文献翻译机械手几何图形.docx

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文献翻译机械手几何图形

第十章机械手几何图形

对于机械手臂来说机械手是一个有趣的名称。

一个机械手是一个组装段和关节,可以方便分为三个部分:

手臂,组成的一个或多个细分片段和关节;手腕,通常由一至三段关节;钳子或其他附加或掌握的手段。

一些文本在这个问题上只机械手划分为两个部分,手臂和钳子,但为了清晰起见,手腕被分离出来作为自己的部分,因为它执行一个独特的功能。

工业机器人是静止的永久附加到地板上的操纵者,桌子或看台。

然而,在大多数情况下,工业机械手太大,使用几何学对在移动机器人来说这不是有效的,或缺乏足够的传感器——（事实上很多没有环境传感器）被认为是用于移动机器人。

有部分覆盖他们作为一个群体,因为他们展示各种各样的有时操纵复杂的几何图形。

这一章的主要焦点,然而,将三个总体布局的手臂部分的通用机械手,手腕和夹具的设计。

几不寻常的机械手设计也包括在内。

应该指出,很少有真正自治的操纵者在使用除在研究实验室。

定位、定向、和做一些有用的完全基于传感器频繁不充分输入是极其困难的。

在大多数情况下,机械手是被遥控的。

然而,理论上是可以制造一个真正的自主机械手并且在未来数年它们的数量预计将大幅增加。

定位、定向、有多少自由度?

在一般意义上,手臂和手腕的基本机械手执行两个单独的功能定位和定向。

在布局,手腕或手臂不区分,但为简单起见,在这讨论作为独立的实体。

在人类的手臂,肩部和肘部做总定位和手腕的定向。

每个接头允许一个自由度的运动。

自由度达到任何位置工作包络和确定方向的柄在任何方向的理论最小数量都是六个,三个位置,和三个方向。

换句话说,必须有至少三个弯曲或伸展运动的位置,和三个扭曲或旋转运动方向。

其实,六个或多关节机械手可以在任何顺序,和手臂和手腕段可以是任何长度,但一些组合只有一个有效工作的共同秩序和区段长度。

他们几乎总是最后被分为手臂和手腕。

三个扭曲动作给取向通常标记,滚,偏航,向上/向下倾斜,扭曲,弯曲左/右。

不幸的是,没有简单的标签系统部门本身因为有很多方法来实现总定位使用扩展段和旋转或扭曲的关节。

一个一般除外通用描述方法。

机械手的一个很好的例子是人类手臂,组成的肩、上臂、手肘和手腕。

肩膀让上手臂上下移动被认为是一个自由度。

它允许向前和向后运动,这是第二个自由度,但它也允许旋转,这是第三个自由度。

肘关节运动是第四个自由度。

手腕上下球,向左和右偏航,滚动,给在一个联合三个自由度。

腕关节实际上不是很好共同设计的。

理论上的最佳腕关节几何是一个球形接头,但是,即使是在生物世界,只有一个真正的完整的一个例子运动球形接头（允许在两架飞机运动,和扭转360°）因为他们是如此困难的权力和控制。

人工髋关节一个有限的运动球形接头。

在移动机器人底盘常常可以代替一个或两个自由度,通常前/后,有时偏航的手臂左/右,显著减少机械手的复杂性。

一些专用机械手不需要在所有三个轴使爪子确定,进一步减少了自由度。

在另一个极端,有武器的概念阶段超过15自由度。

彻底的,本章将包括所有的几何图形基本的三自由度机械手的手臂,除了简单的两个自由度专为使用机器人手臂。

手腕是单独列示。

这是离开你选择和匹配的有效组合手腕和手臂几何图形来解决您的具体操作问题。

首先,让我们看看在一个不寻常的机械手和一个简单的机制可能最简单从旋转运动创建直线运动的机制。

图10-电子供应链

电子供应链

一个不寻常的连锁装置可以用作操纵者。

它是基于一个灵活的电缆束载体称为电子供应链和具有独特的属性。

链可以弯曲在飞机,只有一个。

这允许其悬臂平面创建一个长臂,但存储卷了起来像一个卷尺。

它可以用作一次性的伸出臂成小密闭空间,如管道和管。

图的赔率显示了简化的线条画电子供应链容许的运动。

滑块曲柄

图10-2滑块曲柄

图10-2展示曲柄滑块通常是用来得到旋转运动直线运动,就像一个内燃发动机,但它也是一个有效的方法线性运动的旋转运动发动机/变速箱。

连杆长度和曲柄半径四比一的比例近直线运动的滑块在大多数的冲程,因此,最有用的比率。

其他一些方法用于创建存在从旋转直线运动,但滑块曲柄被有效的用在步行机器人上。

滑块的运动不是线性速度在其全系列的运动。

附近的行程结束滑块放缓,但力量由曲柄运动提供。

这种效应可以得到很好的利用作为夹钳。

它也可以用来移动步行者的腿。

滑块曲柄应考虑是否需要设计线性运动。

为了好好利用滑块曲柄,一种计算的方法相对于曲柄滑块的位置是有帮助的。

方程计算多远滑块曲柄臂旋转的旅行发动机/变速箱轴:

x=LcosO+rcosO.

臂的几何图形

三自由度臂的总体设计被称为笛卡尔,圆柱,和极地（或球面）。

它们的形状命名的体积机械手可以达到和使夹子确定到任何位置包络的工作。

他们都有自己的使用,而是将成为明显,一些人比其他人更好地使用机器人。

一些使用所有滑动动作,一些只使用旋转关节,两者同时使用。

绕轴旋转关节通常比滑动关节更健壮,但经过精心设计,滑动或扩展可以有效地用于某些类型的任务。

旋转关节防止操纵者的缺点达到每立方厘米在工作包络,因为手肘不能完全向后折叠。

这将创建死空间手臂上无法达到的总工作卷里。

在一个机器人,它经常需要机械手褶皱非常紧。

几个机械手制造商使用一个聪明的抵消设计如图10-3所示,允许手臂折叠180°。

这不仅降低了装载量,但也会降低任何死角。

许多工业机器人和遥控车辆使用这个或类似设计的机械手

图10-3打出抵消联合增加的工作范围旋转关节

图10-4龙门,只需支持使用痕迹或幻灯片,工作之外的工作信封。

图10-5悬臂式机械手几何

笛卡儿或矩形

几乎在移动机器人,机械手总是超越优势的底架和工作必须能够从地面到上面机器人的身体的高度。

这意味着机械臂从内部或从一个工作的包层。

一些工业龙门机械手从工作包层外工作,很难使用他们布局移动机器人。

见图10-4,尤其龙门机械手是笛卡尔或矩形操纵者。

几何这个样子三维XYZ坐标系。

在事实上,这就是它以及如何控制工作结束绕在工作包层。

有两种基本布局基于手臂支持段,龙门和悬臂。

安装在机器人的前面,第一个两自由度的悬臂笛卡尔操纵左/右和上/下移动;y轴一定需要在移动机器人,因为机器人可以移动后退/前进。

图10-5已经显示了悬臂式的布局有三个自由度。

虽然不是最好的解决问题的工作前面一个机器人,它会工作。

它得益于一个非常简单的控制算法。

圆柱形的

图10-6三自由度圆柱机械手

第二种类型的机械手工作信封圆柱形。

圆柱形类型通常包含第一段旋转基地望远镜或上下滑动,带着一个水平可伸缩的部分。

尽管他们的工作包络是相当简单的图片和工作直觉,他们难以有效实现因为他们需要两个直线运动部分,这两个时刻负荷引起的通过负载的上臂。

在基本布局中,控制代码是简单的,基础的角度,高度的第一段,第二段的延伸。

一个机器人,底部的角度是机器人的底盘本身的角度,离开第二段的高度和扩展段。

图10-6显示的基本布局圆柱形三自由度机械臂。

图10-7一个驯服的装配机器人臂操纵者

第二个几何,仍有一个圆柱包层驯服的装配机器人臂设计工作。

驯服的装配机器人臂意味着选择兼容组装机器人手臂。

这种设计具有良好的刚度在垂直在水平方向,但一些合规。

这使它更容易接近正确的位置,让小合规任何偏差。

驯服的装配机器人臂操纵者取代第二伸缩接头有两个垂直绕轴旋转关节。

图10-7误差显示了驯服的装配机器人臂操纵者。

图10-8基本的极地

极地或球形

第三,最通用的,几何的球形的类型。

在这种布局,工作包层可以认为是周围。

在现实中,不过,很难达到无处不在。

有几种方法可以布局手臂的工作包层。

最基本的一个旋转底部,携带一只胳膊段,可以上下运动,扩展（图10-8）。

提高肩（图10-9）包层有些变化在某些情况下值得考虑。

数字演出,10-11、10-12显示变化的球形几何机械手

图10-9高的肩膀极地坐标式机械手以抵消联合手肘

图10-10高肩极坐标操纵者重叠的关节

图10-11铰接极坐标机械手

图10-12炮塔极地坐标式机械手

手腕

机械手的手臂只得到终点在正确的地方。

在以使爪子确定正确的角度,在所有三个轴,第二个组关节通常是手腕必需的。

必须在腕关节扭转向上/向下,顺时针/逆时针,左/右。

他们必须分别上下翻动、偏航。

可以使用一体化套筒联接像人工髋关节,但控制和驱动这种类型困难的。

大多数手腕由3个独立的关节。

图10-13、10-14、10-15描绘一个,两个,和三自由度基本手腕上的每个建筑以前的设计。

顺序在手腕有一个自由度大影响手腕的功能,应该仔细选择,尤其是对手腕只有一个或两个自由度。

图10-13Single-DOF手腕（偏航）

图10-14基于手腕（偏航和滚）图

图10-15三自由度手腕（偏航、辊距）

夹持器

机械手的结束部分是用户或机器人的使用的影响在环境中。

因此它通常被称为一个效应器,但它也被称为一个钳子因为这是一个非常常见的任务，执行时安装在一个机器人上。

它常被用来接机器人携带的危险或可疑物品,一些可以把门把手,和其他设计只携带非常具体的事情啤酒罐。

收得太紧对一个对象和它是一个主要的粉碎问题自主夹持器。

必须有一些方法来告诉如何很难足以容纳对象不下降或破碎。

甚至半自治机器人,人类控制机械手,有效地使用钳子往往是困难的。

由于这些原因,握爪设计需要尽可能多的知识范围内的物品将钳子确定。

它们的质量、大小、形状和强度,等都必须考虑。

一些对象需要夹持器有很多下巴,但在大多数情况下,夹持器仅有两个下巴和这些将显示在这里。

有几种基本类型的夹具几何图形。

最基本的类型有两个简单的下巴的在一起,这样一个把另一个当基础。

这给两个下巴。

狭口可以移动通过线性致动器或可以直接安装在电机齿轮箱的输出轴（图10-16）,或通过一个直角驱动器驱动（图10-17）的驱动电动机更远地方的方式握爪。

这和类似的设计有缺陷,狭口总是在一个角度会互相推动的事情抓着下巴。

图10-16简单直接的驱动摆动颚

图10-17简单直接的通过直角蜗杆传动传动齿轮电动机

图10-18齿条和齿轮驱动爪

图10-19往复杆夹

图10-20线性致动器直接驱动爪

图10-21平行的下巴上线性的幻灯片

更有效的下巴布局是平行的夹持器。

一个可能的布局将更多的链接添加到基本的两个手指四连杆联系该公司持有有时下巴平行宽松非常困难的任务的钳子,直到被抓住的东西它关闭。

得到平行运动的另一种方法是使用一个线性致动器移动一个或两个下巴直接向和彼此远离。

这些布局所示数据10-21、10-2210-23。

图10-22平行下巴使用四连杆连接

图10-23平行下巴使用四连杆连接和线性致动器

被动并行使用枕木下巴

双四杆是关键组件在这漫长的机制可以控制一个常数柄的重量，力比任何适合的控制范围内的对象。

长机制依赖于之间的横向拉杆产生大小相等、方向相反的两组联系联系运动。

垂直扩展与控制垫安装在他们的链接结束,而横向链接是成比例的,其垫在一个斜直线路径。

负载的重量被解除,因此,楔形垫对加载的力成正比物体的重量和独立于它的大小。

一些机器人被设计用来做一个特定的任务,一个特定的对象,甚至搭上一些具体的事情。

安装一个专用的旋钮或球头在使用这个交配对象简化了扣人心弦的任务单向的连接器。

在许多情况下,这样的联合可以独立使用任何操纵。

图10-24被动的平行下巴使用枕木

被动获取联合有三个自由度

新的联合允许快速任意两个之间的联系结构元素在所有三个轴旋转的位置想要的。

马歇尔太空飞行中心,阿拉巴马州一个新的联合,提出了使用一个可连接的碎片的盾牌国际空间站服务模块,潜在的商用硬件的情况下必须拆卸和组装定期。

这个接头可用于各种各样的应用程序,包括替换关节常用拖车故障舌头和暂时的