一種工業(yè)機(jī)器人滑輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

一種工業(yè)機(jī)器人滑輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

0機(jī)器人的作業(yè)水平目前，工業(yè)機(jī)器人即柔性制造系統(tǒng)在材料加工、零件制造、產(chǎn)品檢驗(yàn)、裝配等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。作為一種末年執(zhí)行器的工具，它在提高工業(yè)機(jī)器人的智能化水平和運(yùn)營水平方面發(fā)揮著非常重要的作用。近年來多指靈巧手的研究和設(shè)計(jì)取得了很大的發(fā)展。多指手雖然可以根據(jù)不同的工作狀況調(diào)整姿態(tài),然而自由度過多,不僅增加了質(zhì)量、尺寸,而且使得控制、計(jì)算的復(fù)雜程度大大增加。本文設(shè)計(jì)的以滑輪機(jī)構(gòu)作為核心的傳動部件在減少自由度的前提下,可使執(zhí)行器具有較好的自適應(yīng)性,并且結(jié)構(gòu)簡單,可靠性強(qiáng),易于加工和改進(jìn)。1主要應(yīng)用于不同動滑輪的滑輪模型滑輪作為一種常用機(jī)械結(jié)構(gòu),在機(jī)械行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。其主要應(yīng)用方式為定滑輪、動滑輪、滑輪組(動滑輪+定滑輪)。將滑輪模型簡化為如圖1所示。輪與軸承間摩擦、繩的質(zhì)量可忽略不計(jì),且繩與滑輪無相對滑動。1.1a繩端鎖定而b繩端自由且下降當(dāng)a、b繩端無負(fù)載時(shí),c繩向下運(yùn)動X,,則a、b均向下運(yùn)動X1;若a繩端鎖定而b繩端自由時(shí),c繩繼續(xù)下移X2,則a位置不變,b位置下降2×X2;此過程中滑輪轉(zhuǎn)動角度θ,有θ=X2/R(R為滑輪半徑)。1.2滑輪不轉(zhuǎn)動的實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)a、b兩端負(fù)載分別為fz和fb。不妨設(shè)fa<fb,且負(fù)載隨繩子的運(yùn)動而逐漸增大。若c繩在驅(qū)動的牽引下勻速運(yùn)動,則a、b兩端繩子均拉緊(考慮繩子的彈性,則拉緊過程也是繩子拉力逐漸增大的過程)。設(shè)繩子兩端拉力分別為Ta、Tb,可以有:——結(jié)論1滑輪不轉(zhuǎn)動且Ta=Tb。其證明過程如下:若滑輪轉(zhuǎn)動,則a、b兩端繩子的致密程度不同,故繩子拉力也不同。設(shè)繩子向左轉(zhuǎn)動,則有Ta<Tb,滑輪會在不平衡力的作用下向右轉(zhuǎn)動進(jìn)行補(bǔ)償,因此在一個微觀的動態(tài)平衡中滑輪無轉(zhuǎn)動。于是a、b兩端繩子的致密程度同步增大,拉力也同步增大,有Ta=Tb=T。結(jié)論1得證。在繩子拉緊的過程中,T一直增大,直到T=fa,則拉動a端繩子運(yùn)動。接下來的過程中a動b不動,則滑輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動保持Ta=Tb。直到T=fb,拉動b端繩子運(yùn)動。至此,a、b均開始運(yùn)動。在運(yùn)動過程中負(fù)載fa和fb不斷增大,整體上a端以較快的速度運(yùn)動,b端以較慢的速度運(yùn)動,滑輪通過轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)兩者速度的補(bǔ)償調(diào)節(jié)。由以上分析得出:——結(jié)論2c繩端勻速運(yùn)動,帶動a、b繩端耦合運(yùn)動,且負(fù)載較小的a端運(yùn)動較快,負(fù)載較大的b端運(yùn)動較慢。2滑輪機(jī)的多臂精神手器2.1連桿機(jī)構(gòu)中的關(guān)節(jié)耦合人的手指共有21個自由度,其中無名指和小拇指分別有4個自由度(其中包括指根處的“展—收”自由度)。如圖2所示。屈伸關(guān)節(jié)之間存在耦合,在靈巧手的設(shè)計(jì)過程中結(jié)合耦合的應(yīng)用可以減少驅(qū)動的復(fù)雜程度。其中屈伸關(guān)節(jié)-3-2和關(guān)節(jié)-3-3的耦合、屈伸關(guān)節(jié)-4-2和關(guān)節(jié)-4-3的耦合已經(jīng)得到了設(shè)計(jì)者的充分研究。美國國家航空和宇航局約翰遜空間中心研制的NASARoboaut手采用連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)耦合驅(qū)動,從而使得屈伸關(guān)節(jié)-3-2和關(guān)節(jié)-3-3使用同一驅(qū)動,屈伸關(guān)節(jié)-4-2和關(guān)節(jié)-4-3使用同一驅(qū)動,大大減少了控制的難度。但是,無名指和小拇指之間的耦合現(xiàn)象沒有在機(jī)器人靈巧手的設(shè)計(jì)中得到充分的利用。筆者研究發(fā)現(xiàn),屈伸關(guān)節(jié)-3-1和屈伸關(guān)節(jié)-4-1之間、屈伸關(guān)節(jié)-3-2和屈伸關(guān)節(jié)-4-2間均存在耦合現(xiàn)象,并且與其他關(guān)節(jié)的耦合不同,其耦合現(xiàn)象呈現(xiàn)特殊的規(guī)律。以關(guān)節(jié)-3-1和-4-1間的耦合為例,其規(guī)律如下:(1)在關(guān)節(jié)-4-1不動的情況下關(guān)節(jié)-3-1可獨(dú)立運(yùn)動;(2)在關(guān)節(jié)-3-1不動的情況下關(guān)節(jié)-4-1不可獨(dú)立運(yùn)動,即后者運(yùn)動,前者必然要隨之運(yùn)動;(3)兩個關(guān)節(jié)中任何一個運(yùn)動受阻,另一個關(guān)節(jié)均可繼續(xù)單獨(dú)運(yùn)動。由此可知,這兩個關(guān)節(jié)之間的耦合并不是單純的硬性耦合,而是相互之間存在獨(dú)立性,于是本文中不妨將其命名為“不完全耦合”。筆者實(shí)際測量自己的手指關(guān)節(jié)耦合數(shù)據(jù),以關(guān)節(jié)-3-1和關(guān)節(jié)-4-1的耦合為例,獲得兩個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)如表1所示。以Matlab軟件處理表1中的數(shù)據(jù),其變化規(guī)律如圖3所示,兩個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角可以線性關(guān)系描述。用最小二乘法可求得線性系數(shù)為K=0.6598。本文設(shè)計(jì)了一種新型的傳動結(jié)構(gòu),使得兩個關(guān)節(jié)使用同一驅(qū)動,并且完全滿足上述規(guī)律。2.2滑輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)靈巧手的結(jié)構(gòu)如圖4。驅(qū)動電機(jī)置于手臂內(nèi)部,通過繩索實(shí)現(xiàn)對關(guān)節(jié)的驅(qū)動。以關(guān)節(jié)-3-1和關(guān)節(jié)-4-1間的耦合為例,1根手指共有4個關(guān)節(jié),其中屈伸關(guān)節(jié)-3-2和屈伸關(guān)節(jié)-3-3通過連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)耦合,只要通過繩索機(jī)構(gòu)驅(qū)動關(guān)節(jié)-3-2即可實(shí)現(xiàn)這兩個關(guān)節(jié)的聯(lián)動;而關(guān)節(jié)-3-1和關(guān)節(jié)-4-1存在“不完全耦合”,故設(shè)計(jì)了一種新型的滑輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩個關(guān)節(jié)使用同一驅(qū)動。在本設(shè)計(jì)中,食指和中指分別采用3個電機(jī)驅(qū)動4個自由度,無名指和小拇指共用4個電機(jī)驅(qū)動8個自由度。如圖5所示,屈伸關(guān)節(jié)采用“繩索加閘皮”來驅(qū)動,繩索的一端卡在近指端,當(dāng)繩索拉動時(shí),可實(shí)現(xiàn)近指端的轉(zhuǎn)動。前文已經(jīng)求出關(guān)節(jié)-3-1和關(guān)節(jié)-4-1的耦合數(shù)據(jù)的線性系數(shù)為K=0.6598,需另兩個關(guān)節(jié)的半徑之比滿足比例K,即可保證兩個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動量滿足此比例。2.3機(jī)擺動環(huán)節(jié)裝置運(yùn)用本文1.2節(jié)中的結(jié)論2,可將屈伸關(guān)節(jié)-3-1和關(guān)節(jié)-4-1的運(yùn)動分為以下3個模式:(1)當(dāng)無名指和小拇指均無負(fù)載,電機(jī)牽動繩索下拉時(shí),滑輪下移,帶動屈伸關(guān)節(jié)-3-1和關(guān)節(jié)-4-1同時(shí)內(nèi)屈,實(shí)現(xiàn)兩個手指同時(shí)運(yùn)動;(2)當(dāng)任一手指與物體接觸時(shí),其對應(yīng)關(guān)節(jié)鎖定,滑輪開始轉(zhuǎn)動,帶動另一關(guān)節(jié)繼續(xù)轉(zhuǎn)動,直到兩個關(guān)節(jié)均鎖定,手指到達(dá)位置實(shí)現(xiàn)抓取;(3)當(dāng)置于小拇指關(guān)節(jié)-4-1的開關(guān)接收控制信號而關(guān)閉時(shí),實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的鎖定,滑輪開始轉(zhuǎn)動帶動無名指關(guān)節(jié)-3-1內(nèi)屈,直到關(guān)節(jié)鎖定,手指到達(dá)指定位置。3靈活機(jī)動技術(shù)的優(yōu)