搬运机器人的机械结构设计

５４　ＳｓＤ—ｌ型搬运机器人的机械结掬设计　ＳＳＤ一１型搬运机器人的机械结构设计　哈　［摘要　…哈　厂　剜麓霎望　车文介绍了一种水平关节式搬运机器人　的三个区域内拿起和放置物体，所以，可采用　的机槭结构设计过程。一种双支点单白由度手爪的　水平关节式机器人。有大、小两个臂，腰和肘　水平关节式机器人的嫱构简单，定位精　此，这两个自由度要随时控制。为了方便，采　用自身带有减速器的伺服电机驱动；而手爪　夹蘩松开和上下移动这两个自由度，则可由　开关量控翘，采用气缸驱动。　考虑到三个可达区域具有一定的对称　度高，运动学正逆问题的计算容易，装配和搬　运机器人广泛采用这种结构形式。本文介绍　了ＳｓＤ—ｌ型机器人正是这样一种机器人。　这里主要介绍该机器人及其手爪的机械结构　的设计过程。　性．并且三个区域的尺寸相同。故将对称中心　０点作为腰转中心。因此，可初步确定该机　器人的结构型式，如图２所示。　２机器人的工作任务要求　工作任务要求该机器人在同一平面内的　三个矩形区域内（如图ｌ所示）的任意位置可　拿起和放下物体。标准物体为　ＯＩＩ衄，高　１００ｍｍ的圆柱体，在平面上立式放置，材料为　４５钢。　围２机嚣人的结构型式　景　４臂长的确定　大臂和小臂的长度　和　是两个关键　尺寸。合理的取值会降低机器人的转动惯量．　从而提高机器人的回转速度，节约能量消耗，　囤１机嚣人手．ｇ－４￣裳的可逸区域　又使机器人外形美观、匀称。　臂长的确定，可以采用优化设计方法。　确定优化目标（如能量消耗最小、回转角之和　３机器人的结构型式　任务要求该机器人在～个固定平面　最小等）后，以臂长ｈ和　为设计变量，再　黑龙江自动化技术与应用Ｖｏ１．１７，Ｎｏ．２　１９９８年第２期５５　确定并建立约束函数，就可以采用合适的优　求，取　＝７Ｏｎｍｉ，Ｉ１＝４０ｍｍ．Ｉ３的取值主要受　化设计方法进行优化设计。在目标函数取得　０角的限制，当０角接近９０￣时Ｒ从Ｎ转化面　最小值的同时，得到设计变量Ｉ．和　的最优　来的力量最大，此时ｂ为．２５ｒｍ＇ｎ。但这是极　化值。关于该机器人臂长的优化设计，本文　限值，考虑到实际结构，取Ｉ３＝３０ｎｎｎ．　作者有另文叙述，在此不再赘述。本文采用　被夹物体的质量ｍ＝ｒ，．／４　ｘ（５ｏ）　ｘ１∞　的则是一种比较实际的方法，即先由经验和　ｘ　７、８／１０００＝１．５３ｋｇ、　任务要求选取合理尺寸，再进行验证，如果三　Ｂ＝ｍｔｅｔｇ４／＇３＋ａ．ｒｃ＊ｉｎ２５／５０＝８３．１３。．　个区域的任意位置都可到达，就取定该尺寸；　取摩擦系数ｆ＝Ｏ．１．　不满足则进行适当修改，再进行验证　这实　假设手爪夹持物体后，向上移动的最大　际上是一种经验设计法。经验设计法最大优　加速度ｍｎ　＝５ｒ　ｓ２，则可以列出如下公式。　点最选取的尺寸往疰比较切合实际，不至于　ｒｍ（Ｇ＋∞ｍ）≤２Ｎｒ・ｆ　有太大的偏离。　某一可达区域的角点Ａ是最远点ＯＡ＝　Ｊ【　ＮＬ，Ｉ２＝ＦＩ‘Ｉ１　２Ｆｉ．。瑚：Ｎ　√２５　＋１０００２＝１０６０ｂ－Ｘｍｍ．两个臂都不能　最后，将各有关值代人．计算出Ｎ　ｍ・　短于５００ｍｍ／２＝２５０ｍｍ．即１０６０ｍｍ＞　，ｋ＞　∞胡・　（Ｇ＋ａ．　）／（【＾・ｆ）＝４６、７９Ｎ．　２５０ｒａｍ。另外．当机器人末端达到最远点时　机器人的肘关节应基本上处在１８０￣角，为了　保证有一定的回旋余地，可比ｌ８　略小，即Ｌ　十　—ＯＡ＝ＩＷｏＯｒｍ－ｎ。从节约能耗方面考虑，　应使大臂短于小臂，而从任务要求来看，两臂　长度应比较接近才合理，故初步取定Ｌ：　５００ｒａｍ，Ｌ２＝６００ｒｒｍａ。经过编制计算机程序并　上机验证，结果证明该长度值能保证机器人　田３手爪的站构型式　末端达到三个区域的任意位置。　５手爪的结构形式及关键尺　寸计算　为使手爪的结构简单实用，又能获得较　大的夹持力，因而采用了如图３所示的双支　点结构形式。　两半手爪的回转中心的距离与被夹持物　田４机器人厦手爪的具体站构　体的回转直径相等。　该机器人及手爪在结构上主要有以下特　从结构上．显然可以看出，当　Ｏ０　ｏ２＝　点：　９０￣时，气缸的力传递最好，此时在手爪上获　①腰部回转电机及减速器采用了倒置的　得最大的转矩Ｍ＝Ｆ・Ｉ１：Ｍ・Ｌ２。　形式，减小了其在铅垂方向的高度，又合理利　ｌ２的长度要尽可能短，为给被夹物体留　用了腰部下面的空问；　出足够的空间和满足回转轴的结构尺寸要　＠大臂及小臂（下接第６８页）　单闶控制开关电路模型的探讨　Ｈｅ　其中　＝　蠢＋毒　ｑ＝一　Ｉ　Ｉ　Ｉ　『　Ｉ　‘＿１　值得注意的是，我们似乎在这里看到把　Ｊ　Ｊ　摹同控制器处理带有微分环节的系统，而该　环节具有超前相位特性；实际上，由。ｚ＜０，　Ｈｅ（ｓ）仍是一个滞后环节，这可以ｌ田它的　Ｂｏｄｅ图看出．而出现ｓ和ｓ２的项只是数学上　的近似结果．主要用来研究采样频率附近及　采样频率以下的系统特性。　Ｆｒｅｑｕｅ￣ｙ　ｑ　ｒａｉ，ｓ眈　４　整单周控瓤丘克变换器　固７小信号模型的控制与输出的预丰响应特性　的小信号模型　将控制器环节加入丘克电路的小信号流　５结论　通过以上讨论，不难看出开关流图具有　图，便能得到完整的单周控制丘克变换器的　直观，有效的特点，尤其适合图形输入的软件　小信号模型（圉６）。通过类似的模型，可以　包进行仿真和分析，可以广泛应用于开关电　艇释系统的谐渡现象见［３］，而且，使高频段　源领域。而单周控制器的时滞模型为系统的　理论更加接近实验结果。图７是对应的频率　分析和设计提供更为准确的依据。　响应。可以看出，单周控制的丘克电路具有　很好的稳定性能。　［１ｊＫ．Ｍ＋　驴曲Ｎｃｔｄｌｎｅａｒ　，　Ⅱ∞　参考文献　ｙ　ａｎｄ　Ｓ．Ｃｕｋ，　ｓ’　岫Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，　眦Ｆｌｏｗ一　Ｔｒｍｓ　Ｐｏｗｅｒ　，　．９．ｎｏ＋４ｐｐ４（￣一４１３，Ｊｕｌｙ　１９９４．　：２ＪＫ　Ｍ．Ｓｍｅｄ］．ｅｙ　ａｎｄ　Ｓ．ｃ＿，ｕｋ，　矾Ｔ岫　∞ｏｆＯｎｅ—　ｃ—ｅ　Ｃｏｎ￣ｌ！ｅｄ　Ｃｕｋ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ，”硼匝Ｔｒａｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃ一　，　．１０．ｎｏ．６，　一６４０，Ｎｏｖ．１９９６．　［３］ｗ．Ｔａｎｇ，Ｆ　Ｃ．Ｌｅｅ，Ｒ．Ｂ．Ｒｉｌｅｙ　ａｎｄ　Ｉ．Ｃｏｈｅｎ，”　Ｑ　图６完整的单周控制丘克电路小信号模型　Ｃｏｎｕｏｌ：Ｍｏｄｅｌ嘴，ＡＩ＿ｌＢＩ蚰ａｎｄ　呵　，　ＩＥＥＥ　Ｐｏｗｅｒ￣ｅｅｌｎｍｉｃｓ　Ｓｌ￣ｃｉａｌｉｓｔｓ　Ｃ，ｍｆ．．．１９９２　Ｂｅｅ．．ｐｐＳ０３—　５ｌ１　（上接第５５页）　的截面都采用了倒ｕ字　性，可在多种场合下使用。　参考文｜Ｉ　形的结构，在下面又增加了一个较薄的盖板．　便于维护，又减轻了臂部的重量；　③手爪与小臂末端的连接采用了上凸的　盖板形式。整个手爪可以从下面取出和装入，　便于手爪的快速更换；　计，机器人，１９９５．２。　［１］荆廷荣、张永德，一种重型藏压腔的优化设　［２］理壹蔫．Ｐ．保罗，机器人操作手：数学、编程　与控制，机槭工业出版社，１９８６．１０。　④换上不同的手爪后，可以完成其它的　工作任务，因此，该机器人具有一定的通用　［３Ｊｌｏ．Ｍ．索罗门采夫，工韭机器人图册，机械工　业出版杜，１９９３．５。