关节型机械手的结构创新设计.pdf

第 2 8卷第 1 0期 2 0 0 7 年 1 0月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c hi n e r y V 0 1 ． 2 8 N o． 1 0 O c t ． 2 0 07 关节型机械手 的结构创新设计 J 司惠明 无锡工 艺职业技 术学院 ，江苏 宜兴 2 1 4 2 0 6 摘 要 分析 了关节型机械手的总体要求， 进行 了机构设计 ， 确定 了驱动 方式 ， 研 究并解决 了 全关节型机械手关节结构设计的关键技术， 重点介绍了机 身、 肩关节、 肘关节、 小臂、 手腕及抓手关 节的 结构创 新设 计思路 和 方法 。 关键词 关节型机械手；总体设计 ；结构设计；创新设计 ；通用性 ；可调性 中图分类号 T H1 2 文献标志码 A文章编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 7 1 0 ． 0 0 1 7 ． 0 3 Cr e a t i v e S t r u c t u r e De s i g n o f J o i n t ma n i p u l a t o r ． ZHOU Hui mi l Wu x i h r s t i t u t e o f A r t s a n d T e c h n o l o g y ， Y i x i n g 2 1 4 2 0 6 ，C h i n a A b s t r a c t Me a n t t o a n a l y z e t h e c o m p r e h e n s i v e r e q u i r e m e n t o f j o i n t m a n i p u l a t o r ，c a r r y t h r o u g h t h e o u t fi t d e - s i g n a n d e s t a b l i s h t h e m e t h o d o f d ri v e ． I t s t u d i e s and s o l v e s t h e k e y t h n o l o g y abo u t t h e d e s i gn o f j o i n t s t mc t u r e i n t h e f u l l j o i n t m a n i p u l a t o r fi e l d ， f o c u s e s o n i n t ro d u c i n g t h e t h o u g h t and m e t h o d o f t h e c r e a t i v e s t mc t u r e d e s i gn a b o u t a i r f r a m e ， s h o u l d e r j o i n t ， e l b o w j o i n t ， f o r e a r m and w r i s t e t c ． ． Ke y w o r d s j o i n t m ani p u l a t o r ；c o m p r e h e n s i v e r e q u i r e m e n t ；s t ruc t u r e d e s i gn ；c r e a t i v e d e s i gn ； u n i v e r s a l i t y ； a d j u s t abi l i t y 0前 言 关节型机械手是模仿人的手部动作 ， 按给定程 序 、 轨迹和要求实现 自动抓取 、 搬运和操作的 自动装 置。特别是可在高温 、 高压 、 多粉尘 、 易燃 、 易爆 、 放 射性等恶劣环境 以及笨重 、 单调 、 频繁的操作 中代替 人类作业 ， 因此获得 日益广泛 的应用。关节型机械 手一般由执行机构 、 驱动系统 、 控制系统及检测装置 三大部分组成 ， 本文研究开发 的是 P L C控制的关节 型机械手。要求机械手从加热炉中取出重量为 5 k g 的坯料 ， 然后把它放到压力机上进行锻打。 1 机械手的总体设计 根据课题 目标 ， 本机械手共有 6个关 节动作 和 1 个抓手动作 见图 1 ， 使用 6台步进 电机分别控制 6 个关节的动作 ， 第 1 台步进 电机控制机身转动 ， 第 2台步进电机控制肘部转动 ， 第 3台步进 电机控制 臂部的转动 ， 第 4台步进 电机控制手臂的旋转 ， 第 5 台步进电机控制手腕的摆动 ， 第 6台步进电机控制 手爪 的转动 ， 手爪 的抓物动作 由气阀控制。控制箱 部分由电源 、 可编程控制器 、 步进电机驱动模块及相 应的按钮组成 ， 具有手动和 自动控制功能。 p 一 4 i4 i 一 i 4 i 4 4 4 4 i4 ， 0 i4 一 l I i 一 i， 一 ’ i4 id 0 i4一 i4 一 i 4 0 i4 一 4 t 4 4 报文而引起系统冲突 ， 采用查询状态标志发送多路 C A N报文， 首先查询 P 8 7 C 5 9 1 的内部 C A N控制器是 否有数据发送 ， 然后再查询 S J A1 0 0 0 C A N控制器是 否有数据发送。 在接 收模 块 ， 存在 S J A 1 0 0 0和 P 8 7 C 5 9 1的内部 C A N同时接收信 号的可能性 ， 根据线路优先 级的情 况选择先接收内部 C A N报文。但要注意 ， 接收内部 C A N信号的同时， S J A 1 0 0 0会有溢出的可能 ， 如果溢 出， 则要清空 R x F I F O， 放弃 未完成 的 S J A 1 0 0 0报文 ， 重新接收。 3结语 本接 口卡 已完成 了通信测试 ， 测试参数分别设 置 1 串口波特率为 1 2 0 0 b p s ； 2 C A N总线波特率 为 1 0 k b p s ； 3 串口发送数据的时问间隔为 5 m s ， 发 送的数据个数任意。 联的问题 ， 适合应用于多主对等系统中 ， 提高数据传 输的实时性 、 可靠性 ， 满足 了国内市场一定的需求。 具备在实际环境 中应用的性能。 参考文献 [ 1 ] 刘双全 ． 基于 色利浦 P 8 X C 5 9 1的 C A N总线节点 扩展 [ J ] ． 电子 设 计应J { j ， 2 0 0 3 3 7 78 0 ． [ 2 ] 饶运涛 ， 邯继军 ， 郑勇芸 ． 现场 总线 C A N原理 与应用技术 [ M] ． 北 京 北京航空航灭大学出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 吴繁红 ． 基于 A T 8 9 C 5 1 和 S J A1 0 0 0控制器实现 C A N总线接 L ] [ J ] ． 电子技术应用 ， 2 0 0 3 ， 2 9 7 5 1 5 3 ． 4 ] 吕巧 №， 1． li 守乐 ， 裴 立瑞 ， 等 ．基 于 S J A I O 0 0的 C A N R S 2 3 2 ／ 4 8 5接 口卡的没计[ n 煤炭 口呈， 2 0 0 5 9 1 21 4 ． 作者简介 王鸿磊 1 9 7 9一 ， 汀 苏徐州人 ， 讲师 ， 网络 教研 室主 任， 江苏技术师范学院 毕业 ， 现为中国矿 大学通信 与信息 系统专业 硕』 研究生 ， 目前 从事 现场 总线 研究 ， 已 发表 沦 文 1 0余篇 ， 电话 0 5 1 6 8 2 7 7 6 3 2 5 ， 电子 信箱 9 8 3 1 2 2 2 6s 0 h u ． C O I I I ， w a n g h l m a il ． x z c i t ． c n ． 9 8 3 1 2 2 2 6 1 6 3． C O I I I ． 本系统有效地解决多路 C A N总线与 P C串 口互 一 1 7 一 收稿 日期 2 0 0 7 0 4 04 维普资讯 V o 1 ． 2 8 N o ． 1 0 关节型机械手的结构创新设计周惠明 第 2 8卷第 1 O 期 机械手整机可分为机身、 大臂、 小臂 含手腕 、 手部 4个部分 见图 1 。机身与大臂 、 大臂与小臂 、 小臂与手腕有 3个旋转关节 ， 以保证达到工作空 问 的任意位置 ， 手腕中又有 3个旋转关节 腕转 、 腕 曲、 腕摆 ， 以实现末端操作器 的任意空间姿态。手腕 的 端部为一法兰 ， 以连接末 端操作器。这是一个通用 性接 口， 以供用户配置多个手部装置或工具 。 图 1 机械 手的 自由度 1 ． 机身2 ． 肩关节3 ． 肘关节4 ． 腕摆动关节5 ． 臂旋转关 节 6 ． 腕弯曲关节 2机械手的驱动方式 驱动装置 是带动机械手到达指定位置的动力 源。目前使用的主要有 4种驱动方式 液压驱动 、 气 压驱动、 直流电动机驱动和步进 电动机驱动。本设 计 的是小型机械手 ， 位置精度和负载力矩较小 ， 所以 6个关节动作均选用步进 电机驱动 ， 而抓手动作则 采用气压驱动。 3 机身及肩关节的结构设计 1 设计要求 机身是直接连接、 支承和传动手臂及行走机构 部件 。一般情况下 ， 实现臂部的升降、 回转或俯仰等 运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的 运动愈多 ， 机身的结 构和受力愈复杂。机身既可以 是固定式的， 也可以是行走式的， 即在它的下部装有 能行走的机构， 可沿地面或架空轨道运行。本设 汁 中机身采用固定式的。 2 结构设计 本设计 中， 机身可作 3 6 0 。 回转运动 ， 其动力靠 同 步带来传递 ， 同步带传动 以其 体积小 ， 重量轻 ， 结构 简单 ， 传动比准确而保证 了手臂运动的灵活性和定 位的准确性。 机身的上部是臂座 ， 其主要任务是支撑和完成 一 1 8 手臂 回转 ， 实现其在整个空间的活动。手臂运动的 快慢和正反 向控制 ， 可由控制器调节电机的转速和 转向来实现 。步进 电机通过臂座与大臂直接相连 ， 不仅结构紧凑 ， 而且具有互换性 。 4 小臂及肘关节的结构设计 1 设计要求 手臂部件 简称臂部或手部 是机械手的主要执 行部件。它的作用是支承腕部和手部 ， 并带动它们 在空间运动。臂部还安装一些传动、 驱动机构。 从臂部的受力情况看， 它在工作中直接承受腕 、 手和工件的静 、 动载荷 ， 自身运动又较多， 故受力复 杂。 2 结构设计 小臂部分用一台步进电机 D J 3实现小臂的旋转 运动， 臂壳 用厚度为 2 m i l l ， 材料为 1 6 Mn钢板 ， 折弯 成矩形截面的方形管 ， 使小臂具有足够 的刚度。臂 壳 内装置 2台步进 电机， D J 1 用以实现腕部 的摆动， D J 2 通过锥齿轮副实现抓手的旋转运动。小臂机构 运动简图如图 2所示。 图 2 小臂机构运动简图 1 ． 抓 手2 、 1 4 ． 进气 口 3 、 1 0 ． 同步带4 ． 步 进 电机 D J 1 5 ．向心 推力球轴承6 ． 步进 电机专 用联轴 器 7 ． 步进 电机 D J 3 8 ． 小臂 臂座9 ． 步进 电机 D J 2 1 1 ． 腕摆框1 2 ． 锥齿轮副1 3 ． 手部接 15 1 肘关 节的结 构设计 与手 部的旋转驱动机构类 似 ， 但在这里主要考虑的是通用性 、 互换性。当机械 手的抓取重量较小时 ， 可采用该结构 ， 用步进 电机通 过专用联轴器直接驱动的方式 ， 当抓取重量较大 ≥ 1 O k g 时 ， 可采用其他驱 动方式 齿轮变速 电机 ， 液 压缸与齿轮齿条的组合等 ， 还可在臂尾设置配重 ， 以实现提高抓重能力 的调节。肘关节的运动机构简 图如 图 3所示 。 图 3 肘关节机构运动简图 1 ． 步进 电机 々月 j 联轴器2 ．向心推力球轴 承3 ． 小臂4 ． 大臂 5 ． 步进电机 维普资讯 第 2 8卷第 1 0 期 2 0 0 7年 1 0月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e r y V0 J ． 2 8 No ． 1 0 Oc t ． 2 0O7 刮板输送机 的优化设计 王琳 靖远煤业有限公司 科研设计院，甘肃 白银 7 3 0 9 1 3 摘要针对刮板输送机设计参数诸多的不确定性， 传统设计难以满足实际要求的现状， 从产 品设计方法角度， 以电机功率最小和运输性能最佳为 目标 ， 建立优 化数 学模型， 利用网格法对刮板 输送机进行优化设计， 对于改善煤矿设备的使用性能， 减少设备维护量， 提高设计效率具有重要意 义 。 关键词 刮板输送机 ；改进 ；优化设计 中图分类号T D 6 3 文献标志码 A文章编号 1 0 0 3 ． 0 7 9 4 2 0 0 7 1 0 ． 0 0 1 9 ． 0 3 Op t i m a z e s De s i g n o f S c r a p e r Co n v e y o r 、 l ANG Li n J i n g y u a n C o a l I n d u s t r y G r o u p C o ． ， L t d ． ， D e s i g n i n g I n s t i t u t e ，B a i y i n 7 3 0 9 1 3 ， C h i n a Ab s t r a c t A i m a t s c r a p e r c o n v e y o r t o t r a n s p o r t t h e p a r a me t e r ma n y i n d e t e r mi n a t i o n s o f t h e ma c h i n e d e s i g n，the t r a d i t i o n d e s i gn h a r d s a t i s f y t h e p r e s e n t c o n d i t i o n o f a c t u a l r e q u e s t ，f r o m t h e ma c h i n e d e s i gn me tho d，w i th s c r a p e r c o n v e y o r t o t r a n s p o r t t h e ma c h i n e e l e c t r i c al e n g i n e e ri n g p o w e r mi n i mu m and c o n v e y anc e the f u n c t i o n i s t h e b e s t f o r t a r g e t ，b u i l d u p e x c e l l e n t t u r n ma t h e ma t i c s mode l ，ma k e u s e o f t h e m e s h me thod t o s c r a p e r c o n v ． e y o r t o t r a n s p o r t t h e ma c h i n e t o c a r r y o n e x c e l l e n t t u rn t h e d e s i gn ．Ea s y t o l y i n t i me，rai s e t o d e s i gn e f fic i e n c y t o h a v e t h e v e r y i mp o r t an t me an i n g． Ke y wo r d s s c rap e r c o n v e y o r ；t e c h n i q u e i mp r o v e me n t ；o p t i mi z e s d e s i gn 0 前言 0 p 4 4 4 5 腕部的结构设计 1 设计要求 手腕部件设置 于抓手和小臂之间 ， 它的作用主 要是在小臂运动 的基础上进一步改变或调整手部在 空间的姿态， 以扩大机械手的动作范围， 并使机械手 变得更灵巧， 适应性更强。 腕部件具有 独立的 自由度 。手腕 运动有 绕 轴的转动称为回转运动 ， 绕 Y轴的转动称为上下摆 动 或俯仰 ； 绕 轴转动称为左右摆动 ； 有 的甚至是 沿 Y轴 或 轴 的横 向移动。 一 般手腕设有回转运动或再增加一个 上下摆动 即可满足工作要求 ， 一些动作较简单的专用机械手 ， 为简化结构 ， 可以不设置腕部 ， 而直接 由臂部的运动 驱使手部搬运工件 。 2 结构设计 根据上述手腕运动分析和工作要求 ， 腕部设计 成 3个 自由度动作的结构 见图 2 ， 由3个回转关节 组合而成 ， 组合方式采用 2台步进电机驱动 ， 1台步 进电机 D J 1 通过同步齿形带轮带动一对圆锥齿轮实 现手转运动 ； 另 1台步进 电机 D J 2通过另一对 同步 齿形带轮带动腕 摆框 实现腕 摆运动 ， 步进 电机 D ．I 3 实现小臂的转动。其 中， 当腕摆框摆动而手转 电动 机不转时， 联接手部的锥齿轮将会产生一个 附加 的 刮板输送机常 由于产品设计参数确定不当或设 手转运动 ， 需要在控制上加以修正。 6结语 总体设计完成 以后 ， 分别对机身、 大臂 、 小臂及 腕部等 4个部件 6 个关节进行 了结构设计。由机身 完成机械手的转动要求 ， 由肩关节完成大臂的摆动 要求 ， 由肘关节完成小臂的摆动要求 ， 小臂及腕部组 成一个 有机的整体 ， 小臂 的臂壳是材料为 1 6 Mn的 矩形截面的整体式方形管 ， 以足够 的强度和刚度承 受机械手抓件时的动静载荷 ， 臂壳 内装置有 3台步 进电机 ， 实 现臂转 、 腕 摆及手转 的 3个 自由度 的运 动。其中腕部的结构设计是本机械手设计难点 ， 也 是攻关的重点 ， 更是亮点。 参考文献 [ 1 ] 龚振帮 ． 机器人机械设计 [ M] ． 北京 电子工业 出版社 ， 1 9 9 5 ． [ 2 ] 周伯英 ． 工业机器人 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 3 ] 朱春波 ． 气动关节型机械手 [ J ] ． 液压气 动与密封 ，1 9 9 9 ，7 8 6 2 12 4． [ 4 ] 蔡 自兴 ．机器人学 [ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 O 0 O ． [ 5 ] 王天然 ． 机器 人[ M] ．北京 化学工、 l 出版社 ．2 0 0 2 ． 作者简介 周惠明 1 9 5 6 一 ， 江 苏宜兴人 ， 高级工 程师 ， 研 究方 向 机械设 计与制造 、 化工机械设计 ， 主持 开发 的化工 部九五攻 关项 目“ 工程塑料离心泵” 获化工部科技进 步二等奖 、 无锡 市科技 进步二 等奖， 电话 0 5 1 0 8 8 0 7 1 1 8 0 ， 电子信箱 Z h m l 6 1 1 6 3 ． c o in ． 一 1 9 一 收稿 日期 2 0 0 7 - 0 5 ． 2 8 维普资讯