1、第1章輕型臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.1引言本章將從用戶的設(shè)計(jì)指標(biāo)出發(fā)，首先確定輕型臂的構(gòu)型及基本桿件參數(shù)；然后，結(jié)合緒論中當(dāng)前輕型臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，提出輕型臂的結(jié)構(gòu)方案；在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)輕型臂的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)裝置，對(duì)輕型臂的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度分析。1.2輕型臂的設(shè)計(jì)指標(biāo)本文的預(yù)期目標(biāo)是研制一款可折疊的輕型機(jī)械臂、手爪系統(tǒng)原理樣機(jī)。表15是用戶提出的設(shè)計(jì)指標(biāo)，它是本文輕型臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。表21用戶設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.21Customer’sde

2、signindex指標(biāo)分類指標(biāo)項(xiàng)目具體要求構(gòu)型自由度數(shù)目4個(gè)臂桿2個(gè)尺寸完全伸展長(zhǎng)度約1.5m可達(dá)工作空間以基座為中心，半徑約1.5m的14球體精度重復(fù)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(fù)載大于2kg功率整機(jī)功率不超過55W1.3輕型臂的構(gòu)型選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求，輕型臂具有四個(gè)自由度。對(duì)于串聯(lián)的運(yùn)動(dòng)連桿，關(guān)節(jié)的數(shù)目等于要求的自由度數(shù)目，所以本文的輕型臂需要四個(gè)關(guān)節(jié)。對(duì)于大多數(shù)n(n≤6)自由度的機(jī)械臂

3、，都是由最后的n3個(gè)關(guān)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(guān)節(jié)原點(diǎn)，而前面的3個(gè)關(guān)節(jié)用于確定腕關(guān)節(jié)原點(diǎn)的位置。采用這種方法設(shè)計(jì)的機(jī)械臂，可以認(rèn)為是由定位機(jī)構(gòu)及其后部串聯(lián)的定向結(jié)構(gòu)或手腕組成的。根據(jù)機(jī)器人學(xué)中的知識(shí)，可以知道這類機(jī)械臂具有封閉的運(yùn)動(dòng)學(xué)解。另外，定位結(jié)構(gòu)無(wú)一例外的采用這樣一種簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)型：連桿轉(zhuǎn)角為0或者90，連桿長(zhǎng)度不同，但連桿偏距都為0。按照前三個(gè)關(guān)節(jié)（定位機(jī)構(gòu)）的設(shè)計(jì)形式，通常有以下類型的機(jī)械臂：笛卡爾型機(jī)

4、械臂，圓柱坐標(biāo)型機(jī)械臂，球面坐標(biāo)型機(jī)械臂，SCARA型機(jī)械臂，關(guān)節(jié)型機(jī)械臂等。結(jié)合設(shè)計(jì)指標(biāo)中對(duì)輕型臂的運(yùn)動(dòng)空間的要求，可以選擇球面坐標(biāo)型機(jī)械臂和關(guān)節(jié)型機(jī)械臂。比較球面坐標(biāo)型機(jī)械臂和關(guān)節(jié)型機(jī)械臂，球面坐標(biāo)型機(jī)械臂的前三個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)形式為：轉(zhuǎn)動(dòng)—轉(zhuǎn)動(dòng)—移動(dòng)，而關(guān)節(jié)型機(jī)械臂的前三個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)形式為：轉(zhuǎn)動(dòng)—轉(zhuǎn)動(dòng)—轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同樣尺寸的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)所實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)空間要遠(yuǎn)大于移動(dòng)關(guān)節(jié)?？紤]圖21輕型臂構(gòu)型Fig.21Confi

5、guration圖24輕型臂幾何模型Fig.24GeometricalmodelofLWR在基座坐標(biāo)系0000oxyz中，手爪末端點(diǎn)的位置為22323423412232342341223234234234(ccc)c(ccc)sXLLLYLLLZLsLsLsR??????????????????????(22)式(22)中：1?為大臂旋轉(zhuǎn)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(duì)式(22)求

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

7、4342344234)()cLcLcLcLcLcR??????????????????????????????????????(23)根據(jù)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