仿人灵丹树脂液机器人的简易设计

仿人灵丹树脂液机器人的简易设计

0手料、机械、生物等单种手料的应用开发目前，机器人应用的对象是机器人研究领域的热点。其设计和控制的合理性决定了机器人功能的完美实现。传统机器人手爪设计大致可分为三种。(1)机械夹钳式手爪:一般由驱动装置、传动机构和手指组成,该类手爪结构简单、成本低廉,但存在笨重、手爪动作单一等缺点,与人手的灵巧性差距很大;(2)气吸式手爪:由吸盘、吸盘架及进排气系统等组成,主要用于板材、薄壁零件等目标物的吸附;(3)磁吸式手爪:利用永久磁铁或电磁铁通电后产生磁力,来吸取磁性材料物件,但被吸持的物件会存在剩磁,对于不能有剩磁的物件要进行退磁处理。但由于这三种机器人手爪是由钢、铁等磁性材料所制造,在高温状态下会失去磁性,故这类手爪的应用主要局限在工业生产方面。近几十年来,基于手爪灵巧性的要求,人们在仿人多指灵巧手研究方面有较大投入,已设计出高度仿人的灵巧手,但仍存在设计复杂、电机和基材成本高等缺点,导致一部分公司开发的高性能仿人灵巧手售价高达百万元。当前,机器人手指关节的驱动主要是采用电磁式的小型和微型直流电机。其不足之处在于,功率/重量比随着电机体积的减小而下降,手指微型化则不得不将电机安置在远离驱动点的地方,由此造成绳轮、伞齿轮等繁复的机械传动机构使手指结构臃肿,动作响应不灵活。针对手指同步传动问题,目前国内已有专家设计出专为机械手爪各指节间传动的钢丝轮耦合传动装置。当前灵巧手由于存在难以普及、批量低的问题,导致灵巧手价格昂贵难以推广。因此,成本低廉、结构简单、动作灵活的机器人灵巧手设计具有较高的研究价值。本文在对比传统机器人灵巧手设计的基础上,采用机械夹钳式灵巧手的设计方案,每根手指设计成三自由度手指,即由三个转动自由度和三个关节组成。手爪传感器的选择将采用接触、力与角度三种传感器,用以实现手爪的精确抓取工作的检测控制。针对仿人灵巧手的设计要求,基于欠驱动的驱动方式,采用超声波电机的驱动方式驱动,以减少电机使用数量,并实现灵巧手抓取目标物的动作。手指外壳采用普通铝合金材料,成本较低、加工方便。控制方式为点位控制,设有手指的抓紧和绕X轴的回转运动等两个自由度。1机器人爪策略的设计1.1手加快手加快国内机械产品抓持从完成抓紧动作的最基本要求考虑,本文设计的手爪抓持要求为抓取杯子、药瓶、笔、手机等体积不大的日常用品,重量在500g以下,适当大小的球类也可抓取。1.2机械内固定设计手爪结构设计采用三指形式。移动机器人配上多指灵巧手爪可使机器人功能更加强大,本设计是为移动机器人设计配套的三指灵巧机械手爪。相对于传统的五指结构设计,三指结构更加简易,同时也能很好地满足抓取等动作要求。同时,为了实现手部的高度灵活性抓取,要求单个手指具有合理的自由度分配,每根手指设计成三自由度手指,即由三个转动自由度和三个关节组成,这点与人手相同,机械结构简图如图1所示。以往的设计存在的主要问题是手指空间太小,机构干涉问题严重,所以其内部每个机构都需要精心设计,安排合理的结构位置,以避免干涉问题。多指灵巧手的传感选择接触、力与角度三种传感器,用以实现灵巧手的精确抓取动作并进行检测与控制。驱动器系统是机械灵巧手的重要组成部分,其性能决定着灵巧手的整体操作性能。本设计采用的电机为超声波电机(UltrasonicMotor缩写USM),该电机是以超声频域的机械振动为驱动源的驱动,也称压电马达。它与传统电机相比,具有以下优点:体积小、低速大力矩、输出功率高、起停控制性好、可实现精确定位、噪音小、不受电磁干扰等。其中最显著的特点便是体积小与静音性,因其较小的体积被广泛用于微型机械及机器人关节中,而它的静音性更是让服务型机器人可安静地融入人们的日常生活中。所以,本文选用的电机型号是由国产春生超声波电机厂生产的30系列超声波电机,该超声波电机性能稳,性价比高,同时体积上也符合本设计的要求。2机械手爪的机械结构设计2.1机械手部结构的改进多指机械灵巧手爪的总装配图如图2所示,该机械手爪总体结构采用模块式组合而成,手爪由三根手指部件组成:一边一指,对应边两指。采用三点抓取,可保证手爪的可靠抓取。若要实现仿人灵活抓取,还应要求各指节长度合理分配。本设计中三个指节的长度是仿照人手指节长度比例10:8:7进行配置,手指总长度为125mm,各关节长度依次为50mm、40mm、35mm。为达到仿人手大小的程度,皮带轮过宽的轴向长度不适合安装于结构紧凑的灵巧机械手指中,而钢丝轮的传递运动和力的部件是钢丝绳,在径向长度上拥有无法比拟的优势,且钢丝绳与皮带相比,无拉伸误差,精度较高,无磨损。目前国内已设计出专为机械手爪各指节间传动的钢丝轮耦合传动装置,如图3(a)所示。本文借鉴了文献、的原理,即三根手指的内部机械结构都类似:在机械手指第一级手指节通过钢丝轮耦合传动传递到中间指节,再通过另一组钢丝轮耦合传动将运动传递到末指节,三个手指关节可实现同步转动。为了防止钢丝带的打滑,本设计同样借鉴了文献、的做法,将钢丝轮固定在手指指根基座上,如图3(b)所示,使用钢丝轮固定件,当电机发生转动时,同步带轮被固定在手指指根基座上,当电机带动直齿圆锥齿轮转动时,由于直齿圆锥齿轮与轴固连,手指开始发生顺时针转动。此时,手指的转动方向便相对于钢丝轮的转动方向反向,即如图3(b)钢丝轮逆时针旋转。该问题也出现在下一级传动中,即中指节与末指节间的钢丝轮传动中,此时中指节上带轮若是钢丝轮缠绕方式为同步缠绕,则会使得中指节反向转动。本设计的解决办法是将同步带轮上的钢丝以交叉形式缠绕。采用这种方式,虽然钢丝轮不能周转,但由于本设计中不要求手指周转,故能满足其设计要求。2.2手加快机械装置的设计1)转动部分的设计:转动关节由M3的螺钉、垫片和尼龙放松螺母组成。用于连接底板和连杆,手指和连杆之间的相对转动,结构简单,轻巧实用,性价比较高,非常适合在实验中使用,螺钉为盘头十字槽,方便拆装。2)指尖部分的设计:为使手爪能够在抓取体积不大的日常用品等目标物时不致滑动脱落,手指内侧部分安装了橡皮防滑垫,以使手爪可顺利地抓取目标物体。3)传动机构的设计:最大张开距离为90mm,并能在0~90mm范围内的任意位置工作。底盘的舵机带动其中一个齿轮转动,再通过齿轮传动带动连杆传动,从而实现手爪的抓取动作。4对手动爪架的电机旋转和齿轮强度的校正4.1主缸的电机转速计算4.2齿轮弯曲性能校核因为本设计中的齿轮组接触面的承载能力初步设定为1kg,主要失效形式为齿轮的折断,齿根弯曲疲劳强度的校核式为:其中:m为模数;K为载荷系数;σF为弯曲应力;Ft为圆周力;YF为齿形系数;b为齿宽;YS为应力修正系数。本设计中齿轮模数采用的是m=0.7,满足弯曲强度校核要求。齿面接触疲劳强度的校核式为:其中:m为模数;K为载荷系数;σH为接触应力;ZE为弹性系数;ZH为节点区域系数;b为齿宽;Ft为切向力;K为载荷系数;D为实际分度圆直径。带入式(2)可得:σH=189.8×经分析,根据齿根弯曲疲劳设计的圆锥齿满足齿面接触疲劳强要求。5根嘴唇机器人随着服务机器人市场的不断开拓发展,机器人高度仿人灵巧手的设计越发重要。本文针对灵巧手的设计要求,设计了仅有三根手指机器人仿人手,每根手指有三个自由度,基于欠驱动的驱动方式,采用超声波电机驱动,以实现灵巧手抓取目标物的动作。每根手指关节间采用交错式钢丝带传动,保证手指各关节同时转动。此设计方案不仅有效地节省了空间,结构简单而紧凑,同时大大降低了对驱动电机性能和手指材质等的要求,市场前景和应用潜力非常广阔。3超声波电机的旋转振动本设计的仿人多指灵巧手爪采用了类人型的手爪设计,因此相对于手爪体积,其具有最大的抓取空间,经过路径规划,测得手爪抓持半径范围是40~78mm,可满足移动机器人进行抓取体积不大的日常用品等目标物体的