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南京理工大學泰州科技學院 畢業(yè)設計 論文 外文資料翻譯 學院 系 機械學院 專 業(yè) 機械工程及自動化 姓 名 張廣濟 學 號 1201010160 外文出處 Mechatronics 24 2014 1223 1230 附 件 1 外文資料翻譯譯文 2 外文原 文 指導教師評語 簽名 年 月 日 注 請將該封面與附件裝訂成冊 分布式驅動機器人機械手的設計與控制機制 摘要 本文提出了一種基于分布式驅動原理的設計方法 目的是實現(xiàn)一個具有高性 能的機器人 驅動點的空間運動提供了幾個優(yōu)點如高負載能力 高效率和輕重量 結構的機器人機械臂 在分析的基礎上 分布式驅動機制為提出的機械臂采用了 單一滑塊 一個有兩個自由度的機械臂雛形作為一個例子可被開發(fā)和控制 實驗 驗證了所提出的方法的有效性 關鍵詞 分布式驅動機制 機械手 機械臂 高載荷 輕型臂 1 引言 機器人一般采用高容量的執(zhí)行器增強各種性能特點 如有效載荷和運動速度 然而 在實 踐中 執(zhí)行器和減速器經常導致機械手很笨重 因此 為高性能和緊湊的設計 在這些想法中 必然會想要有一個權衡 為了解決這些沖突的設計目標 有各種各樣的方法 在提高傳統(tǒng)機械臂的性能時使用大容 量的電機是有利的 這樣會使結構變化少 液壓作動器對產生大扭矩很有用 電機的電液冷卻 系統(tǒng)有效地提高了短時工作的峰值扭矩 此外 并聯(lián)機械手往往被用在結構剛度要求高并有動 態(tài)能力的應用中 此外 機械臂結構的優(yōu)化可能需要減少機器人的重量 降低了執(zhí)行器功率要 求 并減少機器人系統(tǒng)所需的空間 最近提出的一個低體重的機器人手臂被稱為是最有效的設 計之一 對機械臂的機械結構和電機進行了優(yōu)化設計 將導致一個負載的重量比為 1 總系統(tǒng) 重量不到 15 公斤 和 1 5 米的工作區(qū) 上述研究中的操縱 在旋轉執(zhí)行器被放置在相鄰連接 的機械臂上利用了聯(lián)合驅動拓撲 這種關節(jié)驅動機構在簡單的結構和易于控制方面是有優(yōu)勢的 然而 它不好的地方在于需要沉重的機械組件 以承擔的集中載荷的關節(jié) 換句話說 齒輪或 諧波傳動裝置應用于減速和扭矩的提高 這將導致在實踐中的重型機械手出現(xiàn) 此外 齒輪與 高速的減速比 不可避免地降低了機械手的效率 出于這些困難 我們采用分布式驅動機制 提出了一種輕量級但高效的機械手設計 分布 式驅動原理為了迫使點與鏈接最大限度地提高指尖的力量在空間上優(yōu)化了位置 由于工作點的 位置能被改變 可以在他們的最佳位置進一步提高機器人手指的輸出力 分布式驅動原理的可 行性確認了小機器人手指是由超聲電機或無刷直流電機驅動的 在本文中 我們提出了一個機器人操縱器在分布式驅動機制的應用下 具有輸出轉矩大 效率高 但重量輕的特點 從 提出的機械手的設計的不同視角 符合一個系統(tǒng)的設計過程 此外 機器人操縱器的控制是新提出來的 作為結果 本文提到的機械手 預計將是一種有效 的替代 并能夠在其他領域中使用 例如 移動機器人平臺 論文組織如下 在第 2 節(jié) 從機械臂設計的角度對分布式驅動原理進行了簡要的回顧和分 析 在第 3 節(jié) 機器人設計和實驗結果在列 最后 結論如下在 4 節(jié) 2 分布式驅動機械臂 2 1 分布式驅動機制研究綜述 一般情況下 機械手是由關節(jié)驅動機制驅動的 例如 在工業(yè)機器人中一個電機齒輪組件 是被放置在兩個鏈接的關節(jié)處 此外 一個液壓執(zhí)行器通常是固定在挖掘機的關節(jié) 與上述相反 分布式驅動機制通過把滑塊沿鏈接 由剛性桿連接 在關節(jié)處產生了力矩 如圖 1 所示 該滑塊由滾珠絲杠與電機驅動 分布式驅動的雙滑塊的一個典型特征是將工作點 使關節(jié)力矩的變化取決于他們的位置的自由 這是一個額外的自由度 以最大限度地提高聯(lián)合 扭矩 在中 這可能不是一個主要問題 因為小尺寸的執(zhí)行器只是偶爾使用 1 1 2 2 建議致動機構 在這一小節(jié)中 我們將分布式驅動機制擴展到一個具有高負載能力的輕型機械臂的設計中 例如 超過 10 公斤 為此 我們專注于幾個通用的分布式驅動機制 是以前沒有在文獻中 研究過的 為了減少執(zhí)行器的數量 只有一個滑塊可以通過從接頭固定在一定的距離移動 即 X1 固定 如圖 2 所示 同時 鏈接有一個角度偏移 即 hoffset 有了這個配置 在 2 1 節(jié)中解 決的滑塊位置的冗余不能持續(xù) 但致動器的位置仍然保持有效的變量 換句話說 在關節(jié)處所 產生的力矩取決于移動滑塊的位置 即 X2 此外 通過調整 X1 fixed h2 Lrod 和 offset 的尺寸 轉矩可以保持為比所需扭矩較大 用于操縱有效載荷過工作區(qū) 為了證明這一點 使用該機制 的運動學 讓我們考慮產生的轉矩 是關節(jié)角度 并且 F2 是移動連接的滑 塊推力 所產生的轉矩變化通過驅動點 X2 的位置 并且其外形取決于設計參數例如在第 3 節(jié)中將 被優(yōu)化的 X1 fixed h2 Lrod 和 offset 特別是 它指出 offset 確實在一定程度上在工作區(qū)內的扭 矩分布發(fā)揮重要作用 為了說明它 所產生的轉矩計算和不對于相同的其他設計參數對 offset 夾雜 X1 fixed h2 Lrod 如圖 3 所示 所述扭矩曲線移動到左側當 offset 8 這樣生成的扭 矩總是比要求轉矩大 用于通過整個 的工作空間操縱 13 公斤力的有效載荷 應當注意 所 需的轉矩是通過考慮即將在第 3 小節(jié)開發(fā)的有效載荷和重量的機械臂的原型來計算的 建議的 機制與一個單一的滑塊不提供冗余的滑塊位置 需要最大限度地提高輸出轉矩 然而 這個問 題可以通過優(yōu)化的結構參數 考慮在工作區(qū)內的性能規(guī)格來緩解 圖 1 分布式驅動機制的概念 圖 2 機器人機械手的關節(jié)模型 圖 3 關節(jié) 1 處角度 offset 的影響 圖 4 關節(jié)驅動 a 或者分布式驅動 b 對單自由度 機械手的虛擬設計 該機制和常規(guī)聯(lián)合驅動有幾點不同 首先 由于 三角形 連接桿的閉環(huán)結構封閉回路的 結構剛度顯著增加 由于外部負載所產生的彎曲力矩可以被連接桿的排斥力所支撐 減少撓度 和最大彎矩 此外 不同于 JM 造成滾珠絲杠的變形幾乎可以忽略不計 因為滾珠絲杠的剛 度是很高的 因此 盡管機器人的重量輕 該提出的機制具有顯著的結構剛度 允許質量重的 對象來進行處理 其次 通過采用滾珠絲杠系統(tǒng)驅動線性滑塊 我們可以在轉矩 力轉換過程中效果顯著的 得到高速減速比 與那些傳統(tǒng)的由一個行星齒輪和一個諧波傳動 傳輸效率低于 70 的減速 器相比 滾珠絲杠系統(tǒng)具有大約 95 的效率 并且 如此這樣 這將需要更小的致動器 同 時保持機械手所需要的輸出功率 此功能也有利于建立一個輕量機械手系統(tǒng) 為了證明擬議的機械手的有效性 我們幾乎設計了 2 個不同的機械手 如圖 4 所示 一個 是使用標準的聯(lián)合常規(guī)單自由度機械手驅動機構 JM 另一種是單自由度機械手提出的分布 式驅動機制 DM 對于這兩種情況 設計的目標是實現(xiàn)在 0 7 米外展的 13 公斤有效載荷能 力 輸出功率約為 110W 此外 對于數據挖掘 假設 X1 fixed h2 Lrod 和 offset 分別是 230 毫 米 145 毫米 38 毫米和 8 度 這也是在 3 節(jié)中使用的硬件設計的參數 詳細描述見表 1 電機 減速器 由諧波傳動和行星齒輪組成 和一個滾珠絲桿都是在市售的組件中 在接頭處 有類似的輸出 即關節(jié)力矩和速度 設計可能不是最佳的 但這是最好的試驗和誤差的方法 首先 一個更大的電機采用 JM 因為諧波傳動效率低約 70 另一方面 在 DM 的情況下 滾 珠絲桿的效率約為 95 所以可以使用較小的和更輕的電機 此外 滾珠絲杠比 JM 減速機輕 得多 因此 DM 是明顯輕于 JM 同時保持類似的輸出功率 值得注意的是 DM 的工作范圍 是小于 JM 的 這可能是一個缺點 然而 這可能不是一個關鍵問題 如果數據挖掘的任務是 在有限的工作范圍內 例如 一個爆炸軍械處理 EOD 機械手 一個碼垛機械手等 此外 DM 由于比 JM 較高的剛度具有結構優(yōu)勢 它指出 在表 1 DM 的關節(jié)僵值四 119 kNm 弧度 幾乎是 JM 得 2 倍 表一 比較結果 設計結果和主要規(guī)格 項目 1 項目 2 子項目 JM 設計 DM 設計 主要部件 a 電機 模型 EC 45 EC60 flat 功率 164w 111w 速度 9290 轉 3740 轉 重量 850g 470g 諧波傳動 模型 CSG32 160 1 重量 890 g 行星齒輪 模型 GP42C 6 1 質量 260 g 滾珠絲桿 模型 MDK 1002 質量 200 g 框架 b 質量 1526g 1450g 設計結果 聯(lián)合輸出 c 扭矩 114 Nm 111 Nm 速度 1 01 rad s 0 93 rad s 節(jié)點剛度 41 kNm rad 119 kNm rad 固有頻率 d 1 2 kHz 2 1 kHz 最大撓度 鏈接 497 lrad 415 lrad 減速器 776 lrad 29 lrad 效率 70 95 工作范圍 0 360 30 120 總重量 3526 g 2120 g a 制造商 1 電機與行星齒輪 maxon 電機公司 2 諧波傳動滾珠絲杠 THK b 鏈接提示的最大撓度在 13 千克最大有效載荷下要比 500 小 c 轉矩和速度的值是平均值 d 是以 13 公斤的有效載荷為標準計算的