动力传递路径长度与方案相同，可通过电中心孔，但高度方向的尺寸较大。 建议4、输入端和输出端的中心轴线垂直，输入端和行星减速器保持偏移，在此用同步带连接输入端和行星减速器，用一对轴线垂直的齿轮实现运动方向的转换。 该传动装置最多，结构最复杂，动力传递路径最长，但结构紧凑，尺寸适中，有利于实现电中心孔的布线。 四个结构方案的优缺点见表2-3。 比较四种结构方案，着重考虑外形尺寸、结构是否紧凑，能否实现中心孔的接线，本文选择四种结构方案。表2-3种关节结构方案的比较tab.2-3 co