蘋果裝箱機(jī)械手設(shè)計(jì)-含開題報(bào)告【8張CAD圖紙及說明書全套】【YC系列】

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機(jī)器人一般采用高容量的執(zhí)行器增強(qiáng)各種性能特點(diǎn)，如有效載荷和運(yùn)動速度。然而，在實(shí)踐中，執(zhí)行器和減速器經(jīng)常導(dǎo)致機(jī)械手很笨重。因此，為高性能和緊湊的設(shè)計(jì)，在這些想法中必然會想要有一個權(quán)衡。 為了解決這些沖突的設(shè)計(jì)目標(biāo)，有各種各樣的方法。在提高傳統(tǒng)機(jī)械臂的性能時(shí)使用大容量的電機(jī)是有利的，這樣會使結(jié)構(gòu)變化少。液壓作動器對產(chǎn)生大扭矩很有用。電機(jī)的電液冷卻系統(tǒng)有效地提高了短時(shí)工作的峰值扭矩。此外，并聯(lián)機(jī)械手往往被用在結(jié)構(gòu)剛度要求高并有動態(tài)能力的應(yīng)用中。此外，機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化可能需要減少機(jī)器人的重量，降低了執(zhí)行器功率要求，并減少機(jī)器人系統(tǒng)所需的空間。最近提出的一個低體重的機(jī)器人手臂被稱為是最有效的設(shè)計(jì)之一。對機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電機(jī)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，將導(dǎo)致一個負(fù)載的重量比為1，總系統(tǒng)重量不到15公斤，和1.5米的工作區(qū)。上述研究中的操縱，在旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器被放置在相鄰連接的機(jī)械臂上利用了聯(lián)合驅(qū)動拓?fù)?。這種關(guān)節(jié)驅(qū)動機(jī)構(gòu)在簡單的結(jié)構(gòu)和易于控制方面是有優(yōu)勢的。然而，它不好的地方在于需要沉重的機(jī)械組件，以承擔(dān)的集中載荷的關(guān)節(jié)。換句話說，齒輪或諧波傳動裝置應(yīng)用于減速和扭矩的提高，這將導(dǎo)致在實(shí)踐中的重型機(jī)械手出現(xiàn)。此外，齒輪與高速的減速比，不可避免地降低了機(jī)械手的效率。 出于這些困難，我們采用分布式驅(qū)動機(jī)制，提出了一種輕量級但高效的機(jī)械手設(shè)計(jì)。分布式驅(qū)動原理為了迫使點(diǎn)與鏈接最大限度地提高指尖的力量在空間上優(yōu)化了位置。由于工作點(diǎn)的位置能被改變，可以在他們的最佳位置進(jìn)一步提高機(jī)器人手指的輸出力。分布式驅(qū)動原理的可行性確認(rèn)了小機(jī)器人手指是由超聲電機(jī)或無刷直流電機(jī)驅(qū)動的。 在本文中，我們提出了一個機(jī)器人操縱器在分布式驅(qū)動機(jī)制的應(yīng)用下，具有輸出轉(zhuǎn)矩大，效率高，但重量輕的特點(diǎn)。從】提出的機(jī)械手的設(shè)計(jì)的不同視角，符合一個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。此外，機(jī)器人操縱器的控制是新提出來的。作為結(jié)果，本文提到的機(jī)械手，預(yù)計(jì)將是一種有效的替代，并能夠在其他領(lǐng)域中使用（例如，移動機(jī)器人平臺）。 論文組織如下。在第2節(jié)，從機(jī)械臂設(shè)計(jì)的角度對分布式驅(qū)動原理進(jìn)行了簡要的回顧和分析。在第3節(jié)，機(jī)器人設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在列。最后，結(jié)論如下在4節(jié)。 2．分布式驅(qū)動機(jī)械臂 2.1. 分布式驅(qū)動機(jī)制研究綜述 一般情況下，機(jī)械手是由關(guān)節(jié)驅(qū)動機(jī)制驅(qū)動的。例如，在工業(yè)機(jī)器人中一個電機(jī)齒輪組件是被放置在兩個鏈接的關(guān)節(jié)處。此外，一個液壓執(zhí)行器通常是固定在挖掘機(jī)的關(guān)節(jié)。 與上述相反，分布式驅(qū)動機(jī)制通過把滑塊沿鏈接（由剛性桿連接）在關(guān)節(jié)處產(chǎn)生了力矩，如圖1所示。該滑塊由滾珠絲杠與電機(jī)驅(qū)動。分布式驅(qū)動的雙滑塊的一個典型特征是將工作點(diǎn)使關(guān)節(jié)力矩的變化取決于他們的位置的自由，這是一個額外的自由度，以最大限度地提高聯(lián)合扭矩。在中，這可能不是一個主要問題，因?yàn)樾〕叽绲膱?zhí)行器只是偶爾使用。 1.1. 2.2. 建議致動機(jī)構(gòu) 在這一小節(jié)中，我們將分布式驅(qū)動機(jī)制擴(kuò)展到一個具有高負(fù)載能力的輕型機(jī)械臂的設(shè)計(jì)中（例如，超過10公斤）。為此，我們專注于幾個通用的分布式驅(qū)動機(jī)制，是以前沒有在文獻(xiàn)中研究過的。 為了減少執(zhí)行器的數(shù)量，只有一個滑塊可以通過從接頭固定在一定的距離移動（即X1；固定）如圖2所示。同時(shí)，鏈接有一個角度偏移（即hoffset）。有了這個配置，在2.1節(jié)中解決的滑塊位置的冗余不能持續(xù)，但致動器的位置仍然保持有效的變量。換句話說，在關(guān)節(jié)處所產(chǎn)生的力矩取決于移動滑塊的位置（即X2）。此外，通過調(diào)整X1,fixed, h2;,Lrod和θoffset的尺寸，轉(zhuǎn)矩可以保持為比所需扭矩較大，用于操縱有效載荷過工作區(qū)。為了證明這一點(diǎn)，使用該機(jī)制的運(yùn)動學(xué)，讓我們考慮產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 是關(guān)節(jié)角度，并且F2是移動連接的滑塊推力。 所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩變化通過驅(qū)動點(diǎn)X2的位置，并且其外形取決于設(shè)計(jì)參數(shù)例如在第3節(jié)中將被優(yōu)化的X1,fixed, h2;,Lrod和θoffset。特別是，它指出θoffset確實(shí)在一定程度上在工作區(qū)內(nèi)的扭矩分布發(fā)揮重要作用。為了說明它，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩計(jì)算和不對于相同的其他設(shè)計(jì)參數(shù)對θoffset夾雜（X1,fixed, h2;,Lrod）如圖3所示。所述扭矩曲線移動到左側(cè)當(dāng)θoffset =8°，這樣生成的扭矩總是比要求轉(zhuǎn)矩大，用于通過整個θ的工作空間操縱13公斤力的有效載荷。應(yīng)當(dāng)注意，所需的轉(zhuǎn)矩是通過考慮即將在第3小節(jié)開發(fā)的有效載荷和重量的機(jī)械臂的原型來計(jì)算的。建議的機(jī)制與一個單一的滑塊不提供冗余的滑塊位置，需要最大限度地提高輸出轉(zhuǎn)矩。然而，這個問題可以通過優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)，考慮在工作區(qū)內(nèi)的性能規(guī)格來緩解。 圖1. 分布式驅(qū)動機(jī)制的概念 圖2. 機(jī)器人機(jī)械手的關(guān)節(jié)模型 圖3.關(guān)節(jié)1處角度θoffset的影響 圖4.關(guān)節(jié)驅(qū)動a或者分布式驅(qū)動b對單自由度機(jī)械手的虛擬設(shè)計(jì) 該機(jī)制和常規(guī)聯(lián)合驅(qū)動有幾點(diǎn)不同。首先，由于（三角形）連接桿的閉環(huán)結(jié)構(gòu)封閉回路的結(jié)構(gòu)剛度顯著增加。由于外部負(fù)載所產(chǎn)生的彎曲力矩可以被連接桿的排斥力所支撐，減少撓度和最大彎矩。此外，不同于JM，造成滾珠絲杠的變形幾乎可以忽略不計(jì)，因?yàn)闈L珠絲杠的剛度是很高的。因此，盡管機(jī)器人的重量輕，該提出的機(jī)制具有顯著的結(jié)構(gòu)剛度，允許質(zhì)量重的對象來進(jìn)行處理。 其次，通過采用滾珠絲杠系統(tǒng)驅(qū)動線性滑塊，我們可以在轉(zhuǎn)矩-力轉(zhuǎn)換過程中效果顯著的得到高速減速比。與那些傳統(tǒng)的由一個行星齒輪和一個諧波傳動，傳輸效率低于70%的減速器相比，滾珠絲杠系統(tǒng)具有大約95％的效率，并且，如此這樣，這將需要更小的致動器，同時(shí)保持機(jī)械手所需要的輸出功率。此功能也有利于建立一個輕量機(jī)械手系統(tǒng)。 為了證明擬議的機(jī)械手的有效性，我們幾乎設(shè)計(jì)了2個不同的機(jī)械手，如圖4所示。一個是使用標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)合常規(guī)單自由度機(jī)械手驅(qū)動機(jī)構(gòu)（JM），另一種是單自由度機(jī)械手提出的分布式驅(qū)動機(jī)制（DM）。對于這兩種情況，設(shè)計(jì)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)在0.7米外展的13公斤有效載荷能力，輸出功率約為110W。此外，對于數(shù)據(jù)挖掘，假設(shè)X1,fixed, h2;,Lrod和θoffset分別是230毫米，145毫米，38毫米和8度（這也是在3節(jié)中使用的硬件設(shè)計(jì)的參數(shù)）。詳細(xì)描述見表1。電機(jī)，減速器（由諧波傳動和行星齒輪組成）和一個滾珠絲桿都是在市售的組件中，在接頭處有類似的輸出（即關(guān)節(jié)力矩和速度）。設(shè)計(jì)可能不是最佳的，但這是最好的試驗(yàn)和誤差的方法。首先，一個更大的電機(jī)采用JM因?yàn)橹C波傳動效率低約70%。另一方面，在DM的情況下，滾珠絲桿的效率約為95%，所以可以使用較小的和更輕的電機(jī)。此外，滾珠絲杠比JM減速機(jī)輕得多。因此，DM是明顯輕于JM同時(shí)保持類似的輸出功率。值得注意的是，DM的工作范圍是小于JM的，這可能是一個缺點(diǎn)。然而，這可能不是一個關(guān)鍵問題，如果數(shù)據(jù)挖掘的任務(wù)是在有限的工作范圍內(nèi)（例如，一個爆炸軍械處理（EOD）機(jī)械手，一個碼垛機(jī)械手等）。 此外，DM由于比JM較高的剛度具有結(jié)構(gòu)優(yōu)勢。它指出，在表1，DM的關(guān)節(jié)僵值四119 kNm /弧度，幾乎是JM得2倍。 表一 比較結(jié)果：設(shè)計(jì)結(jié)果和主要規(guī)格 項(xiàng)目1 項(xiàng)目2 子項(xiàng)目 JM設(shè)計(jì) DM設(shè)計(jì) 主要部件a 電機(jī) 模型 EC 45 EC60 flat 功率 164w 111w 速度 9290轉(zhuǎn) 3740轉(zhuǎn) 重量 850g 470g 諧波傳動 模型 CSG32(160:1) - 重量 890 g - 行星齒輪 模型 GP42C(6:1) - 質(zhì)量 260 g - 滾珠絲桿 模型 - MDK 1002 質(zhì)量 - 200 g 框架b 質(zhì)量 1526g 1450g 設(shè)計(jì)結(jié)果 聯(lián)合輸出c 扭矩 114 Nm 111 Nm 速度 1.01 rad/s 0.93 rad/s 節(jié)點(diǎn)剛度 41 kNm/rad 119 kNm/rad 固有頻率d 1.2 kHz 2.1 kHz 最大撓度 鏈接 497 lrad 415 lrad 減速器 776 lrad 29 lrad 效率 < 70% < 95% 工作范圍 0–360° 30–120° 總重量 3526 g 2120 g a 制造商:(1) 電機(jī)與行星齒輪–maxon電機(jī)公司(2) 諧波傳動滾珠絲杠-THK b 鏈接提示的最大撓度在13千克最大有效載荷下要比500小 c 轉(zhuǎn)矩和速度的值是平均值 d 是以13公斤的有效載荷為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算的