一种多关节式机械机械机构的设计

一种多关节式机械机械机构的设计

1驱动单元问题多关节手臂的良好性能在多个行业得到了广泛应用。然而，这项研究遇到了许多困难，尤其是手臂的重量。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问题是驱动单元问题。目前驱动的主体是电机,而电机的重量又是一个待解决的问题,电机的安装位置及其数量则是直接影响因素,在传统的多个关节式手臂设计中都是把电机固定在关节上,以驱动手臂。对一个长而且较重的多关节手臂,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,在运动规划中必然造成控制器设计复杂化。本文设计了一种由同步带传输动力的新型传动机构,仅用两个电机带动多个关节,并将电机下置,有效解决了上述问题。2提高织物的灵活性本文机械手臂设计的主要思路是将动力装置下载至底座,由同步带将动力传递给各关节,在关节处设置有离合、制动装置,提高了手臂的灵活性和空间的柔性运动。如图-1所示为其机构简图。其自由度F=3n-2p1=4(活动臂个数n=4;回转副个数p1=4),由于在关节处采用了离合器,类似于将电机安装在关节处直接驱动手臂,相当于有四个动力源(其中包括两个电机)。此机械手臂可用于完成搬运、焊接、喷漆、检测、装配等工艺操作,是一种典型的操作机械手臂。2.1臂氏机构设计机械手主要由臂座和手臂两部分组成。臂座的主要任务是支撑和完成手臂回转,实现其在整个空间的运动。电机固定在臂座上。臂座和大臂由转动灵活的交叉装子轴承联接。其机构如图2所示。底座的外形采用方型结构,在其每个边上都各有一根伸缩杆,其长度随手臂的运动范围而定,用于平衡手臂的运动。电机-1固定在臂座上,通过谐波减速器-1将动力传递给固定在大臂上的齿轮-1,带动大臂的回转。大臂的内腔采用立形结构,便于圆锥齿轮和带轮在其内部的安装和同步带的传动。电机-2固定在臂痤的另一侧,由谐波减速器-2将其动力传给齿轮-2,并带动圆锥齿轮转动,再由同步带传递给臂关节。手臂运动的快慢和正反向控制,可由控制器调节电机的转速和转向来实现。2.2臂关节结构的改变多关节手臂关节的动力靠同步带来传递,同步带传动以其体积小、重量轻、结构简单及传动比准确而保证了手臂运动的灵活性和定位的精确性。机械手臂的运动是通过臂关节的摆转来进行的。为了保证同步带传输的连续性和关节的正常摆转,本文设计了如3所示的臂关节结构;同步带带动带轮旋转,带轮通过牙嵌离合器使手臂关节摆转。若手臂运动到所需的位置,可通过控制器使电磁铁带电吸引离合齿右移,将离合齿脱离。同时制动器受到电磁铁的吸引而制动,使关节停止摆转,手臂停在所到的位置。若要恢复手臂的运动,可将控制器打开,电磁铁失去磁力,离合齿在弹簧力的作用下自动啮合,同时制动器打开,手臂恢复原有的运动。当手臂运动到极限位置时,离合齿脱离啮合,同时制动器制动,手臂停止运动。若此时带轮反转,离合齿在弹簧力作用下自动啮合,同时制动器打开,手臂开始反向运动。同步带传动的连续性不受关节摆转的影响。各个手臂不仅可以独立的运动,也可以同时运动(这里的同时运动是指手臂的同向运动,若需手臂同时反向运动,只需在关节处置正反转动可控装置)。3臂膀间的运动3.1机械手臂运动极限位置{臂α1-112°∼112°臂α2-143°∼143°臂α3-60°∼60°臂α4-180°∼180°(注∶α1,α2,α3,α4如图4所示)机械手臂的运动范围受其结构的限制。在手臂的运动到达结构位置之前,必须使其自动停止。如图4所示,机械手臂的运动极限位置是由关节处牙嵌离合齿上凸起部分而定。设离合齿上自动离合部分(凸起)的内弧长为S,则手臂的动作角度范围(α=2π-s/r,r为凸起部分内弧的半径,α为结构限位角度)所以S≥r(2π-ε)。3.2滑动非滑动模型手臂在极限位置的自动停止和反向运行完全是靠离合齿上凸起部分与滑块的接触实现的。为了使离合齿轮能顺利的脱离和啮合,对离合齿上凸起部分斜面(在滑块上滑动的部分)的升角β≥arctgμv(μv为斜面与滑块的实际磨擦系数)只有满足这个条件,离合齿上凸起部分的斜面与滑块在滑动时才不会发生自锁。这样手臂才能自动停止和反向运作。3.3如图5所示手臂的运动轨迹共有p14+p24+p34+p44=15种,由于篇幅有限,只列出以上三种典型的轨迹。4多个关节的动作1)电机下载至底座,减轻手臂重量和运动慢性,提高手臂灵敏度。2)多个关节的手臂动作通过同步带由一个电机传动,结构简单,动作灵活。3)采用离合器使各臂既能够同时运动,又能够互不于涉的独立运动,从而实现空间内的柔性运动。5应用前景5.1接等工艺操作如前所述,此机械手可用于完成搬运、焊接等工艺操作,是一种典型的操作机械手。另外从仿真图中可知,该机械手的运动轨迹灵活多样,因此可应用于成形加工中。5.2多种自由度由于多指机器人手通常小于所安装的机器人体,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,并且由于多指机器人手的自由度很多,因此使得运动学和动力学分析复杂化,同时由于自由度的增加将使抓取工