一種機(jī)器人末端工具快換裝置的設(shè)計分析

廖堃宇，劉滿祿，張俊俊，張 華

(西南科技大學(xué), 四川 綿陽 621010)

0 引 言

國際機(jī)器人聯(lián)合會(International Federation ofRobotics，IFR)將應(yīng)用于特殊環(huán)境的機(jī)器人稱為特種機(jī)器人[1]。特種機(jī)器人的研究工作圍繞在核環(huán)境、海洋工程、太空、軍事應(yīng)用展開[2]。特種機(jī)器人作業(yè)環(huán)境危險，所執(zhí)行的任務(wù)通常具有多樣性，任務(wù)目標(biāo)的質(zhì)量、形狀和尺寸不盡相同。因此，僅使用單一的末端工具很難滿足復(fù)雜的任務(wù)要求。最好的解決辦法就是為機(jī)器人配備末端工具快速更換裝置與工具庫，使機(jī)器人能夠根據(jù)作業(yè)任務(wù)實際需要更換末端工具，提高機(jī)器人的作業(yè)能力與作業(yè)效率[3]。

國內(nèi)外都對快換裝置進(jìn)行了一定的研究。文獻(xiàn)[4]設(shè)計了一種用于焊接機(jī)器人的快換裝置，通過氣動的方式完成末端工具的切換，但其密封性要求很高。荷蘭為歐空局設(shè)計了一種小型快換裝置，其需要很高的定位精度[5]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在國內(nèi)對快換裝置的研究比較多，主要針對太空環(huán)境，為了給末端工具提供轉(zhuǎn)矩，使得快換裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化[6-9]。在前期設(shè)計工作中已經(jīng)完成了一種螺母快換機(jī)構(gòu)，其不能讓機(jī)械臂與末端工具實現(xiàn)電氣連接，且驅(qū)動機(jī)構(gòu)體積很大[10]。

針對以上問題，優(yōu)化設(shè)計了一種機(jī)器人末端工具快換裝置，該裝置具有位姿容差能力，能承受大載荷，不僅可以實現(xiàn)機(jī)械臂與末端工具的機(jī)械連接，同時可以實現(xiàn)兩者的電氣連接。

1 總體方案

1.1 工作原理

如圖1所示，末端工具快換裝置主要分為兩部分，一部分為機(jī)械臂端，另一部分為工具端，機(jī)械臂端連接在機(jī)械臂上，工具端連接在末端工具上?？鞊Q裝置的機(jī)械臂端與工具端能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械上的連接與斷開。通過這兩者的連接與斷開，完成機(jī)械臂與末端工具的連接與斷開。

圖1 快換裝置工作原理

1.2 技術(shù)要求

設(shè)計的快換裝置應(yīng)用于遙操作拆除機(jī)器人，基于以上快換裝置的工作方式，對快換裝置提出以下要求：

(1) 大載荷 所設(shè)計的快換裝置承載的末端工具質(zhì)量大或承載的末端工具需要抓取較大質(zhì)量的物體，所以該快換裝置要求能夠承受大載荷，其最大載荷為50 kg。

(2) 體積小、重量輕 機(jī)械臂能承受的載荷有限且不能限制機(jī)器人的作業(yè)空間，需要快換裝置的最大直徑小于160 mm，高度小于200 mm，重量小于10 kg。

(3) 位姿容差 機(jī)械臂與工具庫上的末端工具的位置對準(zhǔn)時會有一定的誤差，需要快換裝置的機(jī)械臂端與工具端在對接的過程中能進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

(4) 電氣連接 機(jī)器人要控制末端工具工作需要向末端工具傳遞電流、電壓、通信等信號。

(5) 故障保護(hù)功能 快換裝置需要驅(qū)動裝置完成機(jī)械臂與末端工具的鎖緊與斷開，當(dāng)驅(qū)動裝置故障時，機(jī)械臂與末端工具不能斷開連接，需要繼續(xù)保持鎖緊狀態(tài)。

2 機(jī)械設(shè)計方案

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

如圖2所示，快換裝置主要由驅(qū)動機(jī)構(gòu)、切換機(jī)構(gòu)、鎖緊機(jī)構(gòu)、容差機(jī)構(gòu)組成。

圖2 快換裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)1.電機(jī) 2.齒輪 3.鎖緊殼 4.壓簧 5.錐形槽 6.鋼珠球 7.鎖緊槽 8.工具端 9.定位軸 10.電連接器 11.機(jī)械端主體 12.鉸鏈座 13.連桿 14.曲柄

驅(qū)動機(jī)構(gòu)采用電機(jī)驅(qū)動，齒輪傳動。兩個齒數(shù)相同、模數(shù)相同的齒輪對稱分布并且嚙合。由電機(jī)帶動其中一個齒輪轉(zhuǎn)動，再由該齒輪帶動另外一個齒輪轉(zhuǎn)動，兩個齒輪再帶動切換機(jī)構(gòu)運(yùn)動。

切換機(jī)構(gòu)由兩個對稱分布的轉(zhuǎn)桿滑塊機(jī)構(gòu)組成，兩個轉(zhuǎn)桿通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)的齒輪帶動轉(zhuǎn)動，由此通過連桿推動鎖緊殼直線運(yùn)動。鎖緊殼下的壓簧用于支撐與復(fù)位，鎖緊殼上下部位分別安裝了限位裝置。

鎖緊機(jī)構(gòu)采用鋼珠球鎖緊的方式，由8個徑向均勻分布的鋼珠球、鎖緊殼、機(jī)械臂端主體上的鋼珠球孔和工具端上的鎖緊槽組成。

容差機(jī)構(gòu)由兩個定位軸與工具端上的錐形孔組成，定位軸前端為半球形。對接時，只要定位軸落入錐形孔內(nèi)，就可以通過錐形孔導(dǎo)向，使定位軸逐漸進(jìn)入錐形孔。

2.2 對接方案

換裝時，快換裝置的工作流程如圖3。

圖3 換裝過程

首先機(jī)械臂與所要更換的末端工具對準(zhǔn)，但存在一定的誤差(誤差在一定范圍內(nèi))，如圖3(a)所示。

控制快換裝置內(nèi)的電機(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)帶動兩個齒輪轉(zhuǎn)動，再帶動兩個轉(zhuǎn)桿滑塊機(jī)構(gòu)工作，推動鎖緊殼向下直線運(yùn)動，直到鎖緊殼與下限位裝置接觸。此時，鋼珠球與鎖緊殼上的錐形槽對準(zhǔn)，鋼珠球處于自由狀態(tài)，如圖3(b)所示。

控制快換裝置內(nèi)的電機(jī)反向轉(zhuǎn)動，鎖緊殼向上運(yùn)動，錐形槽推動鋼珠球進(jìn)入鎖緊槽，鎖緊殼繼續(xù)向上運(yùn)動，直到與上限位裝置接觸，錐形槽與鋼珠球完全錯開，鋼珠球被鎖緊殼擠入鎖緊槽內(nèi)，完成z軸向方向自由度的限位，快換裝置完成鎖緊，如圖3(e)。

3 切換機(jī)構(gòu)分析

圖4 切換機(jī)構(gòu)簡圖

轉(zhuǎn)桿滑塊機(jī)構(gòu)為多剛體系統(tǒng)，其位置坐標(biāo)陣為：

約束方程為：

坐標(biāo)數(shù)為9，約束方程數(shù)為8，則系統(tǒng)自由度為1。引入拉格朗日乘子陣：

約束方程的雅克比為：

Φq=

加速度約束方程的右項式為：

增廣主動力陣為：

Fa= (0 -m1gM0 -m2g 0 0

F-m3g 0)T

增廣質(zhì)量陣為：

m= diag (m1 m1 J1 m2 m2 J2

m3m3J3)

則其動力學(xué)方程為：

4 鎖緊機(jī)構(gòu)仿真分析

使用動力學(xué)仿真軟件Adams對鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。在三維軟件中先將已經(jīng)建好的快換裝置的三維模型簡化，然后將其導(dǎo)入到Adams中。在Adams中定義零件的屬性，在各個零件之間添加約束，如圖5所示。

圖5 快換裝置仿真模型

該模型主要分為鎖緊殼、機(jī)械端主體、工具端、8個鋼珠球。在機(jī)械端主體與大地之間定義一個固定副，機(jī)械端主體與鎖緊殼之間定義移動副與接觸約束，機(jī)械端主體與工具端之間也定義移動副與接觸約束，兩個移動副都是沿z軸方向。工具端、機(jī)械端主體、鎖緊殼分別與8個鋼珠球定義接觸約束。定義重力方向沿機(jī)械端主體的軸向指向工具端。在鎖緊殼上添加力F，該力在0～5 s內(nèi)方向向上、大小不變，即壓簧與切換機(jī)構(gòu)在鎖緊時對鎖緊殼的力；在5～10 s內(nèi)該力逐漸減小至一定值，此時該力方向向下，即切換機(jī)構(gòu)在對鎖緊殼的推力的結(jié)果；10～15 s內(nèi)該力保持減小到的定值不變，即快換裝置解鎖時的狀態(tài)。

由此可以得到快換裝置鎖緊與斷開的過程，如圖6所示。

圖6 快換裝置的鎖緊與斷開過程

同時又可以得到鎖緊殼在z軸方向受到的力、工具端對鋼珠球三個坐標(biāo)軸方向的力以及鎖緊殼對鋼珠球三個坐標(biāo)軸方向的力，取在快換裝置y軸上的兩個鋼珠球做對比，其中鋼珠球1在y軸正方向，鋼珠球2在y軸負(fù)方向，如圖7所示。

由以上仿真結(jié)果可以看出，在0～5 s時，機(jī)構(gòu)處于鎖緊狀態(tài)，鋼珠球以及鎖緊殼受力保持穩(wěn)定；從5 s開始，鎖緊殼的受力發(fā)生變化，但鎖緊殼向下運(yùn)動需要一定的時間，鋼珠球受力仍然保持穩(wěn)定；13 s以后，鎖緊殼接觸到機(jī)械端主體的下限位裝置，發(fā)生碰撞，鎖緊殼受力產(chǎn)生一定的波動，此時，鋼珠球孔與鎖緊槽對準(zhǔn)，鋼珠球進(jìn)入鎖緊槽，鎖緊狀態(tài)解除，工具端因重力掉下，鋼珠球受工具端的力為0，受到鎖緊殼的力也趨于0。

鎖緊殼對兩個分別在y軸正負(fù)方向的鋼珠球在y軸上的力大小相等，方向相反，說明鎖緊殼受到兩個鋼珠球的力能達(dá)到平衡。鎖緊殼對鋼珠球在z軸上的力方向向下，但大小趨近于0，說明鋼珠球受到的滾動摩擦力非常小。

綜上所述，快換裝置的鎖緊機(jī)構(gòu)能滿足預(yù)期的要求，能夠完成快換裝置對末端工具的鎖緊與斷開。

(a) 工具端對鋼珠球1、2的力

(b)鎖緊殼對鋼珠球1、2的力

(c)鎖緊殼沿z軸方向的力圖7 鎖緊機(jī)械的仿真結(jié)果

5 結(jié) 論

設(shè)計了一種機(jī)器人末端工具快換裝置，針對特殊環(huán)境機(jī)器人的要求，使其具有大載荷、體積小、重量輕、位姿容差、電氣連接、故障保護(hù)的特點(diǎn)。闡述了該快換裝置的機(jī)械機(jī)構(gòu)及對接方案。對其切換機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動力學(xué)建模，通過Adams對其鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析。通過仿真結(jié)果的分析，證明了該快換裝置能夠完成鎖緊與斷開功能，為快換裝置的后續(xù)研究及優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

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