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南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 外文資料翻譯 學(xué)院 系 機(jī)械學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械工程及自動(dòng)化 姓 名 張廣濟(jì) 學(xué) 號(hào) 1201010160 外文出處 Mechatronics 24 2014 1223 1230 附 件 1 外文資料翻譯譯文 2 外文原 文 指導(dǎo)教師評(píng)語 簽名 年 月 日 注 請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè) 分布式驅(qū)動(dòng)機(jī)器人機(jī)械手的設(shè)計(jì)與控制機(jī)制 摘要 本文提出了一種基于分布式驅(qū)動(dòng)原理的設(shè)計(jì)方法 目的是實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有高性 能的機(jī)器人 驅(qū)動(dòng)點(diǎn)的空間運(yùn)動(dòng)提供了幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)如高負(fù)載能力 高效率和輕重量 結(jié)構(gòu)的機(jī)器人機(jī)械臂 在分析的基礎(chǔ)上 分布式驅(qū)動(dòng)機(jī)制為提出的機(jī)械臂采用了 單一滑塊 一個(gè)有兩個(gè)自由度的機(jī)械臂雛形作為一個(gè)例子可被開發(fā)和控制 實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證了所提出的方法的有效性 關(guān)鍵詞 分布式驅(qū)動(dòng)機(jī)制 機(jī)械手 機(jī)械臂 高載荷 輕型臂 1 引言 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(dòng)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(huì)想要有一個(gè)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(huì)使結(jié)構(gòu)變化少 液壓作動(dòng)器對(duì)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(dòng) 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(gè)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(duì)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(gè)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(dòng)拓?fù)?這種關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和易于控制方面是有優(yōu)勢(shì)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(dòng)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(dòng)機(jī)制 提出了一種輕量級(jí)但高效的機(jī)械手設(shè)計(jì) 分布 式驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)的 在本文中 我們提出了一個(gè)機(jī)器人操縱器在分布式驅(qū)動(dòng)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(gè)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(dòng)機(jī)器人平臺(tái) 論文組織如下 在第 2 節(jié) 從機(jī)械臂設(shè)計(jì)的角度對(duì)分布式驅(qū)動(dòng)原理進(jìn)行了簡(jiǎn)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(dòng)機(jī)械臂 2 1 分布式驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)制驅(qū)動(dòng)的 例如 在工業(yè)機(jī)器人中一個(gè)電機(jī)齒輪組件 是被放置在兩個(gè)鏈接的關(guān)節(jié)處 此外 一個(gè)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(dòng)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(dòng) 分布式驅(qū)動(dòng)的雙滑塊的一個(gè)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(gè)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(gè)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(dòng)機(jī)構(gòu) 在這一小節(jié)中 我們將分布式驅(qū)動(dòng)機(jī)制擴(kuò)展到一個(gè)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(gè)通用的分布式驅(qū)動(dòng)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(gè)滑塊可以通過從接頭固定在一定的距離移動(dòng) 即 X1 固定 如圖 2 所示 同時(shí) 鏈接有一個(gè)角度偏移 即 hoffset 有了這個(gè)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(dòng)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(dòng)滑塊的位置 即 X2 此外 通過調(diào)整 X1 fixed h2 Lrod 和 offset 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(dòng)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(dòng)連接的滑 塊推力 所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩變化通過驅(qū)動(dòng)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 offset 特別是 它指出 offset 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(duì)于相同的其他設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì) offset 夾雜 X1 fixed h2 Lrod 如圖 3 所示 所述扭矩曲線移動(dòng)到左側(cè)當(dāng) offset 8 這樣生成的扭 矩總是比要求轉(zhuǎn)矩大 用于通過整個(gè) 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(gè)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(gè)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(dòng)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 offset 的影響 圖 4 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng) a 或者分布式驅(qū)動(dòng) b 對(duì)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(dòng)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(duì)象來進(jìn)行處理 其次 通過采用滾珠絲杠系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)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(gè)行星齒輪和一個(gè)諧波傳動(dòng) 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(dòng)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(gè)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(gè)不同的機(jī)械手 如圖 4 所示 一個(gè) 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(dòng)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(dòng)機(jī)制 DM 對(duì)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(duì)于數(shù)據(jù)挖掘 假設(shè) X1 fixed h2 Lrod 和 offset 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(dòng)和行星齒輪組成 和一個(gè)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(gè)更大的電機(jī)采用 JM 因?yàn)橹C波傳動(dòng)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(gè)缺點(diǎn) 然而 這可能不是一個(gè)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(gè)爆炸軍械處理 EOD 機(jī)械手 一個(gè)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(shì) 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(dòng) 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(dòng)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