外文翻译--机械手几何图形 中文版

第十章 机械手几何图形 对于 机械手臂 来说 机械手是一个有趣的名称。 一个机械手 是 一个组装段和关节 ,可以方便分为三个部分 :手臂 ,组成的一个或多个细分 片段 和关节 ；手腕 ,通常由一至三段关节 ；钳子或其他附加或掌握的手段。 一些文本 在这个问题上只机械手划分为两个部分 ,手臂和钳子 ,但为了清晰起见 ,手腕被分离出来作为自己的部分 ,因为它执行一个独特的功能。 工业机器人是静止的永久附加到地板上 的 操纵者 ,桌子或 看台 。然而 ,在大多数情况下 ,工业机械手太大 ,使用几何 学对 在移动机器人 来说 这 不是有效的 ,或缺乏足够的传感器 (事实上很多没有环境传感器 )被认为是用于移动机器人。有部分覆盖他们作为一个群体 ,因为他们展示各种各样的有时操纵复杂的几何图形。这一章的主要焦点 ,然而 ,将三个总体布局的手臂部分的通用机械手 ,手腕和夹具的设计。几不寻常的机械手设计也包括在内。 应该指出 ,很少有真正自治的操纵者在使用除 在 研究实验室。定位、定向、和做一些有用的完全基于传感器 频繁不充分 输入是极其困难的。在大多数情况下 ,机械手 是被 遥控 的 。然而 ,理论上是可以 制造 一个真正的自主机械手 并且 在未来数年它们的数量预计将大 幅增加。 定位、定向、有多少自由 度 ? 在一般意义上 ,手臂和手腕的基本机械手执行两个单独的功能定位和定向。在布局 ,手腕或手臂不区分 ,但为简单起见 ,在这讨论作为独立的实体。在人类的手臂 ,肩部和肘部做总定位和手腕的定向。每个接头允许一个自由度的运动。自由度达到任何位置工作 包络 和 确定方向的柄 在任何方向 的 理论最小数量都是六个 ,三个位置 ,和三个方向。换句话说 ,必须有至少三个弯曲或伸展运动的位置 ,和三个扭曲或旋转运动方向。 其实 ,六个或多关节机械手可以在任何顺序 ,和手臂和手腕段可以是任何长度 ,但一些组合只 有一个有效工作的共同秩序和区段长度。他们几乎总是最后被分为手臂和手腕。三个扭曲动作给取向通常标记 ,滚 ,偏航 ,向上 /向下倾斜 ,扭曲 ,弯曲左 /右。不幸的是 ,没有简单的标签系统部门本身因为有很多方法来实现总定位使用扩展段和旋转或扭曲的关节。一个一般除外通用描述方法。 机械手的一个很好的例子是人类手臂 ,组成的肩、上臂、手肘和手腕。肩膀让上手臂上下移动被认为是 一个自由度 。它允许向前和向后运动 ,这是第二个自由度 ,但它也允许旋转 ,这是第三个自由度。肘关节 运动是第四个自由度 。手腕上下球 ,向 左和右 偏航 ,滚动 ,给在一个 联合三个自由度。腕关节实际上不是很好共同设计的。理论上的最佳腕关节几何是一个球形接头 ,但是 ,即使是在生物世界 ,只有一个真正的完整的一个例子运动球形接头 (允许在两架飞机运动 ,和扭转360 )因为他们是如此困难的权力和控制。人工髋关节一个有限的运动球形接头。 在移动机器人底盘常常可以代替一个或两个自由度 ,通常前 /后 ,有时偏航的手臂左 /右 ,显著减少机械手的复杂性。一些专用机械手不需要在所有三个轴 使爪子确定 ,进一步减少了自由度。在另一个极端 ,有武器的概念阶段超过 15自由度。 彻底的 ,本章将包括所有的 几何图形基本的三自由度机械手的手臂 ,除了简单的两个自由度专为使用机器人手臂。手腕是单独列示。这是离开你选择和匹配的有效组合手腕和手臂几何图形来解决您的具体操作问题。首先 ,让我们看看在一个不寻常的机械手和一个简单的 机制可能 最简单从旋转运动创建直线运动的机制。 图 10 -电子供应链 电子供应链 一个不寻常的连锁装置可以用作操纵者。 它是基于 一个灵活的电缆束载体称为 电子供应链 和具有独特的属性。链可以弯曲在飞机 ,只有一个。 这 允许其悬臂平面创建一个长臂 ,但存储卷了起来像一个卷尺。 它可以用作 一次性的 伸出臂 成小 密闭空间 ,如管道和管。 图的赔率显示了 简化的线条画 电子供应链 容许的运动。 滑块曲柄 图 10-2滑块曲柄 图 10 - 2展示曲柄滑块通常是用来得到旋转运动直线运动 ,就像一个内燃发动机 ,但它也是一个有效的方法线性运动的旋转运动发动机 /变速箱。连杆长度和曲柄半径四比一的比例近直线运动的滑块在大多数的 冲程 ,因此 ,最有用的比率。其他一些方法用于创建存在从旋转直线运动 ,但滑块曲柄 被 有效 的用 在步行机器人 上 。 滑块的 运动不是线性速度在其全系列的运动。附近的行程结束滑块放缓 ,但力量由曲柄 运动提供 。这种效应可以得到很好的利用 作为 夹 钳 。它也可以用来移动步行者的腿。滑块曲柄应考虑是否需要设计线性运动。 为了好好利用滑块曲柄 ,一种计算的方法相对于曲柄滑块的位置是有帮助的。方程计算多远滑块曲柄臂旋转的旅行 发动机 /变速箱轴 :x = L cos O+ r cos O. 臂的几何图形 三 自由度臂的 总体 设计 被称为笛卡尔 ,圆柱 ,和极地 (或球面 )。它们的形状命名的体积机械手可以达到和 使夹子确定 到任何位置 包络 的工作。他们都有自 己的使用 ,而是将成为明显 ,一些人比其他人更好地使用机器人。一些使用所有滑动动作 ,一些只使用旋转关节 ,两者 同时使用。绕轴旋转关节通常比滑动关节更健壮 ,但经过精心设计 ,滑动或扩展可以有效地用于某些类型的任务。 旋转关节防止操纵者的缺点达到每立方厘米在工作 包络 ,因为手肘不能完全向后折叠。这将创建死 空间 手臂上无法达到的总工作卷里。在一个机器人 ,它经常需要机械手褶皱非常紧。几个机械手制造商使用一个聪明的抵消设计如图 10-3所示 ,允许手臂折叠 180。 这不仅降低了装载量 ,但也会降低任何死角。许多工业机器人和遥控 车辆使用这个或类似设计的机械手 图 10-3打出抵消联合增加的工作范围旋转关节 图 10-4龙门 ,只需 支持使用痕迹或幻灯片 ,工作之外的工作信封。 图 10-5 悬臂式机械手几何 笛卡儿或矩形 几乎在移动机器人 ,机械手总是超越 优势 的底 架 和工作必须能够从地面到上面机器人的身体的高度。这意味着机械臂从内部或从一个工作 的 包层 。 一些工业龙门 机械手 从 工作 包层外工作 ,很难使用他们 布局移动机器人。 见图 10-4,尤其龙门机械手是笛 卡尔或矩形 操纵者。几何这个样子三维 XYZ坐标系。在事实上 ,这就是它以及如何控制工作结束绕在工作 包层 。有两种基本布局基于 手臂 支持段 ,龙门和悬臂。 安装在机器人的前面 ,第一个两 自由度 的悬臂笛卡尔操纵左 /右和上 /下移动 ；y轴一定需要在移动机器人 ,因为机器人可以移动后退 /前进。图 10-5已经显示了悬臂式的布局有三个自由度。虽然不是最好的解决问题的工作前面一个机器人 ,它会工作。它 得益于 一个非常简单的控制算法。 圆柱形的 图 10-6三自由度 圆柱机 械手 第二种类型的机械手工作信封圆柱形。圆柱形类型通常包含第一段旋转基地望远镜或上下滑动 ,带着一个水平可伸缩的部分。尽管他们 的工作包络 是相当简单的图片和工作直觉 ,他们难以有效实现因为他们需要两个直线运动部分 ,这两个时刻负荷引起的通过负载的上臂。 在基本布局 中 ,控制代码 是 简单 的 ,基础的角度 ,高度的第一段 ,第二段的延伸。一个机器人 ,底部 的角度是机器人的底盘本身的角度 ,离开第二 段 的高度和扩展段。图 10 - 6显示的基本布局圆柱形 三自由度 机械臂。 图 10-7 一个 驯服的装配机器人臂 操纵者 第二个几何 ,仍有一个圆柱 包层驯服的装配机器人臂 设计工作。 驯服的装配机器人臂 意味着选择兼容组装机器人手臂。这种设计具有良好的刚度在垂直在水平方向 ,但一些合规。这使它更容易接近正确的位置 ,让小合规任何偏差。 驯服的装配机器人臂 操纵者取代第二伸缩接头有两个垂直 绕轴旋转 关节。 图 10-7误差显示了 驯服的装配机器人臂 操纵者。 图 10-8基本的极地 极地或球形 第三 ,最通用的 ,几何的球形的类型。 在这种布局 ,工作 包层 可以认为是周 围。在现实中 ,不过 ,很难达到无处不在。有几种方法可以布局手臂 的 工作 包层 。最基本的一个旋转 底部 ,携带一只胳膊段 ,可以上下 运动 ,扩展 (图 10-8)。提高肩 (图10-9)包层 有些变化在某些情况下值得考虑。数字演出 ,10 - 11、 10 - 12显示变化的球形几何机械手 图 10-9高的肩膀极地坐标式机械手以抵消联合手肘 图 10-10高肩极坐标操纵者重叠的关节 图 10-11铰接极坐标机械手 图 10-12炮塔极地坐标式机械手 手腕 机械手的手臂只得到终点在正确的地方。在以 使爪子确定 正确的角度 ,在所有三个轴 ,第二个组关节通常 是 手腕 必需的 。 必须在腕关节扭转向上 /向下 ,顺时针 /逆时针 ,左 /右。他们必须分别上下翻动、偏航。可以使用一体化套筒联接像人工髋关节 ,但控制和驱动这种类型困难的。 大多数手腕由 3个独立的关节。图 10-13、 10 - 14、 10 - 15描绘一个 ,两个 ,和 三自由度 基本手腕上的每个建筑以前的设计。顺序在手腕有一个自由度大 影响手腕的功能 ,应该仔细选择 ,尤其是对手腕只有一个或两个自由度。 图 10-13Single-DOF手腕 (偏航 ) 图 10-14基于手腕 (偏航和滚 )图 图 10-15三自由度 手腕 (偏航、辊距 ) 夹持器 机械手的结束部分 是 用户或机器人 的 使用 的 影响 在 环境 中 。因此它通常被称为一个效应器 ,但它也被称为一个钳子因为这是一个非常常见的任务 ， 执行时安装在一个机器人 上 。它常被 用来接机器人携带 的 危险或可疑物品 ,一些可以把门把手 ,和其他设计只携带非常具体的事情啤酒罐。收得太紧对一个对象和它是一个主要的粉碎问题自主 夹持器 。必须有一些方法来告诉如何很难足以容纳对象不下降或破碎。甚至半自治机器人 ,人类控制机械手 ,有效地使用钳子往往是困难的。由于这些原因 ,握爪设计需要尽可能多的知识范围内的物品 将 钳子 确定 。它们的质量、大小、形状和强度 ,等都必须考虑。一些对象需要 夹持器 有很多下巴 ,但在大多数情况下 ,夹持器 仅有两个下巴和这些将显示在这里。 有几种基本类型的夹具几何图形。最基本的 类型有两个 简单的下巴的在一起 ,这样一个把另一个 当 基础。 这给两个下巴。 狭口 可以移动 通过线性致动器或可以直接安装在电机齿轮箱的输出轴 (图 10-16),或通过一个直角驱动器驱动 (图 10- 17)的驱动电动机更远地方的方式握爪。 这和类似的设计有缺陷 ,狭口 总是在一个角度会互相推动的事情抓着下巴。 图 10-16简单直接的驱动摆动颚 图 10-17简单直接的通过直角蜗杆传动传动齿轮电动机 图 10-18齿条和齿轮驱动爪 图 10-19往复杆夹 图 10-20线性致动器直接驱动爪 图 10-21平行的下巴上线性的幻灯片 更有效的下巴布局是平行的 夹持器 。一个可能的布局将更多的链接添加到基本的两个手指四连杆联系该公司持有有时下巴平行宽松非常困难的任务的钳子 ,直到被抓住的东西它关闭。得到平行 运动的另一种方法是使用一个线性致动器移动一个或两个下巴直接向和彼此远离。这些布局所示数据 10-21、 10-22 10-23。 图 10-22平行下巴使用四连杆连接 图 10-23平行下巴使用四连杆连接和线性致动器 被动并行使用枕木下巴 双四杆是关键组件在这漫长的机制可以控制一个常数 柄的重量， 力比任何适合的控制范围内的对象。长机制依赖于之间的横向拉杆产生大小相等、方向相反的两组联系联系运动。垂直扩展与控制垫安 装在他们的链接结束 ,而横向链接是成比例的 ,其垫在一个斜直线路径。负载的重量被解除 ,因此 ,楔形垫对加载的力成正比物体的重量和独立于它的大小。 一些机器人被设计用来做一个特定的任务 ,一个特定的对象 ,甚至搭上一些具体的事情。安装一个专用的旋钮或球头在使用这个交配对象简化了扣人心弦的任务单向的连接器。在许多情况下 ,这样的联合可以独立使用任何操纵。 图 10-24被动的平行下巴使用枕木 被动获取联合有三个自由度 新的联合允许快速任意两个之间的联系结构 元素在所有三个轴旋转的位置想要的。马歇尔太空飞行中心 ,阿拉巴马州一个新的联合 ,提出了使用一个可连接的碎片的盾牌国际空间站服务模块 ,潜在的商用硬件的情况下必须拆卸和组装定期。这个接头可用于各种各样的应用程序 ,包括替换关节常用 拖车故障 舌头和暂时的结构 ,如起重机繁荣和操纵。这个联合其他用途包括装配结构简单的快速部署是必要的 ,如在太空、海底和军事结构。 这种新的联合允许快速任意两个结构之间的联系元素 ,它是可取的 ,在所有三个轴旋转。联合可以通过将两半固定到位。然后联合将球插入到孔连接的基础。当联合球完全插入 ,共同将锁。释放这联合只涉及一个简单的运动和旋转的一部分。联合然后可以很容易分离。 图 10-25三自由度 能力被动获取联合提供 快速连接和断开连接操作。 大多数被动捕获设备只允许轴向旋转 ， 任何 固定 运动是允许的。 手动或机械传动的 活动关节需要一个额外的动作 ,或电源和控制信号一个更复杂的机制。 这个新的联合的设计相对简单。它包括两个半 ,一个球安装在阀杆 (比如在一个常见的 拖车联结装置 球 )和一个套接字。套接字包含所有移动部件 ,这项发明的重要组成部分。套接字也有一个基地 ,包含一个大型中央 圆柱孔球形杯结束。 这项工作是由布鲁斯 温德朵夫 和理查德 a 克劳德 而言的马歇尔太空飞行中心。 工业机器人 工业工业机器人使用的计算机的可编程性软件在它的工作方式使它灵活 ,多才多艺范围的任务可以完成。最普遍接受的定义工业机器人是一种可重复编程的、多功能机械手设计移动材料、零件、工具或专用设备变量编程动作来执行各种任务。工业机器人可以 立式 、台式或移动。 工业机器人进行分类的方式与特点他们的控制系统 ,机械手或手臂几何 ,和模式操作。没有共同的或标准化的协议这些名称在文学或工业机器人专家之一 世界各地。 工业机器人的基本分类与整体性能区分有限和无限的顺序控制。四个类是公认的 :有限序列和三种形式 。 无限 点对点按顺序排列 、连续路径和控制路径。这些名称指所采取的路径效应 ,或工具 ,在工业机器人的手臂的动作之间的操作。 另一个分类相关的控制是 非伺服 与 伺服 。 非伺服 意味着开环控制、闭环反馈 ,或没有系统。相比之下 ,伺服 意味着某种形式的闭环反馈系统中的使用 ,通常基于传感速度 ,位置 ,或两者兼而有之。有限序列也意味着 非伺服 控制无限序列可以实现点对点、 连续轨迹控制 或 控制轨迹数 模式的操作。 工业机器 人是由电气、液压 或气动 提供动力的， 电机 动力对现在的立式 工业机器人 来说 是最受欢迎的。 特大工业机器人通常分配给重型起重应用程序。一些电动和液压工业机器人配备了 气动控制 工具或效果器。 自由度的数目等于一个工业机器人轴的数量 ,是其功能的一个重要指标。 有限顺序排列 工业机器人通常只有两个或三个自由度 ,但点到点 ,连续轨迹控制 ,控制轨迹数 工业机器人通常有五六个。两