【文章內(nèi)容簡介】 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(zhuǎn)動）和一個移動自由度（用來調(diào)整吸塵頭與隧道截面垂直距離的大?。3]。 蝸輪蝸桿升降機的選取平面連桿機構(gòu)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(gòu)要能承受較大的載荷少不了低副的接連作用，比如說轉(zhuǎn)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(jù)不同的需要來選擇，可長距離的傳動。連桿機構(gòu)的基本類型有:曲柄搖桿機構(gòu)、雙曲柄機構(gòu)、雙搖桿機構(gòu)等。要設計的機械手本體只需要兩個自由度，包括一個轉(zhuǎn)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(gòu)實現(xiàn)。所有運動副是轉(zhuǎn)動副的四桿機構(gòu)都稱為鉸鏈四桿機構(gòu)，鉸鏈四桿機構(gòu)是平面四桿機構(gòu)的最基本的方式，如果組成轉(zhuǎn)動副的兩構(gòu)件可以相對做圓周轉(zhuǎn)動，便稱其是周轉(zhuǎn)副，如果不可以做整周轉(zhuǎn)動的，便稱其是擺轉(zhuǎn)副 。鉸鏈四桿機構(gòu)由以下各構(gòu)件組成：連架桿：與機架相連的構(gòu)件；連桿：與機架沒有相連，并做平面運動的構(gòu)件；機架：機構(gòu)中相對固定的構(gòu)件；曲柄：與機架連接且能做整周轉(zhuǎn)動的構(gòu)件；搖桿：與機架相連且能做來回擺動的構(gòu)件；鉸鏈四桿機構(gòu)根據(jù)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(gòu)在鉸鏈四桿機構(gòu)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(gòu)為曲柄搖桿機構(gòu)[15]，如圖25所示。圖26 曲柄搖桿機構(gòu)（2）雙曲柄機構(gòu)在鉸鏈四桿機構(gòu)中，若兩個連架桿都是相對機架作整周回轉(zhuǎn)的曲柄，則為雙曲柄機構(gòu)[6]，如圖26所示。圖27 雙曲柄機構(gòu)（3）雙搖桿機構(gòu)當鉸鏈四桿機構(gòu)中的兩連架桿都是搖桿時，稱為雙搖桿機構(gòu)[15]，如圖27所示。圖28 雙搖桿機構(gòu)在曲柄搖桿機構(gòu)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。考慮到通常的情形，可得出鉸鏈四桿機構(gòu)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(gòu)，則四桿機構(gòu)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(diào)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(jù)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。圖29 蝸輪蝸桿升降機及其參數(shù) 機械手裝置中的四桿機構(gòu)的參數(shù)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(zhuǎn)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(jīng)過BB2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(guān)系。根據(jù)下面的一系列參數(shù)（結(jié)合上面的推導）：擺桿mm其中CD和DM為兩極限位置。我們可以得出： 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(gòu)來實現(xiàn)。設定這些參數(shù)，可以形象地表達該曲柄搖桿機構(gòu)的所有構(gòu)件。通過電機驅(qū)動曲柄AB做回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動就行了，這就是選用曲柄搖桿機構(gòu)的特點[14]。 機械手自由度的校核一個構(gòu)件在沒有任何約束的條件下，相對于固定構(gòu)件作平面運動時有三個自由度。若組成機構(gòu)的運動鏈有N個活動構(gòu)件和一個固定構(gòu)件，則動所有構(gòu)件未組成運動副前活動構(gòu)件相對于固定構(gòu)件有3N個自由度，假如把這些構(gòu)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(gòu)件中每個構(gòu)件相對于機架能獨立運動的數(shù)目稱為機構(gòu)的自由度。設這個運動鏈中共有Pl個低副和PH個高副，他們就會提供個約束，故機構(gòu)的自由度為： (21)隧道除塵機械手的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖29所示?；顒訕?gòu)件n=4 ,低副為PL=5 ，高副為PH=0，由上述公式求出機構(gòu)自由度為：除塵機械手機構(gòu)主動件數(shù)目有2個，并且主動件數(shù)目等于機構(gòu)的自由度數(shù)目，因此機構(gòu)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(gòu)進行轉(zhuǎn)動，曲柄的轉(zhuǎn)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(xiàn)手臂的伸縮運動[8]。3 除塵機械手的運動及結(jié)構(gòu)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: m , m , 求：根據(jù)勾股定理： (31)帶入數(shù)據(jù)得： mm mm圖31 隧道截面示意圖 除塵機械手的組成該隧道側(cè)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(cè)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(qū)動曲柄搖桿機構(gòu)中的曲柄轉(zhuǎn)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，去控制手臂伸縮，這樣手臂就可以對隧道側(cè)面進行除塵作業(yè)了。手臂可以自行控制與隧道側(cè)面之間的距離，達到吸塵器能良好工作的距離。手臂上是裝有位置感應器，來躲避隧道壁面上大的障礙物（如信號燈等）。圖32 除塵裝置示意圖（3）吸塵裝置：在機械手手臂的末端安裝一個吸塵頭進行完成收集灰塵和其他污垢的工作。吸塵頭裝在機械手手臂末端，由手臂的擺動和來回伸縮控制適合的位置，垃圾儲存箱、吸塵器坐落在承載小車上。此外，吸塵器與垃圾存放箱通過軟管相連接，這樣吸塵器吸進灰塵后就可以直接裝在灰塵存放箱。裝在手臂上的吸塵頭的運動軌跡為螺旋線，因為隧道壁面的不平整性，怕會有死角處不能被除塵到位，為了保證清潔的良好效果，我們需要控制好吸塵頭半徑的大小[11]。 機械手手腕回轉(zhuǎn)中心的確定位于臂部的最前端就是腕部，臂部承載的動、靜負荷都與它相牽連。很明顯臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運轉(zhuǎn)特性都受到腕部的影響，所以對手腕回轉(zhuǎn)中心位置的要求很重要，一定要保證使機構(gòu)緊湊、總重量輕一些等特點。腕部不僅連結(jié)除塵機械手的手臂，它還有連結(jié)和支承整個機架的作用，除了保證腕部具有足夠的強度、剛度外，還要全面考慮，保證使整個機架有一個合理的布局。由于隧道除塵的工作環(huán)境是非常惡劣的，隧道不僅相當寬而且也很高，因此在設計腕部時必須充分考慮在作業(yè)中可能存在的環(huán)境會對腕部產(chǎn)生不好的影響。除塵機械手的手腕回轉(zhuǎn)中心的位置影響著除塵范圍的大小，也影響著機械手臂的伸縮量。因為隧道截面的半徑太大，為了確保手臂能夠平穩(wěn)地移動，手臂的伸縮量就要愈小愈好[12]。圖33 機械手工作區(qū)域根據(jù)垂直平分線定理知，連結(jié)C點和M點，做線段CM的垂直平分線，設定D點為機械手的手腕回轉(zhuǎn)中心，如上圖D點所示相距隧道截面圓心O為1米。手臂在距C點和M點兩處的長度一樣并為最長的，在垂直平分線的長度是最短的。這樣，就可以保證手臂保持最小的伸縮量去作業(yè)，達到穩(wěn)定運轉(zhuǎn)的效果。如圖33所示：通過下列的計算： mm