多關(guān)節(jié)式機(jī)械腳手架的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

多關(guān)節(jié)式機(jī)械腳手架的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1電機(jī)安裝位置及數(shù)量對(duì)多關(guān)節(jié)式腳手架的影響多關(guān)節(jié)手臂的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)靈活，運(yùn)動(dòng)慣性低，適應(yīng)性強(qiáng)。它可以在離飛機(jī)工作附近的工作，也可以繞過身體和工作機(jī)械之間的障礙。隨著生產(chǎn)的需要,對(duì)多關(guān)節(jié)式手臂的靈活性,定位精度及作業(yè)空間等提出越來越高的要求。多關(guān)節(jié)式手臂也突破了傳統(tǒng)的概念,其關(guān)節(jié)數(shù)量可以從三個(gè)到十幾個(gè)甚至更多,其外形也不局限于象人的手臂,而根據(jù)不同的場(chǎng)合有所變化,如文獻(xiàn)中的CTARM-1機(jī)械手臂,就是由八個(gè)關(guān)節(jié)組成,其形狀像大象的鼻子。多關(guān)節(jié)式手臂的優(yōu)良性能是其它傳統(tǒng)的機(jī)器人所不能比擬的,然而對(duì)它的研究碰到了許多工程上的困難,尤其是手臂的重量問題。關(guān)節(jié)多而長(zhǎng)的機(jī)械手臂由于龐大的重量而難以在實(shí)踐中推廣應(yīng)用,而重量問題中的瓶頸是驅(qū)動(dòng)單元。從過去的經(jīng)驗(yàn)來看,形狀記憶合金,磁至伸縮,氣動(dòng)伸縮驅(qū)動(dòng)單元的應(yīng)用范圍很有限,驅(qū)動(dòng)主體是電機(jī),而電機(jī)的重量是一個(gè)待解決的問題,電機(jī)的安裝位置及其數(shù)量則是其直接影響因素。在傳統(tǒng)的多關(guān)節(jié)式手臂設(shè)計(jì)中都是把電機(jī)固定在關(guān)節(jié)上,以驅(qū)動(dòng)手臂,對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)而且較重的多關(guān)節(jié)式手臂,這樣一種結(jié)構(gòu)是無法獲得應(yīng)用的,并且由于運(yùn)動(dòng)慣性的加大,過沖量的加大在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中,必將造成控制器的設(shè)計(jì)復(fù)雜化。因此,部分學(xué)者認(rèn)為在超小型、超輕型、大功率的驅(qū)動(dòng)器未研究成功之前,這種多關(guān)節(jié)式手臂是無法實(shí)現(xiàn)的。近幾年來,部分學(xué)者針對(duì)這個(gè)問題提出了一些新的構(gòu)想,并付之于實(shí)施,如最初設(shè)計(jì)了一種兩自由度齒輪式機(jī)器人關(guān)節(jié),它是萬向聯(lián)軸器的變型。驅(qū)動(dòng)電機(jī)可配置在關(guān)節(jié)前后的手臂內(nèi),可以制成“手臂部件”。雖然降低了關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)慣性,提高了靈活度,但手臂的重量并沒有明顯改善。后來有人提出能否將驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝到機(jī)座上。這樣,關(guān)鍵問題是如何將電機(jī)的動(dòng)力傳到關(guān)節(jié)上去驅(qū)動(dòng)手臂。很長(zhǎng)一段時(shí)間,人們采用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu):如Lemma機(jī)構(gòu),將電機(jī)下置后,利用偏置的錐齒輪使運(yùn)動(dòng)穿過關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)或是采用差動(dòng)齒輪傳動(dòng)等等。但是由于齒輪本身的體積和重量,并不能徹底解決手臂的重量問題。由于腱具有重量輕和柔韌性好的(腱的材料由繩索或鋼絲繩制成)特點(diǎn),而使腱驅(qū)動(dòng)被廣泛應(yīng)用,腱驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)在不斷的完善和發(fā)展,最先設(shè)計(jì)的腱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)如下圖1所示。圖中電機(jī)安裝在基座上與電機(jī)相連的腱穿過套管與連桿根部的滑輪相連,而滑輪與連桿鉚接,同時(shí)又可繞關(guān)節(jié)軸自由轉(zhuǎn)動(dòng),該機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)是:驅(qū)動(dòng)連桿所需要腱的牽引力很大,而且不可避免的要考慮摩擦問題,并且獨(dú)立于連桿的多個(gè)套管的存在使手臂的線路變得復(fù)雜,如果采用圖2所示方法,將導(dǎo)管固定在連桿上,雖然每根腱僅與一個(gè)連桿相聯(lián),但拉動(dòng)腱時(shí)可能會(huì)對(duì)多個(gè)關(guān)節(jié)產(chǎn)生作用力,這是因?yàn)樵诶瓌?dòng)腱時(shí),沿腱的整個(gè)長(zhǎng)度上都作用有力,并且傳至對(duì)腱起支撐作用的零件上,若沒有合適的腱傳輸路徑,這種耦合作用是很難消除的。為了減少關(guān)節(jié)之間力的影響,可采用圖3所示腱驅(qū)動(dòng),將前一關(guān)節(jié)的腱通過后一關(guān)節(jié)的中心的傳輸路徑,該腱驅(qū)動(dòng)受摩擦的影響可忽略不計(jì),但是,腱的牽引仍然很大。目前,腱驅(qū)動(dòng)有兩種結(jié)構(gòu),第一種是“2N腱”結(jié)構(gòu),也就是在每個(gè)關(guān)節(jié)上連接有兩個(gè)腱,分別沿相反兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng),則每根腱必須使用二個(gè)電機(jī)。這不僅會(huì)加大成本,而且會(huì)使整個(gè)機(jī)構(gòu)復(fù)雜化。如文獻(xiàn)中,為了驅(qū)動(dòng)八個(gè)關(guān)節(jié)的手臂,在機(jī)座上使用了十六個(gè)電機(jī)。第二種是“N+1腱”結(jié)構(gòu),即用一根腱來驅(qū)動(dòng)所有關(guān)節(jié)沿著一個(gè)方向運(yùn)動(dòng),另外用N個(gè)腱產(chǎn)生相反方向的力矩,分別驅(qū)使各關(guān)節(jié)沿相反方向運(yùn)動(dòng)。在文獻(xiàn)中,采用了“N+1腱”結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了用三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)關(guān)節(jié)的手臂。2電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇隨著腱驅(qū)動(dòng)的不斷改善,驅(qū)動(dòng)電機(jī)的下置,使機(jī)械手更加靈活和柔韌。但是腱在雙向傳動(dòng)時(shí),必須有往返兩個(gè)電機(jī)帶動(dòng)。盡管“N+1”腱結(jié)構(gòu)大大減少了“2N”腱結(jié)構(gòu)的電機(jī)數(shù)量,但對(duì)于多關(guān)節(jié)式手臂來說,安裝在機(jī)座上的電機(jī)數(shù)量仍然可觀。我們知道,驅(qū)動(dòng)電機(jī)的個(gè)數(shù)是與手臂的自由度個(gè)數(shù)緊密聯(lián)系的。因此,簡(jiǎn)化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,減少電機(jī)的數(shù)量,不但可以減小機(jī)械手臂的重量,而且將會(huì)簡(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。作者結(jié)合以上問題,基于現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)理論,提出一種新型的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),可將電機(jī)下置,并且,僅用兩個(gè)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)機(jī)械手臂的多個(gè)關(guān)節(jié),使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于控制。傳動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖4所示。2.1實(shí)現(xiàn)了小臂和旋轉(zhuǎn)1.采用交流伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)。2.電機(jī)及減速器配置:大臂回轉(zhuǎn):電機(jī)MQ1→諧波減速器→大臂軸小臂回轉(zhuǎn):電機(jī)MQ2→諧波減速器→同步弧形帶(兩級(jí))→小臂軸腕轉(zhuǎn):小臂軸→弧形同步帶→腕軸3.若電機(jī)MQ2直接通過同步帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)小臂,則當(dāng)大臂回轉(zhuǎn)時(shí),必然導(dǎo)至帶輪包角的變化,因此將帶輪裝配在大臂軸上,通過兩級(jí)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)小臂,則可避免運(yùn)動(dòng)的干涉,使傳動(dòng)穩(wěn)定,并可簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析。4.通過調(diào)整傳動(dòng)比,可獲得光滑的位移線圖、定位準(zhǔn)確,可實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)的柔性運(yùn)動(dòng)。5.若在底座上安裝一回轉(zhuǎn)副,可實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)的柔性運(yùn)動(dòng)。同步帶傳動(dòng)在以往的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中也應(yīng)用過,如GZ-1裝配機(jī)器人和ZHS-R005型關(guān)節(jié)式弧焊機(jī)器人,采用的是同步齒形帶與齒輪傳動(dòng)相配合,電機(jī)沒有全部下置,大部分仍直接驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié),并且電機(jī)數(shù)量與自由度數(shù)相同。本設(shè)計(jì)中采用圓弧齒同步帶傳動(dòng),徹底解決了電機(jī)的重量問題,并實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化。由于同步帶傳動(dòng)結(jié)合了齒輪傳動(dòng)腱傳動(dòng)及鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn),其傳動(dòng)比準(zhǔn)確,無滑差,傳動(dòng)速度范圍廣,且具有較高的承載能力,可傳遞大功率,因此,其適用范圍很廣。3該設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用前景3.1臂部運(yùn)動(dòng)的精確通常工業(yè)上使用的機(jī)器人由大臂和作為末端執(zhí)行器的簡(jiǎn)單夾持器組成。此類機(jī)器人對(duì)于要求實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的大范圍運(yùn)動(dòng)作業(yè)是有效的,但卻不能實(shí)現(xiàn)諸如裝配之類要求對(duì)負(fù)荷進(jìn)行精細(xì)調(diào)整的運(yùn)動(dòng)作業(yè),因?yàn)閭鹘y(tǒng)的機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)對(duì)被抓取物體的微小運(yùn)動(dòng),機(jī)器人臂部各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)就要求很精確,但由于傳統(tǒng)機(jī)器人臂部各構(gòu)件尺寸通常較大,通過整個(gè)臂部的運(yùn)動(dòng)不易實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的精確操作,本設(shè)計(jì)由于能夠有效地減小臂部的尺寸和重量,因此不難實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的精確操作。由于多指機(jī)器人手通常小于所安裝的機(jī)器人本體,所以可以提高機(jī)器人的整體精度,但是多手指的使用使整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性增加,并且由于帶有多指機(jī)器人手的機(jī)器人的自由度很多,因此使得運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析