柔性夹具装配中的六自由度可重构机械手设计

1、文献出处网址： 文献出处翻译示例: 柔性夹具装配中的六自由度可重构机械手设计Benny H. B. Yeung and James K. Mills, Member, IEEE摘要:本文主要描述了基于使用柔性夹具(FFA)的机器人的六自由度重构机械手的设计过程。对于传统夹具来说FFA是一种新的技术，例如在汽车车身装配中，对零部件的夹持和装配多采用多爪机械手机器人来取代传统夹具。而本文的目标就是设计、制造并测试用于FFA的可重构机械手。这种机械手可以精确快速的夹持不同形状的部件，并能选择适合的点进行夹持以便有足够的空间来让焊枪进入。这种新的三爪机械手的整体设计过程可以分为概念，配置和参数化设计包

2、括扭转系统的计算、运动仿真和机械设计。每个爪都有两个可动关节并和夹持部件有两个接触点。并通过有限元法来分析机械手部件在载荷作用下的模拟挠度从而确定相关关键设计参数。最后就得出了机械手的工作和运动模型。并对金属机械手在夹持汽车车身面板时的性能进行了测试。得出重构机械手可以实现其所被要求达到的效果。关键词：设计自动化，灵巧机械臂，有限元法，柔性制造系统，机器人运动学I.绪论本文主要论述了在当今汽车制造业中柔性夹具(FFA)的发展逐渐取代了传统固定夹具。在装配中使用传统夹具不仅费钱而且制造和安装都需要很长的时间。而这种新型可重构机械手的FFA技术，不但可以进行夹持处理同时还能起到固定板的作用。而本文

3、主要针对FFA技术设计出相配套的多爪可重构机械手。在汽车制造业中，传统的夹具被认为是汽车车身装配中最基本的安全和精确的定位装置。当零件被一个或多个专用夹具夹在一起后，焊接机器人就可以将其焊接起来形成组件。而针对每个钣金件装配都必须设计出唯一的夹具。但当和柔性夹具系统相比时，为装夹不同几何形状的零件而设计和制造的专用夹具的费用将是巨大的，因为它的设计过程相当复杂并且需要新的夹具模型还有就是其生产线也发生了改变。这样的一个典型装配厂的夹具从设计、制造到安装的费用大概是每年$100万到$200万2。一种被称作FFA的新技术就很有效的解决了这个难题。在FFA机器人工作单元中，被绑在一起的钣金零件只需简

4、单的放置在大体的位置就可以。然后通过可重构机械手每个机器人夹持钣金零件的一部分，从而实现精确空间定位同时避免由夹具夹持所带来的零件变形。当别的机器人需要对其进行装配时，机器人之间还可以很好的实现交接。当然需要焊接的地方还必须有足够的空间来来让安装在机器人上的焊枪进入。通过这种方法就不再需要传统的固定夹具了。在采用可重构机械手的装配过程中，夹具再也不需要随着不同的零件大小和形状的改变而改变了。在为一个新车模型装配不同零部件时唯一需要修改的就只是为机械手和机器人控制软件编写新的编程。在FFA零件处理机器人工作单元中，机器人机械手必须具备以下的能力： 1)能夹持各种不同形状和大小的零件； 2)在夹住

5、零件后可以实现快速固定； 3)将零件固定在可以和其它绑定零件进行交换的地方。 总而言之，机械手必须能提供和常规夹具相同的功能同时还要实现可重构机械手的功能。这样的要求需要一个非常规的设计并且不可避免的会增加整个系统的复杂性。虽然这种复杂会很不利的导致成本的增加，但传统固定夹具的成本更高。 虽然现在有许多关于机器人的设计方法，但关于机械手的设计流程和准则方面的出版物还是比较少的。文献3也提出了一套相应的机械手设计准则，但是也只是针对简单几何形状的零部件的夹取。尽管如此，这样一些简单设计、形状较小、较轻且是刚性规则零件在本文中还将被提及。在确定可重构机械手的详细设计过程前必须对汽车覆盖件几何形状以

6、及零部件的定位理论进行详细研究。而其设计方法将在第三部分进行详细的讨论。本文共分五个部分。在第二部分将讨论机械手设计理念和设计规格提出的背景。第三部分对可重构机械手的设计过程进行了阐述。接着第四部分对机械手的性能进行了检测。最后第五部分对本文进行了一个总结。II.背景 在这一部分，主要涉及了可重构机械手设计的相关书籍和理论。整个设计过程是基于各类型的机械手的夹持理论。而物体夹持这一概念也不断的在发展。接着概述了现有的可重构机械手的设计和汽车零部件装夹技术最后对机械手设计的规格和要求进行了一个总结。A.物体夹持 为了可以用可重构机械手夹持零部件，首先夹具必须先要固定。 对于刚体来说，自由度(DO

7、F)就是指为了让物体保持特定位置和方向所需要限制的独立参数个数。一个无约束的非平面物体有6个自由度（三个移动和三个旋转的运动）。制约数可以通过和其它物体的接触来实现。文献4就对接触形式、约束条件和物体固定进行了详细的讨论。为了固定物体，当机械手一被固定后来自外部任何方向的作用力和其它因素都不能使被夹持的物体滑离机械手4。研究表明要完全限制一个非平面物体移动，至少需要在独立的在7个接触点施加力5。B.可重构机械手设计 现在相当多的研究都朝着可重构机械手的方向发展。在文献6中可以找到早期有4个交叉配置的手臂组成的4爪可重构机械手的原型。接着由机电和气压驱动的三指机械手出现了，其中每个指尖都有V型槽

8、，并且是为夹持汽车覆盖件所专门设计的8。这些机械手都被设计用来进行工业抓举操作，且它们相应的特征也是参照零件的设计过程来确定的。图1.在试验中所用的雪弗兰车的薄壁车身零件。中间是所有四个零件装配后的视图。C.车身零件的夹持 既然可重构机械手的设计是为了FFA技术，那么机械手的设计就需要特别根据车身零件来进行设计。这些车身是典型的薄壁零件(13mm),且在零件上有用于放置定位销用的工艺孔。零件的尺寸范围可以从几十毫米到超过一百毫米。这对于几何形状复杂又是非平面的两指抓举机械手就很难实现9 10。图1就展示了一套被用于本次夹持试验的典型的车身零件。由于非平面的面板、钣金厚度和他们的关联尺寸，面板可

9、以被认为是一个刚体因此可以假设夹持力不会引起零件的变形。本文的重点就是设计可重构机械手所选用的面板类型。文献11对柔性夹持面板进行了相关的研究。外部边缘和工艺孔都可以被用作夹持点。加紧点的位置则被设定在当机械手被锁紧后可以形成封闭部分的地方。D.设计准则 在进行详细设计之前，必须要先考虑相关的设计准则。首先,机械手的工作部位要允许对不同型号的典型面板进行夹持。设计的主要目标就是对车身覆盖件实现夹持。其次当不考虑零件的形状和大小的时候，机械手必须能实现薄壁件的精确快速装配。还有就是典型工业装配定位精度是± 0.5mm，因此机械手的定位精度也要达到同样的目标。再有,机械手设计还必须使焊接

10、过程中相邻面板能充分暴露出来使得焊枪可以进入。最后，机械手必须整合到GMF S-400重型机器人上以满足抓举试验的要求。设计准则总结如表I。表I 设计准则总结：设计准则1. 指尖的运动空间控制在800× 250× 150mm的空间内，同时位置偏差控制在± 0.5mm之内2. 可以装夹车身薄板件3. 焊枪必须有足够的空间可以进入4. 机械手必须可以整合到GMF S-400重型机器人上E.设计约束 除了上部分对所列出的之外，表II中也列出了可重构机械手设计中的一些限制。表II 设计约束总结设计约束1 机器人的最大有效载荷是80kg2 最大有效载荷的测量取自臂接口的中心

11、的一个高500mm半径250mm的圆柱形范围内III.设计流程 鉴于第二部分所呈现的信息，本文中可重构机械手就可以被具体确定下来了。机械手和被夹持零件之间接触关系首先所需要固定的物体以及车身覆盖件夹持的其它相关考虑来确定。在具体的机械性能设计之前首先要确定可重构机械手力学性能的分布。在文献中可以找到各种设计过程的方法。正如文献12中所论述的，一个通用的设计过程是将第二部分的设计准则、设计约束和可重构机械手设计过程相结合的产物。但是在本文中的设计过程也用到了很多文献13中所讲述的实际的设计方法。这种设计过程是通用的，分步骤的，首先是进行概念设计，然后是配置设计，最后再是参数化设计。配置设计要求与

12、分析优化相结合，这使得优化设计也要如文献14所说的要制定相关的设计准则。可重构机械手的大小主要是根据本文第二部分的D点所要求的设计准则来确定。正如本文第二部分的D点所述，当一系列典型的适合夹持的车身覆盖件确定后，再根据这些零件的大小来确定机械手的大小和夹持面的形状。 正如文章第一部分所说的，可重构机械手必须满足通用机械手设计手册3中的要求以满足一系列的设计准则。并且这些为安装在机器人上而设计的可重构机械手的设计必须简单，尺寸和质量要最小，同时还必须可以实现精确快速的装夹定位。主要是因为一个简单的设计可以增加可靠性并降低成本越来越多的设计倾向于这种不太复杂的设计、较低的制造成本和废品率的设计。组

13、件的大小和质量要根据机器人有效载荷的大小以及在机械手腕部加速时所产生在机器人手和爪之间的惯性力的大小来综合确定。快速夹紧依靠组件强有力的刚体结构，而精确定位则依靠所选择的输电装置、驱动器和编码器类型来实现。在这一部分，可重构机械手的设计过程将和文献13所说的概念设计、配置设计及参数化设计相一致。机械手设计过程在文献15中有较详细的描述。A.概念设计 概念设计阶段主要是产生设计的概念和理念。首先要决定接触类型以及可重构机械手所要求的自由度，还有驱动器和各种其他组件的选择。 1)自由度：为了决定机械手所要求的自由度的数量，机械手的数目，每个指尖和夹持部件之间接触类型必须要先确定好。不同组件组成的扭

14、转系统可以形成一个封闭的环5。当在装配过程中有外力作用时，平面接触将不可靠，因为它所依靠的摩擦力将可能会被外部作用力所抵消。在所给的复杂车身零件中点接触可以提供柔性的接触点而优于线接触。同时还必须对每个指尖和夹持部件之间有足够的空间、简单的设计制造并能实现稳定的夹持等多方面进行考虑。为了解决机械手的运动系统问题，被用在三种不同扭转系统中的Pugh方法16提供了一个很好的三维(3-D)的封闭空间系统。表III是对来自Pugh方法的评价矩阵的一个总结。从Pugh方法的结果可以看出，第二种选择是这三种中最佳的选项。如文献17所述，它要求有6个点， 12独立的接触力系统组成。这就要求三个指尖中每个都必

15、须有两个接触点，且每对点必须能阻止被夹持的物体随三个指尖中的一个实现联动。表III 使用Pugh方法的接触系统对比。用Pugh方法的在指尖和被夹持部件之间的三种可能系统进行对比，用-；0；+分别代表不同方面变化的性能指标的不满意、一般和好。标准变形1：2指尖的2线接触变形2：3指尖无摩擦6点接触变形3：3指尖3点摩擦接触完成部分的固定夹持点的选择焊枪的进入空间指尖的简易设计灵活性抗滑性稳定性+-0-+-+0+0+-0-总计+：20：1-：4+：50：2-：0+：30：1-：3 下一步就是决定可重构机械手自由度的数目。为了实现夹紧的目的，任何能使薄壁件形成封闭回路的固定的三爪结构都必须满足。可重

16、构机械手每指尖拥有两个自由度的配置使得其具有柔性接触能力。所以可重构机械手的自由度总数有6个，其中机械手的每个指尖都能实现两个独立方向的运动。2) 运动学设计：一旦可重构机械手的自由度被确定下来，下一步就是要选择连接处的配置。图2展示了总体设计的示意图。机械手由3个独立运动互不干涉对方运动的指尖组成。在图2中，每个指尖都任意定位而不影响对方。每个指尖第一个自由度就是来自于绕垂直轴旋转的1 , 2和3 三个自由度，分别位于每个指尖的直角位置处。在每个滑移铰接触的地方又产生了第二部分的自由度，分别是径向的（R1）和轴向的（A2，A3）移动。因而所有的三个指尖在由六个独立的制动器控制的过程中每个指尖

17、在独立完成移动的同时又可以互不干涉。理所当然的，在进行定位时要选用极坐标的形式。图2.可重构机械手6自由度的总体运动图。3)驱动：考虑到扭矩的输出和定位精度，在每个连接处选用机电驱动。在直线轴上由于低扭矩的要求所以选用步进电机加直线驱动器组合。为了降低对驱动的破坏，每个电机必须能及时的断电刹车。由于轴向空间有限，所以轴向选用直流无刷电机来消除A2和 A3 方向的制动系统的要求。将在第三部分B中讨论这部分的设计决定。在旋转接头处由于有刷电机价格低于无刷电机因而常被选作驱动。为了控制机械手的轴向运动，所以选用由Galil电机控制公司生产的可以直接通过ISA总线由接口输入PC机的DMC-1780 8

18、- Axis控制卡18。B.配置设计配置设计涉及确定和组织在概念设计阶段产生所有初步要求实现的功能。不同设计的配置必须要能够满足文章第二部分D和E中所有的设计规则和限制以及第三部分开始的与通用机械手设计指南相适应的要求。更重要的是要考虑可以提供简单的加工、装配，机构互不干涉以及价格的低廉。图3展示了机械手设计的最终配置，它由3部分组成：底盘、同心轴以及臂和指尖。图4和表四对前面的所有相关的配置设计进行了一个总结。图3. 6自由度可重构机械手的轴侧视图。图4.不同配置设计中的可重构机械手。（a）第一种版本，（b）第二种版本，（c）第三种版本。表四 配置设计的总结版本特征改变的优点第一版1.所有关

19、节均使用电机和制动结合并使用定位表定位2旋转轴电机径向排列，并使用直齿轮连接到同心轴上3直同心轴半径不对称第二版1 旋转轴电机径向排列，并使用锥齿轮代替直齿轮连接到同心轴上2 每根轴末端直径不均3 采用环氧树脂将每个指尖和指尖适配器进行隔离4 减少整体机制的轴长5 缩小了轴的总体尺寸6 夹持时避免高电流通过机械手第三版1同心轴采用螺旋制动器2两个线性轴采用电机制动组合代替无刷电机1增加了相邻臂之间的间隙最终版本1运用T型指尖，可抵消指2和3的直线驱动器的线行动2采用径向轴承支承底部同心轴1 在夹持小零部件时允许臂2、3靠近臂12 臂上的轴可以抵抗弯距 如图五和图六所示的，为了传递每个转到接头的

20、扭矩，机械手的核心部件就是同心轴系统。运用这一概念有主要有以下几个优点：机械手独立运动时所需要的空间最小；对指尖在极坐标中可以更有效的实现控制；实现运动轨迹的更多柔性化；同心轴系统符合机器人的辊轴手腕结构。三个空心轴同心装配，共用相同的旋转轴，并在末端安装滚动轴承来支撑。为了将扭矩从电机传输到同心轴，必须使用进行调质处理的不会出现反弹的锥齿轮对来实现。锥齿轮对通过传统的法兰轴来安装。电机产生的扭矩通过安装在同心轴底部的传动齿轮传递到锥齿轮对上。球轴承被选来传递来自于指尖和锥齿轮的轴向和径向载荷。空心同心轴通过两个安装在底座顶部的轴外壳锁定在一起。在每个心轴的底部通过可以分离的圆柱滚子轴承来支持

21、底板底部的同心轴的连接。为了便于检查和安装机械手组件，空心轴要能从底板的底部很容易的进行拆卸。图5.同心轴和底板内部的剖视图。图6.底盘的剖视图。机械手通过一个适配器法兰安装在机器人接口上，使得机械手可以很快的实现安装和拆卸，如图3和图6所示。 安装指尖的臂位于每根轴的顶部。R1轴的运动由采用了线性编码器的位置反馈的步进电机来启动。对于A2和A3轴则采用安装在臂尖端的与反向平行式无刷直流伺服电动机相连棒螺杆传动装置来进行。用于R1轴的致动器组合由于不需要断电刹车而不用于A2和A3轴。指尖可以抵消轴向线性驱动器为夹持较小的零部件产生的运动，此时允许其余两个指尖靠近工作中的指尖而不引起另两个支撑臂

22、的靠近。每个指尖都是简单的棒状并安装在棒螺杆驱动器上的法兰驱动器平板上。为了提供本文第三部分A中所要求的每个指尖可以实现的点接触，则需要引入位于每个棒顶端的U型槽。图7展示了每个指顶的U型槽是如何工作的。每个指的长度都必须给夹持零件以及焊枪有足够的空间可以进入。图7.（a）可重构夹具夹持面板的示意图。顶部左端：指尖工作在面板边缘的放大视图。（b）每个指尖的U型槽。箭头指示了夹持部件边缘所受的力。C.参数化设计参数化设计的目的实现机械手在整个设计过程中的最优化和可行性设计后所需的最佳值。参数化设计主要由手工计算和CAD/CAM模拟。 在整个项目机械手的设计、建模、制图以及对机械手部件的有限元分析

23、模拟都使用和文献6中所使用的CAD综合设计工程分析软件系列7来进行。由于机械手组件的震动可以忽略，因此主要是用有限元来对线性静态模型进行分析。在机器人运动的过程中，其最大加速的过程被认为是其产生最大惯性载荷的时候，因此常被选来进行分析。当机器人静止而机械手仍然进行夹持和装配时，此时称为静载，常被用来校验指尖的定位精度。为了研究受应力作用而存在的潜在危险，就有必要对最大主应力的值19进行分析。在特定载荷下需要使用I-DEAS来对最大主应力进行模拟优化，使其最大主应力的值小于相应材料的最低的安全系数1.25时的极限抗拉强度。由于外部载荷的作用会影响指尖的定位精度，另一个重要的考虑因素就是组件的偏转

24、。这仍然是用I-DEAS 软件中来进行有限元分析。而使用I-DEAS时也必须考虑到由于外部载荷而使得组件变形的外部因素的存在。而空间的限制也相应的会对结果产生很大的影响。首先要确定指尖的属性。指尖的长度要根据有足够空间允许焊枪的进入来确定。图8就展示了对一个指尖进行有限元分析后的结果。是在对指尖的U型槽上施加了一个67N的相当于最终装配零件重量的1.4倍的力后进行模拟的结果。这有限元分析的是一个承受重力的方向装配零件重量的水平指尖。同时还必须对机器人向重力的反向运动这种最坏状态下的机器人线性加速进行研究。在文献20中所使用的法拉克S-400机器人的最大加速度是3.348 m/s 。指尖的底部也

25、是有限制的。指尖的材料则是选用经过华氏1000回火处理的4042合金钢。因为实验结果表明，在经过热处理后的4042合金钢在990Mpa的极限抗拉强度作用下，要安全系数达4.56时指尖和适配器相连处的最大主应力为217.18 MPa 。在力作用下的最大挠度是0.232 mm 。正如表一中的一样，指尖的设计需要考虑潜在的危险同时还要保证定位精度在0.5 mm之内。图8.对一个指尖进行有限元分析。IV.可重构机械手综述在这一部分主要涉及了六自由度可重构机械手的机械特性、工作方式和运动学计算。9.图9显示了安装在S-400机器人上的可重构机械手。图9. S-400机器人上的六自由度机械手。A.普遍规格

26、 借助于第三部分的结果，可以对机械手的机械规格进行计算了。表五列出了其规格的一个总结。每根轴都是通过比较相应编码器，连杆螺钉与每个运动轴反弹间距的比较来确定的。为了确定每根轴的运动范围，就需要借助于I-DEAS 来仿真。每个指尖在直角坐标系中的位置都是通过相应连接部件的计算确定的。最后就可以从第三部分使用的钣金面板重量推算出机械手可以夹持的最大有效载荷这个计算出来的允许的最大夹持的载荷还必须可以保证其形变在其允许的最大挠度之内。同样也需要对实际的指尖变形进行测量。机械手指尖槽在悬臂状态时的最大载荷需要进行大量的仿真。无载荷位置的挠度则主要是通过仪器来测量。每个指尖的最大静挠度是：指1：0.45

27、5 mm（切向）；指2：0.286 mm（切向）；指3：0.239 mm (径向)。机械手计算的结果满足第二部分对其设计规格的要求。表五 可重构机械手的普通机械规格自由度6关节，每独立指尖上各有2个指尖编号123轴名运动范围1200CW/CCW0-279.4mm30-1200CCW0-152.4mm30-1200CCW0-152.4mm步距0.018900.0762mm/s0.016300.247mm/s0.014100.247mm/s最大速度800/s114.3mm/s1200/s114.3mm/s1200/s114.3mm/s指尖位置步距 =0.128=0.128=N/A=0.0782=0

28、.0782=0.247=0.0676=0.0676=0.247指尖最大挠度0.465mm0.209mm0.268mm总重68.26kg最大有效载荷11.74kgB.工件于每个组件的尺寸和对每根轴运动范围的掌握，接下来就可以确定每个机械手所能夹持的工件大小了。图10则显示了机械手是如何夹持工件的。既然指尖一无法实现轴线方向的夹持，那么指尖一的轴向位置就是其三个加紧点中最先要确定的。机器人移动指尖一到所要求的轴线位置，同时指尖二和三也必须适应其相应的轴向位置。我们注意到钣金件是从不太精密的零件箱中被夹持起来的。预先钻的孔要有足够的大小来供指尖插入，从而实现一个指尖围绕机械手同心轴旋转时可以实现一个

29、稳定和安全的夹持。这种夹持方法和文献21中描述的是一致的。图10.（a）前视图（b）后视图中机械手夹持的工件示意图。C.运动学基于参数化设计阶段尺寸的确定，从而可以确定机械手的运动学模型。为了可以使用常规的机械手运动学设计，就必须引入直角坐标系系统。这使得运动学方程可以转化为极坐标的形式。则运动学方程就可以转化为尺寸和弧度来表示：指1： （1）指2： （2）指3： (3)运动学仿真的逆运算如下：指1: (5)指2： (5)指3： (6) 其中的0，r0,a0和X0,Y0,Z0分别是以机器人适配器接口中心为原点的极坐标和笛卡尔坐标中的量，X，AX，RX则是表示机械手沿X轴移动的值。D.新颖的可重

30、构机械手这个设计呈现出了一个简单但是有效的相较于以往公布的机械手更新颖的可重构机械手。第一，它和文献6中所展示的机械手相比悬臂长度更短，这使得它在装配和夹持时受外力作用后不易产生较大的变形。同时和文献7所展示的相比，其运动形式更简单。这种设计使得指尖位置的控制更为简便和直接。为了使定位精度更高，可重构机械手还使用了比文献8中所使用的气动传动更精准的机电传动。E.夹持试验这种机械手已经被用于夹持和装配测试了。在进行夹持试验时，夹持点都是事先确定的。对于加紧点则要求每三个加紧点可以在平板上可以形成一个三角形。同时，机械手必须可以在不干涉组件和机械手的同时可以到达加紧点。文献21中的图11就对复杂形状的面板的三维夹持进行了详细的研究机械手首先由输入的程序来对机械手进行大至的定位。接着机器人不断降低机械手让指尖可以顺利的插入，并使得加紧点的边缘可以到达指尖槽并和它垂直。同时指二和指三也移动到它们相应的垂直位置。这个封闭的机制是由Galil程序同时控制轴的移动来实现的。接着当机械手夹持住面板后机械手移动并为装配调整方向。图12就展示了一个很好的例子。图11.（a）来自部件支撑的面板夹持；（b），（c）由可重构机械手对面板进行支撑的概览。图12.（a）空间两个零件的装配；（b）两个被夹持零件