輕型臂的結構設計

1、第1章輕型臂的結構設計1.1引言本章將從用戶的設計指標出發(fā)，首先確定輕型臂的構型及基本桿件參數；然后，結合緒論中當前輕型臂結構設計的特點，提出輕型臂的結構方案；在此基礎上，設計輕型臂的關節(jié)驅動器和傳動裝置，對輕型臂的關鍵結構件進行強度分析。1.2輕型臂的設計指標本文的預期目標是研制一款可折疊的輕型機械臂、手爪系統(tǒng)原理樣機。表15是用戶提出的設計指標，它是本文輕型臂結構設計的主要依據。表21用戶設計指標Tab.21Customer’sde

2、signindex指標分類指標項目具體要求構型自由度數目4個臂桿2個尺寸完全伸展長度約1.5m可達工作空間以基座為中心，半徑約1.5m的14球體精度重復定位精度小于4mm重量輕型臂重量不超過10kg手爪重量不超過0.5Kg末端負載大于2kg功率整機功率不超過55W1.3輕型臂的構型選擇根據設計要求，輕型臂具有四個自由度。對于串聯(lián)的運動連桿，關節(jié)的數目等于要求的自由度數目，所以本文的輕型臂需要四個關節(jié)。對于大多數n(n≤6)自由度的機械臂

3、，都是由最后的n3個關節(jié)確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)，且他們的軸線相交于腕關節(jié)原點，而前面的3個關節(jié)用于確定腕關節(jié)原點的位置。采用這種方法設計的機械臂，可以認為是由定位機構及其后部串聯(lián)的定向結構或手腕組成的。根據機器人學中的知識，可以知道這類機械臂具有封閉的運動學解。另外，定位結構無一例外的采用這樣一種簡單的運動學構型：連桿轉角為0或者90，連桿長度不同，但連桿偏距都為0。按照前三個關節(jié)（定位機構）的設計形式，通常有以下類型的機械臂：笛卡爾型機

4、械臂，圓柱坐標型機械臂，球面坐標型機械臂，SCARA型機械臂，關節(jié)型機械臂等。結合設計指標中對輕型臂的運動空間的要求，可以選擇球面坐標型機械臂和關節(jié)型機械臂。比較球面坐標型機械臂和關節(jié)型機械臂，球面坐標型機械臂的前三個關節(jié)運動形式為：轉動—轉動—移動，而關節(jié)型機械臂的前三個關節(jié)運動形式為：轉動—轉動—轉動。設計人員發(fā)現(xiàn)，對于同樣尺寸的轉動關節(jié)和移動關節(jié)，轉動關節(jié)所實現(xiàn)的運動空間要遠大于移動關節(jié)?？紤]圖21輕型臂構型Fig.21Confi

5、guration圖24輕型臂幾何模型Fig.24GeometricalmodelofLWR在基座坐標系0000oxyz中，手爪末端點的位置為22323423412232342341223234234234(ccc)c(ccc)sXLLLYLLLZLsLsLsR??????????????????????(22)式(22)中：1?為大臂旋轉角度，2?為大臂俯仰角度，3?為小臂俯仰角度，4?為末端手爪俯仰角度，R為手爪的姿態(tài)。對式(22)求

6、導，可得12232342341122323423421323423431423441223234234112232342342132342343142344s()c()c()c()()()(XLcLcLcLsLsLsLsLsLsYcLcLcLcsLsLsLssLsLssLsZL?????????????????????????????????????????????????????????????????2232342342323423

7、4342344234)()cLcLcLcLcLcR??????????????????????????????????????(23)根據雅克比矩陣的定義[31]，XJ????得到，該四自由度輕型臂的雅克比矩陣。111121314221222324313233343414243444XJJJJJJJJYJJJJZJJJJR?????????????????????????????????????????????????????(24)式