多关节式机械脚手架的设计与应用

多关节式机械脚手架的设计与应用

1电机安装位置及数量对多关节式脚手架的影响多关节手臂的优点是运动灵活，运动惯性低，适应性强。它可以在离飞机工作附近的工作，也可以绕过身体和工作机械之间的障碍。随着生产的需要,对多关节式手臂的灵活性,定位精度及作业空间等提出越来越高的要求。多关节式手臂也突破了传统的概念,其关节数量可以从三个到十几个甚至更多,其外形也不局限于象人的手臂,而根据不同的场合有所变化,如文献中的CTARM-1机械手臂,就是由八个关节组成,其形状像大象的鼻子。多关节式手臂的优良性能是其它传统的机器人所不能比拟的,然而对它的研究碰到了许多工程上的困难,尤其是手臂的重量问题。关节多而长的机械手臂由于庞大的重量而难以在实践中推广应用,而重量问题中的瓶颈是驱动单元。从过去的经验来看,形状记忆合金,磁至伸缩,气动伸缩驱动单元的应用范围很有限,驱动主体是电机,而电机的重量是一个待解决的问题,电机的安装位置及其数量则是其直接影响因素。在传统的多关节式手臂设计中都是把电机固定在关节上,以驱动手臂,对于一个长而且较重的多关节式手臂,这样一种结构是无法获得应用的,并且由于运动惯性的加大,过冲量的加大在运动规划中,必将造成控制器的设计复杂化。因此,部分学者认为在超小型、超轻型、大功率的驱动器未研究成功之前,这种多关节式手臂是无法实现的。近几年来,部分学者针对这个问题提出了一些新的构想,并付之于实施,如最初设计了一种两自由度齿轮式机器人关节,它是万向联轴器的变型。驱动电机可配置在关节前后的手臂内,可以制成“手臂部件”。虽然降低了关节运动惯性,提高了灵活度,但手臂的重量并没有明显改善。后来有人提出能否将驱动电机安装到机座上。这样,关键问题是如何将电机的动力传到关节上去驱动手臂。很长一段时间,人们采用齿轮传动机构:如Lemma机构,将电机下置后,利用偏置的锥齿轮使运动穿过关节的机构或是采用差动齿轮传动等等。但是由于齿轮本身的体积和重量,并不能彻底解决手臂的重量问题。由于腱具有重量轻和柔韧性好的(腱的材料由绳索或钢丝绳制成)特点,而使腱驱动被广泛应用,腱驱动的设计在不断的完善和发展,最先设计的腱驱动机构如下图1所示。图中电机安装在基座上与电机相连的腱穿过套管与连杆根部的滑轮相连,而滑轮与连杆铆接,同时又可绕关节轴自由转动,该机构的缺点是:驱动连杆所需要腱的牵引力很大,而且不可避免的要考虑摩擦问题,并且独立于连杆的多个套管的存在使手臂的线路变得复杂,如果采用图2所示方法,将导管固定在连杆上,虽然每根腱仅与一个连杆相联,但拉动腱时可能会对多个关节产生作用力,这是因为在拉动腱时,沿腱的整个长度上都作用有力,并且传至对腱起支撑作用的零件上,若没有合适的腱传输路径,这种耦合作用是很难消除的。为了减少关节之间力的影响,可采用图3所示腱驱动,将前一关节的腱通过后一关节的中心的传输路径,该腱驱动受摩擦的影响可忽略不计,但是,腱的牵引仍然很大。目前,腱驱动有两种结构,第一种是“2N腱”结构,也就是在每个关节上连接有两个腱,分别沿相反两个方向运动,则每根腱必须使用二个电机。这不仅会加大成本,而且会使整个机构复杂化。如文献中,为了驱动八个关节的手臂,在机座上使用了十六个电机。第二种是“N+1腱”结构,即用一根腱来驱动所有关节沿着一个方向运动,另外用N个腱产生相反方向的力矩,分别驱使各关节沿相反方向运动。在文献中,采用了“N+1腱”结构实现了用三个电机驱动两个关节的手臂。2电机驱动机构的选择随着腱驱动的不断改善,驱动电机的下置,使机械手更加灵活和柔韧。但是腱在双向传动时,必须有往返两个电机带动。尽管“N+1”腱结构大大减少了“2N”腱结构的电机数量,但对于多关节式手臂来说,安装在机座上的电机数量仍然可观。我们知道,驱动电机的个数是与手臂的自由度个数紧密联系的。因此,简化传动机构的设计中,减少电机的数量,不但可以减小机械手臂的重量,而且将会简化整个系统的运动学和动力学分析。作者结合以上问题,基于现代机构学理论,提出一种新型的传动机构,可将电机下置,并且,仅用两个电机来驱动机械手臂的多个关节,使结构简单,易于控制。传动简图如图4所示。2.1实现了小臂和旋转1.采用交流伺服电动机经减速传动机构的传动系统。2.电机及减速器配置:大臂回转:电机MQ1→谐波减速器→大臂轴小臂回转:电机MQ2→谐波减速器→同步弧形带(两级)→小臂轴腕转:小臂轴→弧形同步带→腕轴3.若电机MQ2直接通过同步带动驱动小臂,则当大臂回转时,必然导至带轮包角的变化,因此将带轮装配在大臂轴上,通过两级带传动驱动小臂,则可避免运动的干涉,使传动稳定,并可简化运动学及动力学分析。4.通过调整传动比,可获得光滑的位移线图、定位准确,可实现平面内的柔性运动。5.若在底座上安装一回转副,可实现空间内的柔性运动。同步带传动在以往的传动机构中也应用过,如GZ-1装配机器人和ZHS-R005型关节式弧焊机器人,采用的是同步齿形带与齿轮传动相配合,电机没有全部下置,大部分仍直接驱动关节,并且电机数量与自由度数相同。本设计中采用圆弧齿同步带传动,彻底解决了电机的重量问题,并实现了传动机构的简化。由于同步带传动结合了齿轮传动腱传动及链传动的优点,其传动比准确,无滑差,传动速度范围广,且具有较高的承载能力,可传递大功率,因此,其适用范围很广。3该设计方案的应用前景3.1臂部运动的精确通常工业上使用的机器人由大臂和作为末端执行器的简单夹持器组成。此类机器人对于要求实现负荷的大范围运动作业是有效的,但却不能实现诸如装配之类要求对负荷进行精细调整的运动作业,因为传统的机器人要实现对被抓取物体的微小运动,机器人臂部各关节的运动就要求很精确,但由于传统机器人臂部各构件尺寸通常较大,通过整个臂部的运动不易实现对物体的精确操作,本设计由于能够有效地减小臂部的尺寸和重量,因此不难实现对物体的精确操作。由于多指机器人手通常小于所安装的机器人本体,所以可以提高机器人的整体精度,但是多手指的使用使整个系统的复杂性增加,并且由于带有多指机器人手的机器人的自由度很多,因此使得运动学和动力学分析