氣動四自由度機械手結構設計【數(shù)控車床設計的一種套類零件自動上下料機構】

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圖1對應機械手概念的提出可追溯到1947年,那時,高夫創(chuàng)立了有一個封閉環(huán)的運動機構的基礎原理,在那時,是為了在測試輪胎磨損時,控制運動平臺的位置和方向。在1955年,他創(chuàng)立了一個模型（圖1）,在該模型里,受動器是一個六角平臺。他的6個頂點,分別以球型鉸鏈形式,與連接桿相連。連接桿的另一端,以通用的鉸鏈連接,連接到基礎上。6個線性驅(qū)動裝置可調(diào)整連接桿的長度。斯圖爾特,在1965年,設計了一個平臺機構,作為一個飛行起模擬器（圖1b）,在其中,受動器是一個三角平臺,它的頂點同樣,用球型鉸鏈連一連接桿,連接到支持機構上,每個支持機構喊又2個支撐桿,支撐機構是三角形布置。在1978年,亨特,以空間3-RPS對應機械手為例,對對應機械手的運動機制做了體統(tǒng)的研究。從那時起,又有很多人多次對對應機械手記性了廣泛的研究。直到如今,所研究的大多數(shù)是6-自由度對應機械手,他們都有6個可伸縮的下肢。這些對應機械手具有高的剛度,低慣性,大的承載能力。然而,他們受到有限使用空間的限制,和難于設計的困擾。而且,對他們的運動也很難進行分析。因此,在工業(yè)領域,人們越來越關注少余個自由度的對應機械手。這篇論文引入了對應機械手的概念,機器分類。幾掃了3種新對應機械手,新空間3-自由度對應機械手,新2-自由度平移平臺,新平面3-自由度系列對應機構。1 對應機械手的定義對應機械手由一個具有n個自由度的受動器,基礎組成,基礎和受動器之間用2或3個獨立運動連接桿相連,驅(qū)動器擔負驅(qū)動任務。這些機構有下列特性: 至少有2個連接桿支持受動器,每個連接桿至少陪有一個簡單的受動器。 驅(qū)動器的數(shù)量與受動器的自由度的數(shù)量相等。 當受動器自鎖時,機械手的可動度為零。對應機械手因下列原因引起人們的興趣: 載荷可被分配到多哥連接桿上。 需要數(shù)個驅(qū)動器。 驅(qū)動器自鎖時,機械手停止運動,停在原來的位置不動,從使用的安全角度講,這是很重要的。對應機械手,因其連接桿的數(shù)量完全等于受動器的自由度的數(shù)量,即一一對應而得名。2 機構的自由度機構的自由度是所需的獨立參數(shù),或輸入的參數(shù),目的是為了定義機構的結構。然而,如亨特和Lerbet所說:可動度的準則是很難定義的。典型的可動度公式忽略了某些自由度?，F(xiàn)在,人們?nèi)栽谑褂肎rubler的公式: M=d（n-g-1）+ （1）式中:M可動度;D螺釘系統(tǒng)順序數(shù)（對于平面和球型的運動,d=3;對于空間運動,d=6）;n連接桿的數(shù)量,包括框架;j鉸鏈的數(shù)量;fi第i個連接桿的自由度。3。 對應機械手的分類一個剛體有6個自由度,對應機械手的自由度在2到6之間。自從第一個機械手設計開始,又推出了許多個有2到6個自由度的機械手。對文獻所記載的87個驅(qū)動裝置的調(diào)查顯示,6個自由度的對應機械手占40%,5個自由度的占3。5%,4個自由度的占6%,3個自由度的占40%,余下的為2個自由度的。3.1 2-自由度對應機械手大多數(shù)現(xiàn)存的2個自由度的機械手是平面的,有2個平移自由度。這樣的設計采用棱柱狀的能移動的鉸鏈。Mccloy提出了20個不同的組合。驅(qū)動器系統(tǒng)在地上的有6個,如圖2所示。沒有被動的棱柱鉸鏈,任何一個驅(qū)動器也不承受另一個驅(qū)動器的重量。圖23.2 3-自由度對應接攜手有許多3-自由度的機械手。這里只舉幾個典型的例子。圖3a,平面3-移動鉸鏈對應機械手。運動平臺有3個平面自由度,沿X、Y軸的平移和Z軸的旋轉。圖3b,球面的3-鉸鏈連接桿對應機械手。三個鉸鏈連接桿匯交于一點。機構上任何一點的運動是繞共同焦點的旋轉。圖3c,3-RPS機械手,由亨特設計,有綜合的自由度,很難定義。圖3d,DELTA機械人,由Clave設計,由Demaurex公司和ABB,以IRB 340 Fpexpicker的名字推向市場,DELTA在工業(yè)上得到了廣泛應用。圖3e,有被動腿的機械手的例子,運動平臺有4條腿,第4條腿是被動的,也是主要的,決定運動平臺的運動,例如,本圖顯示的球坐標對應機械手。該對應機械手被Hannover大學的IFW用于機床設計。圖33.3 4-自由度對應機械手對于一個4-自由度全對應機械手,d=6,n=10,g=12,M=4。把這些值代入公式（1）,得出F=22/4,即每個腿有22/4的自由度。因此,實際上,不可能有4-自由度的全對應機械手。早期的4-自由度機構并不是全對應機械手,也就是說,機械手的每個連接桿配有兩個驅(qū)動器或者有被動約束。3.4 5-自由度對應機械手5-自由度全對應機械手的F=29/5,所以,實際上,不可能有5-自由度的全對應機械手。由Austad提出的5-自由度對應機械手,實際上包含2個對應機械手。3。5 6-自由度對應機械手6-自由度對應機械手是最流行的,并得到廣泛的研究。圖4a顯示的是一個典型的6-自由度對應機械手。大多數(shù)6-自由度對應機械手都有6個可伸縮的下肢。這些對應機械手具有高的剛度,低慣性,大的承載能力。然而,他們受相對小的可用空間限制和難于設計的困擾。而且,對它們的運動很難進行分析。也有一些奇特的鏈機械手,這些機械手被一個平面機構驅(qū)動,例如,4桿機構或5桿機構,或每條腿有兩個驅(qū)動趨的,通常有3條腿。圖44 對應機械手的評價高夫在1947年建立了如圖1a所示的,有封閉環(huán)的運動機構的原理之后,推出了許多自由度數(shù)量和類型不同的對應機械手。圖1b的結構是1965年由Steward設計的。圖4a所示的通用機械手,從理論上講,他的6個腿可以任意布置,設計成各種各樣的6-自由度對應機械手,例如,圖4b所示的,6條腿按3-2-1配置,結構緊湊,可用在微觀系統(tǒng)。圖4c所示的,是機械手按規(guī)定的方向運動自如,在工業(yè)上應用廣泛。圖4a所示的通用機械手,類似于Pierrot提出的,每對的兩條腿互相平行。即使每一對的兩條腿的輸入是相同的,機械手自由度的數(shù)量也是不同的（機構不同所致）。與此相當?shù)臋C械手顯示在圖5。該機械手輸出的是3個平移,幾乎是DELTA機器人的初型。驅(qū)動的連接桿可以按眾所周知的,如圖3d所示的,快速機器人DELTA的布置。DELTA有幾個變體,例如,Pollard機構,Tsai機器人,如圖3 f所示的,也是3-平移自由度對應機器人之一。雖然Tsai機器人與DELTA一樣,也有3個平移,準確的說,他不是DELTA的變體。它們的設計觀念是不同的,Tsai機器人是用來處理UPU鏈的問題的第一個設計。另一個3-平移自由度對應機器人Star是由Herve以群論為基礎設計的。這些設計觀念對設計新機械手提供了新的想法,后續(xù)的工作是,設計出把平移和旋轉結合在一起的,自由度少于6個的機器人。例如,有不多的空間3-自由度機器人,把兩個空間平移和一個旋轉結合在一起,如下一節(jié)提出的。圖55 新空間3-自由度對應機械手5。1 新空間3-自由度對應機械手的結構新空間3-自由度對應機械手,如圖6a所示,包含:基礎板 運動平臺（等腰三角形） 14腿 1 12 8鉸鏈 15和3（被動） 13和11（被動） 16和5（被動）主動滑套 4 10 6導軌（固定的） 2 9 7運動平臺的運動由3個滑套在導軌上滑動來實現(xiàn)。 圖65。2 新空間3-自由度對應機械手的自由度當約束起作用時,此機械手有3個自由度。腿1和12給出兩個約束。即限制運動平套對Z軸的旋轉和對X軸的平移。腿8的鉸鏈5和16有2個平行軸。腿8給出一個約束,即限制對X軸的旋轉。因此,3條腿結合在一起,限制了運動平臺對X、Z軸的旋轉,限制了對X軸的平移。因此,運動平臺僅剩下3個自由度:即沿YZ軸的平移,和對Y軸的旋轉。5.3 新空間3-自由度對應機械手的新穎之處和應用驅(qū)動腿8,如Star Like機器人,Tsai機械手和CaPaMan一樣,采用一個平面的4-桿平行四邊形結構,機構設計顯得很有趣。這個獨特的空間3-自由度對應機械手有3個特點:（a）僅有轉動鉸鏈,（b）把空間平移和旋轉結合在一個對應機械手內(nèi),（c） 繞Y軸轉動的自由度具有靈活性。從實用角度,此設計使用與對應機床。由于少于6-自由度的對應機械手有低的可動度和好的適應性,越來越多的對應機床被作成混合結構,例如,Tricept和George機床,他們都是基于3-自由度對應機構。在將來,所提出的對應機械手將被應用與設計混合對應機床。該對應機構也能用于工業(yè)機器人,運動模擬器,或微機器人。圖6a顯示的設計,是約束過的,也就是說,加工的零件必須是高精度的。然而,球鉸鏈可用容易加工的,精度較高上午轉動鉸鏈來代替。5.4 新空間3-自由度對應機械手的逆運算逆運算即用輸出平臺的坐標計算輸入變量的坐標。運動模型見圖6b。輸出平臺的3個頂點用P1,P2,P3表示?；A平臺的3個頂點用b1,b2,b3表示。固定球型參考系R:O-xyz,原點O在邊b1b2中心,z軸垂直于基礎平面,y軸沿b1,b2。另一個參考系,稱為頂架,R:O-xyz,原點O在邊P1P2的中心,z軸垂直于輸出平臺,y軸沿P1,P2。3個連接桿的長度L1,L2,L3,相等,為L,有時L3不等于L1,L2。假定,運動平臺的笛卡兒參考系原點坐標在R:O-xyz是已知的,即 OR =（x y z）T （2）式中,x=0,方向由矩陣Q給出,Q= （3）式中,角度是輸出平臺對y軸的轉角。P1,P2,P3在參考系R的坐標用向量P1R,P2R,P3R表示,p1R=（0 r 0）Tp2R=（0 r 0）T p3R=（r 0 0）T （4）向量P1R,P2R,P3R用基礎鉸鏈在參考系R的位置向量定義, b1R=（0 R z1）T b2R=（0 R z2）T b3R=（R 0 z3）T （5）向量P1R,P2R,P3R在參考系O-xyz可寫為, pim=QpiR + OR （6）那么,對應機械手的逆運動能用下列限定公式求解, =L ,i=1,2,3 （7）因此,對于給頂?shù)臋C械手,給頂?shù)倪\動平臺的方向值,需要的驅(qū)動器輸入可從公式（7）直接計算出, z1= （8） z2= （9） = （10）從公式（8）-（10）,可以看出對于一個對應機械手的給頂方位。有8個逆運算解。為了得到如圖6的逆結構,公式中的三個“”符號都應該取“+”6 其他對應機構6.1 新2-自由度平移平臺圖7a顯示一個新2-自由度平移平臺,圖7b是他的運動簡圖?；A1,運動平臺2,運動平臺有兩條一樣的退。每個腿包含一個平面4-桿平行四邊形。第一個腿有四個桿:2,3,4,5;第二個腿有四個桿:2,6,7,8。每個平面4-桿平行四邊形結構,運動平臺對于基礎有兩個平移自由度。系統(tǒng)是過約束的,因有一個平面4-桿平行四邊形桿,就能實現(xiàn)一個剛體僅有2-自由度,用兩個平面4-桿平行四邊形桿,是為了增加系統(tǒng)的硬挺行和保持對稱性。該機構正被用于與齊齊哈爾第二機床廠的合作開發(fā)新型6-軸機床。 圖7 圖86.2 平面3-自由度系列對應機構圖8顯示該機構運動平臺有兩條腿。右邊的腿,下部與轉動鉸鏈連接,上部與被動轉動鉸鏈連接。被動鉸鏈通過棱柱鉸鏈與基礎連接。左邊的腿,完全不同于右邊的,是一個可變的四邊形,其一邊是可伸縮的,目的是變更運動平臺的方位。四條邊,通過轉動鉸鏈互相連接。四邊形與基礎的連接是靠棱柱鉸鏈。該機構正被用于與江東機床廠合作開發(fā)新型6-軸機床。7 結論這篇論文給出了對應機械手和其自由度的定義。討論了三種類型的新對應機械手,新空間3-自由度對應機械手,新興2-自由度平移平臺,3-自由度平面系列對應機構,這些設計的后兩個正被機床工業(yè)的開發(fā)設計所采用。