机械臂运动空间的计算_机器人学导论---第八章 操作臂的机械设计(一)8.1-8.9...
第八章 操作臂的機(jī)械設(shè)計(jì)【(一)8.1-8.9】
(一)概述
1、機(jī)器人系統(tǒng)的組成大體可分為四個(gè)部分
(1)操作臂,包括它的內(nèi)部或本體傳感器;
(2)末端執(zhí)行器,或者叫做工具端;
(3)外部傳感器和執(zhí)行器,比如視覺(jué)系統(tǒng)和反饋裝置;
(4)控制器;
(二)基于任務(wù)需求的設(shè)計(jì)
1、自由度的數(shù)目
(1)圖8-1所示未操作臂以兩種不同的方法對(duì)磨削工具進(jìn)行定位。實(shí)際上只需要5個(gè)自由度
(2)在一些任務(wù)中,當(dāng)由主動(dòng)定位裝置來(lái)放置零件時(shí),則可以使用少于6個(gè)自由度的機(jī)器人。如圖8-2,在計(jì)算圓管和末端執(zhí)行器之間的自由度時(shí),傾斜/轉(zhuǎn)動(dòng)工作臺(tái)來(lái)放置焊接的零件,應(yīng)該被視為2個(gè)自由度。這樣在進(jìn)行弧焊時(shí),由于其工具端具有對(duì)稱(chēng)性,理論上只要3個(gè)自由度。
(3)若零件自身具有對(duì)稱(chēng)軸,嘛呢也會(huì)減少操作臂所需要的自由度數(shù)目。
2、工作空間
(1)工作空間有時(shí)也被稱(chēng)為工作空間體積或工作空間包絡(luò)。
3、負(fù)載能力
(1)操作臂的負(fù)載能力與結(jié)構(gòu)尺寸、動(dòng)力傳遞系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。
4、速度
(1)對(duì)于特定任務(wù),操作臂末端執(zhí)行器的最大速度和總體循環(huán)時(shí)間是由很大區(qū)別的。通常加速和減速時(shí)間占據(jù)了大部分的循環(huán)時(shí)間。因此,除了最大速度,加速能力也很重要。
5、重復(fù)精度和定位精度
(1)通常可以在操作臂制造完成后進(jìn)行精確的測(cè)量,或者在制作過(guò)程中保證公差。
(三)運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)形
幾乎所有的工業(yè)操作臂都采用腕部機(jī)構(gòu)布局形式,前面3個(gè)關(guān)節(jié)確定腕關(guān)節(jié)原點(diǎn)的位置(即定位結(jié)構(gòu)),后面三個(gè)關(guān)節(jié)軸相交于腕關(guān)節(jié)原點(diǎn)(即定向結(jié)構(gòu))。這樣可以產(chǎn)生封閉的運(yùn)動(dòng)學(xué)解。
另外,定位結(jié)構(gòu)幾乎都采用一種簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu):連桿轉(zhuǎn)角為0°或±90°,連桿長(zhǎng)度不同,但偏距都為0。
根據(jù)前三個(gè)關(guān)節(jié)(定位結(jié)構(gòu))的設(shè)計(jì)形式對(duì)操作臂的腕部進(jìn)行簡(jiǎn)單的分類(lèi):
1、笛卡爾操作臂
(1)如圖8-3,關(guān)節(jié)1到關(guān)節(jié)3都是移動(dòng)副,且相互垂直,分別對(duì)應(yīng)笛卡爾坐標(biāo)的
軸(2)這類(lèi)機(jī)器人由很高的結(jié)構(gòu)剛度,因此可以制造大型機(jī)器人。通常稱(chēng)為龍門(mén)式機(jī)器人。
(3)另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是前三個(gè)關(guān)節(jié)式解耦的,避免了前三個(gè)關(guān)節(jié)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)奇異點(diǎn)。
(4)主要缺點(diǎn),所有電纜和固定裝置均須“內(nèi)置”于機(jī)器人中,因此,所能完成的工作完全取決于本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)。
2、鉸接型操作臂
(1)如圖8-4,鉸接型操作臂有時(shí)被稱(chēng)為關(guān)節(jié)型,肘型,擬人操作臂。這種類(lèi)型的操作臂通常由2個(gè)“肩”關(guān)節(jié)(一個(gè)繞豎直軸旋轉(zhuǎn),一個(gè)改變相對(duì)于水平的仰角),1個(gè)“肘”關(guān)節(jié)(通常平行于俯仰關(guān)節(jié))以及2個(gè)或者3個(gè)位于操作臂末端的腕關(guān)節(jié)組成。
(2)此種操作臂減少了工作空間中的干涉,式操作臂能夠到達(dá)指定的空間位置。他們的整體結(jié)構(gòu)比笛卡爾操作臂小,可應(yīng)用于工作空間較小的場(chǎng)合,成本較低。
3、SCARA操作臂
(1)如圖8-5,SCARA有三個(gè)平行的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(平面內(nèi)移動(dòng)和定向),第四個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)可以使末端執(zhí)行器垂直于該平面。
(2)優(yōu)點(diǎn)1:前三個(gè)關(guān)節(jié)不必支承操作臂或負(fù)載的任何重量。優(yōu)點(diǎn)2:便于在連桿0中固定前兩個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器可以做的較大,可以提供更大的速度,一般速度是鉸接型機(jī)器人的10倍,適合執(zhí)行平面內(nèi)的任務(wù)。
4、球面坐標(biāo)型操作臂
如圖8-6,與鉸接型操作臂相類(lèi)似,但用移動(dòng)關(guān)節(jié)代替了肘關(guān)節(jié)。移動(dòng)連桿可以伸縮,縮回時(shí),甚至可以“從后面伸出”。
5、圓柱面坐標(biāo)型操作臂
如圖8-7,由1個(gè)使手臂豎直運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)關(guān)節(jié)和1個(gè)帶有豎直軸的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成,另1個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)與旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)正交。
6、腕關(guān)節(jié)
(1)在實(shí)際中,很難制作出這種三軸正交且不受關(guān)節(jié)角度限制的腕關(guān)節(jié)。圖8-8是這類(lèi)腕關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)原理圖,遠(yuǎn)端的驅(qū)動(dòng)器通過(guò)幾組錐齒輪來(lái)驅(qū)動(dòng)這個(gè)機(jī)構(gòu)。
(2)如圖1-4,許多機(jī)器人采用了三個(gè)相交,但不垂直的軸構(gòu)成腕關(guān)節(jié)。然而由于不正相交,從而使腕部不能到達(dá)一些方位。這些方位描述為腕部的第三個(gè)軸不能進(jìn)入的錐體。然而,這個(gè)腕關(guān)節(jié)能被安裝在操作臂的連桿3上,這種情況下,連桿結(jié)構(gòu)部分占據(jù)了這個(gè)圓錐,因此可能會(huì)阻礙操作臂運(yùn)動(dòng),如圖8-9
(3)若第四個(gè)關(guān)節(jié)與第2、3個(gè)關(guān)節(jié)軸平行,也可以得到一個(gè)封閉形式的運(yùn)動(dòng)學(xué)解,如圖8-10
(4)典型的5自由度焊接機(jī)器人使用兩軸腕關(guān)節(jié)確定方向,如圖8-11,在安裝工具時(shí)必須使其對(duì)稱(chēng)軸與關(guān)節(jié)5的軸正交。
(四)工作空間屬性的定量測(cè)量
1、按照生成工作空間設(shè)計(jì)的效果
(1)當(dāng)具有相似的工作空間體積
時(shí),制作笛卡爾操作臂比制作鉸接型操作臂要消耗更多的材料。結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度指標(biāo)
越小越好(2)笛卡爾操作臂
最小值為3.0。鉸接型操作臂 =0.62。2、設(shè)計(jì)良好條件的工作空間
(1)操作臂離奇異點(diǎn)越遠(yuǎn),操作臂越能均勻地在各個(gè)方向上移動(dòng)和施力,即稱(chēng)為良好條件
(2)笛卡爾質(zhì)量矩陣
的特征根可以作為評(píng)判操作臂在各個(gè)笛卡爾方向的加速能力的方法(3)圖8-2以圖形的方式展示了平面兩桿操作臂的特性。在工作空間的中間,橢球近似于球星,操作臂處于良好條件。但工作空間邊界上橢球變扁,說(shuō)明某些方向上加速困難
(五)冗余機(jī)構(gòu)于閉鏈機(jī)構(gòu)
1、微操作臂和其他冗余機(jī)構(gòu)
(1)微操作臂一般由幾個(gè)安裝在“傳統(tǒng)”操作臂末端附近的快速而精確的自由度構(gòu)成。主要用于完成驚喜的運(yùn)動(dòng)與力的控制。圖8-13所示為兩種7自由度的操作臂位形。
(2)冗余自由度機(jī)器人的主要用途是在雜亂的工作環(huán)境中工作時(shí),避免發(fā)生碰撞。
2、閉環(huán)結(jié)構(gòu)
(1)閉環(huán)結(jié)構(gòu)的好處,提高了機(jī)構(gòu)的剛度。壞處,通常會(huì)減小關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍,從而減小了工作空間,如圖8-14所示的Stewart機(jī)構(gòu),通過(guò)控制6個(gè)和基座相連的直線驅(qū)動(dòng)器行程,實(shí)現(xiàn)“末端執(zhí)行器”的位姿。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器的一端用2自由度的萬(wàn)象關(guān)節(jié)與基座相連,另一端用一個(gè)3自由度的球關(guān)節(jié)與末端執(zhí)行器相連。
(2)通常,閉環(huán)機(jī)構(gòu)的自由度可以用式(8-9)求解
(六)驅(qū)動(dòng)方式
1、驅(qū)動(dòng)器布局
(1)直接驅(qū)動(dòng)布局,將驅(qū)動(dòng)器的輸出軸與關(guān)節(jié)直接相連。有點(diǎn)是沒(méi)有傳動(dòng)元件與減速元件,關(guān)節(jié)精度與驅(qū)動(dòng)器精度相同。
(2)減速系統(tǒng),大多數(shù)驅(qū)動(dòng)器高轉(zhuǎn)速,低扭矩,而機(jī)械臂需求是低轉(zhuǎn)速,高扭矩,這就需要減速系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
(3)傳動(dòng)系統(tǒng),一般驅(qū)動(dòng)器都比較重,所以靠近基座安裝是比較合理的,這樣操作臂的總體慣性將會(huì)明顯下降,反過(guò)來(lái)也減小了驅(qū)動(dòng)器的尺寸。為此需要傳動(dòng)系統(tǒng)將驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)傳送給關(guān)節(jié)。
2、減速系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)
(1)第一類(lèi)減速元件:齒輪。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊,傳動(dòng)比大。覺(jué)電視額外引入了間隙與摩擦。
(2)第二類(lèi)減速元件:柔性帶、鋼纜、皮帶。如圖8-15
(3)傳動(dòng)方案:普通絲杠或滾珠絲杠。如圖8-16
(七)剛度與變形
典型的操作臂都不具備能夠直接測(cè)量工具坐標(biāo)系{T}位置的傳感器,因此只能根據(jù)關(guān)節(jié)傳感器的位置,通過(guò)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算工具坐標(biāo)系{T}的位置。所以希望在各種在和情況下對(duì)D-H的描述都是固定不變的。
1、并聯(lián)和串聯(lián)的柔性元件
2、軸
3、齒輪
因此,齒輪減速可以增大剛度
倍。4、帶
5、連桿
(1)為了對(duì)連桿的剛度進(jìn)行近似處理,將單連桿視為懸臂梁,計(jì)算其端點(diǎn)剛度,如圖8-17。分為中空?qǐng)A截面梁和方截面中空梁。
(2)有限元技術(shù)可以用來(lái)更準(zhǔn)確地估算更真實(shí)的結(jié)構(gòu)元件的剛度。
6、驅(qū)動(dòng)器
(1)液壓缸;氣缸
(3)電動(dòng)機(jī):直流有刷電機(jī),如圖8-18;無(wú)刷電機(jī);交流電機(jī);步進(jìn)電機(jī)
(八)位置檢測(cè)
1、旋轉(zhuǎn)光學(xué)編碼器
2、感應(yīng)同步器:輸出兩個(gè)模擬信號(hào),一個(gè)是軸轉(zhuǎn)角的正弦信號(hào),一個(gè)是余弦信號(hào)。軸的轉(zhuǎn)角由這兩個(gè)信號(hào)的相對(duì)幅值計(jì)算得到。一般比編碼器可靠,但他的分辨率較低。
3、電位器:最直接的位置檢測(cè)形式。連接在電橋中,能夠產(chǎn)生與軸角成正比的電壓信號(hào)。缺點(diǎn)是分辨率低,電信號(hào)不好,對(duì)噪聲敏感。
4、轉(zhuǎn)速計(jì),能夠輸出與軸的轉(zhuǎn)速成正比的模擬信號(hào)。這種數(shù)值微分會(huì)產(chǎn)生噪聲和延時(shí)。
(九)力檢測(cè)
1、用來(lái)測(cè)量操作臂末端執(zhí)行器與其接觸工作環(huán)境之間的接觸力,此類(lèi)裝置大都使用由半導(dǎo)體或金屬箔制作的檢測(cè)元件,稱(chēng)為應(yīng)變片。
2、使用應(yīng)變計(jì)測(cè)量力是依靠受壓后的撓曲變形來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此,在設(shè)計(jì)力傳感器時(shí),首先要權(quán)衡剛度與靈敏度之間的關(guān)系,因?yàn)閯偠容^高的傳感器一般靈敏度較低。
3、傳感器的剛度對(duì)過(guò)載保護(hù)裝置也有影響,應(yīng)變計(jì)可能會(huì)受到?jīng)_擊載荷而損壞,所以必須具有過(guò)載保護(hù)裝置,可以通過(guò)使用限位擋塊避免傳感器的損壞。
4、設(shè)計(jì)傳感器時(shí),消除滯后現(xiàn)象是很重要的。若沒(méi)有過(guò)載,大多數(shù)用于產(chǎn)生撓曲變形的金屬具有很小的滯后。然而,發(fā)生撓曲變形位置附近,有螺絲連接,過(guò)盈配合、焊接關(guān)節(jié)等都會(huì)產(chǎn)生滯后。理想情況下,發(fā)生撓曲變形的部分及其復(fù)緊的部分應(yīng)使用同一塊金屬制成。
5、采用差分測(cè)量的辦法可以提高力矩傳感器的線性度和抗干擾能力。
6、利用傳感器的不同物理構(gòu)形能消除由于溫度效應(yīng)和偏心力帶來(lái)的影響。
7、金屬箔式應(yīng)變計(jì)相對(duì)耐用,但整個(gè)量程范圍只能產(chǎn)生很小的電阻變化。為了讓其具有良好的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍,消除電纜和電路中的噪聲是至關(guān)重要的。
8、半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)過(guò)載時(shí)非常容易損壞。優(yōu)點(diǎn)是在給定應(yīng)力下,能夠產(chǎn)生相當(dāng)于約70倍的金屬箔式應(yīng)變計(jì)的電阻變化。對(duì)于給定的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍,半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)的信號(hào)處理工作相對(duì)簡(jiǎn)單
例8.1
如圖8-5所示SCARA操作臂,連桿1和連桿2的長(zhǎng)度均為L(zhǎng)/2,移動(dòng)關(guān)節(jié)3的行程為 ,為簡(jiǎn)單起見(jiàn),不計(jì)館街轉(zhuǎn)角的限制,求
。當(dāng) 為何值時(shí), 最小,并求出最小的 。解答:
長(zhǎng)度和
工作空間是圓柱體
因此
%MATLAB代碼所以
的最小值為1.29,當(dāng) 時(shí)取得。例8.2
用式(8-6)公式驗(yàn)證圖8-14所示的Stewart機(jī)構(gòu)確實(shí)具有6個(gè)自由度。
解答:
例8.3
軸的扭轉(zhuǎn)剛度是500.0Nt-m/rad,與齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)裝置中的輸入端相連,
=10,輸出齒輪(輸入齒輪固定)的剛度是5000.0Nt-m/rad,求驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的輸出剛度。在具有多級(jí)傳動(dòng)的系統(tǒng)中,如果最后一級(jí)的傳動(dòng)比很大,那么在這級(jí)傳動(dòng)之前的剛度通常可以忽略。
例8.4
一個(gè)5X5X50cm的方截面連桿,壁厚1cm,由一組
=10的剛性齒輪驅(qū)動(dòng),輸入齒輪由直徑0.5cm、長(zhǎng)30cm的軸驅(qū)動(dòng)。試求當(dāng)100Nt的力作用在桿端時(shí),桿端的變形。(材料為鋼材, )解答:
至P204
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的机械臂运动空间的计算_机器人学导论---第八章 操作臂的机械设计(一)8.1-8.9...的全部?jī)?nèi)容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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