立式精鍛機(jī)自動上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計
立式精鍛機(jī)自動上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計,立式,精鍛機(jī),自動,機(jī)械手,結(jié)構(gòu),設(shè)計
認(rèn)知移動機(jī)械手知覺和行動的規(guī)劃
安德烈 加舍爾a 斯維特拉娜a 羅納德 P.A. 彼得里克b 阿洛伊斯 克諾爾a
a 德國，慕尼黑，慕尼黑工業(yè)大學(xué)，富通學(xué)院
b 英國，愛丁堡，愛丁堡大學(xué)，信息科學(xué)學(xué)院
摘要
本文提出一個通用的方法來實(shí)現(xiàn)感知運(yùn)動機(jī)械手的知覺和操作的規(guī)劃，相比較于硬編碼專用機(jī)器人應(yīng)用,機(jī)器人應(yīng)該能夠推斷其基本技能以自主解決復(fù)雜問題。對于實(shí)際場景的抽象問題人類根據(jù)他們的經(jīng)驗(yàn)通過分解為更小的子任務(wù)和試探法直觀地解決任務(wù)，我們把類似的方法應(yīng)用到感知運(yùn)動機(jī)器人知覺和操作的規(guī)劃。我們的方法以偶然性規(guī)劃和運(yùn)行時傳感為基礎(chǔ)，集成在我們的“知識卷”中規(guī)劃框架，稱為KVP。在信息采集活動時我們模擬了運(yùn)行時許多可能發(fā)生的結(jié)果。結(jié)果是，知覺和感覺取決于必要的操作先決條件，而不是硬編碼的任務(wù)本身。我們展示的是一個真正的移動機(jī)械手在視覺和力傳感兩個場景中的有效性。
關(guān)鍵詞：機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃；移動操作
1.引言
在實(shí)際環(huán)境中控制移動機(jī)械手本質(zhì)上是一個具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，因此它通常需要推理出對不確定條件下的感知和行動。為了解決這些困難，我們提出一個能作為機(jī)器人知覺和行動之間的中間代碼并結(jié)合了象征性人工智能進(jìn)行有效計算的名叫“知識卷”的應(yīng)用程序以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的任務(wù)規(guī)劃。
KVP方法主要有兩個原則使之能特別應(yīng)用于機(jī)器人的知覺和操縱與不確定的或不完全的知識，真實(shí)世界幾何學(xué)，多元機(jī)器人和傳感器。首先,我們使用規(guī)劃知識和遙感作為底層象征性的計劃系統(tǒng)[1,2]。相比其他許多現(xiàn)成的計劃引擎，PKS運(yùn)行在能代表已知和未知的信息知識水平，使其能清晰和簡潔地模擬在域內(nèi)的運(yùn)動，原因在于部分已知的環(huán)境是典型的移動操作。第二，與其離散搜索空間，我們表述許多基于先決條件感知和操縱連續(xù)卷，特別設(shè)置的幾何凸多面體[3,4]。這卷的概念在幾何級和象征性的水平作為模擬知覺和行動一個強(qiáng)大的中間表示。我們的方法是最早設(shè)置一個介于連續(xù)機(jī)器人運(yùn)動和視覺錐細(xì)胞之間的凸多面體中介表示，離散象征性運(yùn)動，建立一個結(jié)合幾何和符號認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)。
在以往的研究中，我們介紹了通用KVP框架[4,5]，并細(xì)節(jié)性的描述了集凸多面體容積排量的計算[3]和規(guī)劃的突發(fā)事件[6]。這個工作改為集中在一個移動操作
方案，其中演示了KVP處理的幾個關(guān)鍵特性的方法(見圖1)，即以傳感器行動計劃（感知），離散不確定（不完整的知識）和操作。
(a) 我們評估一個工廠設(shè)置中的一個 （b）行動的幾何條件和影響，機(jī)器人動武士刀五自由度機(jī)械手移動 作的工作空間（紅色）和凸多面體
平臺的機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃 的對象邊界建模。（藍(lán)色為可移動的物體，灰色為靜態(tài)障礙物）
圖1 移動操縱場景
1.1相關(guān)工作
早期認(rèn)知移動機(jī)械手系統(tǒng)工作要追溯到1984年如機(jī)器人沙基[7]。從那時起,這一領(lǐng)域已經(jīng)取得了重大進(jìn)展,且認(rèn)知規(guī)劃架構(gòu)已經(jīng)從不同的研究視角被提出，包括來自人工技能的概率技術(shù)[8]，趨近世界的象征性規(guī)劃[9-11]，中繼合成[12,13]，抽檢操作計劃[14,15]。
一個與我們方法密切相關(guān)的貢獻(xiàn)是來自于信任空間規(guī)劃師 Kaelbling和Lozano-Pérez[8,16]，他們模擬信任空間的概率分布狀態(tài)，使其有強(qiáng)大的應(yīng)對未知和挑戰(zhàn)的能力。與信任區(qū)域形成對照的是，我們的工作反而依靠的是離散的知識和設(shè)計成不完全信息和傳感的結(jié)構(gòu)化環(huán)境。此外，盡管Kaelbling和Lozano-Pérez使用八叉樹代表機(jī)器人姿態(tài)容積排量，我們使用凸多面體，允許在確定性情況下非常有效的碰撞檢測[3]。在這兩種情況下,知覺是制定操作的必要前提,而不是硬編碼為一個任務(wù)本身。
在其他重要的方面我們的工作也不同于Kaelbling Lozano-Pérez。特別是我們的方法是新穎的，在規(guī)劃不完整的信息和傳感時應(yīng)用3D幾何容積作為象征性規(guī)劃和運(yùn)動規(guī)劃的基本代表，同時結(jié)合現(xiàn)成的多用途的人工智能的支持確定。這允許我們定義幾何先決條件和操作行為，涉及到知識的得失，并產(chǎn)生解決交錯傳感和操縱行為的方案[6]，是之能成為一個有希望的方案解決移動機(jī)械手合并知覺和行動規(guī)劃的問題。此外,我們可以很容易地集成未來改進(jìn)新計劃引擎,有效利用人工智能社區(qū)。最后,我們的工作是展示了移動機(jī)械手，兩個實(shí)驗(yàn)場景執(zhí)行在一個真正的武士刀機(jī)械手移動平臺,而不是僅僅在一個模擬的環(huán)境。
2.方法
KVP機(jī)器人試圖應(yīng)對固有的困難推理對象征性的行動和幾何條件和效果任務(wù)規(guī)劃方法的兩個重要的原則,:知識的表示和卷的表示[4,5]。知識的概念被用來模擬規(guī)劃者的信任狀態(tài)的性能，而不是直接代表世界的狀態(tài)。這種方法是由我們在2.1節(jié)描述的知識型象征性規(guī)劃者（規(guī)劃知識和傳感）[1,2]來實(shí)現(xiàn)的。從符號層,我們考慮幾何條件和效果的評估使用套凸多面體的表示。
這個過程的細(xì)節(jié)在2.2節(jié)給出。之間的聯(lián)系這兩個級別的表示是闡明在2.3節(jié),我們簡要描述的認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)和軟件實(shí)現(xiàn)。在本文的其余部分我們將討論KVP框架在評價機(jī)動操縱和力傳感兩個任務(wù)規(guī)劃情節(jié)中的應(yīng)用。
2.1知識遙感規(guī)劃
KVP中的象征性規(guī)劃有由多用途的可以構(gòu)造離散的不確定規(guī)劃過程知識系統(tǒng)規(guī)劃者提供[1,2]。特別的是，過程知識系統(tǒng)可以模擬知識的獲取和知識的損失，使其適合表示傳感和感知行為。不同于許多規(guī)劃者，過程知識系統(tǒng)運(yùn)用“知識水平”推出如何策劃知識狀態(tài)，而不是世界的狀態(tài)，因?yàn)樾袆邮亲兓摹榇?，過程知識系統(tǒng)使用一個擴(kuò)展基于一個組5個數(shù)據(jù)庫的斯坦福研究院問題解決系統(tǒng)，每個模型有一種特殊的可以解釋模態(tài)邏輯的知識。不同于那些使用世界模型或者陳述信任空間的規(guī)劃者，過程知識系統(tǒng)運(yùn)用一個第一語言受限制的子集，支持函數(shù)和運(yùn)行時變量,來幫助改善其推理和計劃生成過程的效率。
在這項(xiàng)工作中,我們使用在過程知識系統(tǒng)中的三個可用的數(shù)據(jù)庫：Kf，Kw和Kv，Kf數(shù)據(jù)庫包含已知的被用于模擬物理行為改變世界的影響的事實(shí)。更正式地,公式φ∈Kf表示“規(guī)劃師知道φ”這一事實(shí)。第二個數(shù)據(jù)庫Kw模擬運(yùn)行獲取信息時可以返回兩個值中的一個的行為影響。規(guī)劃期間,一個公式φ∈Kw代表規(guī)劃師知道φ的想法或?φ,然而,實(shí)際在執(zhí)行計劃時的二進(jìn)制值只會變得已知,即當(dāng)一個物理傳感器使用。最后，Kv數(shù)據(jù)庫代表在執(zhí)行時間知識函數(shù)值。因此，Kv能模擬影響感應(yīng)動作返回一般常量（Kw相比,這只能模型傳感器與二進(jìn)制的結(jié)果）。過程知識系統(tǒng)的更多細(xì)節(jié)，請讀者參考之前描述的過程知識系統(tǒng)[1,2]和它在機(jī)器人學(xué)中的應(yīng)用[5]。
2.2建立凸多面體的幾何問題
除了知識的概念，我們KVP方法的原則基礎(chǔ)是代表所有幾何對象的想法和機(jī)器人臂套凸多面體[6]。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以消除離散符號和連續(xù)的幾何規(guī)劃之間的差距，有效地評估一個范圍廣泛的幾何條件和影響。
然而，在一般情況下，任意一個非凸網(wǎng)格，分解成一個小的（或最?。┑耐苟嗝骟w是一個具有挑戰(zhàn)性的問題。雖然確切的分解問題是眾所周知的NP-hard問題，馬和公司最近提出的近似算法[18]，對于我們的問題實(shí)例的類型是足夠的效率，即分解場景中的機(jī)器人和對象的CAD模型。
正如我們先前描述的工作[3,6]，我們首先應(yīng)用Garland和Heckbert[19]的網(wǎng)格簡化算法減少過度的CAD模型104-105的懲罰三角形。分層近似凸分解可自動分解這些模型為≈10凸模型的20個頂點(diǎn)[18]，在≈30毫米的精度，并在幾秒鐘的時間計算。分解是一個迭代的方式進(jìn)行，搜索“三角形的對偶圖的邊凹”。搜索是由混合成本的功能為導(dǎo)向，有利于較高的局部凹凸的三角形，高寬比。然后，網(wǎng)格頂點(diǎn)的分層分割為多個凸體。實(shí)際分解后，另一個小網(wǎng)格簡化可能進(jìn)一步減少頂點(diǎn)的數(shù)目。
這種表示的機(jī)器人和對象模型在手，我們可以有效地執(zhí)行所有的幾何查詢，在一個典型的機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃方案需要（見圖1）。對象或?qū)ο蠛挽o態(tài)機(jī)器人之間的碰撞和夾雜物的查詢，我們可以直接利用的吉爾伯特約翰遜算法實(shí)現(xiàn)[20]（GJK）。對對象之間的碰撞查詢和掃頻連續(xù)機(jī)器人運(yùn)動量，我們第一次品嘗機(jī)器人的姿勢和計算所涉及的掃過容積在二次收斂速度的凸分解[3]；一旦掃過容積是可用的，這個問題同樣降低了純凸碰撞檢查。作為一個結(jié)果，我們的kVp的結(jié)構(gòu)特征的一種非常有效的所有幾何查詢我們的領(lǐng)域出現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)。
圖2 所實(shí)現(xiàn)的kVp軟件體系結(jié)構(gòu)概述
2.3 kVp的認(rèn)知體系結(jié)構(gòu)
我們的kVp的機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃軟件的實(shí)現(xiàn)分為幾個部分，執(zhí)行或被稱為庫函數(shù)，如圖2所示。首先，機(jī)器人和對象的幾何量簡化和分解過程中的域定義。在這個時候，機(jī)器人和對象位置的具體問題的實(shí)例是不知道只涉及的所有卷的CAD模型，靜態(tài)參數(shù)（如機(jī)器人運(yùn)動學(xué)），和符號域定義的謂詞，行動，和目標(biāo)是使用。
在計劃的生成時間，PKS規(guī)劃師搜索動作序列的符號和幾何條件的規(guī)劃師的知識狀態(tài)，滿足，和其執(zhí)行的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的條件。評估幾何條件和影響，PKS進(jìn)行直接的函數(shù)調(diào)用特定于域的運(yùn)動規(guī)劃和碰撞檢測等功能。一個有效的象征性的行動和機(jī)器人運(yùn)動路徑的順序產(chǎn)生作為輸出。在運(yùn)行時，機(jī)器人運(yùn)動路徑是通過一個簡單的軌跡發(fā)生器和物理機(jī)器人實(shí)時控制的內(nèi)插。千伏峰值也允許運(yùn)行時檢測和分辨率的支鏈的計劃，在力傳感方案在3.2節(jié)后來證明。
3.評價
在我們的評價，我們實(shí)現(xiàn)了與羅勃提諾的全方位移動平臺和武士刀五自由度機(jī)械手在移動操作的情況下測試我們的方法，如圖1a所示。相比之下,我們簡要概括的結(jié)果力傳感場景從早些時候的工作[6],第二個場景顯示了另一個有趣的交互之間相互依存的感知和操縱行為。
3.1移動操縱場景
在移動操作的情況下，一個單一的移動機(jī)器人必須移動一塊新的一堆n塊在保持原有秩序下（見圖4）。這項(xiàng)任務(wù)是定義在kVp作為移動操縱問題包括抓取，放置，和移動的動作。為PKS規(guī)劃師象征行動定義在圖3（和一些輔助功能略為簡潔）。特別是，動作拿起和放下的先決條件，包括機(jī)器人接近的位置，并可以通過移動接近行動了。同時，這些行動的前提條件和效果，確保只有一個對象可以在任何一個時間，在機(jī)器人的夾持器。謂詞是可到達(dá)的位置是一個特定于域的屬性，通過調(diào)用運(yùn)動規(guī)劃和碰撞檢測庫評價實(shí)例，提供了象征性的規(guī)劃和運(yùn)動控制之間的聯(lián)系。該域的在實(shí)施工作所有細(xì)節(jié)都由諾金描述[21]。
這一領(lǐng)域的目標(biāo)的條件是，所有的對象都是放在現(xiàn)場留下的位置在一個特定的順序棧（見圖4）。為了評估，但最低的對象已經(jīng)放在堆棧（圖4），所以在這種情況下，任何解決方案，包括移動所有對象到一個不同的位置（圖4B），插入新的對象，并建立堆棧中定義的順序（圖4c）。
圖3 移動操縱場景：象征性的行動定義
表1：移動操作方案的評價，其中n是被堆放在一個給定的順序。盡管這個問題看似簡單的解決了，找到一個正確的計劃需要一個系統(tǒng)性的搜索，任何動作的正確順序的偏差將使目標(biāo)不可行。
這一提法，移動操作的情況下是蘇斯曼的異常的一個典型例子[22]，正確的解決方案不能由一個本地搜索。如表1所示的評價領(lǐng)域，變得不可行，n＞8，由于一個普通的臺式電腦內(nèi)存有限。我們特意為這個例子來說明KVP目前的限制，并激勵我們今后的工作旨在改善我們的規(guī)劃算法。
3.2力傳感方案
相反，移動操作的情況下，為了證明的感知和操作之間的相互作用，根據(jù)我們以前的工作[6]，我們提出的第二個域。在力傳感方案（圖5A），柔性機(jī)器人有把握，提升能力，和轉(zhuǎn)移的飲料容器并定位在桌子。當(dāng)一個容器時，機(jī)器人可以感覺到它的重量，由此，原因是飲料必須直立為了避免溢出。我們的目標(biāo)是將所有容器放到第二個桌子上，如果需要機(jī)器人可以在這些運(yùn)動過程中保持其夾立。
正式地，域的重要作用被定義如圖5b所示。只有當(dāng)一個對象被確認(rèn)不會溢漏機(jī)器人用行動傳遞速度快可能不保持直立，。然而，由于這方面的知識，運(yùn)行時不可用，要建立感應(yīng)重力的支（分支），記錄在PKS Kw的數(shù)據(jù)庫知識建模，這是它一個對象可以溢出，以及不溢漏的情況下一個對象的原因，我們的軟件框架（圖2）執(zhí)行行動計劃和選擇合適的分支遵循基于以前的感知行動的運(yùn)行結(jié)果。這個方案是實(shí)現(xiàn)聯(lián)合阻抗控制和力控制輕七自由度機(jī)器人手爪的平行測試，如圖5所示。用內(nèi)轉(zhuǎn)矩傳感物體的重量的外力。
4.結(jié)論
在本文中，我們在移動操作領(lǐng)域提出一個應(yīng)用我們的“知識卷”的機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃方法（KVP）。特別是，我們描述了為何認(rèn)知移動機(jī)器人對知識的獲取和知識流失的原因，我們制定的有符號和幾何條件影響的感知和操作行為。我們的kVp的框架用結(jié)合的知識層面的規(guī)劃和凸多面體幾何判定評估的方法解決這類問題。
致謝
作者希望感謝基蘭菲舍爾和索倫對他們進(jìn)行實(shí)施和評估的幫助，以及馬庫斯李凱爾特他的手稿上的評論。由歐盟第七框架計劃支持這項(xiàng)研究的部分通過杰姆斯項(xiàng)目。
圖4 由一個三自由度機(jī)械手實(shí)現(xiàn)的移動操作場景
圖5 在力傳感的場景中, 如果飲料容器被填滿柔性機(jī)器人能感覺到，并能保持直立移動的同時防止溢出，除非他們是完全空的或不開。
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畢業(yè)設(shè)計（論文）中期報告
題目：立式精鍛機(jī)自動上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計與仿真
院（系） 機(jī)電學(xué)院
專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
班 級
姓 名
學(xué) 號
導(dǎo) 師
2014年4 月25 日
1. 設(shè)計（論文）進(jìn)展?fàn)顩r
本課題的主要研究內(nèi)容是根據(jù)組合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)原理，設(shè)計一應(yīng)用于立式精鍛機(jī)自動上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)，同時，運(yùn)用三維建模軟件完成該機(jī)構(gòu)的裝配模型并進(jìn)行運(yùn)動仿真分析。技術(shù)指標(biāo)（1）抓重60kg；（2）手指加持范圍φ30-φ120mm。又由于精鍛機(jī)在加工過程中溫度變化較小,適宜于生產(chǎn)加工溫度范圍窄的高合金鋼、鈦合金或難變形合金。故根據(jù)技術(shù)指標(biāo)、立式精鍛機(jī)的加工對象確定被夾持對象為圓軸、圓錐形軸、圓管等零件。
設(shè)計進(jìn)展?fàn)顩r：
1 在老師的指導(dǎo)下以及相關(guān)資料的幫助下，對立式精鍛機(jī)自動上料機(jī)械手 有一個系統(tǒng)的了解。
2 調(diào)研并收集資料，整理資料，了解了題目背景、意義、前景等，通過查閱相關(guān)資料，確定了立式精鍛機(jī)自動上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的初步方案，對上料機(jī)械手的總體工作原理有了一個清醒的認(rèn)識。
3 通讀期刊文獻(xiàn)18篇，完成調(diào)研，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計。
4 完成總體設(shè)計方案，確定機(jī)械手機(jī)械手方案采用外抓式手爪形式，齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)方式，單自由度式手腕，驅(qū)動形式為液壓驅(qū)動方式。順利完成開題答辯以及開題報告。
5 完成外文文獻(xiàn)的翻譯。
6 正在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算，結(jié)構(gòu)設(shè)計計算需要進(jìn)行鉗爪的夾緊力、夾緊油缸及手腕回轉(zhuǎn)油缸的內(nèi)外徑設(shè)計計算及相關(guān)的校核計算。已經(jīng)完成了鉗爪的夾緊力，夾緊油缸的設(shè)計計算，夾緊油缸活塞桿的計算及手腕回轉(zhuǎn)油缸的設(shè)計計算。從而得到驅(qū)動力、夾緊油缸內(nèi)徑和外徑，活塞桿的直徑，回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)徑和外徑等數(shù)據(jù)。
現(xiàn)在以圖1為參考進(jìn)行設(shè)計計算的描述：
(一) 確定“V”型鉗爪的L、β
取L/Rop=5?? （3—1）
式中：??Rop=(RMax +RMin)2+ （3—2）
=(15+60)2+=37.5mm?
由公式（3—1）、（3—2）得：L=5×Rop=187.5mm?
取“V”型鉗口的夾角2胃=120°，則偏轉(zhuǎn)角β按《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計》表2-3來確定，查表得：?
β=76°39′￠?
（1） 握力的計算依據(jù)
手指握緊工件時所需的力稱為握力（即夾緊力），一般來說，手指握力需克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動狀態(tài)變化時所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩），使得工件保持良好的夾緊狀態(tài)。握力的大小與被夾持工件的重量、重心位置、以及夾持工件的范圍有關(guān)，我們把握力假想為作用在手指與工件接觸面的對稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力大小相等，方向相反，用FN表示,可按下式計算：?
FN≥K1K2K3G （3-3）
其中K1：安全系數(shù)，通常取1.2-2.0?；
?????? K2：工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可按K2=1.1～2.5，或近似按下式估算?K2=1+a/g。（a為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過程中的加速度，m/s2; g 為重力加速度）；
K3：方位系數(shù)，按《機(jī)械手理論及應(yīng)用》表4-3選取，K3=0.5sinθf≈4；+???????????????????????????
?????? G: 被抓取工件的重量（即重力）??。?????????????????
（2） 握力的計算?
F?N=K1K2K3G
=k1×k2 ×(0.5sinθf) ×G
=1.5×1.1×4×60×9.8
=3880.8 N =
(二) 驅(qū)動力的計算
（1） 理論驅(qū)動力F理論的計算
查資料《機(jī)械手理論及應(yīng)用》可得，作用在活塞桿上的理論驅(qū)動力為：
F理論=2baFN （3-4）
式中 b---加緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離， b=L×sinβ=182mm；
a---初選扇形齒輪分度圓半徑為a=50mm；
FN---手指的夾緊力，N=3880.8 N。
由此可計算的F理論=28252.22N
（2） 實(shí)際驅(qū)動力F實(shí)際的計算
取傳遞效率畏=0.95
F實(shí)際= F理論η (3-5)
=28252.220.95
=29739.18N
(三) 夾緊油缸的設(shè)計計算?
（1） 夾緊油缸的設(shè)計計算
夾緊油缸作為作為機(jī)械手手指的動力源，為手指的張開、閉合提供動力。因此要具有一定的推動能力，這里選用的是雙作用單桿活塞油缸，當(dāng)壓力油分別進(jìn)入油缸的有桿腔和無桿腔時，推動活塞往復(fù)運(yùn)動，從而帶動機(jī)械手手指的開閉。當(dāng)油液進(jìn)入油缸有桿腔時，活塞桿帶動手指張開，當(dāng)油液從無桿腔進(jìn)油時，活塞桿帶動手指閉合。?
（2）油缸內(nèi)徑D
由(3-5)計算可知，手指的開閉實(shí)際所需驅(qū)動力F實(shí)際=29739.18N，此驅(qū)動力由油液推動活塞帶動活塞桿提供，所以有：?
F實(shí)際=14πD2p
根據(jù)《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計》表4-2選取油液壓力p=2.2MPa?
D2=?4F實(shí)際/πp????? （3-6）
=4×29739.18π×2.2×106′′′
?得油缸內(nèi)徑D=131.2mm?
表3.1 液壓缸內(nèi)徑及柱塞桿外徑尺寸系列（GB/T2348-1993）（mm）
液壓缸內(nèi)徑尺寸
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
（90）
100
（110）
125
（140）
160
（180）
200
220
（250）
（280）
320
（360）
400
450
500
活塞桿外徑尺寸
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
括號內(nèi)為優(yōu)先選取尺寸，柱塞桿連接螺紋型式按細(xì)牙，規(guī)格和長度查有關(guān)資料。
選擇油缸內(nèi)徑D=140mm。????
（3）液壓缸外徑計算?
對于低壓缸，Dδ≥16，應(yīng)按薄壁公式計算：?
0.1D≥δ≥PD2[σ]ds3 （3-7）
液壓缸采用無縫鋼管，查表可得[σ]=100Mpa
δ≥PD2[σ]=2.2×106×0.142×100×106d=1.54mms
查閱《機(jī)械設(shè)計手冊液壓傳動》，選取液壓缸外徑D1=160mm。
對缸壁厚度校核：?
σ=（0.4r2+1.3R2R2?r2）p]s? （3-8）
=（0.4×702+1.3×802802?702）×2.2]s
=15.08MPa＜[σ]
滿足材料的強(qiáng)度要求，所以液壓缸滿足工作要求。?
（4）夾緊油缸活塞桿計算?
按往復(fù)運(yùn)動的速度比確定活塞桿直徑?
速度比蠁=V2V1=233176=1.32 （3-9）
活塞桿直徑d
d=Dφ?1φ=1401.32?11.32=68.93mm （3-10）
選取d=70mm。
活塞桿的強(qiáng)度校核:?
活塞桿的材料為45鋼，桿長L約大于桿直徑的15倍，所以：?
桿長L>15d=15×70=1050mm?
活塞桿材料為碳鋼，σs=350paMPa，σb=210MPa，E=210Gpa，碳鋼的[σ]=100~120MPa，
活塞桿的受力：
σ=F14πd2?=29739.1814×π×702?=7.72MPa＜[σ] （3-11）
所以活塞桿的強(qiáng)度滿足要求。?
活塞桿穩(wěn)定性校核：?
特定柔度值λ1=πEσP=π210×109280×106=86 （3-12）
柔度 λ=μ1i=μ14d=0.7×1.0514×0.07?=42 （3-13）
因?yàn)棣耍鸡?，故不能用歐拉公式計算臨界壓力[18]，由《材料力學(xué)》表10.1可知，優(yōu)質(zhì)碳鋼的a=461Mpa，b=2.568Mpa，所以有：?
λ2=a?σsb=461?3502.568=43.2 （3-14）
由（3-12）、（3-13）、（3-14）可見活塞桿滿足λ2＜λ＜λ1，是中等柔度壓桿，其臨界應(yīng)力：?
σcr=a-bλ=461-2.568×42=353.144Mpasl=-′ =??????????????????????? （3-15）
由此可見，臨界壓力遠(yuǎn)大于工作時壓力，故穩(wěn)定性滿足要求。?
（5）油液流量計算?
油液進(jìn)入無桿腔時的流量Q1：?
Q1=?1/4πD2v?=1/4×π×142×17.6=2709.3cm3/s???????????????????????????? ?? （3-16）
油液進(jìn)入有桿腔時的流量Q2：
Q2=1/4π（D2-d2）v =1/4×π×（142-72）×23.3=2690.07cm3/s?????????????????? ?? （3-18）
（6）傳動齒輪的設(shè)計及校核
由于該齒輪傳動為閉式傳動，屬于一般的通用機(jī)械，所以采用齒面硬度≤350HBS的軟齒面鋼制齒輪，按照齒輪的設(shè)計計算原則，本設(shè)計應(yīng)先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計計算，待確定了齒輪傳動的參數(shù)和尺寸后，再驗(yàn)算齒輪齒根的彎曲疲勞強(qiáng)度。
a．確定傳動齒輪的材料、熱處理方法及精度等級
1 查資料《機(jī)械設(shè)計》表10-1，扇形齒輪材料選用45號鋼，調(diào)質(zhì)后表面淬火，硬度為220HBS;
2 由于機(jī)械手的齒輪傳動為一般的齒輪傳動，圓周速度不會太大，故可選用8級精度[19]；
3 初選齒輪齒數(shù)z=20。
b. 按齒面的接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計齒輪
由于本設(shè)計的齒輪傳動為軟齒面的閉式齒輪傳動，齒輪的承載能力主要有齒輪接觸疲勞強(qiáng)度決定，故可按《機(jī)械設(shè)計》設(shè)計計算公式（10-9a）進(jìn)行計算，即
d1≥2.323KT1 φd×u±1u（ZE[σH]）2 （3-19）
1. 確定載荷系數(shù)
因該齒輪傳動是軟齒面的齒輪，圓周速度也不大，精度也不高，而且齒輪相對支承是對稱分布，根據(jù)原動機(jī)和載荷性質(zhì)查資料《機(jī)械設(shè)計學(xué)基礎(chǔ)》中表5-8，試取Kt=1.3；
2. 計算齒輪轉(zhuǎn)矩
T=95.5×105Pn （3-20）
由于手指由張開到閉合的時間t=0.2s，液壓缸的行程暫定為l=150mm，則可求齒輪的線度：
V=lt=750mm/s （3-21）
由（3-21）進(jìn)而求得轉(zhuǎn)速：
n=w2π=v2πa=7502π×50×60=143r/min （3-22）
由（3-4）、（3-21）得輸入功率：
P=F理論V=28252.22×0.75=21.189KW （3-23）
由公式（3-22）（3-23）得
T1=95.5×105×21.189143=1.415×106N.mm=1415N.m
由公式（3-3）算出的握力FN和公式（3-4）中的加緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離b可以算出夾持力矩T2=FN×b=3880.8×0.182=706.3N.m＜齒輪轉(zhuǎn)矩T。
故齒輪轉(zhuǎn)矩達(dá)到技術(shù)要求，加緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離b=182mm滿足要求。
3. 選取齒面寬系數(shù)
由于本齒輪傳動中齒輪為懸臂布置，且為軟齒面?zhèn)鲃樱蔬x取齒寬系數(shù)為φd=0.8；
4. 選取材料的彈性影響系數(shù)ZE
由于兩齒輪材料均為優(yōu)質(zhì)碳素鋼，查《機(jī)械設(shè)計》表10-6可取材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa
5. 查取齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限
由《機(jī)械設(shè)計》圖10-21d按齒面硬度查得扇形齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為:
σHlim=560MPa；
6. 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)
擬定工作壽命為15年，按每年300天，每天按8小時計算。
則由《機(jī)械設(shè)計》式10-13計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)得：
N=60njLh=60×143×1×（8×300×15）=3.09脳108次 （3-24）
7. 查取接觸疲勞壽命系數(shù)KHN
由《機(jī)械設(shè)計》圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)為：KHN=0.95
8. 計算接觸疲勞許用應(yīng)力
對于解除疲勞強(qiáng)度計算，由于點(diǎn)蝕破壞發(fā)生后只引起噪聲、震動增大，并不會立即導(dǎo)致不能繼續(xù)工作的后果，故可取安全系數(shù)S=1，由資料《機(jī)械設(shè)計》式（10-12）得：
[σH]= KHN σHlim s=0.95脳560=532MPa （3-25）
9. 計算分度圓直徑d
由于本傳動為齒輪齒條傳動，傳動比近似無窮大，所以u±1u=1
d1t≥2.323KtT1 φd×u±1u（ZE[σH]）2
=2.3231.3×1.415×1060.8×1×（189.8532）2 =154.033mm
10. 計算齒寬
b=φd×d1t=0.8×154.033=123.23mm （3-26）
模數(shù)mt=d1tz= 154.03320=7.7mm （3-27）
齒高h(yuǎn)=2.25mt=2.25×7.7=17.329mm （3-28）
則齒寬與齒高之比bh=123.2317.329=7.11 （3-29）
11. 計算載荷系數(shù)
根據(jù)由（3-21）得V=0.75m/s，8級精度，由《機(jī)械設(shè)計》圖10-8查得動載系數(shù)KV=1.05;
直齒輪，KHα=KFα=1;
由《機(jī)械設(shè)計》表10-2查得使用系數(shù)KA=1;
由《機(jī)械設(shè)計》表10-4查得8級精度、齒輪相對支承懸臂布置時，KHβ=1.796;
由bh=7.11，KHβ=1.796查《機(jī)械設(shè)計》圖10-13得KFβ=1.52；
故載荷系數(shù)
K=KAKVKHαKHβ=1×1.05×1×1.796 =1.8858
12. 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算的分度圓直徑
由《機(jī)械設(shè)計》式（10-10a）得
d1=3KKt×d1t=31.88581.3 ×154.033=174.37mm （3-30）
計算模數(shù) m=d1z=174.37/20=8.72mm
13. 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計齒輪
由《機(jī)械設(shè)計》式（10-5）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計公式為
m≥32KT1 φdz12×（YFaYSa[σF]） （3-31）
14. 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值
由《機(jī)械設(shè)計》圖10-20c查得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限σFE=380MPa；
由《機(jī)械設(shè)計》圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN=2.0;
15. 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力
取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由《機(jī)械設(shè)計》式（10-12）得
[σF]= kFNσFES=2.0×3801.4MPa=542.857MPa （3-32）
16. 計算載荷系數(shù)
K=KAKVKFαKFβ=1×1.05×1×1.52=1.596 （3-33）
17. 查取齒形系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計》表10-5查得YFa=2.80。
18. 查取應(yīng)力校正系數(shù)
由《機(jī)械設(shè)計》表10-5查得YSa=1.55。
19. 設(shè)計計算
m≥32KT1 φdz12×（YFaYSa[σF]）
= 32×1.596×1.415×1060.8×202×（2.80×1.55542.857）
=4.83mm
對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，故可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)4.83并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=5mm，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=174.37mm。
第一系列?0.1 0.12 0.15 0.2 0.25 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 1 1.25 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8 10 12 16 20 25 32 40 50
第二系列?0.35 0.7 0.9 0.75 2.25 2.75?。?.25）3.5?。?.75） 4.5 5.5?。?.5） 7 9 （11） 14 18 22 28?。?0） 36 45
表3-3漸開線圓柱齒輪模數(shù)（GB/T 1357-1987）
算出齒輪齒數(shù)
Z=d1m=174.375≈35
20. 計算幾何尺寸
計算分度圓直徑
d=zm=35×5=175mm
計算齒輪寬度
b=φd×d=0.8×175=140mm
（四）手腕回轉(zhuǎn)油缸設(shè)計計算
在手腕的回轉(zhuǎn)過程中，驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩、轉(zhuǎn)動軸與支撐孔的摩擦力矩、密封裝置的摩擦力矩和轉(zhuǎn)動重心和轉(zhuǎn)動軸線不重合的偏重力矩，所以有：?
M驅(qū)=M慣+M偏+M摩+M封 （3-19）
（1）手腕加速起動時所產(chǎn)生的慣性力矩M慣?
把手部、轉(zhuǎn)軸以及回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)部分等效為一個高54cm，直徑18cm的圓柱體，其所受重力為350N。則有手腕回轉(zhuǎn)部分對腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量J：?
J=1/2mR2?=1/2×35×0.092=0.14175N.m （3-20）
假設(shè)工件直徑10cm，長度100cm，質(zhì)量60kg。工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量J工件：?
J工件=1/12m（L2+3R2） （3-21）
=1/12×60×（12+3×0.052）
=5.0375N.m
手腕回轉(zhuǎn)角速度ω=15rad/s，取啟動時間t=2s。?由（3-20）、（3-21）得手腕加速起動所產(chǎn)生的慣性力矩M慣：
M慣=（J+J工件）ωt=（0.14175+5.0375）×152=38.84N.m （3-22）
（2）手腕轉(zhuǎn)動時工件偏重力矩M偏?
假設(shè)工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心重合，所以有M偏=0 N.m （3-23）
（3）腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩M摩?
為簡化計算，可取M摩=0.1M驅(qū)? （3-24）
（4）密封處的摩擦阻力矩M封?
為簡化計算，可取M封=0.15M驅(qū)? （3-25）
根據(jù)以上公式（3-22）、（3-23）、（3-24）、（3-25）的計算可知：?
????????????M驅(qū)=M慣+M偏+M摩+M封
=38.84+0+0.1M驅(qū)+0.15M驅(qū)?
得M驅(qū)=51.79N.m?
（5）回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)徑計算
回轉(zhuǎn)油缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩M?
M=pb(R2?r2)2 （3-26）
其中取動片寬度b取30mm，輸出軸半徑r=30mm，油液壓力p=2.2Mpa。?
因?yàn)橛蠱>M驅(qū),即?
M=pb(R2?r2)2=1/2×2.2×106×0.03×（R2-0.032）≥51.79
得R=49.7mm,即是油缸內(nèi)徑D1=99.4mm。?
選取標(biāo)準(zhǔn)油缸內(nèi)徑D1=100mm。
（6）回轉(zhuǎn)油缸外徑計算
對于手腕回轉(zhuǎn)油缸，Dδ≤3.2，根據(jù)油缸的工作要求，查閱《機(jī)械設(shè)計手冊液壓傳動》，選取外徑D2=140mm。
2. 存在問題及解決措施
在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時，遇到一些問題：
1 對手爪結(jié)構(gòu)了解較少，加之被加持工件直徑在φ30-φ120mm之間，范圍較大，設(shè)計出的手爪結(jié)構(gòu)不夠緊湊。
2 設(shè)計計算時，如夾緊油缸內(nèi)徑選取時，找不到相關(guān)設(shè)計規(guī)范和國家標(biāo)準(zhǔn)；
3 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)總體設(shè)計以及設(shè)計方案還有一些漏洞瑕疵，需要進(jìn)一步改進(jìn)；
4 專業(yè)基礎(chǔ)知識有待加強(qiáng)。
解決措施：
1 查閱資料和指導(dǎo)老師的指導(dǎo)，對手爪結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修改，采用齒輪齒條式手爪，動作靈活，且手指開閉角大；
2 充分利用圖書館信息資源查閱有關(guān)資料，認(rèn)真學(xué)習(xí)相關(guān)設(shè)計規(guī)范和國家標(biāo)準(zhǔn)，熟悉選取準(zhǔn)則，進(jìn)而進(jìn)行下面的設(shè)計計算；
3 積極向指導(dǎo)老師以及同學(xué)請教，不斷改進(jìn)和完善設(shè)計方案；
4 認(rèn)真回顧相關(guān)專業(yè)知識，及時請教老師和同學(xué)，完成設(shè)計計算。
3. 后期工作安排
第9～10周：完成中期報告的撰寫，完成結(jié)構(gòu)設(shè)計計算以及相關(guān)外文文獻(xiàn)的翻譯；
第11～12周：完成齒輪等相關(guān)零件的校核計算，繪制機(jī)械手手部各零件的零件圖；
第13～14周：繪制機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)裝配圖；
第15～16周：校對圖紙，撰寫論文，初稿提交；
第17～18周：修改論文，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。
注：1、正文：宋體小四號字，行距22磅。2、中期報告裝訂入畢業(yè)設(shè)計（論文）附件冊。
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