電氣復合驅動柔性欠驅動機械手設計與實現(xiàn),機械工程論文

電氣復合驅動柔性欠驅動機械手設計與實現(xiàn),機械工程論文摘要：目的針對輕工業(yè)、食操行業(yè)中被抓取對象物性多樣、尺寸范圍較大等問題,設計一種通用的欠驅動柔性機械手。方式方法根據(jù)機械手需要知足的功能設計機械手構造,運用Matlab軟件中的Fsolve函數(shù)求解機械手中指節(jié)、指尖節(jié)相對轉角與筆形氣缸壓力的關系,并以此繪制機械手的工作空間圖,建立機械手的簡化抓取模型,并以500mL的啤酒、160mL的可樂為抓取目的進行機械手抓取計算。結果機械手的尺寸自適應連續(xù)寬度范圍為0～200mm,在適應被抓物體尺寸大小的同時能夠對機械手與物體間的接觸力進行精到準確控制。結論設計的機械手抓取范圍較大,裝有扭彈簧的串聯(lián)雙鉸鏈構造使機械手無需傳感器就能夠實現(xiàn)對目的的可靠抓取。本文關鍵詞語：機械手;抓取范圍;工作空間;抓取模型分析;Abstract：Theworkaimstodesignageneralunderactuatedflexiblemanipulator,withrespecttotheproblemthattheobjecttobegraspedinthelightindustryandfoodindustryhasvariousphysicalpropertiesandalargesizerange.Themanipulatorstructurewasdesignedaccordingtothefunctionthatthemanipulatorneededtomeet.TheFsolvefunctioninMatlabsoftwarewasusedtosolvetherelationshipbetweentherelativerotationangleofthemiddlefingerandfingertipofthemanipulatorandthepressureofthepen-shapedcylinder,basedonwhichtheworkspacedrawingofthemanipulatorwasdrawn.Thesimplifiedgrabmodelofthemanipulatorwasestablished,andthegrabcalculationofthemanipulatorwascarriedoutwith500mLbeerand160mLcolaasthegrabtargets.Thesizeadaptivecontinuouswidthrangeofthemanipulatorwas0-200mm,whichcouldaccuratelycontrolthecontactforcebetweenthemanipulatorandtheobjectwhileadaptingtothesizeoftheobjecttobegrasped.Thedesignedmanipulatorhasalargegrabrange,andtheseriesdoublehingestructureinstalledwithtorsionspringenablesthemanipulatortoachievereliablegrabbingofthetargetwithoutsensors.Keyword：manipulator;grabrange;workspace;grabmodelanalysis;針對輕工、農(nóng)產(chǎn)操行業(yè)在分揀、包裝、搬運[1,2,3,4,5]等環(huán)節(jié)中被抓取對象尺寸范圍大、物性變化大、形狀多變等問題[6],急需抓取復雜對象的機械手。由Laval大學和加拿大MDROBOTICS公司合作開發(fā)的欠驅動機械手[7],該機械手有3個手指,每個手指由3個指節(jié)組成,靠彈簧的彈性變形來適應物體的形狀與大小。該機械手無法控制機械手手指與被抓物體間的接觸力,抓取時可能會毀壞被抓物體外表。美國約翰霍普金斯大學所研發(fā)Modular機械手[8]有26個關節(jié),該機械手能夠對復雜對象進行可靠的抓取。擬人機械手價格昂貴、維護成本大,不太適用于輕工、食操行業(yè)。文中提出的柔性欠驅動機械手有2個驅動,步進電機精到準確控制機械手的指根節(jié)轉動角度能夠使機械手具有很大的尺寸適應性,氣缸推動含扭彈簧鉸鏈[9,10]的彈性協(xié)調轉動,能夠知足抓持力需求。該機械手無需傳感器就能夠精到準確地控制物體與機械手手指間的接觸力且機械手對被抓取物體形狀、尺寸適應性好。1機械手構造及工作原理機械手構造示見圖1,機械手構造主要由驅動傳動構造和手指構造2個部分組成。圖1機械手構造Fig.1Manipulatorstructure1.絲桿步進電機2.電機固定盤3.支撐導柱4.絲桿螺母5.直線軸承6.運動盤7.推桿固定板8.推桿9.手指座10.二力桿11.單耳座12.L型板13.指根節(jié)14.帶雙耳座筆形氣缸15.中指節(jié)16.雙耳座連接件17.防反轉限位板18.指尖節(jié)19.小扭彈簧20.大扭彈簧21.防滑橡膠條22.帶座軸承23.手指固定盤驅動傳動構造:電機固定盤2與手指固定盤23通過2根支撐導柱3連接,支撐導柱3穿過運動盤6上的直線軸承5;絲桿步進電機1通過螺釘固定在電機固定盤2上,絲桿的末端固定在手指固定盤23的帶座軸承22上,絲桿步進電機1的絲桿通過絲桿螺母4與運動盤6連接;推桿固定板7通過螺釘固定在運動盤6上,推桿8的一端車出螺紋通過螺母固定在推桿固定板7上,二力桿10的一端與推桿8通過銷軸連接,二力桿10的另一端通過銷軸與單耳座11連接,單耳座11通過螺釘固定在指根節(jié)13上;帶雙耳座筆形氣缸14的雙耳座部分與單耳座通過銷軸連接,單耳座通過螺釘固定在L型板12上,雙耳座連接件16的螺紋孔與帶雙耳座筆形氣缸14的螺紋部分配合,雙耳環(huán)連接件16與單耳座通過銷軸連接。手指構造:機械手的3個柔性手指呈120分布,每個柔性手指由3個指節(jié)組成。手指座9通過螺釘固定在手指固定盤22上,指根節(jié)13通過銷軸與手指座9連接,中指節(jié)15通過銷軸與指根節(jié)13連接,指尖節(jié)18通過銷軸與中指節(jié)連接,中指節(jié)15、指尖節(jié)18的銷軸上分別裝有小扭彈簧19和大扭彈簧20,防反轉限位板18通過螺釘固定在中指節(jié)15上,3個指節(jié)的內(nèi)側均裝有防滑橡膠條21。工作原理:絲桿步進電機1帶動絲桿轉動,由于支撐導柱3對絲桿螺母4有限制作用,絲桿螺母4帶動運動盤6上下運動,進而帶動推桿8運動,改變指根節(jié)13和手指座9的夾角。絲桿步進電機1正轉,帶動運動盤6向下運動,進而推桿向下運動使得指根節(jié)13與手指座9間的夾角增大,絲桿電機1反轉,指根節(jié)13與手指座9間的夾角變小;氣缸壓力增大推動手指克制小扭彈簧19的彈性力,中指節(jié)15開場轉動,氣缸壓力繼續(xù)增大推動手指克制小扭彈簧19、大扭彈簧20的彈性力,中指節(jié)15、指尖節(jié)18開場轉動。絲桿步進電機1驅動指根節(jié)轉動到預定角度,氣缸壓力到達預定值,機械手抓持物體。電機斷電螺桿螺母機構自鎖、同時筆形氣缸保壓,能夠保持抓持力不變。2機械手單個手指的工作空間計算機械手尺寸:指根節(jié)長度l1=60mm,中指節(jié)長度l2=65mm,指尖節(jié)長度l3=60mm,L型板到鉸鏈中心B的距離c=30mm,L型板的高度h=35mm,指尖節(jié)圓弧部分r=25mm,手指座安裝中心距L=50mm。扭彈簧參數(shù):大扭彈簧剛度k1=0.29944Nm/rad,小扭彈簧剛度k2=0.11727Nm/rad,大扭彈簧預緊角01=0.65958rad,小扭彈簧預緊角02=0.13640rad。機械手單個手指簡化力學模型見圖2,A點為手指座鉸鏈中心,B,C2點為2個鉸鏈的中心,以通過機械手手掌中心的垂線為y軸、過A點的水平線為x軸,建立坐標系。計算機械手空載運動[11,12]經(jīng)過中臨界轉動氣壓:圖2機械手單個手指簡化力學模型Fig.2Simplifiedmechanicalmodelofmanipulatorssinglefinger式中:F為氣缸的推力;S為筆形氣缸2個安裝中心的距離;為氣缸軸線與L形板間的夾角;3為指根節(jié)與x軸構成的夾角;2為中指節(jié)與指根節(jié)的相對轉角;1為指尖節(jié)與中指節(jié)構成的相對轉角。假設中指節(jié)轉動角度為0時,求解氣缸的推力為k11/c;帶入數(shù)據(jù)得指尖節(jié)臨界轉動氣壓為p1=0.08382MPa。假設指尖節(jié)轉動角度為0時,求解氣缸的推力為k22/(c-12sin(-/2));帶入數(shù)據(jù)得中指節(jié)節(jié)臨界轉動氣壓為p2=0.00581MPa。由于中指節(jié)的臨界轉動氣壓p2小于指尖節(jié)的臨界轉動氣壓p1,所以中指節(jié)比指尖節(jié)先轉動。計算只要中指節(jié)轉動時的轉動角度:計算指尖節(jié)在中指節(jié)轉動的情況下的臨界轉動氣壓:用Matlab軟件的中的Fsolve函數(shù)計算得:在氣壓為0.08993MPa時指尖節(jié)開場轉動,此時中指節(jié)相對轉角為0.73001rad。計算中指節(jié)、指尖節(jié)的轉動角度:根據(jù)計算公式繪制機械手指尖節(jié)、中指節(jié)相對轉角與氣壓的關系見圖3。圖3機械手中指節(jié)、指尖節(jié)相對轉角與氣壓的關系Fig.3Relationshipbetweentherelativeangleofthephalanxandthefingertipofthemanipulatorandtheairpressure根據(jù)機械手與物體接觸點坐標與氣壓、指根角間的關系繪制機械手工作空間[13]見圖4。圖4機械手工作空間Fig.4Manipulatorworkspace3機械手指尖捏取圓柱模型分析及實物抓取計算3.1機械手單個手指抓取物體靜載力學模型機械手靜載經(jīng)過:機械手指根節(jié)轉動到計算的角度,筆形氣缸壓力增大,中指節(jié)、指尖節(jié)轉動[14]。機械手接觸被抓物體且接觸力不斷增大,到達預定壓力機會械手與被抓物體間的接觸力到達所設的預定值。機械手靜載受力分析見圖5。圖5機械手單個手指靜載受力分析Fig.5Staticloadforceanalysisofmanipulatorssinglefinger根據(jù)機械手幾何關系,接觸力N對鉸鏈中心B的力臂:接觸力N對鉸鏈中心C的力臂:抓取對象為半徑為R的圓柱:3.2機械手抓取物體懸停力學模型機械手懸停狀態(tài):機械手與被抓物體間的接觸力到達預定值,勻速提起被抓物體。由于被抓物體的重力作用,機械手與被抓物體間的接觸力與接觸點位置發(fā)生變化。機械手懸停受力分析見圖6。根據(jù)機械手幾何關系,摩擦力f對指尖節(jié)鉸鏈中心的力臂:摩擦力f對中指節(jié)鉸鏈中心的力臂:圖6單個手指懸停受力分析Fig.6Hoverforceanalysisofasinglefinger3.3灌裝飲料抓取驗證常見灌裝飲料規(guī)格見表1。表1常見飲料規(guī)格Tab.1Commonbeveragespecifications以抓取500mL容量的啤酒、160mL容量的可樂為抓取對象。對2種灌裝飲料稱量得:500mL的啤酒的質量約為0.521kg,160mL的可樂約為0.172kg。鋁制飲料罐與橡膠的摩擦因數(shù)為0.61[15]。取安全系數(shù)s為1.2。抓取500mL啤酒所需的接觸力為:m1gs/(3),帶入數(shù)據(jù)得所需接觸力為3.34485N。抓取160mL可樂所需的接觸力為:m2gs/(3),帶入數(shù)據(jù)得所需接觸力為1.10531N。抓取對象為500mL的啤酒時,機械手抓取半徑為32.5mL、接觸力為3.4N;抓取對象為160mL的可樂時,機械手抓取半徑為27mL、接觸力為1.2N。使用Matlab軟件的Fsolve函數(shù)進行計算:抓起160mL可樂飲料時:機械手所需最小氣壓為0.16MPa,指根節(jié)轉動角度為1.290729,中指節(jié)相對角度為0.530501rad,指尖節(jié)相對角度為0.120921rad;抓起500mL啤酒時,機械手所需最小氣壓為0.2MPa,指根節(jié)轉動角度為1.549433,中指節(jié)相對轉角為0.109601rad,指尖節(jié)相對轉角為0.121713rad。4討論1)分析文中各計算公式,其基本構成均為一次正余弦函數(shù),所以方程組的解是連續(xù)的。2)數(shù)控機床的應用能夠保證機械手零部件的加工精度,但同一批次的扭彈簧由于材料、制造誤差以及熱處理等原因會存在一定的誤差,取扭彈簧參數(shù)誤差為10%。3)扭彈簧的剛度及初始角(預緊角)為影響機械手抓取性能的主要參數(shù)。分析扭彈簧參數(shù)的4種極限狀態(tài)(小扭彈簧、大扭彈簧參數(shù)均取最大值;小扭彈簧、大扭彈簧參數(shù)均取最小值;小扭彈簧參數(shù)取最大值、大扭彈簧參數(shù)取最小值;小扭彈簧參數(shù)取最小值、大扭彈簧參數(shù)取最大值)對機械手的影響。扭彈簧參數(shù)4種極限狀態(tài)對機械手工作空間的影響見圖7。分析圖7可得,扭彈簧參數(shù)的誤差對機械手工作空間影響不大,機械手抓取寬度、抓取高度范圍變化很小。扭彈簧參數(shù)4種極限狀態(tài)對機械手抓取160mL可樂飲料、500mL啤酒時的預定接觸力的影響見表2。使用Matlab軟件的Fsolve函數(shù)計算:抓取500mL啤酒飲料罐時,控制筆形氣缸氣壓為0.2MPa,指根節(jié)角度為1.549433rad;抓取160mL啤酒飲料罐時,控制筆形氣缸氣壓為0.16MPa,指根節(jié)角度為1.290729rad。圖7扭彈簧參數(shù)4種極限狀態(tài)機械手工作空間Fig.7Manipulatorworkspacemapinfourlimitstatesoftorsionspringparameters表2抓取2種規(guī)格飲料罐時接觸力隨扭彈簧參數(shù)變化Tab.2Changeofcontactforcewithtorsionspringparameterswhengrabbingthebeveragecansoftwospecifications由上可得出結論:大、小扭彈簧參數(shù)均取最大值時接觸力最小,大、小扭彈簧參數(shù)均取最小值時接觸力最大。由于扭彈簧參數(shù)的誤差,導致抓取500mL啤酒飲料罐時,機械手與飲料罐間的接觸力偏差為-1.37%～1.16%。由于扭彈簧參數(shù)的誤差,導致抓取160mL可樂飲料罐時,機械手與飲料罐間的接觸力偏差為-8.64%～7.84%。扭彈簧參數(shù)的誤差會影響機械手對物體的抓取,需要在安裝大、小扭彈簧前測定扭彈簧的實際值,并根據(jù)實際值更新機械手的計算公式。5結束語電氣復合驅動柔性欠驅動機械手,指根節(jié)由步進電機驅動、筆形氣缸推動2個含扭彈簧的指節(jié)協(xié)調轉動。指根節(jié)的精到準確調整使得機械手具有很好的尺寸適應性,帶扭彈簧的串聯(lián)雙鉸鏈構造能夠很好地控制機械手與被抓物體間的接觸力。機械手配合視覺系統(tǒng)在無需傳感器的條件下就能夠實現(xiàn)對復雜對象進行可靠抓取。以下為參考文獻:[1]WANGKe,ZHOUJi-ping.KineaticalAnalysisandSimulationofHigh-speedPlateCarryingManipulatorBasedonMATLAB[J].MechanicalDesignandManufacturingEngineering,2020,4(12):850-856.[2]李國昌,趙成,李蕊,等.某自動化流水線搬運機械手的仿真與試驗分析[J].包裝工程,2021,39(15):166-172.LIGuo-chang,ZHAOCheng,LIRui,etal.SimulationandExperimentalAnalysisofaAutoProductionLineHandlingManipulator[J].PackagingEngineering,2021,39(15):166-172.[3]童俊華,程培林,武傳宇,等.堆聚態(tài)采血針管自動分料拾取機械手研究[J].包裝工程,2021,39(3):124-129.TONGJun-hua,CHENGPei-lin,WUChuan-yu,etal.ResearchonAutomaticSortingandPickingManipulatorforStackedPolymericLancetTubes[J].PackagingEngineering,2021,39(3):124-129.[4]張碧濤,何衛(wèi)鋒.一種包裝堆垛機械手的構造優(yōu)化[J].包裝工程,2021,38(7):142-145.ZHANGBi-tao,HEWei-feng.StructuralOptimizationofaPackagingandStackingManipulator[J].PackagingEngineering,2021,38(7):142-145.[5]張聰.罐頭裝箱組合式機械手設計[J].包裝工程,2021,37(19):163-167.ZHANGCong.DesignofCannedPackingCombinedManipulator[J].PackagingEngineering,2021,37(19):163-167.[6]田志偉.一種可變約束欠驅動機械手的設計研究[D].無錫:江南大學,2021.TIANZhi-wei.DesignandResearchofaVariableConstrainedUnderactuatedManipulator[D].Wuxi:JiangnanUniversity,2021.[7]新浪科技.機械手臂讓殘障人士意念取物:26個關節(jié)可舉重物[DB/OL].(2021-5-27)[2021-07-21]./photo/2021-05/2778692..SinaTechnology.RoboticArmAllowsPeoplewithDisabilitiestoTakeObjects:26JointsCanLiftWeights[DB/OL].(2021-5-27)[2021-7-21]./photo/2021-05/2778692..[8]LALIBERTETG,CLEMENTM,GOSSELINCM,etal.UnderactuatedMechanicalFingerwithReturnActuation:CA2209863[P].2006-10-03.[9]熊強,章軍,陳春華,等.柔性快遞包裝盒的分揀機械手構造設計[J].機械設計與制造,2020(10):69-72.XIONGQiang,ZHANGJun,CHENChun-hua,etal.StructuralDesignofSortingManipulatorforFlexibleExpressBox[J].MachineryDesignManufacture,2020(10):69-72.[10]章軍.六關節(jié)三指蘋果抓持機械手的自適應柔性分析[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2018,26(1):140-144.ZHANGJun.SixJointTridactylismAppleGraspingManipulatoraDaptiveFlexibilityAnalysis[J].JournalofAgriculturalEngineering,2018,26(1):140-1