一種六自由度機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計

陳珂，馮卓群，楊俊，胡亮，王一波，傅宇文

(1. 上海航天控制技術(shù)研究所，上海 201101； 2. 中國航天科技集團公司 紅外探測技術(shù)研發(fā)中心，上海 201101； 3. 南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 210016)

0 引言

伴隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化水平的不斷提高，機械手在批量化生產(chǎn)中逐步發(fā)揮著不可替代的作用。當(dāng)武器裝備還處在預(yù)研階段時，生產(chǎn)制造的目的只是去驗證理論設(shè)計的合理性，所以此階段對產(chǎn)量的要求并不高，但是當(dāng)產(chǎn)品進入批產(chǎn)階段，產(chǎn)品的需求量則會在短時間內(nèi)成百倍甚至千倍的暴增。產(chǎn)量的增加會帶來一些問題：第一，當(dāng)產(chǎn)品還處于研制階段的時候，裝調(diào)人員十分有限，但是這部分裝調(diào)人員往往具有不可替代的特點，且在短期內(nèi)培養(yǎng)出類似的人才可能性較小。如果在產(chǎn)品沒有正式批產(chǎn)前儲備相應(yīng)人才，又需要付出相應(yīng)的人力物力，這其中不可控因素太多，風(fēng)險太大。第二，同一批次的產(chǎn)品，由不同的裝調(diào)人員裝配出來，其各方面性能可能會有所差異，難以把控。第三，某型號的裝調(diào)人員往往只是對本型號的產(chǎn)品熟悉，若是調(diào)換到其他型號生產(chǎn)線上，往往需要較長的適應(yīng)期。基于以上3點原因，著手設(shè)計一款機械手，以便于在裝備批產(chǎn)這一重復(fù)性要求較大的生產(chǎn)過程中完成抓取、運輸、裝配等一系列動作[1]。

1 六自由度機械手的理論基礎(chǔ)及模型設(shè)計

1.1 六自由度機械手設(shè)計

首先從工作范圍、占據(jù)空間等因素對幾種典型機械手的構(gòu)型進行了比較，其中R表示轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，P表示移動關(guān)節(jié)，如表1所示。在綜合考慮了機械手的工作空間大小、定位精度、自身所占用空間以及實際工況等因素，決定選用關(guān)節(jié)配置為RRR型機械手構(gòu)型。

表1 經(jīng)典機械手結(jié)構(gòu)

一般情況下，六自由度串聯(lián)機械手的運動學(xué)逆解都沒有封閉解，若想存在封閉解，則需要滿足Pieper準則[1-2]：

1) 3個相鄰關(guān)節(jié)中心線相互平行；

2) 3個相鄰關(guān)節(jié)中心線交于一點。

六自由度機械手主要是由關(guān)節(jié)、連桿、基座等部分組成。為保證足夠的裝配精度，機械手各關(guān)節(jié)采用超聲電機驅(qū)動，共配置6臺電機。各關(guān)節(jié)部分采用模塊化關(guān)節(jié)設(shè)計，將電機、減速器、傳感器合為一體，方便后續(xù)的更換和維修，按照關(guān)節(jié)的負載大小，將機械手的關(guān)節(jié)分為兩部分，即大負載關(guān)節(jié)和小負載關(guān)節(jié)。

在CATIA中繪制出機械手的三維模型，如圖1所示。

圖1 六自由度機械手的三維模型

六自由度機械手在進行裝配時，其底座固定于平臺上，以保證其作業(yè)的穩(wěn)定性。6個關(guān)節(jié)的理論轉(zhuǎn)角均為360°，關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)之間利用連桿以及法蘭盤進行連接，其中關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)2、關(guān)節(jié)3采用加裝諧波減速器的方式來增大電機的輸出力矩，而后面的3個關(guān)節(jié)，則采用電機直接驅(qū)動的方式保證其精度。

1.2 六自由度機械手的正運動學(xué)模型

機械手的正運動學(xué)模型[3]主要由下面4個參數(shù)來描述。

對照圖1，可以得出機械手的DH參數(shù)表[4]，如表2所示。

表2 六自由度機械手的DH參數(shù)表

利用MATLAB中的Robotics Toolboxs工具箱，繪制出機械手的連桿坐標(biāo)系模型，如圖2所示，其中各圓柱的中心是連桿坐標(biāo)系的原點，圖2和圖1所示的連桿模型位姿一致，從而驗證了DH參數(shù)表的正確性，并建立起了機械手的正運動學(xué)模型[5]。

圖2 MATLAB連桿模型

1.3 六自由度機械手的結(jié)構(gòu)強度分析

在CATIA中為機械手的各個部件定義好材料，軟件自動計算出了各個關(guān)節(jié)的負載數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 機械手關(guān)節(jié)負載

由于機械手在實際運動過程中存在慣性力，各關(guān)節(jié)實際承受的力要比靜態(tài)時大，這里乘上一個系數(shù)1.1，得到了各關(guān)節(jié)的實際工作阻力。為使機械手殼體有足夠的強度，又希望殼體的質(zhì)量能盡可能地輕便，故選擇7075鋁合金，其對應(yīng)的拉伸強度為575MPa，屈服強度為504MPa。將模型導(dǎo)入ANSYS中，定義好材料屬性，劃分網(wǎng)格，添加對應(yīng)的載荷，這里取關(guān)節(jié)1和連桿1這2個受力最大的零件，仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 關(guān)節(jié)1應(yīng)力分布圖

圖4 連桿1應(yīng)力分布圖

從圖中可以看出，關(guān)節(jié)和連桿的最大形變不超過0.01mm，最大應(yīng)力不超過20MPa，本文所使用7075鋁合金的屈服強度為504MPa，取安全系數(shù)為1.5，安全應(yīng)力為33.6MPa，大于20MPa，顯然符合強度要求。

2 六自由度機械手的動力學(xué)分析[6]

要進行機械手的動力學(xué)仿真，首先要對機械手的末端軌跡進行軌跡規(guī)劃，采用關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃法[7]。這種方法是針對空間已知曲線中一組相應(yīng)的關(guān)節(jié)角值，利用五次多項式插值，得到可求導(dǎo)的關(guān)節(jié)驅(qū)動函數(shù)的方法[8]。這里選用驗證機械手性能最常見的方圓軌跡。

將CATIA中建立好的模型導(dǎo)入ADAMS中，然后在機械手的底座、關(guān)節(jié)連接處等部位設(shè)置好約束(即對6個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)添加旋轉(zhuǎn)副，對底座添加固定副)，并定義好六自由度機械手的材料、密度、彈性模量、泊松比。此外，考慮到實際工況還需要對各關(guān)節(jié)添加一定的阻尼以貼合真實情況。設(shè)置仿真時間為33.4s，末端運動速度為280mm/s,機械手在ADAMS中繪制的仿真軌跡如圖5所示。

圖5 方圓軌跡

通過仿真測量，ADAMS計算出各關(guān)節(jié)運動的角速度-時間曲線，角位移-時間曲線，力矩-時間曲線等。此處僅羅列出關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)2的角速度-時間曲線，如圖6、圖7所示。

圖6 關(guān)節(jié)1角速度-時間曲線

圖7 關(guān)節(jié)2角速度-時間曲線

結(jié)合ADAMS計算出的角速度-時間曲線以及力矩-時間曲線，可以對電機進行選型。1、2關(guān)節(jié)選用GTUSM-60-N-A型電機，為雙定子型；3、4、5關(guān)節(jié)采用GTUSM-60-N-A型電機，為單定子型；第6關(guān)節(jié)使用GTUSM-30-N-A電機。這里GTUSM表示電機為旋轉(zhuǎn)型行波型，30和60表示的是電機定子尺寸，N表示電機為非磁性材料制成。至此已經(jīng)完成機械手的構(gòu)型設(shè)計、強度分析以及電機的選型。

3 結(jié)語

為了解決武器型號從預(yù)研階段到批產(chǎn)階段中存在的裝配人員不足的問題，設(shè)計了一款六自由度機械手。首先，選擇了機械手的機械構(gòu)型為RRR型，結(jié)合Pieper準則，確定了機械手的構(gòu)型。然后在CATIA中繪制出了機械手的三維模型，設(shè)置相應(yīng)的材料，計算出各關(guān)節(jié)負載，在ANSYS中進行仿真，驗證了各個殼體的強度。在空間中對機械手末端的軌跡進行規(guī)劃，并將機械手的三維模型導(dǎo)入ADAMS中，沿軌跡進行運動，得到了機械手各關(guān)節(jié)的角速度-時間曲線等，作為電機選型的依據(jù)[9-10]，為后續(xù)的精度補償、控制等工作打下了基礎(chǔ)。