【文章內(nèi)容簡介】 手指傳遞運動和動力，以實現(xiàn)夾緊和松開動作的機構(gòu)。根據(jù)手指開合的動作特點分為回轉(zhuǎn)型和平移形。本文采用回轉(zhuǎn)型傳動機構(gòu)。圖 為初步設計的機械手機構(gòu)簡圖（只畫出了一半，另外一半關(guān)于中心線對稱）。 圖 機械手機構(gòu)簡圖 在圖 中， O 為電機輸出 軸，曲柄 OA、連桿 AB、滑塊 B 和支架構(gòu)成曲柄滑塊機構(gòu)；滑塊 B、連桿 BC、搖桿 CE 和支架構(gòu)成滑塊搖桿機構(gòu)。通過兩個機構(gòu)串聯(lián)，使電機最終驅(qū)動 DE 的來回擺動，從而實現(xiàn)手指的開合運動。 圖 中的黑線和藍線表示機構(gòu)運行的兩個極限位置。 為便于手指的順利合攏，可以在兩個手指之間設置一個彈簧，這樣還可以提供適當?shù)膴A緊力。 另外，在選用電機的時候，要使電機的功率足以克服彈簧的收縮和張開，并且提供足夠加緊物體的力。 圖 為采用虛擬樣機軟件 ADAMS 來分析所設計的機械手機構(gòu)的工作狀況。 圖 虛擬樣機場景 下面更進一步計算出所需要的電機力矩。 圖 力矩變化情況 從圖 中看到，起始階段須克服的彈簧力最大，電機轉(zhuǎn)矩必須大于550N178。 mm，這為電機的挑選提供了一定的依據(jù)。 驅(qū)動方式 該機器人一共具有四個獨立的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，連同末端機械手的運動，一共需要五個動力源。 機器人常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機驅(qū)動三種類型。這三種方法各有所長，各種驅(qū)動方式的 特點見表 ： 表 三種驅(qū)動方式的特點對照 內(nèi)容 驅(qū)動方式 液壓驅(qū)動 氣動驅(qū)動 電 機 驅(qū)動 輸出功率 很大，壓力范圍為50～ 140Pa 大，壓力范圍為 48～60Pa，最大可達 Pa 較大 利用液體的不可壓縮 氣體壓縮性大，精度 控制精度高，功率較大， 控制性能 性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制 能精確定位，反應靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復雜 響應 速度 很高 較高 很高 結(jié)構(gòu)性能及體積 結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較大 結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。功率 /質(zhì)量比大，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，密封問題較小 伺服電動機易于標準化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，除 DD電動機外，難以直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)緊湊，無密封問題 安全性 防爆性能較好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災危險 防爆性能好，高于1000kPa(10 個大氣壓 )時應注意設備的抗壓性 設備 自身無爆炸和火災危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差 對環(huán)境的影響 液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染 排氣時有噪聲 無 在工業(yè)機器人中應用范圍 適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機器人、點焊機器人和托運機器人 適用于中小負載驅(qū)動、精度要求較低的有限點位程序控制機器人，如沖壓機器人本體的氣動平衡及裝配機器人氣動夾具 適用于中小負載、要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機器人，如 AC伺服噴涂機器人、點焊機器人、弧焊機器人、裝配機器人等 成本 液壓元件成本較高 成本低 成本高 維修及使用 方便，但油液對環(huán)境溫度有一定要求 方便 較復雜 機器人驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機器人的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有： 1）．驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高； 2）．反應速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大，能夠進行頻繁地起、制動，正、反轉(zhuǎn)切換； 3）．驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要??； 4）．安全可靠； 5）．操作和維護方便； 6）．對環(huán)境無污染，噪聲要??； 7）．經(jīng)濟上合理，尤其要盡量減少占地面積。 基于上述驅(qū)動系統(tǒng)的特點和機器人驅(qū)動系統(tǒng)的 設計要求，本文選用直流伺服電機驅(qū)動的方式對機器人進行驅(qū)動。表 為選定的各個關(guān)節(jié)電機型號及其相關(guān)參數(shù)。 表 電機參數(shù) 腰關(guān)節(jié) 肩關(guān)節(jié) 肘關(guān)節(jié) 腕關(guān)節(jié) 手爪 型號 MAXON2332 MAXON2332 MAXON2332 MULTIPLEX STELLSERVO MULTIPLEX STELLSERVO 額定電壓 18v 18v 18v 6v 6v 額定轉(zhuǎn)矩 Nm Nm Nm Nm Nm 最大轉(zhuǎn)矩 m m m 額定轉(zhuǎn)速 7980rpm 7980rpm 7980rpm 5460rpm 5460rpm 最高轉(zhuǎn)速 轉(zhuǎn)子慣量 9200rpm cm 9200rpm cm 9200rpm cm 傳動方式 由于一般的電機驅(qū)動系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過傳動機構(gòu)來增加力矩，提高帶負載能力。對機器人的傳動機構(gòu)的一般要求有： （ 1）結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動功率和傳動比時體積最小，重量最輕； （ 2）傳動剛度大，即由驅(qū)動器 的輸出軸到連桿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時角度變形要小，這樣可以提高整機的固有頻率，并大大減輕整機的低頻振動； （ 3） 回 差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度； （ 4）壽命長、價格低。 本文所選用的電機都采用了電機和齒輪輪系一體化的設計，結(jié)構(gòu)緊湊，具有很強的帶負載能力，但是不能通過電機直接驅(qū)動各個連桿的運動。為減小機構(gòu)運行過程的沖擊和振動，并且不降低控制精度，采用了齒形帶傳動。 齒形帶傳動是同步帶的一種，用來傳遞平行軸間的運動或?qū)⒒剞D(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動，在本文中主要用于腰關(guān)節(jié) 、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的傳動。 齒形帶傳動原理如圖 所示。 齒輪帶的傳動比計算公式為 2112 zznni ?? 齒輪帶的平均速度 av 為 2211 ntzntzva ?????? 圖 齒形帶傳動 制動器 制動器及其作用： 制動器是將機械運動部分的能量變?yōu)闊崮茚尫牛瑥亩惯\動的機械速度降低或者停止的裝置，它大致可分為機械制動器和電氣制動起兩類。 在機器人機構(gòu)中，學要使用制動器的情況如下： ① 特殊情況下的瞬間停止和需要采取安全措施 ② 停電時，防止運動部分下滑而破壞其他裝置。 機械制動器： 機械 制動器有螺旋式自動加載制動器、盤式制動器、閘瓦式制動器和電磁制動器等幾種。其中最典型的是電磁制動器。 在機器人的驅(qū)動系統(tǒng)中常使用伺服電動機，伺服電機本身的特性決定了電磁制動器是不可缺少的部件。從原理上講，這種制動器就是用彈簧力制動的盤式制動器，只有勵磁電流通過線圈時制動器打開，這時制動器不起制動作用，而當電源斷開線圈中無勵磁電流時，在彈簧力的作用下處于制動狀態(tài)的常閉方式。因此 這種制動器被稱為無勵磁動作型電磁制動器。又因為這種制動器常用于安全制動場合，所以也 稱為 安全制動器。 電氣制動器 電動 機是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的裝置，反之，他也具有將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電功能。換言之，伺服電機是一種能量轉(zhuǎn)換裝置，可將電能轉(zhuǎn)換為機械能，同時也能通過其反過程來達到制動的目的。但對于直流電機、同步電機和感應電機等各種不同類型的電機，必須分別采用適當?shù)闹苿与娐贰? 本文中，該機器人實驗平臺未安裝機械制動器，因此機器人的肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)在停止轉(zhuǎn)動的時候，會因為重力因素而下落。另外，由于各方面限制，不方便在原有機構(gòu)上添加機械制動器，所以只能通過軟件來實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)和軸關(guān)節(jié)的電氣制動。 采用電氣制動器，其優(yōu)點 在于：在不增加驅(qū)動系統(tǒng)質(zhì)量的同時又具有制動功能，這是非常理想的情況，而在機器人上安裝機械制動器會使質(zhì)量有所增加，故應盡量避免。缺點在于：這種方法不如機械制動器工作可靠，斷電的時候?qū)⑹ブ苿幼饔谩? 第 3 章 控制系統(tǒng)硬件 控制系統(tǒng)模式的選擇 構(gòu)建機器人平臺的核心是建立機器人的控制系統(tǒng)。首先需要選擇和硬件平臺，控制系統(tǒng)硬件平臺對于系統(tǒng)的開放性、實現(xiàn)方式和開發(fā)工作量有很大的影響。一般常用的控制系統(tǒng)硬件平臺應滿足：硬件系統(tǒng)基于標準總線機構(gòu)，具有可伸縮性；硬件結(jié)構(gòu)具有必要的實時計算能力；硬件系統(tǒng)模塊化，便于 添加或更改各種接口、傳感器和特殊計算機等；低成本。到目前為止，一般機器人控制系統(tǒng)的硬件平臺可以大致分為兩類：基于 VME 總線（ Versamodel Eurocard 由 Motorola 公司 1981 年推出的第一代 32 位工業(yè)開放標準總線 ）的系統(tǒng)和基于 PC 總線的系統(tǒng)。近年來，隨著 PC 機性能的快速發(fā)展，可靠性大為提高，價格卻大幅度降低，以PC 機為核心的控制系統(tǒng)已廣泛被機器人控制領(lǐng)域所接受。 基于 PC 機控制系統(tǒng)一般包括單 PC 控制模式， PC+PC 的控制模式， PC+分布式控制器的控制模式， PC+DSP 運動控制卡的控制模式， PC+數(shù)據(jù)采集卡的控制模式，由于基于采集卡的控制方式靈活，成本低廉，有利于本文設計中的廢物利用，在程序和算法上可以自主編制各類