钢丝绳传动四自由度机械臂的机构设计

1、钢丝绳传动四自由度机械臂的机构设计智能工程陶 俊, 袁建军, 张伟军, 万志成(上海交通大学机械与动力工程学院, 上海200240M echanical Design of 4Degrees of Freedom Wire Driving Robot ArmTAO Jun, YUA N Jian -jun, ZHANG Wei -jun, WA N Zhi -cheng(School of M echanical Engineering , Shanghai Jiao T ong U niversit y, Shanghai 200240, China摘要:提出一种用于物流系统的四自由度机械臂

2、解决方案, 并对该机械臂的工作原理和具体设计进行了详细讨论。该机械臂主要由一种简洁高效的钢丝绳传动机构构成, 它将驱动装置安装到远离相关关节的基座上, 使得整个机械臂的结构紧凑、整洁, 在减轻机械臂整体重量的同时提高了对外做功的能力。此外, 还设计了一种简单并易于操作的张紧力调节装置, 可以确保钢丝绳处于充分的张紧状态, 从而克服了钢丝绳传动精度不高的问题。关键词:机械臂; 机构设计; 钢丝绳传动机构; 张紧力调节装置中图分类号:T P241. 2文献标识码:A文章编号:1001-2257(2008 01-0031-03Abstract:This paper pr esented a so l

3、ution of 4degrees of freedo m robot arm w hich is used in ma -terials handling system , and detailedly discussed a -bout the w orking principle and design of the ro bot ar m. T he robot arm is mainly designed w ith a sim -ple and efficient w ire driving structur e, so that all the driving components

4、 can be configured o n the fix ed base w hich is far aw ay fro m the relativ e joints. With this design, not only the structure o f robot arm becomes com pact and simple, but also the entir e w eight is dro pped. At the sam e time, the output pow er to do w ork is increased relatively. In addition,

5、w e also develop a novel w ire tension ad -justm ent mechanism, w hich is very simple and easy to operate. It assur es that the rigidity of w ire can be impr oved to a cer tain extent. T her efore, the pro blem of the end displacem ent accuracy o f ro bot收稿日期:2007-09-19基金项目:上海市浦江人才计划资助项目(07pj14056ar

6、m is perfectly solv ed.Key words:robot arm; mechanical desig n; w ire driving m echanism; w ir e tensioner0 引言传统的工业机器人或者应用于特殊环境的机械臂关节普遍采用电机、齿轮减速器、关节轴三者直接连接的传动机构1, 这种机构要求电机与齿轮减速器安装在机械臂关节附近, 机构简单但是结构不够紧凑, 外观不整洁。尤其突出的缺点是:对于多关节机械臂, 尤其是重力方向存在多关节运动能力的折叠展开型机械臂, 下一级关节的电机与齿轮减速器等驱动装置成为上一级关节的额外负载。这一额外负载带来的负面影响

7、往往超过机械臂连杆等必要结构件, 因此提高了对机械臂动力和驱动元件的要求, 由此造成整体重量、体积、造价和内部消耗的增加, 降低了机械臂对外做功的能力和效率。按照/最轻自身重量最大负载能力0原则2, 对机械臂机械结构所作的各种改进研究中3-4, 最具有突出效果的是钢丝绳传动机构。这其中比较著名的有广濑茂男等人研制的四足步行机器人T I -TAN-VIII 。但是, 在传动张力方面也存在一些不足之处, 为更好地发挥钢丝绳传动的优点, 解决机构刚性不足、末端精度不高等问题, 本文设计的机械臂使用了一种能够控制钢丝绳有效长度变化和提高机械臂末端精度的传动机构, 并配备操作简便的张紧力调节装置来保证钢

8、丝绳的张紧。该机械臂可以应用到物流等领域、或者作为教学科研演示平台进行推广。75-61 四自由度机械臂的整体结构在此讨论的四自由度机械臂面向中小型物流系5统应用。其基本的设计要求为:实用、有相对大的作业空间, 抓取重量不小于2. 5kg, 具有不大于10mm 的重复定位精度, 自身重量轻及外观整洁。综合考虑如上文所述关于机械臂的先行研究之后, 确定四自由度机械臂的整体结构方案如下:a. 出于操作便捷实用的考虑, 设计腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部回转4个自由度, 整体采用重力方向折叠展开型结构, 大臂俯仰与小臂俯仰为一组平面自由度, 如图1所示。采用对称结构放置在机械臂基座部分; 腕部所需

9、扭矩小, 使用驱动装置内嵌式设计(小臂方管内部 ; 钢丝绳传动机构、所有传感元件和动力控制电缆均采用内嵌式设计, 布置在大小臂方管内部; 以上保证机械臂的整洁外观, 详见使用Pro/E 三维建模设计软件生成的效果如图2所示。图2 P ro/E 建模完成的整体结构大臂俯仰通过电机2和蜗轮蜗杆减速装置直接驱动来实现; 小臂俯仰通过电机3和蜗轮蜗杆减速装置驱动经钢丝传动机构实现。利用涡轮蜗杆自锁特性防止突发事件对物流系统的影响。遵循以上设计讨论研制的第一台样机实物如图3所示, 经实验图1 机械臂整体结构确认, 运动性能和末端重复定位精度均能达到设计指标, 自身重量和负载能力分别为12kg 和3kg

10、。b. 考虑到机械臂主要作业空间为前方偏下的特点, 配置各个关节角度、臂长和总伸展长度如表1所示。机械臂可动空间为图1虚线范围(只显示重力方向截面 , 其中深色部分为机械臂主要作业空间。表1 各项参数范围及取值参 数H 1H 2H 3H 4L 1, L 2, L 3伸展长度总重负载取 值280b (-140b 140b 150b (-10b 140b 180b (30b 210b 300b (-150b 150b 64mm , 350mm , 350mm700mm 12k g 3k g图3 四自由度机械臂样机实物2 四自由度机械臂具体机构设计2. 1 钢丝绳传动机构设计机械手臂主要通过钢丝绳传

11、动机构, 把小臂俯仰关节的电机和齿轮减速器等额外负载放置在机械臂基座部分, 从而减轻了对其它关节驱动元件的要求及机械臂整体的功耗, 降低了机械臂自身重量, 增加了其对外做功的能力和效率。如图4所示, 大小臂都为中空筒状, 小臂驱动轴设计V 形螺旋滚轮结构缠绕钢丝绳, 小臂驱动轴两端通过轴承安装在大臂根部, 轴线与大臂的长度方向保持垂直并使小臂驱动轴的V 形螺旋滚轮位于大臂内部。大臂驱动轴固定在大臂根部, 与小臂驱6 c. 从机械臂负载能力以及各关节驱动装置配备角度考虑, 为尽量获得最轻自身重量与最大负载能力, 使用钢丝绳传动机构, 将小臂俯仰驱动装置通过该机构放置到机械臂基座部分, 从而降低对

12、大臂关节的驱动装置的要求, 提高对外做功能力。而腰部回转、大臂俯仰2个自由度, 由于本身的驱动装置靠近机械臂基座, 仍旧采用普通设计方案。d. 腰部回转关节1放置于基座中心, 其驱动装置置于基座内部; 大小臂均使用空心铝合金方管连接, 在减轻重量的同时获得高强度; 大小臂驱动装置动轴保持同轴。小臂从动轴与小臂根部固定连接, 两端通过轴承安装在大臂顶部, 同样也设计V 形螺旋滚轮结构缠绕钢丝绳。小臂从动轴的轴线与小臂驱动轴的轴线保持平行。钢丝绳缠绕在两者的V 形槽轮之间, 端部通过固定板固定在小臂上。对角度同比例发生变化, 因而小臂的绝对姿态将保持不变。必须通过大小臂同步联动控制才可以保持两者的

13、相对角度不变。2. 2 钢丝绳张紧力调节装置钢丝绳传动机构受负载影响容易出现松弛, 存在精度难控等缺点。能否有效便捷地调整张紧力, 成为钢丝绳传动机构精度控制的关键。TITAN -VIII 使用的张紧力调节装置, 不足之处在于钢丝绳末端的调整不能直接反映有效长度范围内的张紧力。因此提出新型钢丝绳张紧装置, 其结构如图7所示。该装置为双线钢丝绳调整。图4 机械臂的机构原理如图5所示, 设计2个V 形槽螺旋滚轮具有相同的旋向, 令两者直径D 1, D 2与导程P 1, P 2满足P 1#D 2=P 2#D 1, 即两者具有相同的螺旋升角。假设钢丝绳处于绷紧状态, 螺旋滚轮发生滚动时, 由于钢丝绳的

14、旋入长度必然等于旋出长度, 则钢丝绳有效长度范围内沿2个滚轮轴向偏移的距离也必然相等, 即随着滚轮滚动, 钢丝绳有效长度发生平行偏移。这意味着钢丝绳的有效长度不会发生变化, 因而解决了T ITAN-VIII 机构钢丝绳传动的问题。图7 钢丝绳张紧调节装置结构张紧装置整体内嵌在大臂内部, 小臂驱动轴和小臂从动轴之间。固定块固定安装在大臂内部, 推力杆安装在2个固定块之间, 可以沿固定块的滑道滑动。调整螺栓一端安装在固定块上, 一端连接推力杆。在大臂外部通过拧动调整螺栓即可改变推力杆和固定块之间的相对位置, 在推力杆上自由滚动图5 钢丝绳缠绕解决方案与有效工作长度的变化在具体设计中, 为降低制造成

15、本和实现难度, 2个滚轮的直径和导程均取相同的参数。机构的刚性和机械臂末端重复定位精度都得到实质性的改善。此外, 需要注意的是钢丝绳传动机械臂机构(图2 与图6所示平行四边形连杆机构类似。当只对电机2通电使大臂发生转动时, 小臂与大臂之间的相的槽轮推动钢丝绳从而实现张紧力调整。其优点是调整方便、易于操作。且将调整螺栓安装在距离推力杆较远的一端, 使钢丝绳张紧时张力的合力对调整螺栓产生一个压紧固定块的作用力, 从而实现张紧力调节装置内部的力平衡。3 结束语四自由度机械臂采用钢丝绳传动机构将驱动装置放置到机械臂基座上, 通过内嵌式等结构设计获得简单整洁的外观。该机械臂不仅实现重量轻、对外做功能力大

16、等性能指标要求, 自重与负载能力比图6 类似的平行四边形手臂机构5达到4B 1, 而且具有制造简单造价低等优点, 有利基于数据挖掘的柴油机磨损故障诊断Petri 网络模型王南兰(湖南文理学院电气系, 湖南常德415000Pet ri N et M odel of Diesel Eng ine Wear Fault Diag nosis Based on Data M iningWANG Nan -lan(Elect rical Eng ineering D epar tment o f Hunan U niv ersity of A r ts and Sciences, Chang de 41

17、5000, China摘要:首先利用数据挖掘中的粗糙集理论对铁谱磨损模式进行了简化, 再建立发动机磨损故障诊断的模糊Petr i 网模型, 该模型将模糊启发式规则的表示和诊断能力融为一体, 完成不确定性知识和过程性的模糊诊断推理, 并通过简单的矩阵运算快速获得了诊断结果。M atlab 的仿真结果证明, 该方法在信息不完善或不准确的情况下, 对柴油机磨损故障诊断是有效的。收稿日期:2007-07-27基金项目:湖南省教育厅基金项目(04c414关键词:柴油机; 磨损; 粗糙集; 模糊Petr i 网; 故障诊断中图分类号:TK427文献标识码:A文章编号:1001-2257(2008 01-0

18、034-04Abstract:First m odified the m odel library of the diesel engine w ear patterns by r oug h sets of da -ta mining , then established the fuzzy petr i net mod -el of diesel eng ine w ear fault diagnosis. T his mo del m erg es the ex pr ession of the fuzzy heuristic rule于工业推广普及。通过新型内嵌式钢丝绳张紧装置可对张紧

19、力进行现场调节, 解决了钢丝绳传动存在的各种问题, 有效地提高了机械臂重复定位精度。此钢丝绳传动机械臂为第一台原理样机。只在一个关节上使用单线钢丝绳传动。今后将根据应用环境的复杂化要求, 深入研究使用多线钢丝绳传动机构, 完成五自由度甚至是六自由度机械手的设计开发, 以提高机械手的运动性能。参考文献:1 Q iao R, Xia T , Y ang R , Xu Z. Desig n o f a ter rain tent a -tiv e sensing machine/senso r fo r a mobile robot J. In -ternatio nal Jour nal of A

20、 dv anced M anufacturing T ech -no lo gy , 2006, 27(5-6 :588-592.2 潘沛霖, 杨 宏, 高 波, 吴伟光. 四自由度折叠式机械手的结构设计与分析J. 哈尔滨工业大学学报, 1994, 26(4 :90-95.3 K ato K , H iro se S. Development o f quadruped walkingr obot, T IT A N -IX -mechanical desig n co ncept and ap -plication for the humanitarian demining r obotJ. A d -vanced Ro bo tics, 2001, 15(2 :191-204.4 H odoshima R , Do i T , Fukuda Y , H irose S, OkamotoT , M o ri J. Develo pment of T IT AN XI:a quadruped w alking r obot to wo rk on slopes -Design of system and mechanismA . Pro c. Int. Conf. o n Intelligent R o -b