立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)含12張CAD圖.zip
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關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩降低三維冗余的平面機(jī)械手
1.研究中心在吉隆坡50603馬來西亞大學(xué)應(yīng)用電子科，馬來西亞;電子郵件:mahmoud@um.edu.my。
2.電氣和計(jì)算機(jī)工程學(xué)院,德黑蘭大學(xué),郵政信箱14399 - 57131。
3.電氣與電子工程系：馬來西亞諾丁漢大學(xué),道路Broga,Semenyih43500；馬來西亞;電子郵件:haider.abbas@nottingham.edu.my。
摘要
研究機(jī)器人機(jī)械手關(guān)節(jié)力矩的還原已經(jīng)受到近年來相當(dāng)多的關(guān)注。其可以減少計(jì)算復(fù)雜度的扭矩，優(yōu)化計(jì)算能力的大小使關(guān)節(jié)力矩準(zhǔn)確地將結(jié)果體現(xiàn)在在一個(gè)安全的操作,沒有超載的聯(lián)合執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本文提出：機(jī)械設(shè)計(jì)的三維平面冗余機(jī)械手，利用數(shù)目的減少確定需要控制關(guān)節(jié)角，領(lǐng)先在機(jī)械手的重量的減少。 許多的努力都集中在減少機(jī)械手的重量,如使用輕量級(jí)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)或設(shè)置執(zhí)行器在機(jī)械手的基礎(chǔ)和使用肌腱的動(dòng)力傳遞到這些關(guān)節(jié)。通過本文的設(shè)計(jì)，只有三個(gè)電動(dòng)機(jī)需要控制任何n度自由在一個(gè)三維平面冗余機(jī)械手臂代替n電機(jī)自由。因此，這個(gè)設(shè)計(jì)是為了減少機(jī)器人的重量以及一些非常有效的需要控制的機(jī)械手電機(jī)。在本文中，所有的關(guān)節(jié)力矩提出了計(jì)算該機(jī)械手（三個(gè)馬達(dá)）和傳統(tǒng)的三維平面機(jī)械手（有一個(gè)電機(jī)，每個(gè)自由度）來顯示，機(jī)械手的有效性提出減少的重量和機(jī)械手驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)磨損最小化。
關(guān)鍵詞：冗余機(jī)械手;動(dòng)力學(xué);機(jī)器人;旋轉(zhuǎn)編碼器;減少關(guān)節(jié)磨損
1 介紹
從理論上講，對(duì)于一個(gè)機(jī)器人機(jī)械手的結(jié)構(gòu)可以安裝在每個(gè)環(huán)節(jié)通過減速器驅(qū)動(dòng)下一個(gè)鏈接，但執(zhí)行機(jī)構(gòu)和減速器安裝在末端成為負(fù)載執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在近端結(jié)束的機(jī)械手,導(dǎo)致一個(gè)笨重的超重系統(tǒng)[1]。為了減輕重量和機(jī)器人慣性，到目前為止，機(jī)制已經(jīng)提出去除重量的限制。一些報(bào)道[2，3]包括：
（一）輕量級(jí)聯(lián)合設(shè)計(jì)基于一個(gè)特殊的旋轉(zhuǎn)接頭(4 - 6)
（二）在一個(gè)滑塊底部承受盡可能多的所需驅(qū)動(dòng)力[7]
（三）并行機(jī)制是另一種方法來減少質(zhì)量和慣性的機(jī)械手[8] 一個(gè)典型的機(jī)并聯(lián)械手是由一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)與固定座連接，一般說,自由度的數(shù)目與并聯(lián)機(jī)械手的四肢的數(shù)量相等。該驅(qū)動(dòng)器通常是安裝在基地附近,這有助于減少機(jī)器人的慣性。
（四）濃度的致動(dòng)器在每個(gè)接頭的基礎(chǔ)和動(dòng)力傳輸通過肌鍵的一個(gè)特殊的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[2、3、9]。這種機(jī)制允許執(zhí)行機(jī)構(gòu)是位于遠(yuǎn)程操作器上的基地,使機(jī)械手做的更輕和緊湊。
對(duì)于一系列機(jī)械手,直接運(yùn)動(dòng)學(xué)是相當(dāng)簡(jiǎn)單的,而逆運(yùn)動(dòng)學(xué)變得非常困難。參考[10]提出了一種融合智能傳感器網(wǎng)絡(luò)估計(jì)了工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué),同時(shí)參考[11]措施范圍的數(shù)據(jù)關(guān)于機(jī)器人基礎(chǔ)構(gòu)架使用機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)和光學(xué)三角測(cè)量原理。逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題是更有趣的是和它的解決方案是更有用的,但是遇到的問題之一逆運(yùn)動(dòng)學(xué)是當(dāng)機(jī)械手是冗余的,預(yù)計(jì)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)有無窮多組解。這意味著,對(duì)于一個(gè)給定位置的機(jī)械手的端部執(zhí)行器,就有可能誘發(fā)一個(gè)自動(dòng)的結(jié)構(gòu)而不改變位置的端部執(zhí)行器。在本文中,我們依靠我們現(xiàn)有的作品[12,13],提出一個(gè)新的方法來解決—三元的平面冗余機(jī)械手臂的多解問題。由于本文闡述了機(jī)械手的動(dòng)態(tài)而不是他的運(yùn)動(dòng)學(xué)，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方法將無法解釋這里。關(guān)于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)冗余機(jī)械手的更多細(xì)節(jié),我們的作品[14]可以檢查。
這是前面提到的,該機(jī)械手可以用來減少的重量，機(jī)械手收益率下降用于控制機(jī)械手的電機(jī)。在降低動(dòng)電動(dòng)機(jī)的反力矩上顯示了該機(jī)械手的有效性，對(duì)動(dòng)態(tài)的機(jī)械手進(jìn)行了數(shù)學(xué)計(jì)算。逆動(dòng)態(tài)模型提供了在術(shù)語的關(guān)節(jié)磨損的關(guān)節(jié)位置、速度和加速度。為機(jī)器人設(shè)計(jì),逆動(dòng)態(tài)模型是用來計(jì)算執(zhí)行機(jī)構(gòu)的扭矩,以獲得所需的運(yùn)動(dòng)[17]。幾種方法已經(jīng)提出的動(dòng)力學(xué)模型。最常用于機(jī)器人的拉格朗日公式和牛頓歐拉公式。由于拉格朗日公式在概念上很簡(jiǎn)單,系統(tǒng)[18],它被用在這里。拉格朗日公式提供了一個(gè)描述聯(lián)合執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的關(guān)系力量和運(yùn)動(dòng)的機(jī)制,在系統(tǒng)里從根本上操作動(dòng)能和勢(shì)能。
本文的工作是基于先前的工作[14],呈現(xiàn)了一個(gè)機(jī)械設(shè)計(jì)一個(gè)三維平面冗余機(jī)械手,保證減少重量的機(jī)械手通過減少需要控制汽車的數(shù)量的機(jī)械手。因?yàn)槟孢\(yùn)動(dòng)學(xué)模型提供了一個(gè)無限數(shù)量的解決方案為冗余機(jī)械手,因此,二次性能標(biāo)準(zhǔn)可以優(yōu)化[17],如避免奇異構(gòu)型和最小化驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)力矩。參考[14]研究了本文的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)和顯示在細(xì)節(jié)能夠避免奇異的配置能力。可操縱性指數(shù)數(shù)值和可操縱性橢圓體的機(jī)械手是由索引值的可操縱性和彪馬的可操縱性橢圓體手臂顯示使用的有效性提出了機(jī)械手,以避免奇異機(jī)械手。在本文中,對(duì)機(jī)械手的動(dòng)力學(xué),進(jìn)行了詳細(xì)解釋。這個(gè)工作的貢獻(xiàn)是解釋該機(jī)械手的關(guān)節(jié)力矩極小化的能力。研究了該鏈接和電機(jī)的質(zhì)量分布(三個(gè)馬達(dá))和傳統(tǒng)的機(jī)械手(汽車)。驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)磨損研究提出的機(jī)械手各關(guān)節(jié)和結(jié)果，與傳統(tǒng)的機(jī)械手結(jié)果比較表明該機(jī)械手的有效性的最小化為驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)磨損。
2 機(jī)械手的機(jī)械設(shè)計(jì)
控制運(yùn)動(dòng)圖1顯示的機(jī)械手的末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)（一）,所有的汽車機(jī)械手應(yīng)受控制。例如,控制五個(gè)環(huán)節(jié)平面冗余機(jī)械手能夠旋轉(zhuǎn)整個(gè)機(jī)械手在其垂直軸的能力,六個(gè)馬達(dá)(五發(fā)動(dòng)機(jī)各關(guān)節(jié)角和一個(gè)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)整個(gè)機(jī)械手在其垂直軸)應(yīng)該控制的機(jī)械手。使用該方法的論文[12,13],配置的機(jī)械手將有三個(gè)角度控制代替n角度。圖1(b)顯示了配置機(jī)械手在只有三個(gè)角度時(shí),需要控制。
因?yàn)槟┒丝梢宰裱魏蜗胍穆窂酵ㄟ^控制三個(gè)角度(θ1,θ2和θ3),因此,不使用電動(dòng)機(jī)為每個(gè)關(guān)節(jié)角,三個(gè)汽車可以用于的控制機(jī)械手。這意味著對(duì)于任何數(shù)量的自由度三維平面冗余的權(quán)重,鏈接的重量將會(huì)明顯降低使用提出的設(shè)計(jì)。讓能夠移動(dòng)的機(jī)械手在三維工作空間,一個(gè)馬達(dá)控制的價(jià)值的θ意味著控制整個(gè)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)圍繞垂直軸。這個(gè)電機(jī)坐落在這樣旋轉(zhuǎn)底部的機(jī)械手在z軸 。第二個(gè)電動(dòng)機(jī)控制θ2的值,這意味著整個(gè)機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)與它的配置。這個(gè)電動(dòng)機(jī)位于該基地。第三個(gè)電動(dòng)機(jī)控制θ3的價(jià)值,這種電動(dòng)機(jī)位于第一個(gè)鏈接。 這種電動(dòng)機(jī)將旋轉(zhuǎn)臂的第二個(gè)鏈接關(guān)于第二軸,因?yàn)樗械南乱粋€(gè)鏈接應(yīng)該對(duì)他們的軸旋轉(zhuǎn)相同的角θ3。因此,沒有必要使用電動(dòng)機(jī)為每個(gè)關(guān)節(jié)角,但第二電機(jī)的旋轉(zhuǎn)將被轉(zhuǎn)移到下一個(gè)關(guān)節(jié)使用齒輪箱。圖2顯示了該機(jī)械手的機(jī)構(gòu)。三維平面冗余機(jī)械手配置;(b)三維平面冗余機(jī)械手配置使用方法[12,13]。 用于實(shí)驗(yàn)的機(jī)械手[14]。草案操縱者利用SolidWorks軟件(左)。機(jī)械設(shè)計(jì)的機(jī)械手(右)。進(jìn)一步闡述,第二馬達(dá)連接到第一個(gè)鏈接使用一個(gè)蝸輪控制角θ2。顯示了第二電動(dòng)機(jī)的位置。第二個(gè)關(guān)節(jié)角的設(shè)計(jì)(第一個(gè)鏈接與第二電動(dòng)機(jī))[14]。利用SolidWorks軟件的二關(guān)節(jié)節(jié)角草案(左)。第二個(gè)關(guān)節(jié)角的機(jī)械設(shè)計(jì)(右)。第三個(gè)馬達(dá)連接到第二個(gè)鏈接使用一個(gè)蝸輪因?yàn)橥瑯拥脑蚴鞘褂玫谝粋€(gè)鏈接。 控制第三汽車意味著控制角之間的第一個(gè)和第二個(gè)鏈接即鏈接。,θ3角度。第三關(guān)節(jié)角機(jī)械手的設(shè)計(jì)(第二個(gè)鏈接與第三電動(dòng)機(jī))[14]。草案第三關(guān)節(jié)角利用SolidWorks軟件(左上角)。利用SolidWorks軟件對(duì)整個(gè)機(jī)械手的草案(右上)。第三個(gè)關(guān)節(jié)角度的機(jī)械設(shè)計(jì)(底部)。 相同的機(jī)制的第二個(gè)鏈接使用;唯一的區(qū)別是,而不是使用年代蠕蟲作為驅(qū)動(dòng)的齒輪為驅(qū)動(dòng),使用兩個(gè)錐齒輪。第三連桿的相同機(jī)制可用于下一個(gè)鏈接。最后的鏈接有機(jī)制如圖6所示。為進(jìn)一步的細(xì)節(jié)的機(jī)械設(shè)計(jì)的機(jī)械手,我們參考[14]可以檢查。
確保所有的鏈接而運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)角,錐齒輪之間的比例每個(gè)行星齒輪應(yīng)該等于一。這意味著錐齒輪的每個(gè)行星齒輪應(yīng)該有相同的直徑和數(shù)量的牙齒。
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