（機械設計及理論專業(yè)論文）空間機器人捕獲手爪的研究.pdf

北京郵電大學碩士學位論文2 0 0 8 空間機械手捕獲手爪的研究 摘要 隨著空間技術的發(fā)展 人類對太空的探索將越來越頻繁 對空間 機器人技術的研究已成為各國關注的重點 本文以國家8 6 3 項目 空 間機器人 為背景 重點針對空間機器人捕獲手爪進行了設計與研究 根據實際任務要求 并考慮手爪的特定工作環(huán)境 文中提出了以 四桿機構作為手爪本體結構的總體設計方案 選用無刷直流電機作為 系統(tǒng)驅動機構 選用錐齒輪作為系統(tǒng)的傳動機構 并給予詳盡的理論 分析 然后采用模塊化設計理念 利用三維建模軟件p r o e 對手爪各 組成零件進行了系列化設計 并將設計零件進行虛擬裝配 以驗證設 計思路的正確性 文中采用矢量分析法 建立了手爪的運動學方程 并以拉格朗日 方程為基礎建立系統(tǒng)的動力學方程 確定了手爪各運動構件的位置和 姿態(tài)關系以及手爪各構件運動和作用力之間的關系 使用a d a m s 動 力學分析軟件對手爪系統(tǒng)進行了詳盡的分析 求出了滿足系統(tǒng)設計要 求的最小驅動力矩 為控制系統(tǒng)的設計提供了理論依據 文中根據經典控制理論 采用電流 速度 位置三環(huán)控制作為系 統(tǒng)控制策略 以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 為核心器件設計控制系統(tǒng)電路和c a n 總線通信電路 并完成系統(tǒng)軟件模塊設計 給出系統(tǒng)各模塊的軟件流 程圖 為驗證控制系統(tǒng)的性能 設計手爪電模擬器 給出設計其硬件電 路和軟件設計方案 最后完成電聯(lián)式系統(tǒng)的性能測試 測試結果表明 手爪電模擬器c a n 總線通信性能穩(wěn)定 伺服控制系統(tǒng)能良好 最后根據加工的實際零件并結合所設計的手爪控制器 完成了手 爪機電系統(tǒng)的組裝和聯(lián)合調試 測試結果表明 該手爪符合設計指標 關鍵詞 空間機器人手爪結構設計運動學動力學控制系統(tǒng) 電模擬器 北京郵電大學碩士學位論文2 0 0 8 t h ed e s i g no ft h es p a c er o b o t s c a p t u r eg r i p p e r w i t ht h e d e v e l o p m e n t o f s p a c et e c h n o l o g y h u m a n ss p a c e e x p l o r a t i o n w i l lb e c o m em o r ea n dm o r ef r e q u e n t t h es p a c er o b o t t e c h n o l o g yr e s e a r c hh a sb e c o m e t h ef o c u so fn a t i o n a lc o n c e m t h ep a p e r l i e so i lt h en a t i o n a l8 6 3p r o j e c t s p a c er o b o t a st h eb a c k g r o u n d f o c u s i n g o nt h ed e s i g na n dr e s e a r c ho ft h es p a c er o b o t sc a p t u r eg r i p p e r a c c o r d i n gt o t h ea c t u a lt a s k sa n dr e q u i r e m e n t s a n dt a k i n gi n t o a c c o u n tt h es p e c i f i cg r i p p e rw o r ke n v i r o n m e n t c h o o s eaf o u ri n s t i t u t i o n s a st h eg r i p p e rb o d ys t r u c t u r e s e l e c t e db m s h l e s sd cm o t o ra st h ed r i v e s y s t e m u s et h eb e v e lg e a ra st h et r a n s m i s s i o ns y s t e m a n dg a v e ad e t a i l e d t h e o r e t i c a l a n a l y s i s t h e n u s e dm o d u l a r d e s i g nc o n c e p t w i t h t h r e e d i m e n s i o n a ls o f t w a r ep r o ed e s i g n e dt h ec o m p o n e n t so ft h eg r i p p e r a n da s s e m b l e di t sc o m p o n e n t sv i r t u a l l y t e s t e dt h ec o r r e c t n e s so ft h e d e s i g ni d e a s v e c t o ra n a l y s i st h e o r yw a su s e di nt h i sp a p e rt o e s t a b l i s ht h e e q u a t i o n so fm o t i o no ft h eg r i p p e r g a i n e dt h es y s t e mk i n e t i ce q u a t i o n b a s e do nl a g r a n g e se q u a t i o n d e d u c e dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ng r i p p e r c o m p o n e n t s p o s i t i o n sa n do r i e n t a t i o n s a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n g r i p p e rc o m p o n e n t s m o v e m e n t s a n d f o r c e s u s e dk i n e t i c a n a l y s i s s o f t w a r ea d a m sa n a l y s i st h es y s t e md e t a i l e d o b t a i n e dt h es y s t e m d r i v i n gt o r q u e p r o v i d e dt h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g no f t h ec o n t r o l s y s t e m a c c o r d i n gt o c l a s s i c a lc o n t r o lt h e o r y u s i n gc u r r e n t s p e e da n d p o s i t i o nc o n t r o l a sat h r e e r i n gs y s t e mc o n t r o ls t r a t e g y w es e l e c t e d t m s 3 2 0 u 砣4 0 7a st h ec o r ed e v i c e d e s i g n e dt h em a i nc o n t r o ls y s t e m h a r d w a r ea n dc a nb u sc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t f i n i s h e dt h es y s t e m s o f t w a r em o d u l ed e s i g n a n dg a v ef l o wc h a r tf o re a c hm o d u l eo ft h e 北京郵電大學碩士學位論文2 0 0 8 w h o l es y s t e m i no r d e rt ov e r i f yt h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o ls y s t e m s w ed e s i g n e d t h ee l e c t r i cp a ws i m u l a t o r t h er e s u l to ft e s t i n gm a k ei tc l e a rt h a tt h e c a nb u sw o r ks t a b l ya n de f f i c i e n t l y t h ec a p t u r et a s ka r es a t i s f i e di nt h e e l e c t r i cp a ws i m u l a t o l f i n i s h e dt h em e c h a n i c a l e l e c t r i cs y s t e ma s s e m b l a g e a n dc o m p l e t e d t h eu n i t e dt e s t i n go ft h em e c h a n i c a l e l e c t r i cs y s t e m t h er e s u l ts h o w e d t h ep a ws a t i s f i e dt h er e q u e s t k e yw o r d s s p a c er o b o t g r i p p e r s t r u c t u r ed e s i g nk i n e m a t i c s d y n a m i c s c o n t r o ls y s t e m e l e c t r i cs i m u l a t o r 北京郵電大學碩 l 學位論文2 0 0 8 獨創(chuàng)性 或創(chuàng)新性 聲明 本人聲明所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究 成果 盡我所知 除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內容以外 論文中不 包含其他人已經發(fā)表或撰寫過的研究成果 也不包含為獲得北京郵電大學或其他 教育機構的學位或證書而使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任 何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意 申請學位論文與資料若有不實之處 本人承擔一切相關責任 本人簽名 日期 關于論文使用授權的說明 學位論文作者完全了解北京郵電大學有關保留和使用學位論文的規(guī)定 即 研究生在校攻讀學位期間論文工作的知識產權單位屬北京郵電大學 學校有權保 留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤 允許學位論文被查閱和借 閱 學?？梢怨紝W位論文的全部或部分內容 可以允許采用影印 縮印或其它 復制手段保存 匯編學位論文 保密的學位論文在解密后遵守此規(guī)定 非保密論文注釋 本學位論文不屬于保密范圍 適用本授權書 本人簽名 趁塹 導師簽名 日期 絲望 堡 蘭 北京郵電大學碩i 學位論文2 0 0 8 第一章 緒論 1 1 本課題研究的目的和意義 隨著航天技術的發(fā)展 人類在太空中的活動越來越多 將有大量的空間艙內 和艙外任務 如大型空間站的建筑 維護及服務 空間設備的維修 科學實驗載 荷的照料 星球表面探測等諸多工作要做 由于人在太空艙里生存一天的費用十 分昂貴 而且宇宙環(huán)境對人類來說仍然是一個具有高輻射 高真空 超高溫 微 重力等特點的危險環(huán)境 那么利用空間機器人完成一些宇航員無法完成或者有危 險的工作就顯得十分必要 采用空問機器人協(xié)助或代替宇航員的工作在經濟性和 安全性方廈都具有重要的意義l l 2 1 手爪是空間機器人執(zhí)行精巧和復雜任務的重要部分 因為機器人手爪直接作 用于工作對象 機器人要完成的各種操作最終必須通過手爪得以實現 同時手爪 的結構 尺寸的設計對于機器人整體的運動學 動力學性能以及工作效率都有著 直接顯著的影響 機器人整體水平的高低好壞及最終能否正常按照人們的意圖去 工作還要看其末端執(zhí)行機構 因此手爪是機器人設計中一個非常重要的環(huán)節(jié) 1 2 手爪的結構設計類型和特點 手爪是用來直接握持物件的部件 由于被握持的物件的形狀 尺寸大小 輕 重和材料性能 表面狀況等的不同 所以機械手爪的結構是多種多樣的 各種手 爪的結構 不僅結構形式不完全相同 而且它們的工作原理也并不一樣 歸納起 來 常用的手爪 按其握持物件的原理 大致可分為下面幾種 1 1 機械夾鉗式手爪 機械夾鉗式手爪一般由驅動裝置 傳動機構和手指組成 按其手指的開閉動 作和結構的不同 又可分為回轉型手爪和平移型手爪 回轉型手爪的手指在傳動 機構的帶動下 繞支點回轉來實現手指的開閉動作 平移型手爪的兩個手指在傳 動機構帶動下 作相對的平行移動以實現開閉動作 該類手爪一般結構簡單 動 作靈活 適應性較強 并且大多數屬于自動定心機構 在生產中被廣泛應用 2 1 氣吸式手爪 氣吸式手爪由吸盤 吸盤架及進排氣系統(tǒng)等組成 根據吸盤與物件接觸后形 成真空或負壓內腔的方法不同 氣吸式手爪有 擠氣式一靠外力作用使吸盤變形 而將內腔空氣排擠出去的方法形成負壓腔 噴吸式一利用負壓噴嘴將內腔空氣抽 北京郵電人學碩十學位論文2 0 0 8 出而形成負壓腔 真空式一用專門的真空泵系統(tǒng)抽氣 使吸盤內腔形成真空 該 類手爪具有結構簡單 重量輕 使用方便可靠等特點 廣泛應用于板材 薄壁零 件 陶瓷 塑料 玻璃器皿和紙張等的吸附工作 具有良好的使用效果 3 1 磁吸式手爪 磁吸式手爪是利用永久磁鐵或電磁鐵通電后產生磁力 來吸取磁性材料物件 的 吸附時不會破壞物件的表面質量 可獲得較大的吸附力 同時對物件表面光 整要求不高 對于表面有通孔或通槽的物件同樣可以吸持 但被吸持的物件會存 在剩磁 對于不能有剩磁的物件要經過退磁工序 對于鋼 鐵等磁性材料制造的 物件 溫度超過7 2 3 0 c 以后就會失去磁性 故在高溫時無法使用磁吸式手爪 磁吸式乎爪可分為永久磁鐵手爪和電磁鐵手爪 1 3 本課題研究現狀 隨著工業(yè)生產自動化的發(fā)展而產生的 機械手已成為機械化 自動化生產中 不可缺少的一種自動裝置 國內外對機械手爪的研究已取得相當成熟的成果 機 械手爪也廣泛的應用到食品 化工 冶煉 制造等行業(yè)中 近年來隨著航天技術 的飛速發(fā)展 機械手爪也廣泛應用于空間領域以實現太空科學考察 空間生產和 科學實驗 衛(wèi)星和航天器的維護與修理 以及空間建筑裝配等 本課題所研究的手爪用在空間機器人特定環(huán)境下 屬于機械手在航天技術領 域的應用 在此主要介紹機械手在航天領域的研究現狀 1 3 1 國外研究現狀 1 9 8 5 年德國宇航院提出了一項研究計劃r o t e x r o b o tt e c h n o l o g y e x p e r i m e n t 對空間機器人作探索性實驗 這是自動化領域在空間進行的首次實 驗 并于1 9 9 3 年搭載美國航天飛機成功地完成了一系列空間作業(yè) 其機構如圖 1 1 所示 h2 0 k t t 通訊頻率 3 集成手爪機械裝置 5 觸覺傳感器陣列 7 數據傳輸 9 柔順裝置 1 l 機器人手臂 圖1 1 德國r o t e x 機器人手爪 2 2 測距電路 4 長距離測距傳感器 6 手指測距傳感器 8 立體攝像機 l t o 剛性力 力矩傳摩器 1 2 串口通訊總線 北京郵電大學碩士學位論文2 0 0 8 為執(zhí)行更為復雜的操作任務 在r o t e x 之后 德國研制了d u 好指靈巧手 現已研制成功了d l r 4 指靈巧手 它具有十二自由度每指有4 個關節(jié) 具有三 自由度 2 5 個傳感器 每指尖最大承受力為l l n 4 指質量為1 8 0 0 9 每個關節(jié) 裝有一個關節(jié)角度傳感器和一個關節(jié)力矩傳感器 4 個觸覺傳感器探測外部受力 的大小 日本智能手爪a r h 是世界上第一只在軌道飛行器艙外的精密遙控機器人系 統(tǒng) 它安裝在無人飛行器上并且暴露在空間環(huán)境中 嚴酷的空間環(huán)境意味著系統(tǒng) 必須有足夠的耐久性 可靠性自主能力 手爪安裝在長約4 0 e r a 的5 自由度微型手臂的末端 手爪具有更換功能 即 手爪在軌道上通過編程控制即可以與微型手臂脫開 又可以與手臂聯(lián)接 實驗目 標物體如插頭 螺栓 裝配物體等安裝在工作臺上 工作臺上有手爪鎖緊裝置 用以發(fā)射時固定手臂和手爪 該裝置還用于手爪的更換平臺 其機構如圖1 2 所 示 l t 電氣聯(lián)接插頭2 轉換模塊 3 信號處理如激光爵距傳感囂 5 手指模塊6 配置觸覺傳感器手指 7 柔順裝置8 徽型攝像機 圖1 2 日本智能手爪a r l 4 最近美國采用 一箭多星 的方式 從位于大西洋畔的肯尼迪航天中心將6 枚具有軍事用途的衛(wèi)星送入太空軌道 其中 兩顆名為 軌道快車 的小型衛(wèi)星 因其具有的獨特功能 引起了全球軍事觀察家們的關注 軌道快車 小型衛(wèi)星 具有高度自動化的機械手臂 初步具有替代航天員在太空完成太空維修作業(yè)的能 力 同時它安裝有機械手爪 可以在太空擄奪敵方衛(wèi)星 如圖1 3 所示 3 北京郵電大學頌l 二學位論文2 0 0 8 1 3 2 國內研究現狀 圖1 3 軌道快車 j 型衛(wèi)星 隨著我國科技水平的發(fā)展 我國在機器人手爪領域的研究工作也取得了舉世 注目的成績 哈工大與德國宇航中心合作研究的四指仿人型機器人手爪系統(tǒng)h 1 采用了模塊化設計技術 簡化了手部結構 減輕了手爪的體積 同時在手指處安 裝有力矩 溫度等傳感器 提高了機器手的智能性 此項成果達到了國內領先 國際先進的水平 如圖1 4 所示 圖1 4 哈工大與德國宇航中心研制的靈巧手 另外哈工大機器人研究所研制的 小型智能飛行機器人空間機械手系統(tǒng) 樣機已通過專家組驗收 如圖1 5 所示 該系統(tǒng)可在空間站搭建 衛(wèi)星故障修復 空間艙內科學實驗 深空探測等空間作業(yè)領域和核工業(yè)等危險作業(yè)領域環(huán)境方面 有較大的推廣應用價值 手爪設計為三手指夾持 四連桿驅動 是其具有強度高 夾持力大 快速閉合 捕獲范圍廣等特性 4 北京郵電人學碩二 學位論文2 0 0 8 圖1 5 哈工大小型智能飛行機器人至n g t 械手 由中科院合肥智能研究所為配合北京郵電大學研制空間機械手項目設計的 捕獲手爪如圖1 6 所示 該手爪兩指運動時對夾持塊形成一回轉平面上的空間包 絡 能有效防止捕獲目標的逃逸 隨著手指的轉動 包絡空間不斷縮小 利用手 指外形 指面形狀 夾持塊 手掌上的導向結構相配合 完成對微型目標器的定 位 手爪轉動由一帶減速器的力矩電機驅動 手爪轉動角度由霍耳元器件檢測 圖1 擊中科院合肥智能研究所設計手爪 北京郵電大學碩士學位論文2 0 0 8 1 4 本課題的研究內容 空間機器人捕獲手爪用來完成對空間目標物進行抓取 根據設計要求 本論 文主要研究內容主要集中在以下幾個方面 1 手爪的結構設計 手爪的結構設計是本課題重點研究的內容 主要包括結構設計方案分析 驅 動 傳動機構的選型與設計 2 手爪的結構仿真 完成手爪各零件的p r o e 三維立體設計 驗證機構設計方案的合理性 并對 各零件進行虛擬裝配 以檢測各零件組合的匹配關系 3 手爪的運動學與動力學分析 針對設計的空間機器人捕獲手爪 完成系統(tǒng)的運動學 動力學分析 推導出 各桿的速度 角速度 加速度表達式 以拉格朗日方程為基礎 建立該手爪系統(tǒng) 的動力學模型 并將該系統(tǒng)導入a d m o s 下仿真分析 為控制系統(tǒng)設計提供理 論依據 4 手爪控制系統(tǒng)的設計 分析手爪控制器的功能需求 制定出總體設計方案 完成控制器芯片選型 驅動電機參數設計 確定系統(tǒng)各功能模塊的劃分 完成主控單元 電源管理 驅 動電路 c a n 總線通信等模塊的硬件電路與接口電路設計 并根據硬件電路和 控制系統(tǒng)要求完成軟件設計 給定各模塊的軟件流程圖 5 手爪電模擬器系統(tǒng)的設計與性能測試 根據手爪控制功能的需求 制定出總體設計方案 完成手爪電模擬器硬件電 路與接口電路設計 完成系統(tǒng)的軟件設計 給定各模塊的軟件流程圖 并對所設 計電模擬器進行聯(lián)合測試 以驗證控制器性能 1 5 本課題的關鍵技術 空間機器人捕獲手爪的設計集機械設計 數學分析 電機控制 硬件設計 軟件編程為一體 在空間機器人捕獲手爪的設計中使用的關鍵技術如下 1 手爪的結構方案設計 為滿足空間捕獲任務要求 所設計的手爪結構必須具有牢固可靠 開合角度 大 閉合迅速的特點 本文提出以四桿機構作為手爪的本體 圓弧形臂桿作為手 指的新設計思想 因此 對該方案的設計與分析是手爪系統(tǒng)設計的基礎和首要任 務 6 北京郵電大學碩士學位論文2 0 0 8 2 手爪的動力學仿真 當手爪模型建立起來后需對其進行動力學分析 本文借助于動力學分析軟 件a d m o s 將p r o e 生成的模型導入其下 給模型設定約束參數和仿真環(huán)境 完成對系統(tǒng)的動力學仿真 其仿真結果可為控制系統(tǒng)的設計提供電機力矩參數 3 手爪的硬件設計 手爪工作環(huán)境特殊 又是各相任務的執(zhí)行終端 因此要求必須有穩(wěn)定 可 靠的硬件環(huán)境 經過論證選用d s pt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 芯片作用手爪的主處理芯片 穩(wěn)定的d s p 硬件和接口電路是手爪控制器研制的重要基礎 4 c a n 總線通信 手爪時時刻刻在跟機器人系統(tǒng)保持通信才能有效的完成任務 總線是手爪與 機器人進行數據交互的通道 所以設計可靠高效的通信也是關系到整個手爪正常 工作的關鍵 該手爪控制器設計為兩路冗余c a n 總線通信接口 一路d s p 自帶 的c a n 通信接口 一路s j a l o o o 外擴c a n 通信接口 當系統(tǒng)通信出現故障時 可自動切換 7 北京郵電大學碩十學位論文2 0 0 8 第二章空間機器人捕獲手爪的結構設計 2 1 捕獲目標參數及手爪設計要求 根據設計要求 4 捌 捕獲目標質量為8 0 k g 捕獲處為表面光滑 直徑5 0 m m 粗糙度為r a1 6 m m 長度大于1 0 0 r a m 的硬質圓柱把手 1 手爪結構設計要求 手爪的外形結構要緊湊 捕獲穩(wěn)定 抓取牢固 重量輕 在盡量用簡單易于 實現的結構實現所需要的功能 同時必須保證能可靠的工作 2 手爪精度設計要求 手爪可以在位置誤差 6 0 r a m 三軸 姿態(tài)誤差 1 0 三軸 的情況下可靠 地完成捕獲任務 最大開合時間4 s 指間夾持力大于1 0 n 指間形狀應滿足給 定目標的捕獲要求 手爪閉合完成目標抓取后 目標與手爪的相對位置和姿態(tài)必 須唯一確定 連接剛度高 3 手爪控制系統(tǒng)設計要求 手爪與中央控制器應性能穩(wěn)定 結構簡單 可靠性高 采用總線通信方式 推 薦采用c a n 總線 通信速率優(yōu)于5 0 0 k b p s 手爪在電機斷電后 對抓取目標采 用抱閘鎖定方式 另外手爪工作在太空失重 晝夜溫差大 維護困難的情況下 這從另一方面 要求其具有高可靠性 能迅速將目標捕獲 防止其逃逸 同時根據具體的捕獲目 標還要求其具有最簡單的結構 以便有利于發(fā)射升空 2 2 空間智能機器人捕獲手爪結構設計 在手爪的結構設計設計中 手指數目的設計是重要的一個環(huán)節(jié) 在太空失重 真空 溫差高的環(huán)境下 氣吸式和磁吸式將失去用場 手爪的設計一般采用機械 夾鉗式設計 根據對空間機器人手爪的研究 手爪的設計可分為兩指 3 5 指 其中兩指的設計多為回轉結構 通過繞支點的轉動來完成手爪的開合動作 3 5 指的多指手爪每個指頭又都有多個關節(jié)組成 根據每個關節(jié)的運動來實現對目標 物的夾緊 多指手爪一般完成抓獲比較小的物體 用手指內壁將目標物包絡 本空間機器人手爪是為了完成在太空捕獲任務而設計 具體捕獲目標為一圓 柱型把手 因此把手比較大 用多指多關節(jié)的手爪來實現抓取任務 手爪結構相 8 北京郵電大學碩士學位論文2 0 0 8 當復雜 龐大 固在此選用雙指回轉結構 將捕獲把手捕獲后收攏于預定位置即 可 2 2 l 手爪結構設計方案的確定 空間機器人在太空主要是完成對空間目標物的捕獲任務 在空間失重的情況 下 捕獲目標處于漂浮狀態(tài) 如未在捕獲范圍內迅速將其捕獲 有可能失去捕獲 機會 因此要去所設計的空間機器人捕獲手爪必須滿足開合角度大 閉合迅速 抓取穩(wěn)定的特點 根據以上設計要求 有以下設計方案 e s l 可供參考 方案一 如圖2 1 所示 該方案中手指由兩圓弧形臂桿構成組成 通過轉軸 固定在座架上 左右側各有一個 由轉軸的轉動帶動手爪的開合運動 該結構設 計簡單 易于加工 節(jié)省材料 同時圓弧形手指結構在捕獲過程中可以對捕獲目 標的運動方位進行合理的引導 但該結構抓取不穩(wěn)定 方案二 如圖2 1 所示 該方案手指由四桿機構組成 四桿機構末斷為9 0 圓 弧過度 通過四桿機構的轉動牽引手爪的開合 該結構運用四桿機構的開合角度 大 自由度為一 轉向穩(wěn)定的特點 但末端9 0 圓弧過度桿在捕獲過程中不易于 對捕獲目標進行運動方位引導 另外當捕獲目標進入手爪捕獲范圍內時容易造成 對手爪的碰撞 整個空間機器人在外力沖擊下易于出現故障 方案三 如圖2 1 所示 為改善上述兩種方案的缺點 在此提出第三種解決 方案 該方案綜合了四桿結構開合迅速 運動穩(wěn)定 自由度為一和圓弧形手指末 段的抓取平穩(wěn) 對系統(tǒng)沖擊力量小等多種優(yōu)點 通過以上對比 空間機器人捕獲手爪的設計選第三中方案 爵一 方案一 方案二方案三 圖2 1 機構設計方案比較圖 9 北京郵電大學碩十學位論文2 0 0 8 2 2 2 手爪四桿機構分析 空間機器人捕獲手爪由左爪和右爪組成 兩爪各參數相同 對稱安裝在箱體 兩側 手爪在開合運動過程中 轉角的大小和四桿機構各桿長之間的關系可通過 機構矢量理論怕3 推導得出 圖2 2 為手爪四桿機構原理圖 圖2 2 手爪四桿機構原理圖 其中a b 為主動桿 驅動桿 d c 為從動桿 a d 為固定支架 在此規(guī)定a b 和 x 的正向夾角為0 1 b c 和x 軸的正向夾角為色 c d 和x 軸的正向夾角為巴 e d 和x 軸的正向夾角以和b c 和x 軸的正向夾角島可用矢量法由各桿長表示 f 2 l 2 1 即f 2 一毛 l 一1 2 2 將等式 2 2 兩端各自點積得 乞 z 2 一 z 3 f 4 1 1 3 l 1 1 2 3 即z z l z 砰 2 v 4 c o s 0 3 2 3 c o s a 一b 一2 1 1 4 c o s 0 1 2 4 經整理可得 2 f 3 s i n o a s i n 0 3 2 3 f l c o s b 1 4 c o s 0 3 f 一f 一z 一f 復l c o s o 一0 2 5 令 a 2 1 1 3s i n o l 2 6 b 一2 3 f 1c o s 0 1 1 4 2 7 c 譬一哿一鬈一巧 2 1 4c o s o l 2 8 上式可簡化為 1 0 北京郵電人學碩 f 學位論文2 0 0 8 月s l l l 0 3 b c o s 以 c1 0 可解得 t a n 0 3 2 一以 爿2 b 2 一c 2 b c 根據安裝設計這里去取正號 即t a n 0 3 2 爿 4 2 b 2 一c 2 i 口一c 同理可得 厶 i 2 一 譬t 砰 z t l 2 1 l f 2 c o s 0 0 1 2 l l l c o s q 2 1 2 t c o s o 經整理可得 2 9 2 1 0 2 1 1 2 1 2 2 1 3 刀l 2 s i n e l s i n 0 2 2 1 f 2c o s 0 1 2 1 d 4 c o s 0 2 砰 1 2 f 一f 2 t l l 4 c o s o 一0 2 1 4 令 di 2 1 l t 2s i n o 2 1 5 e i 笤l z 2 c d s 島一2 2 1 4 2 1 6 f t f 譬 1 4 2 一譬一2 1 x 1 4c o s s t 2 1 7 則 d s i n 0 2 e c o s 0 2 f 1 0 t a n o 2 d 土歷 麗舾一 根據安裝要求這里也去正號 2 1 8 2 1 9 即t 柚c o 2 i d 4 0 2 e 2 一f 2 e 一 2 2 0 由以上分析可知 當四桿機構各桿長和o l 角度已知的情況下 可以把吼 以解 出來 且解是唯一解 在手爪運動過程中 電機驅動桿a b 轉動 即o l 為給定值 則以 氓都唯一確定 進而在知道四桿長度的情況下四桿機構各桿的位置關系 唯一確定 設計手爪安裝時兩固定點 a d 問的連線與水平線間的夾角為1 5 這樣在 手爪開合運動過程中轉角色轉過的相對角度較小 有利于手爪的快速閉合 圖 2 3 為手爪的平面安裝示意圖 圖2 3 手爪安裝平面示意圖 北京郵電犬學碩上學位論文2 0 0 8 2 2 3 手爪四桿機構長度參數的設計 在手爪結構設計中 四桿機構長度的確定是最重要 也是本課題涉及的難點 在確定手爪四桿機構各桿桿長時可根據上節(jié)推導出的角度和桿長的關系公式反 推出桿長和角度間關系 由式子 2 1 3 可解得 s 毋3 一c o s o 1 c o s a 3 一c o s 0 2 2 一 c o s o 3 c o s q 2 c o s 0 2 3 一c o s 1 1 c o s 0 一吼3 一c o s e 2 2 一q 2 c 0 嗥3 一c o s q l c o s 么一b 3 一c o s 幌l a 1 細唱3 c o s o 1 2 2 2 1 z 14 cosoi3 cosonxcos023 cos022 cos01 cosot2 cos023 coson 2 c o s 0 2 3 一b 3 一c o s 0 2 1 一吼1 s 臼2 3 一c o s o 一i c o s 一q 3 一c o s 女9 2 2 一只2 c o s 日為一c o s 6 2 1 屑i 萬面寫聶j 石習萬而i 面面 2 2 2 2 2 3 式中純?yōu)閎 在第j 中狀態(tài)下的角度值 根據空間機器人手爪設計要求 在 此取四桿機構的固定桿a d 即l 為5 5 r a m 欲求得其它三桿的長度 只要給定三 個捕獲狀態(tài)的島 島 的值便可 在此給定手爪的三個捕獲狀態(tài)分別為狀態(tài)一 手爪完全張開 狀態(tài)二 手爪將捕獲目標夾緊 狀態(tài)三 手爪理論上完全閉合 根據手爪的安裝設計 給定以下三種狀態(tài)數據 狀態(tài)一 當手爪完全張開時給定 只 一一1 5 0 2 6 0 狀態(tài)二 當手爪將捕獲目標加緊時給定 最 1 5 民 1 3 5 狀態(tài)三 當手爪手爪理論上完全閉合時給定 幺 3 0 如 1 6 5 其分別對應圖2 4 三種狀態(tài) 一弦 手爪張開目標抓取手爪閉合 圖2 4 手爪狀態(tài)平面示意圖 把以上數據帶入式 2 2 1 2 2 2 和 2 2 3 經計算可得 l l t 9 2 2 4 z 2a5 9 8 5 1 3 6 9 8 5 可以看出上面得到的長度近似為兩位小數 為使加工方便 在此對它們取整 取 則四桿機構各桿長為 l l 一9 0 z 2 6 0 1 3 7 0 1 4t5 5 由于桿長的取整 必然 導致在上述三種狀態(tài)時吃的實際值與先前設定值不同 下面要對其修正 取 1 2 北京郵電大學碩士學位論文2 8 島l 一 1 5 0 盤 1 3 5 0 2 3 1 6 5 同時由式 2 1 4 復1 f 2 s i n 0 2 s i n o 2 厶z 2 c o s 0 2 2 1 4 c o s 0 1 z z 日一礙一刃 4 c o s 0 2 0 2 2 4 令 x 一4 f 2s i n 0 2 yt 刀l 2c o s 0 2 2 l 4 z 一彳 f f 一f 一2 2 f 4c o s 0 2 則式 2 2 4 可簡化為 x s i n 0 1 y c o s 0 1 z 一0 2 2 5 解得 t a n 0 1 2 a x x 2 y 2 一z2 z y 2 2 6 n x y z 皆為 j l l 吼的函數 故當 z 屯 l 吼已知 時根據式可反解出0 1 的值 根據安裝設計此處取負號 結合式 2 2 0 和式 2 2 6 可解得 o n1 5 7 0 6 7 吼2 1 7 2 1 3 0 0 5 6 如圖2 2 所示 根據捕獲目標物的大小 給定 長度為1 0 0 m m 的直桿 e f 為 半徑1 0 0 m m 圓弧 角度為9 0 便可在軟件中模擬該手爪的捕獲范圍 圖2 5 為 在v b 界面程序下模擬手爪在給定四桿機構桿長和角度位姿情況下手爪運動軌 跡模擬 7 1 由模擬圖可以看出在給定角度內手爪開合過程中不存在死角 轉動靈 活自如 符合設計要求 圖2 5 手爪捕獲包絡空間示意圖 北京郵電人學碩士學位論文2 0 0 8 2 3 空間機器人捕獲手爪驅動機構的設計 2 3 1 間機器人捕獲手爪捕獲時靜力學分析 根據設計要求 手爪在捕獲目標物后處于抱緊捕獲目標狀態(tài) 且捕獲時指 白j 夾持力大于1 0 n 如下圖所示 根據各力之間的矢量關系 可得到如下表達式 e es i n 0 2 一島 2 2 7 e e c o s 0 2 一只 2 2 8 昂 墨c o s 0 o 9 0 2 2 9 圖2 6 手爪捕獲靜力分析圖 推導解得 昂 墨蘭型墮 型 罵要業(yè) 最 c t 鋤魄一0 3 c o s 幌一b 一蚶 2 3 0 s i n 0 2 一幺 一 17 根據上節(jié)手爪各角度設定 捕獲時島一1 5 0 時 o l 3 2 2 1 o z 一1 1 4 4 2 當 手爪閉合時 兩爪和捕獲目標問的夾持力e2 1 0 n 帶式 2 3 0 可解得 e o 苫1 2 3 7 n 2 3 2 減速機構的選擇 減速機構用來把電機的運動傳遞到傳動機構 該手爪對減速機構有以下幾項 基本要求 1 結構緊湊 即具有相同的傳動功率和減速比時體積小 重量輕 2 機械剛度大 即由驅動器的輸出軸到桿件的轉軸在相同的扭矩時角度變形要小 這樣可以提高整機的固有領率 并大大減輕整機的低頻振動 3 回差小 即由 正轉到反轉時空行程要小 這樣可以得到較高的位置控制精度 4 壽命長 價 格低 下面介紹幾種機器人常用的減速機構 1 絲杠傳動 1 4 北京郵電大學碩士學位論文2 0 0 8 絲杠傳動有滑動式滾珠式和靜壓式等機器人傳動用的絲杠具備結構緊湊間 隙小和傳動效率高等特點其中最常用的為滾珠絲杠 滾珠絲杠的絲杠和螺母之間 裝了很多鋼球絲杠或螺母 運動時鋼球不斷循環(huán)運動得以傳遞因此即使絲杠的導 程角很小也能得到9 0 以上的傳動效率 2 蝸桿傳動 蝸桿傳動由蝸桿蝸輪組成用來傳遞兩交錯軸之間的運動和動力軸線交角通 常為9 0 蝸桿傳動具有如下特性 傳動平穩(wěn) 傳動比大 效率較低 必要時可 設計成具有自鎖性能 不宜傳遞很大功率 一般小于6 0 k w 最大7 5 0 k w 和不宜作 長期持續(xù)運轉 蝸桿傳動經常被用在機器人關節(jié)處需要自鎖的地方 3 諧波減速器 諧波減速是利用一個構件的可控制的彈性變形來實現機械運動的傳遞 諧波 減速器通常由三個基本構件 俗稱三大件 組成 波發(fā)生器 柔輪 剛輪 諧波發(fā)生器通常采用凸輪或偏心安裝的軸承構成 剛輪為剛性齒輪 柔輪為 能產生彈性變形的齒輪 當諧波發(fā)生器年旋轉時 產生的機械力時柔輪變形的過 程形成了一條基本對稱的和諧曲線 發(fā)生器波數表示發(fā)生器轉一周時 柔輪某一 點變形的循環(huán)次數 其工作原理是 當諧波發(fā)生器在柔輪內旋轉時 迫使柔輪發(fā) 生變形 同時進入或退出剛輪的齒間 在發(fā)生器的短軸方向 剛輪與柔輪的齒間 處于嚙入或嚙出的過程 這種錯齒運動把輸入運動變?yōu)檩敵龅臏p速運動 與一般齒輪傳動相比 諧波傳動有如下主要特點 1 傳動比大 單級傳動 比可為5 0 3 0 0 雙級傳動比可達1 0 6 2 傳動平穩(wěn) 承載能力高 在傳動時 同時參與嚙合的齒數多 故傳動平穩(wěn) 承載能力高 傳遞單位扭矩的體積和重量 小 在相同的工作條件下 體積可減小2 0 一5 0 3 齒面磨損小而均勻 傳動 效率高 若正確選擇嚙合參數 則齒面的相對滑動速度很低 因此磨損小 效率 高 當結構合理 潤滑良好時 對i 1 0 0 的傳動效率可達0 8 5 對i 7 5 的傳動 效率可達0 9 2 傳動效率隨著扭矩的增加而增加 而當傳遞的扭矩比額定值小 于2 0 時 效率很快降低 4 傳動精度商 在制造精度相同的情況下 諧波傳 動的精度可比普通齒輪傳動高一級 若齒面經過很好的研磨 則諧波齒輪傳動的 傳動精度要比普通齒輪傳動高4 倍 5 回差小 精密諧波傳動回差一般可小于3 7 17 甚至可以實現無回差傳動 6 可以通過密封壁傳遞運動 當采用長杯 式柔輪固定傳動時 可實現向密封箱內傳遞運動 這是其他傳動機構很難實現的 硝皆波傳動不能獲得中間輸出 并且杯式柔輪剛度較低 4 行星齒輪減速器 由于電動機是高轉速 小力矩的驅動器 而機器人通常卻要求低轉速 大力 矩 因此 常用行星齒輪機構減速器來完成速度和力矩的變換與調節(jié) 行星齒輪 1 5 北京郵電人學碩士學位論文2 0 0 8 傳動是一種具有動軸線的齒輪傳動 可用于減速和差動裝置 行星齒輪傳動和圓 柱齒輪傳動相比具有質量輕 體積小 傳動比大 效率高等優(yōu)點 缺點是結構復 雜 精度要求較高 行星齒輪傳動不僅可做定傳動比傳動 減速器 也可做為 速度合成或分解的裝置 差速器 應用日益廣泛 通過以上比較可以看出諧波減速器的減速效果要遠比其他三種效果好 固在 此選擇諧波減速器作為減速機構 設減速比為i 手爪閉合時整個過程中主動桿轉過4 5 0 5 擬采用電機的轉 速為2 0 0 轉 分 則有以下表達式 2 0 0 旦 4 3 6 0 6 4 5 0 5 f 解得i 一1 0 6 5 故可選取x b 4 0 單級諧波傳動減速器組件 1 5 n m 諧波減速器采用固體潤滑方式 2 3 3 電機的選擇 2 3 1 減速比i 為1 0 0 額定輸出扭矩 機械手要在太空工作 通過安裝在衛(wèi)星上的太陽能帆板直流電源比較容易獲 得 所以采用直流伺服系統(tǒng)1 8 9 1 常用的直流驅動元件有步進電機 力矩電機 直流有刷伺服電機 無刷直流伺服電機等 步進電機是一種將電脈沖信號轉換成角位移或線位移的機電元件 它的輸入 量是脈沖序列 輸出量則為相應的增量位移或步進運動 它每轉一周具有固定的 步數 作連續(xù)步進運動時 其旋轉轉速與輸入脈沖的頻率保持嚴格的對應關系 不受電壓波動和負載變化的影響 可以在很寬范圍內通過改變脈沖頻率來調速 能夠快速起動 反轉和制動 通常不需要反饋就能進行精確控制 誤差不會積累 其控制系統(tǒng)結構簡單 與數字設備兼容 因此 步進電機被廣泛應用于一些開環(huán) 控制系統(tǒng)中 如簡易數控機床 送料機構 儀器 儀表等領域 直流力矩電機 這是因為直流力矩電機具有優(yōu)良的速度控制性能具有較大的 轉矩 以克服傳動裝置的摩擦轉矩和負載轉矩 調速范圍寬 且運行速度平穩(wěn) 具有快速響應能力 可以適應復雜的速度變化 電機的負載特性硬 有較大的過 載能力 確保運行速度不受負載沖擊的影響 直流有刷電機控制方便 響應速度快 輸出轉矩大 并且線性性能較好 有 比較好的機械特性和調節(jié)特性 并且控制電壓的大小和極性改變時 電機的轉速 和方向也能迅速改變 可以在很大范圍內簡單而平滑地調速 本課題驅動裝置采用無刷直流電機 無刷直流電機具有直流有刷電機的各項 優(yōu)點 但無刷直流電機沒有碳刷與換向器 改用由轉子位置控制的換向電路 轉 1 6 北京郵電大學碩 學位論文2 0 0 8 子為永磁體 所以沒有激磁損耗的問題 綜合效率高 并且電機可以做成密閉型 或防塵防爆型等結構 機械特性和調節(jié)特性的線性度好 調速范圍廣 壽命長 維護方便噪聲小 不存在因電刷而引起的一系列問題 所以很適合應用于控制系 統(tǒng)中 1 電機輸出轉矩計算 根據對四桿機構抓取力要求計算減速器的輸出轉矩 機械手的抓取力要大于 1 0 n 根據之前對四桿機構的力分析 左右手指的輸入力要大于1 2 3 7 n 設減速 器的輸出轉矩為r 則 t 一2 x 彤l 2 3 2 解得z 一2 2 3 所選電機應該滿足下面的要求 z l0 l 叼 2 3 3 r 為諧波減速器輸出功率 i 為諧波 叩為諧波減速器的傳動效率 r 取8 5 則電機的轉矩 則 r z 三 旦 0 0 2 6 2 n m n z l l f 叩 1 0 0 0 8 5 2 電機輸出轉速計算 根據機械手的最大開合時間小于4 s 的指標要求 并根據諧波減速器的減速 比 確定出電機的輸出轉速 所選用的x b 4 0 單級諧波減速器減速比為1 0 0 手 爪從張開到捕獲時所轉角度為4 5 0 5 故 n ox 3 6 0 x 4 4 5 0 5 2 3 4 1 0 0 6 0 解得 o1 8 7 7 r p m 3 電機輸出功率計算 電機功率公式為 p k t o n 2 3 5 瓦為電機輸出轉矩 七為安全系數 為電機輸出轉速 弧度 秒 將以上 參數帶入式 2 3 4 得 p 1 1 x 0 0 2 6 2 x 1 8 7 7 x 2 6 0 一0 5 7 w 1 7 北京郵電大學碩士學位論文2 0 0 8 2 4 空間機器人捕獲手爪傳動機構設計 2 4 1 傳動方案的選擇 機械手的傳動方案就是為了實現機械手所需完成的動作而采取傳動類型 它 是設計機械手時所應考慮的最重要的特征 在具體設計該機械手運動方案時 可 以先從分析機械手特定的作業(yè)環(huán)境入手 考慮常用的機構形式 然后綜合 得出 幾種可行性實現方案 最后進行比較 篩選出最好的方案 傳動機構根據結構和原理的不同 分為機械傳動 液壓傳動和氣壓傳動機構 等 在太空失去重力 白晝溫差大 輻射強烈的環(huán)境下液壓 氣壓傳動性能會明 顯低于在地球上的性能 固我們重點考慮機械傳動機構 機械傳動機構是用于傳遞末端執(zhí)行裝置的能量 改變運動范圍 速度 方向 和轉矩的機構 常用有齒輪減速機構 滾珠絲杠等進給機構 齒輪齒條機構 帶 傳動機構 連桿傳動機構等 1 絲杠傳動 絲杠傳動主要是一種將螺旋回轉運動轉變?yōu)橹本€運動 同時傳遞能量和力或 者調整零件位置的傳動形式 按螺紋副摩擦性質的不同 絲杠傳動可以分為滑動 絲杠 滾動絲杠和靜壓絲杠三種形式 由于滑動螺旋傳動的接觸面存在著較大的 滑動摩擦阻力 故其傳動效率低 一般為3 0 4 0 磨損快 精度不高 使用壽 命短 滾珠螺旋傳動則是為了適應高速度和高位置精度的機械傳動要求而發(fā)展起 來的一種新型傳動機構 滾動傳動與滑動傳動相比摩擦力要小的多 其機械效率 可以達到9 0 以上 但結構較復雜 靜壓螺旋傳動摩擦阻力極小 傳動效率可達 9 9 但結構復雜 成本高 2 同步齒形帶與帶傳動 同步齒形帶 帶齒的皮帶 v 形帶 三角皮帶 平行帶 鏈 連桿等機構都 是長距離傳遞運動的機構 同步齒形帶兼有帶傳動 齒輪傳動及鏈傳動的優(yōu)點 能方便地實現較遠中心距的傳動 傳動過程無相對滑動 它與v 型帶相比不需 要很大的張緊 剛度更好 因為有齒的嚙合 所以傳動效率較高 鏈傳動機構在 長距離傳動中有較高的剛度 但傳動比不穩(wěn)定 且在高速運轉時存在振動噪音問 題 3 齒輪傳動 齒輪傳動是機械傳動中應用最為廣泛