《排爆機(jī)器人平衡式機(jī)械手的自平衡裝置設(shè)計(jì)案例綜述》2600字

排爆機(jī)器人平衡式機(jī)械手的自平衡裝置設(shè)計(jì)案例綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u12646排爆機(jī)器人平衡式機(jī)械手的自平衡裝置設(shè)計(jì)案例綜述 172161.1自平衡裝置的總體設(shè)計(jì) 119191.1.1自平衡裝置預(yù)期結(jié)果 1133071.1.2自平衡裝置設(shè)計(jì)思路 2202241.2自平衡裝置具體選型 365141.2.1平衡塊的選擇 3124911.2.2電動(dòng)推桿的選擇 427429DGA系列的電動(dòng)推桿參數(shù)如下 5198651.3自平衡裝置實(shí)現(xiàn)分析 51.1自平衡裝置的總體設(shè)計(jì)1.1.1自平衡裝置預(yù)期結(jié)果本文中自平衡裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如下，由于排爆機(jī)器人抓取危險(xiǎn)物時(shí)，機(jī)械臂會(huì)產(chǎn)生一個(gè)翻轉(zhuǎn)力矩，移動(dòng)平臺(tái)較大可能會(huì)發(fā)生側(cè)翻，為防止此類情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)一個(gè)自平衡裝置，來避免移動(dòng)機(jī)器人發(fā)生側(cè)翻。自平衡裝置由一個(gè)平衡塊和電動(dòng)缸組成，電動(dòng)缸進(jìn)行重塊的移動(dòng)控制，通過機(jī)械臂的伺服電機(jī)感知得到機(jī)械臂的狀態(tài)，在檢測(cè)到容易發(fā)生側(cè)翻的時(shí)候，通過電動(dòng)缸推動(dòng)重塊，讓整個(gè)車輛達(dá)到平衡。主要是通過電動(dòng)推桿和平衡塊的連接來實(shí)現(xiàn)。機(jī)械運(yùn)動(dòng)流程為伺服電機(jī)通過一對(duì)齒輪減速后，帶動(dòng)絲桿螺母，從而將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)，并且利用電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)平衡塊的推拉運(yùn)動(dòng)。由于，平衡塊與機(jī)械臂平臺(tái)的滑槽需要經(jīng)常發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，為減少滑槽的磨損，此處通過固體潤(rùn)滑劑固定在接觸面上，以至于達(dá)到摩擦力減小、對(duì)接觸面的磨損降低的效果。本文中采用石墨作為固體潤(rùn)滑劑，其具備耐高溫、抗腐蝕，在濕潤(rùn)和干燥的環(huán)境下都具備良好的減摩效果，因此適合作為本文所采用的固體潤(rùn)滑劑的選擇。并且，石墨作為固體潤(rùn)滑材料可達(dá)到的摩擦系數(shù)可為，本文中所采用的的石墨含量對(duì)其石墨固體潤(rùn)滑涂層的摩擦學(xué)性能影響主要體現(xiàn)在接觸地面摩擦系數(shù)。在選擇材料的過程中，此處平衡塊的選擇采取與叉車配重塊相同的材料為重晶石，由于重晶石的強(qiáng)度和持久性，價(jià)格相對(duì)偏油的特點(diǎn)，使其具備做排爆機(jī)器人自平衡裝置的平衡塊材料的優(yōu)越性和合理性。圖7-1自平衡裝置1.1.2自平衡裝置設(shè)計(jì)思路排爆機(jī)器人根據(jù)危險(xiǎn)物的位置和重量，通過自平衡裝置達(dá)到防翻轉(zhuǎn)的目的，數(shù)據(jù)經(jīng)過采集、傳輸、處理、執(zhí)行是個(gè)過程。其中數(shù)據(jù)采集主要是根據(jù)排爆機(jī)器人大臂和小臂關(guān)節(jié)處裝有電位計(jì)，其作用為檢測(cè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，控制系統(tǒng)反饋關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)角，以及末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)裝有力傳感器反饋危險(xiǎn)物重量，并對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)經(jīng)過發(fā)送后，數(shù)據(jù)中心采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，并當(dāng)數(shù)據(jù)數(shù)量充足的時(shí)候，將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，進(jìn)行相應(yīng)的處理。上位機(jī)對(duì)于發(fā)來的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合考慮并且計(jì)算后，將反饋平衡塊的電動(dòng)推桿所要執(zhí)行的位移長(zhǎng)度，換算成伺服電機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)角，最終傳回給數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心再對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送電動(dòng)推桿的伺服電機(jī)處，從而達(dá)到自平衡的實(shí)現(xiàn)。圖7-2自平衡裝置數(shù)據(jù)傳輸流程圖當(dāng)遇到危險(xiǎn)情況的時(shí)候，排爆機(jī)器人將先移動(dòng)車體部分至危險(xiǎn)前方或者附近位置，再執(zhí)行伸出排爆機(jī)器人機(jī)械臂進(jìn)行抓取危險(xiǎn)物的任務(wù)，在此過程中車體與機(jī)械臂之間會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于本文中涉及的排爆機(jī)器人在進(jìn)行抓取危險(xiǎn)物的時(shí)候，車體部分將處于靜止?fàn)顟B(tài)，此刻，排爆機(jī)器人的重心會(huì)相應(yīng)隨著機(jī)械臂部分的移動(dòng)發(fā)生變換。對(duì)于機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)伸出到一定位置的時(shí)候，整體的重心會(huì)對(duì)穩(wěn)定性產(chǎn)生問題，從而會(huì)對(duì)排爆機(jī)器人整體造成一個(gè)翻轉(zhuǎn)力矩，最終排爆機(jī)器人會(huì)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。因此，在設(shè)計(jì)過程中為了綜合考慮這一因素，在機(jī)械臂所處平臺(tái)，因設(shè)計(jì)相應(yīng)自平衡裝置，為平衡機(jī)械臂抓取重物時(shí)產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)力矩，從而避免排爆機(jī)器人由于重心不穩(wěn)從而發(fā)生翻轉(zhuǎn)的問題。1.2自平衡裝置具體選型1.2.1平衡塊的選擇首先，對(duì)平衡塊的選擇。為了實(shí)現(xiàn)排爆機(jī)器人在抓取危險(xiǎn)物的時(shí)候防翻轉(zhuǎn)的問題，需要考慮機(jī)械手臂在極限位置下所產(chǎn)生的的翻轉(zhuǎn)力矩。排爆機(jī)器人在平地運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，其機(jī)械手臂有向前最長(zhǎng)的臂展，此時(shí)，危險(xiǎn)物以及機(jī)械臂會(huì)對(duì)機(jī)械臂基座產(chǎn)生一個(gè)翻轉(zhuǎn)力矩，假設(shè)機(jī)械臂底座為翻轉(zhuǎn)中心O，距離抓取危險(xiǎn)物的手爪的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，機(jī)械臂重心距離O的距離為L(zhǎng)2；G1、G2分別為重物的重量和機(jī)械臂的重量；其中機(jī)械臂大臂基座自身寬度相比臂長(zhǎng)下較小，可忽略，另外危險(xiǎn)物自身尺寸亦可忽略。此時(shí)，為滿足自平衡條件，即平衡危險(xiǎn)物此時(shí)對(duì)機(jī)械臂底座產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，假設(shè)平衡塊的重量為G3，且被電動(dòng)推桿推于最遠(yuǎn)距離即離O點(diǎn)距離為L(zhǎng)3，平衡方程可以簡(jiǎn)單表示為：圖7-3機(jī)械臂處于最長(zhǎng)位置時(shí)的機(jī)械簡(jiǎn)圖公式中G1按本文排爆機(jī)器人可抓取最大質(zhì)量危險(xiǎn)物為30kg，機(jī)械臂質(zhì)量G2由SolidWorks的質(zhì)量估計(jì)可以得出50kg（包括減速機(jī)和電機(jī)重量），以及L1和L2的長(zhǎng)度分別為1.5m，0.73m，另外自平衡裝置的平衡塊最遠(yuǎn)的位移距離L3為0.76m。由上式計(jì)算可得，平衡塊的最小質(zhì)量需為101.23kg，為滿足排爆機(jī)器人在極限情況下也不發(fā)生側(cè)翻，通過消除其對(duì)排爆機(jī)器人車身所造成的翻轉(zhuǎn)力矩，且避免一些極端情況下，前方末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)抓取危險(xiǎn)物質(zhì)量超過30kg的時(shí)候發(fā)生意外，故采用質(zhì)量為110kg的配重塊在自平衡裝置中使用。1.2.2電動(dòng)推桿的選擇其次，對(duì)于電動(dòng)推桿所配的電動(dòng)缸型號(hào)進(jìn)行選型。為滿足電動(dòng)推桿可以推動(dòng)自平衡裝置的平衡塊從而實(shí)現(xiàn)對(duì)翻轉(zhuǎn)力矩的平衡，需要在平衡塊的重量和滑動(dòng)平面的摩擦系數(shù)進(jìn)行對(duì)電動(dòng)推桿所配備的電機(jī)選擇，并且電機(jī)所輸出的轉(zhuǎn)速及推桿所推動(dòng)的距離需要根據(jù)關(guān)節(jié)處的伺服電機(jī)電機(jī)反饋得到相應(yīng)的參數(shù)。其中電動(dòng)推桿需要滿足以下要求：接觸面的摩擦系數(shù)為0.1電動(dòng)推桿的推力需要達(dá)到：電動(dòng)推桿的行程需要達(dá)到：根據(jù)電動(dòng)推桿的推力和行程選取，DGA系列的電動(dòng)推桿，選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)為伺服電機(jī)。DGA系列的電動(dòng)推桿參數(shù)如下表7-1DGA系列電動(dòng)推桿參數(shù)型號(hào)推力范圍行程范圍運(yùn)動(dòng)速度范圍QUOTEDGA50kN~500kN20mm~5000mm0.1mm/s~1000mm/s所配備的伺服電機(jī)經(jīng)過下列公式計(jì)算可得到：其中推力為108kN，位移為0.18m，通過蝸桿副效率為0.66，絲桿副效率為0.58，可以得到總效率為0.38，減速比100。為保證有足夠的驅(qū)動(dòng)力矩，所選選電機(jī)的轉(zhuǎn)矩應(yīng)該按所需的轉(zhuǎn)矩的1.3至1.5倍計(jì)算，即根據(jù)安川伺服電機(jī)7系列選型，綜合樣本選擇SGM7A-A5A表7-2SGM7A-A5A電機(jī)參數(shù)型號(hào)三相相電壓額定轉(zhuǎn)速額定功率QUOTE靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量QUOTE額定電流ASGM7A-A5A20030000.50.15912.36.41.3自平衡裝置實(shí)現(xiàn)分析上方計(jì)算得到平衡塊的質(zhì)量后，進(jìn)行排爆機(jī)器人機(jī)械臂伸長(zhǎng)長(zhǎng)度變化和不同危險(xiǎn)物質(zhì)量發(fā)生變化時(shí)，所實(shí)現(xiàn)平衡塊與電動(dòng)推桿進(jìn)行螺紋連接后進(jìn)行動(dòng)態(tài)伸縮。由于本文排爆機(jī)器人關(guān)節(jié)處轉(zhuǎn)動(dòng)所采用電位計(jì)，其對(duì)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角具有檢測(cè)功能，通過控制系統(tǒng)可以對(duì)機(jī)械臂大小臂所發(fā)生的轉(zhuǎn)角進(jìn)行反饋。對(duì)于機(jī)械臂關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)角測(cè)量，可以得到大臂和小臂與初始位置發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)角為α，β；其中機(jī)械臂大臂和小臂的質(zhì)量根據(jù)solidworks質(zhì)量評(píng)估可以得到G1，G2，根據(jù)末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的力傳感器可以得知危險(xiǎn)物的質(zhì)量為G3；