外文翻譯--機械手幾何圖形 中文版

第十章 機械手幾何圖形 對于 機械手臂 來說 機械手是一個有趣的名稱。 一個機械手 是 一個組裝段和關(guān)節(jié) ,可以方便分為三個部分 :手臂 ,組成的一個或多個細(xì)分 片段 和關(guān)節(jié) ；手腕 ,通常由一至三段關(guān)節(jié) ；鉗子或其他附加或掌握的手段。 一些文本 在這個問題上只機械手劃分為兩個部分 ,手臂和鉗子 ,但為了清晰起見 ,手腕被分離出來作為自己的部分 ,因為它執(zhí)行一個獨特的功能。 工業(yè)機器人是靜止的永久附加到地板上 的 操縱者 ,桌子或 看臺 。然而 ,在大多數(shù)情況下 ,工業(yè)機械手太大 ,使用幾何 學(xué)對 在移動機器人 來說 這 不是有效的 ,或缺乏足夠的傳感器 (事實上很多沒有環(huán)境傳感器 )被認(rèn)為是用于移動機器人。有部分覆蓋他們作為一個群體 ,因為他們展示各種各樣的有時操縱復(fù)雜的幾何圖形。這一章的主要焦點 ,然而 ,將三個總體布局的手臂部分的通用機械手 ,手腕和夾具的設(shè)計。幾不尋常的機械手設(shè)計也包括在內(nèi)。 應(yīng)該指出 ,很少有真正自治的操縱者在使用除 在 研究實驗室。定位、定向、和做一些有用的完全基于傳感器 頻繁不充分 輸入是極其困難的。在大多數(shù)情況下 ,機械手 是被 遙控 的 。然而 ,理論上是可以 制造 一個真正的自主機械手 并且 在未來數(shù)年它們的數(shù)量預(yù)計將大 幅增加。 定位、定向、有多少自由 度 ? 在一般意義上 ,手臂和手腕的基本機械手執(zhí)行兩個單獨的功能定位和定向。在布局 ,手腕或手臂不區(qū)分 ,但為簡單起見 ,在這討論作為獨立的實體。在人類的手臂 ,肩部和肘部做總定位和手腕的定向。每個接頭允許一個自由度的運動。自由度達到任何位置工作 包絡(luò) 和 確定方向的柄 在任何方向 的 理論最小數(shù)量都是六個 ,三個位置 ,和三個方向。換句話說 ,必須有至少三個彎曲或伸展運動的位置 ,和三個扭曲或旋轉(zhuǎn)運動方向。 其實 ,六個或多關(guān)節(jié)機械手可以在任何順序 ,和手臂和手腕段可以是任何長度 ,但一些組合只 有一個有效工作的共同秩序和區(qū)段長度。他們幾乎總是最后被分為手臂和手腕。三個扭曲動作給取向通常標(biāo)記 ,滾 ,偏航 ,向上 /向下傾斜 ,扭曲 ,彎曲左 /右。不幸的是 ,沒有簡單的標(biāo)簽系統(tǒng)部門本身因為有很多方法來實現(xiàn)總定位使用擴展段和旋轉(zhuǎn)或扭曲的關(guān)節(jié)。一個一般除外通用描述方法。 機械手的一個很好的例子是人類手臂 ,組成的肩、上臂、手肘和手腕。肩膀讓上手臂上下移動被認(rèn)為是 一個自由度 。它允許向前和向后運動 ,這是第二個自由度 ,但它也允許旋轉(zhuǎn) ,這是第三個自由度。肘關(guān)節(jié) 運動是第四個自由度 。手腕上下球 ,向 左和右 偏航 ,滾動 ,給在一個 聯(lián)合三個自由度。腕關(guān)節(jié)實際上不是很好共同設(shè)計的。理論上的最佳腕關(guān)節(jié)幾何是一個球形接頭 ,但是 ,即使是在生物世界 ,只有一個真正的完整的一個例子運動球形接頭 (允許在兩架飛機運動 ,和扭轉(zhuǎn)360 )因為他們是如此困難的權(quán)力和控制。人工髖關(guān)節(jié)一個有限的運動球形接頭。 在移動機器人底盤常常可以代替一個或兩個自由度 ,通常前 /后 ,有時偏航的手臂左 /右 ,顯著減少機械手的復(fù)雜性。一些專用機械手不需要在所有三個軸 使爪子確定 ,進一步減少了自由度。在另一個極端 ,有武器的概念階段超過 15自由度。 徹底的 ,本章將包括所有的 幾何圖形基本的三自由度機械手的手臂 ,除了簡單的兩個自由度專為使用機器人手臂。手腕是單獨列示。這是離開你選擇和匹配的有效組合手腕和手臂幾何圖形來解決您的具體操作問題。首先 ,讓我們看看在一個不尋常的機械手和一個簡單的 機制可能 最簡單從旋轉(zhuǎn)運動創(chuàng)建直線運動的機制。 圖 10 -電子供應(yīng)鏈 電子供應(yīng)鏈 一個不尋常的連鎖裝置可以用作操縱者。 它是基于 一個靈活的電纜束載體稱為 電子供應(yīng)鏈 和具有獨特的屬性。鏈可以彎曲在飛機 ,只有一個。 這 允許其懸臂平面創(chuàng)建一個長臂 ,但存儲卷了起來像一個卷尺。 它可以用作 一次性的 伸出臂 成小 密閉空間 ,如管道和管。 圖的賠率顯示了 簡化的線條畫 電子供應(yīng)鏈 容許的運動。 滑塊曲柄 圖 10-2滑塊曲柄 圖 10 - 2展示曲柄滑塊通常是用來得到旋轉(zhuǎn)運動直線運動 ,就像一個內(nèi)燃發(fā)動機 ,但它也是一個有效的方法線性運動的旋轉(zhuǎn)運動發(fā)動機 /變速箱。連桿長度和曲柄半徑四比一的比例近直線運動的滑塊在大多數(shù)的 沖程 ,因此 ,最有用的比率。其他一些方法用于創(chuàng)建存在從旋轉(zhuǎn)直線運動 ,但滑塊曲柄 被 有效 的用 在步行機器人 上 。 滑塊的 運動不是線性速度在其全系列的運動。附近的行程結(jié)束滑塊放緩 ,但力量由曲柄 運動提供 。這種效應(yīng)可以得到很好的利用 作為 夾 鉗 。它也可以用來移動步行者的腿?；瑝K曲柄應(yīng)考慮是否需要設(shè)計線性運動。 為了好好利用滑塊曲柄 ,一種計算的方法相對于曲柄滑塊的位置是有幫助的。方程計算多遠(yuǎn)滑塊曲柄臂旋轉(zhuǎn)的旅行 發(fā)動機 /變速箱軸 :x = L cos O+ r cos O. 臂的幾何圖形 三 自由度臂的 總體 設(shè)計 被稱為笛卡爾 ,圓柱 ,和極地 (或球面 )。它們的形狀命名的體積機械手可以達到和 使夾子確定 到任何位置 包絡(luò) 的工作。他們都有自 己的使用 ,而是將成為明顯 ,一些人比其他人更好地使用機器人。一些使用所有滑動動作 ,一些只使用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) ,兩者 同時使用。繞軸旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)通常比滑動關(guān)節(jié)更健壯 ,但經(jīng)過精心設(shè)計 ,滑動或擴展可以有效地用于某些類型的任務(wù)。 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)防止操縱者的缺點達到每立方厘米在工作 包絡(luò) ,因為手肘不能完全向后折疊。這將創(chuàng)建死 空間 手臂上無法達到的總工作卷里。在一個機器人 ,它經(jīng)常需要機械手褶皺非常緊。幾個機械手制造商使用一個聰明的抵消設(shè)計如圖 10-3所示 ,允許手臂折疊 180。 這不僅降低了裝載量 ,但也會降低任何死角。許多工業(yè)機器人和遙控 車輛使用這個或類似設(shè)計的機械手 圖 10-3打出抵消聯(lián)合增加的工作范圍旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 圖 10-4龍門 ,只需 支持使用痕跡或幻燈片 ,工作之外的工作信封。 圖 10-5 懸臂式機械手幾何 笛卡兒或矩形 幾乎在移動機器人 ,機械手總是超越 優(yōu)勢 的底 架 和工作必須能夠從地面到上面機器人的身體的高度。這意味著機械臂從內(nèi)部或從一個工作 的 包層 。 一些工業(yè)龍門 機械手 從 工作 包層外工作 ,很難使用他們 布局移動機器人。 見圖 10-4,尤其龍門機械手是笛 卡爾或矩形 操縱者。幾何這個樣子三維 XYZ坐標(biāo)系。在事實上 ,這就是它以及如何控制工作結(jié)束繞在工作 包層 。有兩種基本布局基于 手臂 支持段 ,龍門和懸臂。 安裝在機器人的前面 ,第一個兩 自由度 的懸臂笛卡爾操縱左 /右和上 /下移動 ；y軸一定需要在移動機器人 ,因為機器人可以移動后退 /前進。圖 10-5已經(jīng)顯示了懸臂式的布局有三個自由度。雖然不是最好的解決問題的工作前面一個機器人 ,它會工作。它 得益于 一個非常簡單的控制算法。 圓柱形的 圖 10-6三自由度 圓柱機 械手 第二種類型的機械手工作信封圓柱形。圓柱形類型通常包含第一段旋轉(zhuǎn)基地望遠(yuǎn)鏡或上下滑動 ,帶著一個水平可伸縮的部分。盡管他們 的工作包絡(luò) 是相當(dāng)簡單的圖片和工作直覺 ,他們難以有效實現(xiàn)因為他們需要兩個直線運動部分 ,這兩個時刻負(fù)荷引起的通過負(fù)載的上臂。 在基本布局 中 ,控制代碼 是 簡單 的 ,基礎(chǔ)的角度 ,高度的第一段 ,第二段的延伸。一個機器人 ,底部 的角度是機器人的底盤本身的角度 ,離開第二 段 的高度和擴展段。圖 10 - 6顯示的基本布局圓柱形 三自由度 機械臂。 圖 10-7 一個 馴服的裝配機器人臂 操縱者 第二個幾何 ,仍有一個圓柱 包層馴服的裝配機器人臂 設(shè)計工作。 馴服的裝配機器人臂 意味著選擇兼容組裝機器人手臂。這種設(shè)計具有良好的剛度在垂直在水平方向 ,但一些合規(guī)。這使它更容易接近正確的位置 ,讓小合規(guī)任何偏差。 馴服的裝配機器人臂 操縱者取代第二伸縮接頭有兩個垂直 繞軸旋轉(zhuǎn) 關(guān)節(jié)。 圖 10-7誤差顯示了 馴服的裝配機器人臂 操縱者。 圖 10-8基本的極地 極地或球形 第三 ,最通用的 ,幾何的球形的類型。 在這種布局 ,工作 包層 可以認(rèn)為是周 圍。在現(xiàn)實中 ,不過 ,很難達到無處不在。有幾種方法可以布局手臂 的 工作 包層 。最基本的一個旋轉(zhuǎn) 底部 ,攜帶一只胳膊段 ,可以上下 運動 ,擴展 (圖 10-8)。提高肩 (圖10-9)包層 有些變化在某些情況下值得考慮。數(shù)字演出 ,10 - 11、 10 - 12顯示變化的球形幾何機械手 圖 10-9高的肩膀極地坐標(biāo)式機械手以抵消聯(lián)合手肘 圖 10-10高肩極坐標(biāo)操縱者重疊的關(guān)節(jié) 圖 10-11鉸接極坐標(biāo)機械手 圖 10-12炮塔極地坐標(biāo)式機械手 手腕 機械手的手臂只得到終點在正確的地方。在以 使爪子確定 正確的角度 ,在所有三個軸 ,第二個組關(guān)節(jié)通常 是 手腕 必需的 。 必須在腕關(guān)節(jié)扭轉(zhuǎn)向上 /向下 ,順時針 /逆時針 ,左 /右。他們必須分別上下翻動、偏航?？梢允褂靡惑w化套筒聯(lián)接像人工髖關(guān)節(jié) ,但控制和驅(qū)動這種類型困難的。 大多數(shù)手腕由 3個獨立的關(guān)節(jié)。圖 10-13、 10 - 14、 10 - 15描繪一個 ,兩個 ,和 三自由度 基本手腕上的每個建筑以前的設(shè)計。順序在手腕有一個自由度大 影響手腕的功能 ,應(yīng)該仔細(xì)選擇 ,尤其是對手腕只有一個或兩個自由度。 圖 10-13Single-DOF手腕 (偏航 ) 圖 10-14基于手腕 (偏航和滾 )圖 圖 10-15三自由度 手腕 (偏航、輥距 ) 夾持器 機械手的結(jié)束部分 是 用戶或機器人 的 使用 的 影響 在 環(huán)境 中 。因此它通常被稱為一個效應(yīng)器 ,但它也被稱為一個鉗子因為這是一個非常常見的任務(wù) ， 執(zhí)行時安裝在一個機器人 上 。它常被 用來接機器人攜帶 的 危險或可疑物品 ,一些可以把門把手 ,和其他設(shè)計只攜帶非常具體的事情啤酒罐。收得太緊對一個對象和它是一個主要的粉碎問題自主 夾持器 。必須有一些方法來告訴如何很難足以容納對象不下降或破碎。甚至半自治機器人 ,人類控制機械手 ,有效地使用鉗子往往是困難的。由于這些原因 ,握爪設(shè)計需要盡可能多的知識范圍內(nèi)的物品 將 鉗子 確定 。它們的質(zhì)量、大小、形狀和強度 ,等都必須考慮。一些對象需要 夾持器 有很多下巴 ,但在大多數(shù)情況下 ,夾持器 僅有兩個下巴和這些將顯示在這里。 有幾種基本類型的夾具幾何圖形。最基本的 類型有兩個 簡單的下巴的在一起 ,這樣一個把另一個 當(dāng) 基礎(chǔ)。 這給兩個下巴。 狹口 可以移動 通過線性致動器或可以直接安裝在電機齒輪箱的輸出軸 (圖 10-16),或通過一個直角驅(qū)動器驅(qū)動 (圖 10- 17)的驅(qū)動電動機更遠(yuǎn)地方的方式握爪。 這和類似的設(shè)計有缺陷 ,狹口 總是在一個角度會互相推動的事情抓著下巴。 圖 10-16簡單直接的驅(qū)動擺動顎 圖 10-17簡單直接的通過直角蝸桿傳動傳動齒輪電動機 圖 10-18齒條和齒輪驅(qū)動爪 圖 10-19往復(fù)桿夾 圖 10-20線性致動器直接驅(qū)動爪 圖 10-21平行的下巴上線性的幻燈片 更有效的下巴布局是平行的 夾持器 。一個可能的布局將更多的鏈接添加到基本的兩個手指四連桿聯(lián)系該公司持有有時下巴平行寬松非常困難的任務(wù)的鉗子 ,直到被抓住的東西它關(guān)閉。得到平行 運動的另一種方法是使用一個線性致動器移動一個或兩個下巴直接向和彼此遠(yuǎn)離。這些布局所示數(shù)據(jù) 10-21、 10-22 10-23。 圖 10-22平行下巴使用四連桿連接 圖 10-23平行下巴使用四連桿連接和線性致動器 被動并行使用枕木下巴 雙四桿是關(guān)鍵組件在這漫長的機制可以控制一個常數(shù) 柄的重量， 力比任何適合的控制范圍內(nèi)的對象。長機制依賴于之間的橫向拉桿產(chǎn)生大小相等、方向相反的兩組聯(lián)系聯(lián)系運動。垂直擴展與控制墊安 裝在他們的鏈接結(jié)束 ,而橫向鏈接是成比例的 ,其墊在一個斜直線路徑。負(fù)載的重量被解除 ,因此 ,楔形墊對加載的力成正比物體的重量和獨立于它的大小。 一些機器人被設(shè)計用來做一個特定的任務(wù) ,一個特定的對象 ,甚至搭上一些具體的事情。安裝一個專用的旋鈕或球頭在使用這個交配對象簡化了扣人心弦的任務(wù)單向的連接器。在許多情況下 ,這樣的聯(lián)合可以獨立使用任何操縱。 圖 10-24被動的平行下巴使用枕木 被動獲取聯(lián)合有三個自由度 新的聯(lián)合允許快速任意兩個之間的聯(lián)系結(jié)構(gòu) 元素在所有三個軸旋轉(zhuǎn)的位置想要的。馬歇爾太空飛行中心 ,阿拉巴馬州一個新的聯(lián)合 ,提出了使用一個可連接的碎片的盾牌國際空間站服務(wù)模塊 ,潛在的商用硬件的情況下必須拆卸和組裝定期。這個接頭可用于各種各樣的應(yīng)用程序 ,包括替換關(guān)節(jié)常用 拖車故障 舌頭和暫時的結(jié)構(gòu) ,如起重機繁榮和操縱。這個聯(lián)合其他用途包括裝配結(jié)構(gòu)簡單的快速部署是必要的 ,如在太空、海底和軍事結(jié)構(gòu)。 這種新的聯(lián)合允許快速任意兩個結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系元素 ,它是可取的 ,在所有三個軸旋轉(zhuǎn)。聯(lián)合可以通過將兩半固定到位。然后聯(lián)合將球插入到孔連接的基礎(chǔ)。當(dāng)聯(lián)合球完全插入 ,共同將鎖。釋放這聯(lián)合只涉及一個簡單的運動和旋轉(zhuǎn)的一部分。聯(lián)合然后可以很容易分離。 圖 10-25三自由度 能力被動獲取聯(lián)合提供 快速連接和斷開連接操作。 大多數(shù)被動捕獲設(shè)備只允許軸向旋轉(zhuǎn) ， 任何 固定 運動是允許的。 手動或機械傳動的 活動關(guān)節(jié)需要一個額外的動作 ,或電源和控制信號一個更復(fù)雜的機制。 這個新的聯(lián)合的設(shè)計相對簡單。它包括兩個半 ,一個球安裝在閥桿 (比如在一個常見的 拖車聯(lián)結(jié)裝置 球 )和一個套接字。套接字包含所有移動部件 ,這項發(fā)明的重要組成部分。套接字也有一個基地 ,包含一個大型中央 圓柱孔球形杯結(jié)束。 這項工作是由布魯斯 溫德朵夫 和理查德 a 克勞德 而言的馬歇爾太空飛行中心。 工業(yè)機器人 工業(yè)工業(yè)機器人使用的計算機的可編程性軟件在它的工作方式使它靈活 ,多才多藝范圍的任務(wù)可以完成。最普遍接受的定義工業(yè)機器人是一種可重復(fù)編程的、多功能機械手設(shè)計移動材料、零件、工具或?qū)Ｓ迷O(shè)備變量編程動作來執(zhí)行各種任務(wù)。工業(yè)機器人可以 立式 、臺式或移動。 工業(yè)機器人進行分類的方式與特點他們的控制系統(tǒng) ,機械手或手臂幾何 ,和模式操作。沒有共同的或標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議這些名稱在文學(xué)或工業(yè)機器人專家之一 世界各地。 工業(yè)機器人的基本分類與整體性能區(qū)分有限和無限的順序控制。四個類是公認(rèn)的 :有限序列和三種形式 。 無限 點對點按順序排列 、連續(xù)路徑和控制路徑。這些名稱指所采取的路徑效應(yīng) ,或工具 ,在工業(yè)機器人的手臂的動作之間的操作。 另一個分類相關(guān)的控制是 非伺服 與 伺服 。 非伺服 意味著開環(huán)控制、閉環(huán)反饋 ,或沒有系統(tǒng)。相比之下 ,伺服 意味著某種形式的閉環(huán)反饋系統(tǒng)中的使用 ,通?；趥鞲兴俣?,位置 ,或兩者兼而有之。有限序列也意味著 非伺服 控制無限序列可以實現(xiàn)點對點、 連續(xù)軌跡控制 或 控制軌跡數(shù) 模式的操作。 工業(yè)機器 人是由電氣、液壓 或氣動 提供動力的， 電機 動力對現(xiàn)在的立式 工業(yè)機器人 來說 是最受歡迎的。 特大工業(yè)機器人通常分配給重型起重應(yīng)用程序。一些電動和液壓工業(yè)機器人配備了 氣動控制 工具或效果器。 自由度的數(shù)目等于一個工業(yè)機器人軸的數(shù)量 ,是其功能的一個重要指標(biāo)。 有限順序排列 工業(yè)機器人通常只有兩個或三個自由度 ,但點到點 ,連續(xù)軌跡控制 ,控制軌跡數(shù) 工業(yè)機器人通常有五六個。兩