【文章內容簡介】 圖 機械手本體的兩個自由度有倆個 控制方案， 方案一 ：利用氣壓液壓控制機械手臂的伸縮 、 擺動。 方案二 ：利用 一個 電動機提供動力源驅動手臂伸縮，再用一個電機控制轉動部分 。但 考慮到氣壓液壓維修起來不如電動機 方便 ，便選擇了電機作為動力源作為驅動力。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2020 6 地鐵隧道側面除塵機械手的類型 機械手的基本功能是什么 ？ 就是 希望它可以按照 人們 的思維做出相應的工作 ，人們 設定好位置和設計好驅動手部， 它便可以通過環(huán)境自 動 改變 動作來完成各種作業(yè)。在空間 內，一個物體在任意方向的移動 都可以 分解成空間三維坐標軸的三個方向 的移動 ；當 做出任意方向的轉動 時，都可以把 它分解成空間三維坐標的三個方面的轉動 。因此，在空間 坐標內， 任何 一個物體都存在 六 個自由度 。沿空間三維 坐標軸 移動分量的總矢量便決定了 空間物體位置的變化；沿 空間三維坐標軸轉動分量的矢量和決定 著空間物體姿勢的變化。 除塵機械手 就 相當于 一個 空間機構。運動副一般是只有轉動副和移動副兩類。通常來講，一個運動鏈的自由度和手部運動的自由度在數量上是相等的，如圖 21，所示的 RRP 操作機，它的 底 座存在一個轉動自由度，腰部存在一個移動的自由度，腕部存在一個轉動的自由度，這些自由 度 目的是確定 手部在空間的位置。因此，由這幾個部分所構成的機構，我們稱之為操作機的位置機構 [3]。 圖 22 RRP 坐標式機器人 地鐵隧道側面除塵機械手要 實現自動的除塵工作就要有 兩個 轉動和 一個 移動 這三個自由度 ，沿隧道長度方向的移動可由承載車來實現，所以機械手本身的兩 個自由 度就需要去 設計了，要 從 自身 的結 構得到 [2]。 實現手臂在空間做特定的運動，我們有不同的運動類型，總體上分為下面的幾種：（ 1） 三個運動互相垂直的直線運動的組合（ PPP）；（ 2） 兩個運動 為 直線和一個運動 形式是 轉動（ RPP）；（ 3） 三個運動 形式 都是轉動的 組合（ RRR） ，分別如下圖所示： 隧道清潔車側面除塵與安全裝置設計 7 圖 23 PPP 坐標式 圖 24 RPP 坐標式 圖 25 RRR 坐標式 小臂 大臂 立柱 基座 地鐵隧道除塵機械手實際上有三個自由度來完成的，兩個移動自由度和一個轉動自由度。所以隧道的除塵機械手的類型可以歸結為兩個直線的運動和一個轉動。因此它的類型屬于 RPP 型，如圖 23 所示。但是其中一個自由度靠承載小車來完成。所以機械手本體需要兩個自由度：一個擺動（轉動）和一個移動自由度（用來調整吸塵頭與隧道截面垂直距離的大?。?[3]。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2020 8 蝸 輪蝸桿升降機的選取 平面連桿機構的主要特點是：低副具有規(guī)矩的幾何形狀，便于加工設計；整個機構要能承受較大的載荷少不了 低副的接連作用，比如 說轉動、移動、擺動以及一般的平面運動，都 會 受到較大載荷的沖擊 ， 所以低副是特別重要的。 連桿曲線具有不同的形狀，可根據不同 的 需要來選擇，可長距離的傳動。連桿機構的基本類型有 :曲柄搖桿機構、雙曲柄機構、雙搖桿機構等。 要設計的機械手本體只需要兩個自由度，包括一個轉動自由度和一個移動自由度。我們可以選擇利用曲柄搖桿機構實現。 所有運動副是轉動副的四桿機構都稱為鉸鏈四桿機構，鉸鏈四桿 機構 是平面四桿機構的最基本的方式，如果組成轉動副的兩構件可以相對做圓周轉動，便稱其是周轉副，如果不可以做整周轉動的，便稱其是擺轉副 。鉸鏈四桿機構由以下各構件組成： 連架桿：與機架相連的構件； 連桿：與機架沒有相連，并做平面運動的構件； 機架：機構中相對固定的構件； 曲柄：與機架連接且能做整周轉動的構件； 搖桿：與機架相連且能做來回擺動的構件； 鉸鏈四桿機構根據兩連架桿運動狀態(tài)可分為以下三種基本的類型： （ 1）曲柄搖桿機構 在鉸鏈四桿機構中，若兩個連架桿中一一桿為 曲柄 ，另一桿是只可以做往復的擺動的搖桿，則 稱 該四桿機構為曲柄搖桿機構 [15]， 如圖 25 所示。 圖 26 曲柄搖桿機構 （ 2）雙曲柄機構 在鉸鏈四桿機構中 ， 若兩個連架桿都是相對機架作 整周回轉的曲柄 ，則 為雙曲柄機構 [6]，如圖 26 所示。 隧道清潔車側面除塵與安全裝置設計 9 圖 27 雙曲柄機構 （ 3）雙搖桿機構 當鉸鏈四桿機構中的兩連架桿都是 搖桿時，稱為雙搖桿機構 [15]， 如圖 27 所示。 圖 28 雙搖桿機構 在曲柄搖桿機構中，要使連架桿 A B 為曲柄，它一定要 為 四 桿中的最短的桿，而且一定要滿足最短桿與最長桿長度之和小于其余兩桿長度之和?？紤]到通常的情形，可得出鉸鏈四桿機構有曲柄的條件： （ 1）最短桿 和最長桿長度之和 小于 或者等于其他 兩桿 長度之和 [7]； （ 2）最短桿是連架桿 或者機架 [6]。 為何選取蝸輪蝸桿升降機 若 選用 曲柄搖桿機構， 則四桿機構是一個費力桿，所以選擇蝸輪蝸桿升降機，他體積小，重量輕，無噪音，可靠性高，壽命強，他能按照一定的程序準確地控制調整提升或者推進的高度，可用電機直接帶動。 蝸輪蝸桿升降機的選型 根據絲杠提升負荷和行程找出所 需升降機的型號，再查提升力和提升速度表，校核提升速度滿不滿足要求。 如圖 29 所示。 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2020 10 隧道清潔車側面除塵與安全裝置設計 11 圖 29 蝸輪蝸桿升降機及其參數 型號根據圖形選擇。絲杠行程已知提升負荷為。，查表米的工字鋼10SWmm1 00 m i ,LKNFV??? 機械手裝置中的 四桿 機構的參數確定 AB 代表曲柄， CD 代表搖桿， AD 代表機架，兩個極限位置分別是 CD、 DM。當 AB 轉過一周時，鉸鏈中心 B 的軌跡是以 A 為圓心的圓。從圖中可 以看出 在 B 經過 B B2 點時曲柄和連桿形成兩次共線。所以說，要使 AB 是曲柄，它必須要順利地通過這兩個共線位置 , 。因此，我們能夠利用這兩個特殊位置來計算 出 它們的關系。 根據下面的一系列參數（結合上面 的推導）： ??? 15OCD ??? 158CDM 擺桿 3700?CD mm 其中 CD 和 DM 為兩極限位置。 我們可以得出： 鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2020 12 曲柄 AB = 1m 機架 AD = 由于極限角度較大，我們采用相鄰兩桿相等的四桿機構來實現。 設定這些 參數 ，可以形象地表達該曲柄搖桿機構的 所有構件 。通過電機驅動曲柄 AB 做回轉運動 ， 這樣 就 可以帶動手臂 CD 在 設定的 兩點之間 來回擺動。這樣，電機只要做單方向轉動就 行了 ，這就是選用曲柄搖桿機構的特點 [14]。 機械手自由度的校核 一個構件在沒有任何約束的條件下，相對于固定構件作平面運動時有三個自由度。若組成機構的運動鏈有 N 個活動構件和一個固定構件，則動所有構件未組成運動副前活動構件相對于固定構件有 3N 個自由度，假如把這些構件用運動副連接而形成運動鏈之后，因為受運動副約束條件的限制，自由度就會減少。把構件中每個構件相對于機架能獨立運動的數目稱為機構的自由度。設這個運動鏈中共有 Pl 個低副和 PH 個高副，他們就會提供 )2( HL PP ? 個約束，故機構的自由度為： HL ppnF ??? 23 (21) 隧道除塵機械手的結構示意圖，如圖 29 所示?；顒訕嫾?n=4 ,低副為 PL=5 ，高副為 PH=0，由上述公式求出機構自由度為： 25243 ?????F 除塵機械手機構主動件數目有 2 個，并且主動件數目等于機構的自由度數目，因此機構有確定的運動。 動力源應該有兩個。一個用來帶動曲柄搖桿機構進行轉動，曲柄的 轉動 通過 連接桿 使得 手臂可以來回擺動；另一個動力源是控制齒輪齒條的運動，來實現手臂的伸縮運動 [8]。 隧道清潔車側面除塵與安全裝置設計 13 3 除塵 機械手的運動 及 結構設計 除塵機械手末端執(zhí)行器運動軌跡的規(guī)劃 機械手末端執(zhí)行器裝備一個吸塵頭，吸塵頭 的軌跡是跟隧道截面類似的一個圓通過對 隧道截面的計算 ，可以 得到吸塵頭大概的運動軌跡， 已知隧道的高度、隧道路面的寬度，如圖 31 所示： 已知 : ?H m , 8?D m , 求： L 根據勾股定理： 2)2( DH? 22 )2()2( DL ?? (31) 帶入數據得： 222 )28()2()( ??? L 6240?L mm 31002/ ??L mm 圖 31 隧道截面示意圖 除塵機械手的組成 該隧道側面除塵機械手由三部分組成：（ 1） 車載裝置（ 2） 機械手裝置（ 3）吸鹽城工學院本科生畢業(yè)設計說明書 2020 14 塵裝置，如圖 32 所示。 （ 1）車載裝置：用于裝載機械手裝置和吸塵裝置的 車輛設備 ，并 沿著隧道方向移動作為機械手臂 一個移動 自由度 ， 它 也 承載 所有控制機械手的裝置，此車如同地鐵可以直接架在軌道上沿著地鐵軌道進行移動。 （ 2）機械手裝置：機械手裝置是隧道側面除塵機械手的核心裝置，由它來完成除塵動作的主要工作。利用電機驅動曲柄搖桿機構 中 的 曲柄 轉動帶動連桿從而控制搖桿可以來回的擺動。選用由伺 服電機控制齒輪齒條的傳動，去 控