氣動機械手結(jié)構(gòu)與力學(xué)分析

氣動機械手結(jié)構(gòu)與力學(xué)分析

0人工智能控制系統(tǒng)動脈機械手是用于搬運和安裝的設(shè)備。它由驅(qū)動系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和人工智能系統(tǒng)組成。提取和旋轉(zhuǎn)等動作可以完成。因為結(jié)構(gòu)簡單，動作速度快，節(jié)能環(huán)保，所以被廣泛應(yīng)用。1動脈肌肉的結(jié)構(gòu)和特征1.1氣動肌肉的組成氣動肌肉作為氣動機械手的基本組成結(jié)構(gòu),它對機械手的影響類似我們?nèi)梭w的肌肉.機械手就是由這些氣動肌肉組成的.氣動肌肉的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.1.2氣動肌肉的外壓和張力氣動肌肉的工作方式:氣動肌肉是一種拉伸驅(qū)動器,它由一個收縮系統(tǒng)和與之對應(yīng)的連接器構(gòu)成.收縮系統(tǒng)是由一種密封的橡膠管組成.當內(nèi)壓增大時管道就會沿某一方向擴張,反之,當外壓增大時氣動肌肉就會向相反的方向收縮.氣動肌肉長度和張力的關(guān)系:氣動肌肉的最大長度是在零壓力和零負載情況下定義的.其關(guān)系如圖2所示.氣動肌肉的作用:氣動肌肉作為一種單作用驅(qū)動器,其負載是不變的.在無外界壓力的情況下,肌肉會被拉伸到一定的長度.隨著施加外壓,它會出現(xiàn)各種情況,而且能量耗損很少.當外界壓力發(fā)生變化后,氣動肌肉與其受力方向保持一致.氣動肌肉在正常狀態(tài)下,則會產(chǎn)生不同的彈簧特征,這些特性使它可以適應(yīng)于具體的應(yīng)用.2機械手機械手明/短機自適應(yīng)變化的前車式機械手圖2氣動機械手主要是由機架,關(guān)節(jié)和氣爪三部分組成.其結(jié)構(gòu)如圖3所示:當給上述的機械手加上氣壓傳動系統(tǒng)與相應(yīng)的控制系統(tǒng)后,其最前端的氣爪便可在空間中抓取物品并完成預(yù)定的運動.3動脈機械手關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1第二膝關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計第一肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)由兩根氣動肌肉驅(qū)動,其結(jié)構(gòu)如圖4所示.通過對第一肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計,可以使力傳遞到第二肩關(guān)節(jié),從而為機械手最后的運動奠定力學(xué)基礎(chǔ).第二肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計第二肩關(guān)節(jié)由四根機架臂連接在一起構(gòu)成其基本結(jié)構(gòu),它可以實現(xiàn)傳遞力的作用,并將第一肩關(guān)節(jié)的力傳遞給第三肩關(guān)節(jié),其結(jié)構(gòu)如圖5所示.第三肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計第三肩關(guān)節(jié)的作用在于能夠很好的將第二關(guān)節(jié)和大臂連接在一起.肩部連接腕和中部撐桿是其最重要的兩個零件.它在整個機械手的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)中是最為復(fù)雜的,因此對它的結(jié)構(gòu)設(shè)計是非常困難的.其結(jié)構(gòu)如圖6所示.3.2機械臂lg3斜直透性參數(shù)的確定肘關(guān)節(jié)是由一個虎克鉸組成.因為虎克鉸結(jié)構(gòu)的特殊性,要求肘關(guān)節(jié)和大臂的連接件要有兩個方向的單一的鉸鏈點結(jié)構(gòu),其中的重要參數(shù)由X,Y軸方向來確定,肘關(guān)節(jié)在X,Y軸的結(jié)構(gòu)如圖7所示.肘關(guān)節(jié)是機械手做各種動作的關(guān)鍵所在,通過它可以使機械臂向各個方向進行運動,比如各種旋轉(zhuǎn)動作就是通過肘關(guān)節(jié)來實現(xiàn)的.3.3虎克鉸的組成虎克鉸是軸線通過同一點的兩個運動副的組合體,該機構(gòu)可以使構(gòu)件存在兩個相對轉(zhuǎn)動的自由度.因為它具有的兩個獨立的轉(zhuǎn)角范圍較大,抗拉強度高,所以常常被用于各種形式的并聯(lián)機器中.虎克鉸分為錐軸虎克鉸和分體式虎克鉸.錐軸虎克鉸,是一種用于并聯(lián)定位的虎克鉸.它包括十字頂尖軸、無內(nèi)套的滾珠軸承、密封端蓋、靜鉸鏈體和動鉸鏈體.分體式虎克鉸,可以解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的工藝性差、傳動精度低以及結(jié)構(gòu)尺寸較大、質(zhì)量重、成本高的問題,使得上叉形鉸鏈座相對于下叉形鉸鏈座沿兩個獨立的軸進行旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)二維相對轉(zhuǎn)動.4手動關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計4.1參數(shù)化設(shè)計中的應(yīng)用.參數(shù)化設(shè)計分為兩個部分:參數(shù)化圖元和參數(shù)化修改引擎.參數(shù)化設(shè)計可以使用戶對于各種結(jié)構(gòu)的設(shè)計自動的在其相關(guān)聯(lián)的部分反映出來,任意視圖下所發(fā)生的變化都能進行參數(shù)化,從而保證了圖紙的一致性,無需對所有視圖進行修改,且使設(shè)計變的清晰、明了,從而提高了工作效率和工作質(zhì)量.在參數(shù)化設(shè)計中,需要依據(jù)工程中的幾何關(guān)系和結(jié)構(gòu)關(guān)系來確定具體的設(shè)計準則.為了滿足各種設(shè)計準則和設(shè)計要求,我們需要綜合考慮機械材料的幾何尺寸,此外,還需要設(shè)置各個工程參數(shù)的初值.更加重要的是,我們每次改變某些參數(shù)后還要保證各種機械的基本關(guān)系保持不變.因此,設(shè)計中需要設(shè)計者的大腦保持高度的清晰.目前,參數(shù)化設(shè)計應(yīng)用比較廣泛,它用于二維模式的同時,也被廣泛的用于三維模式.氣動機械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)化的優(yōu)點就是在相同的結(jié)構(gòu)下,使每一個關(guān)節(jié)獲得最大的運動范圍.4.2第二關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計第一肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)如圖8所示,CBOEC1是第一肩關(guān)節(jié)運動的起始位置,且整個關(guān)節(jié)可以繞O點轉(zhuǎn)動,逆時針轉(zhuǎn)動的極限位置是CB1O和C1EO,此時會出現(xiàn)死點,由機械原理可知在四點位置處有:CB1O處于同一直線上.連接BO,EO,B1O,C1O,并做O點至CD的垂線交CD的延長線于點F.設(shè):OA=a,BD=b,AD=d,BC=L,BO=B1O=EO=E1O=r,氣動肌肉逆時針轉(zhuǎn)動的最大轉(zhuǎn)角為α.已知:BD是鉸鏈點到肩部肌肉的距離,且BD=b=35mm,所要求的量有:a,d,L,α.L的確定:首先,根據(jù)啟動肌肉的型號,選擇沒有充氣的氣動肌肉,其長度為250mm,這種氣動肌肉的最大行程為原長的1/5,即:氣動肌肉是最大行程為50mm,再加上氣動肌肉本身的長度,則有:L=250+50=300mm,即:鏈接氣動肌肉的鉸鏈間的距離為:300mm.a的確定:a是肩部肌肉連接件寬度的一半,d是兩根氣動肌肉之間距離的一半.因為A是氣動肌肉逆時針轉(zhuǎn)動的最大角度,由圖8可知:∠BOB1=α=∠EOE1,因為ΔBOC與ΔEOC1全等,故:∠EOC1=∠BOC=α且有:α=∠BΟC=∠FBΟ-∠FCΟ=arctanΟFBF-arctanΟFCF=arctanda+b-arctanda+b+L(4-1)α=∠BOC=∠FBO?∠FCO=arctanOFBF?arctanOFCF=arctanda+b?arctanda+b+L(4?1)由公式(4-1)可得:tanα=d/(a+b)-d/(a+b+L)1+d/(a+b)×d/(a+b+L)=L[(a+b)(a+b+L)/d]+d=dL(a+b)(a+b+L)+d×d≤L2√(a+b)(a+b+L)(4-2)tanα=d/(a+b)?d/(a+b+L)1+d/(a+b)×d/(a+b+L)=L[(a+b)(a+b+L)/d]+d=dL(a+b)(a+b+L)+d×d≤L2(a+b)(a+b+L)√(4?2)因為當α在(0°,90°)取值時,tanα是單調(diào)遞增函數(shù),b和L均為已知量,所以當a取最小值時,tanα取得最大值.又因為O點裝有直徑為20mm的連接桿,故:取肩部肌肉連接桿的寬度至少為20mm,即:a≧10mm.d的確定:將L=300,a=10,b=35帶入(4-2)可得:α≤50.2°將α=50.2°帶入公式(4-1)可得:d=40mm.確定α:由以上公式易得:tanα=d×l/[(a+b)(a+b+l)+d×d]=40×300(10+35)(10+35+300)+40×40=0.7(4-3)tanα=d×l/[(a+b)(a+b+l)+d×d]=40×300(10+35)(10+35+300)+40×40=0.7(4?3)得:α=34.9°所以,第一肩關(guān)節(jié)的理論最大運動范圍是(-34.9°,34.9°).第二肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計第二肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)如圖9所示.假設(shè):CAOEC1是第二關(guān)節(jié)運動的起始位置,鉸鏈A,E可繞O點轉(zhuǎn)動,結(jié)構(gòu)逆時針轉(zhuǎn)動的極限位置在CA1O處,又機械原理可知,CA1O在同一條直線上.連接AO,A1O,EO,AB=a1,過O點作CA的垂線,垂足為F.再過O點作AE的垂線垂足為B.設(shè):AB=a1,OB=b1,AC=L1,AO=A1O=EO=E1O,下面來確定其他參數(shù):L1的確定:根據(jù)氣動肌肉的類型,選擇沒有充氣時的氣動肌肉,其長度為230mm,它的最大行程是原長的1/5,即:46mm,再加上原長,則:連接氣動肌肉的鉸鏈間的距離為:L1=230mm+46mm=276mmb1的確定:設(shè)α1為逆時針旋轉(zhuǎn)的最大角度,則有:∠AOA1=α=∠EOE1,由ΔAOC與ΔEOC1全等的關(guān)系得:α=∠EΟC1=∠AΟC=∠FAΟ-∠FCΟ=arctanΟFAF-arctanΟFCF=arctana1/b1-arctana1/(b1+L1)(4-4)α=∠EOC1=∠AOC=∠FAO?∠FCO=arctanOFAF?arctanOFCF=arctana1/b1?arctana1/(b1+L1)(4?4)由(4-4)得:tanα1=a1/b1-a1/(b1+L1)1+a1b1×a1b1+L1=a1L1b1(b1+L1)a1×a1=L1[b1(b1+L1)/a1]+a1≤L12√b1(b1+L1)(4-5)tanα1=a1/b1?a1/(b1+L1)1+a1b1×a1b1+L1=a1L1b1(b1+L1)a1×a1=L1[b1(b1+L1)/a1]+a1≤L12b1(b1+L1)√(4?5)因為當α1?(0,π2)α1?(0,π2)時,tanα1是單調(diào)遞增函數(shù),且L1=276mm,故:當b1取值最小值時,tanα1取最大值.又因為O點處裝有直徑為20mm的連接桿,因此b1取最小值20mm,即:b1=20mm.a1的確定:由(4-5)得tanα1≤2762√20×(20+276)≤1.79(4-6)tanα1≤276220×(20+276)√≤1.79(4?6)可得:α1≤60.8°.將α1=60.8°代入4-6可得:60.8=arctana1/20-arctana1/(20+276),計算得:a1=12.3mmα1的確定:由公式(4-5)得:tanα1=12×27620(20+276)+12×12=0.546tanα1=12×27620(20+276)+12×12=0.546計算得:α1=28.6°4.3肘關(guān)節(jié)繞x軸的理論最大運動范圍肘關(guān)節(jié)的零件尺寸分別在X,Y軸上確定.肘關(guān)節(jié)在X軸上的參數(shù)設(shè)計肘關(guān)節(jié)在X軸上的結(jié)構(gòu)如圖10所示,在圖中A和B可繞O點轉(zhuǎn)動,當機構(gòu)逆時針轉(zhuǎn)動時,它的極限位置在A1OB1處,此時將出現(xiàn)死點,由機械原理可知,CA1O在同一條直線上.連接B1O,A1O.設(shè):OA=a2,AD=b2,DD1=L2,機構(gòu)逆時針轉(zhuǎn)過的最大角為α2.已知,AD是肌肉連接件的長度,且AD=b2=50mm,下面確定其他各個參數(shù).首先,根據(jù)氣動肌肉的類型,選擇沒有充氣時的氣動肌肉,其長度為240mm,其最大行程是原長的1/5,即:48mm,加上本身長度,則有:L2=240+48=288mm.確定a2:由圖10可得:∠AOC1=α=∠BOB1,故:tanα2=ACAΟ=L2+2×b2a2(4-7)tanα2=ACAO=L2+2×b2a2(4?7)當α2?(0?π,2)時,tanα為單調(diào)遞增函數(shù),當a取最小值時,tanα取最大值.AC=2×b2+L2=2×50+288=388mm?AC==√ΟC×ΟC-AΟ×AΟ-A1Ο=√a2×a2+(2×b2+L2)2-a2=388(4-8)其中,L2=288mm,b2=50mm.解得:a2=21.8mm確定α2:由公式4-7得:tanα2=288+2×5021.8=17.8得:α2=87°所以,肘關(guān)節(jié)繞X軸的理論最大運動范圍是:(-87°,87°).肘關(guān)節(jié)在Y軸上的參數(shù)設(shè)計肘關(guān)節(jié)在Y軸上的結(jié)構(gòu)如圖11所示.圖中D,B可繞O轉(zhuǎn)動,機構(gòu)在CD1O出現(xiàn)死點,連接DO,D1O,BO,B1O,C1O.設(shè)OA=a3,AD=b2=50mm,DC=L2=288mm,α3為順時針旋轉(zhuǎn)的最大角度,下面分別求a3和α3由圖11可知∶∠BΟC1=∠DΟC=α3α3=∠DΟC=∠AΟC-∠AΟD=arctanb2+L2a3-arctanb2a3(4-9)tanα3=a3L2b2(b2+L2)+a3×a3=L22√b