曹金玲，羅 迎

(榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

機(jī)器人系統(tǒng)主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)等部分組成[1]。機(jī)器人的研究內(nèi)容涉及許多方面，主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計、體系結(jié)構(gòu)設(shè)計、電子電路各種接口設(shè)計、運(yùn)動學(xué)建模、動力學(xué)建模、機(jī)器人仿真平臺研制、移動機(jī)器人定位、路徑規(guī)劃、環(huán)境建模和多個傳感器的信息獲取及融合技術(shù)等[2-4]。機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式選擇和設(shè)計非常重要。就機(jī)器人結(jié)構(gòu)而言，機(jī)器人在各種領(lǐng)域和場合，特別是在極端條件下(如深海中)，開展豐富而具創(chuàng)造性的工作是很困難的[5-7]。而多關(guān)節(jié)機(jī)械臂則具有動作靈活、運(yùn)動慣性小和通用性強(qiáng)等特點[8]，液壓驅(qū)動控制的機(jī)械臂在低速和重載環(huán)境下有不可替代的作用，為此本文介紹了液壓機(jī)械臂的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計等內(nèi)容。

1 液壓機(jī)械臂的體系結(jié)構(gòu)及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)通常也稱為機(jī)器人控制器的體系結(jié)構(gòu)，是指把感知、建模、規(guī)劃、決策和行動等多種模塊有機(jī)結(jié)合起來，從而在靜態(tài)、動態(tài)環(huán)境中完成目標(biāo)任務(wù)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)架構(gòu)。目前，機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)主要有3種：慎思式體系結(jié)構(gòu)、基于行為的反應(yīng)式體系結(jié)構(gòu)和混合式體系結(jié)構(gòu)[9]。

慎思式體系結(jié)構(gòu)是基于功能分解的體系結(jié)構(gòu)，按照“感知-建模-規(guī)劃-執(zhí)行”的模式來實現(xiàn)機(jī)器人的學(xué)習(xí)和控制，如圖1a所示?；谛袨榈姆磻?yīng)式體系結(jié)構(gòu)不依賴于規(guī)劃，而是將感知直接映射為動作，即機(jī)器人在整個動作空間是按照行為來分解，如圖1b所示。其典型的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)

圖2 液壓機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

2 液壓機(jī)械臂總體方案設(shè)計

機(jī)械臂的架構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 機(jī)械臂的架構(gòu)框圖

機(jī)械臂由本體、制動器、控制器以及內(nèi)、外傳感器等構(gòu)成。在控制器作用下，利用液壓驅(qū)動，按相應(yīng)順序，在規(guī)定的時間和速度下實現(xiàn)本體結(jié)構(gòu)運(yùn)動軌跡，且內(nèi)傳感器對本體關(guān)鍵點的位移和速度進(jìn)行采樣，超出誤差閾值時發(fā)出警告并采取規(guī)定動作，從而在動作實現(xiàn)的條件下保證了精度。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂、立柱和行走機(jī)構(gòu)等部件。手部采用夾持式，由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指運(yùn)動形式為回轉(zhuǎn)型，傳力機(jī)構(gòu)多由連桿式、斜桿式和滑槽連桿式等結(jié)構(gòu)組成。關(guān)節(jié)部分則全部用銷聯(lián)接。典型的滑槽連桿式手部結(jié)構(gòu)受力示意圖如圖4所示。

圖4 滑槽連桿式手部結(jié)構(gòu)受力示意圖

3 液壓機(jī)械臂試驗設(shè)計

3.1 設(shè)計要求及技術(shù)參數(shù)

機(jī)械臂的手指為夾持器，執(zhí)行動作為抓緊和放松；要抓緊的工件直徑為80 mm，工件質(zhì)量為8 kg，材質(zhì)為45號鋼；放松時2爪最大距離為110～120 mm，1 s抓緊，夾持速度為20 mm/s；由液壓缸提供動力。

3.2 機(jī)械臂伸縮液壓缸結(jié)構(gòu)驗算示例

伸縮缸采用某系列液壓缸，伸縮缸剖面如圖5所示，尺寸系列初選伸縮缸徑和活塞桿直徑分別為100和60 mm。進(jìn)行必要的簡單計算。選取P=0.4 MPa，驅(qū)動力F為：

F=PπR2=0.4×106×3.14×(0.052-0.032)=

2 010 (N)

測得手腕質(zhì)量為50 kg，設(shè)計加速度a=10 m/s2，則慣性力F1為：

F1=ma=50×10=500 (N)

考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦因數(shù)k=0.2，則摩擦力Fm為：

Fm=kF1=0.2×500=100 (N)

慣性力和摩擦力的合力F0為：

F0=F1+Fm=600 (N)

由于F0

液壓機(jī)械臂其余工作機(jī)構(gòu)(包括平衡、導(dǎo)向和升降等運(yùn)動形式實現(xiàn))的結(jié)構(gòu)設(shè)計與伸縮缸類似，不做過多贅述。

圖5 伸縮缸剖面示意圖

3.3 液壓控制系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)方案設(shè)計：采用葉片泵供油壓，動作順序從原位開始，依次為升降臂下降→夾持器夾緊→升降臂上升→底座快進(jìn)回轉(zhuǎn)→底座慢進(jìn)→手腕回轉(zhuǎn)→伸縮臂伸出→夾持器松開→伸縮臂縮回；待工件加工完成后，伸縮臂伸出→夾持器夾緊→伸縮臂縮回→底座快退(回轉(zhuǎn))→底座滿退→手腕回轉(zhuǎn)→升降臂下降→夾持器松開→升降臂上升原位停止→準(zhǔn)備下次循環(huán)。

在綜合考慮各液壓缸的換向回路、調(diào)速方式、緩沖回路和系統(tǒng)可靠性等因素后，繪制液壓系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 機(jī)械臂液壓系統(tǒng)簡圖

從圖6可以看出液壓系統(tǒng)動作順序控制原理。例如要完成降臂上升動作，待手部夾緊動作完成后，由控制器發(fā)出信號，使得7YA和2YA通電，壓力油經(jīng)閥21右位，經(jīng)閥23進(jìn)入液壓缸下腔，上腔油液經(jīng)閥24，閥21右位回油箱。升降速度由閥24調(diào)節(jié)。

4 結(jié)語

上述內(nèi)容是對液壓機(jī)器人機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。試驗設(shè)計結(jié)果表明，所采用的設(shè)計原理可靠，設(shè)計流程規(guī)范，基本達(dá)到了設(shè)計要求。設(shè)計中出現(xiàn)了機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性問題，為此需要在接下來的工作中進(jìn)行仿真計算，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)，提高系統(tǒng)在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的魯棒性，并降低設(shè)計成本。

[1] 張培仁，楊興明.機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計與算法[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2008.

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*榆林學(xué)院校級科研項目(14YK25)

陜西省教育廳科學(xué)研究項目(14JK1858)