第28卷第10期
2007年 10月
煤 矿 机 械
Vol 128No 110Oct. 2007
关节型机械手的结构创新设计
周惠明
(无锡工艺职业技术学院, 江苏宜兴214206)
摘要:分析了关节型机械手的总体要求, 进行了机构设计, 确定了驱动方式, 研究并解决了全关节型机械手关节结构设计的关键技术, 重点介绍了机身、肩关节、肘关节、小臂、手腕及抓手关节的结构创新设计思路和方法。
关键词:关节型机械手; 总体设计; 结构设计; 创新设计; 通用性; 可调性中图分类号:TH12 文献标志码:A 文章编号:1003-0794(2007) 10-0017-03
Creative Structure Design of Joint -manipulator
ZHOU Hui -m ing
(Wuxi Insti tute of Arts and Technology, Yixing 214206, China)
Abstract :Meant to analyze the comprehensive requirement of joint-manipulator, carry through the outfit de -sign and establish the method of drive. It studies and solves the key technology about the design of joint struc -ture in the full-joint-manipulator field, focuses on introducing the thought and method of the creative struc -ture design about airframe, shoulder joint, elbow joint, forearm and wrist etc..
Key words :joint-manipulator; comprehensive requirement; structure design; creative design; universality; adjustability
0 前言
关节型机械手是模仿人的手部动作, 按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置。特别是可在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境以及笨重、单调、频繁的操作中代替人类作业, 因此获得日益广泛的应用。关节型机械手一般由执行机构、驱动系统、控制系统及检测装置三大部分组成, 本文研究开发的是PLC 控制的关节型机械手。要求机械手从加热炉中取出重量为5kg 的坯料, 然后把它放到压力机上进行锻打。报文而引起系统冲突, 采用查询状态标志发送多路CAN 报文, 首先查询P87C591的内部CAN 控制器是否有数据发送, 然后再查询SJA1000CAN 控制器是否有数据发送。
在接收模块, 存在SJA1000和P87C591的内部CAN 同时接收信号的可能性, 根据线路优先级的情况选择先接收内部C AN 报文。但要注意, 接收内部CAN 信号的同时, SJA1000会有溢出的可能, 如果溢出, 则要清空RxFIFO, 放弃未完成的SJA1000报文, 重新接收。3 结语
本接口卡已完成了通信测试, 测试参数分别设置:(1) 串口波特率为1200bps; (2) C AN 总线波特率为10kbps; (3) 串口发送数据的时间间隔为5ms, 发送的数据个数任意。
本系统有效地解决多路C AN 总线与PC 串口互
1 机械手的总体设计
根据课题目标, 本机械手共有6个关节动作和1个抓手动作(见图1) , 使用6台步进电机分别控制6个关节的动作, 第1台步进电机控制机身转动, 第2台步进电机控制肘部转动, 第3台步进电机控制臂部的转动, 第4台步进电机控制手臂的旋转, 第5台步进电机控制手腕的摆动, 第6台步进电机控制手爪的转动, 手爪的抓物动作由气阀控制。控制箱部分由电源、可编程控制器、步进电机驱动模块及相应的按钮组成, 具有手动和自动控制功能。联的问题, 适合应用于多主对等系统中, 提高数据传输的实时性、可靠性, 满足了国内市场一定的需求。具备在实际环境中应用的性能。
参考文献:
[1]刘双全. 基于飞利浦P8XC591的CAN 总线节点扩展[J]. 电子设计应用, 2003(3):77-80.
[2]饶运涛, 邹继军, 郑勇芸. 现场总线CA N 原理与应用技术[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2003.
[3]吴繁红. 基于A T89C51和SJA1000控制器实现CAN 总线接口[J].
电子技术应用, 2003, 29(7) :51-53. [4]吕巧艳, 高守乐, 裴立瑞, 等. 基于SJ AIO00的CAN RS232/485接口卡的设计[J]. 煤炭工程, 2005(9) :12-14.
作者简介:王鸿磊(1979-) , 江苏徐州人, 讲师, 网络教研室主任, 江苏技术师范学院毕业, 现为中国矿业大学通信与信息系统专业硕士研究生, 目前从事现场总线研究, 已发表论文10余篇, 电话:0516-82776325, 电子信箱:98312226@sohu. co m, wanghl@mail. xzcit. cn, 98312226@163. c om.
收稿日期:2007-04-04
机械手整机可分为机身、大臂、小臂(含手腕) 、手部4个部分(见图1) 。机身与大臂、大臂与小臂、小臂与手腕有3个旋转关节, 以保证达到工作空间的任意位置, 手腕中又有3个旋转关节:腕转、腕曲、腕摆, 以实现末端操作器的任意空间姿态。手腕的端部为一法兰, 以连接末端操作器。这是一个通用性接口,
以供用户配置多个手部装置或工具。
手臂回转, 实现其在整个空间的活动。手臂运动的快慢和正反向控制, 可由控制器调节电机的转速和转向来实现。步进电机通过臂座与大臂直接相连, 不仅结构紧凑, 而且具有互换性。4 小臂及肘关节的结构设计
(1) 设计要求
手臂部件(简称臂部或手部) 是机械手的主要执行部件。它的作用是支承腕部和手部, 并带动它们在空间运动。臂部还安装一些传动、驱动机构。
从臂部的受力情况看, 它在工作中直接承受腕、手和工件的静、动载荷, 自身运动又较多, 故受力复杂。
(2) 结构设计
小臂部分用一台步进电机DJ3实现小臂的旋转运动, 臂壳用厚度为2mm, 材料为16Mn 钢板, 折弯
成矩形截面的方形管, 使小臂具有足够的刚度。臂壳内装置2台步进电机, DJ1用以实现腕部的摆动,
图1 机械手的自由度
11机身 21肩关节 31肘关节 41腕摆动关节 51臂旋转关节
61腕弯曲关节
DJ2通过锥齿轮副实现抓手的旋转运动。小臂机构运动简图如图2
所示。
2 机械手的驱动方式
驱动装置是带动机械手到达指定位置的动力源。目前使用的主要有4种驱动方式:液压驱动、气压驱动、直流电动机驱动和步进电动机驱动。本设计的是小型机械手, 位置精度和负载力矩较小, 所以6个关节动作均选用步进电机驱动, 而抓手动作则采用气压驱动。
3 机身及肩关节的结构设计
(1) 设计要求
机身是直接连接、支承和传动手臂及行走机构部件。一般情况下, 实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动愈多, 机身的结构和受力愈复杂。机身既可以是固定式的, 也可以是行走式的, 即在它的下部装有能行走的机构, 可沿地面或架空轨道运行。本设计中机身采用固定式的。
(2) 结构设计
本设计中, 机身可作360b 回转运动, 其动力靠同步带来传递, 同步带传动以其体积小, 重量轻, 结构简单, 传动比准确而保证了手臂运动的灵活性和定位的准确性。
机身的上部是臂座, 其主要任务是支撑和完成
图3 肘关节机构运动简图
11步进电机专用联轴器 21向心推力球轴承 31小臂 41大臂
51步进电机
图2 小臂机构运动简图
11抓手 2、141进气口 3、101同步带 41步进电机DJ1 51向心推力球轴承 61步进电机专用联轴器 71步进电机DJ3 81小臂臂座 91步进电机DJ 2 111腕摆框 121锥齿轮副 131手部接口
肘关节的结构设计与手部的旋转驱动机构类似, 但在这里主要考虑的是通用性、互换性。当机械
手的抓取重量较小时, 可采用该结构, 用步进电机通过专用联轴器直接驱动的方式, 当抓取重量较大(\10kg) 时, 可采用其他驱动方式(齿轮变速电机, 液压缸与齿轮齿条的组合等) , 还可在臂尾设置配重, 以实现提高抓重能力的调节。肘关节的运动机构简图如图3
所示。
第28卷第10期
2007年 10月
煤 矿 机 械
Vol 128No 110Oct. 2007
刮板输送机的优化设计
王 琳
(靖远煤业有限公司科研设计院, 甘肃白银730913)
摘要:针对刮板输送机设计参数诸多的不确定性, 传统设计难以满足实际要求的现状, 从产品设计方法角度, 以电机功率最小和运输性能最佳为目标, 建立优化数学模型, 利用网格法对刮板输送机进行优化设计, 对于改善煤矿设备的使用性能, 减少设备维护量, 提高设计效率具有重要意义。
关键词:刮板输送机; 改进; 优化设计
中图分类号:TD63 文献标志码:A 文章编号:1003-0794(2007) 10-0019-03
Optimazes Design of Scraper Conveyor
WANG Lin
(Jingyuan Coal Industry Group Co. , Ltd. , Desi gning Institute, Baiyin 730913, China)
Abstract :Aim at scraper conveyor to transport the parameter many indeterminations of the machine design, the tradition design hard satisfy the present condition of actual request, from the machine design method, with scraper conveyor to transport the machine electrical engineering power minimum and conveyance the function is the best for target, build up excellent turn mathe matics model, make use of the mesh method to scraper conv -eyor to transport the machine to carry on excellent turn the design. Easy toly in time, raise to design efficiency to have the very important meaning.
Key words :scraper conveyor; technique improvement; optimizes design 0 前言
5 腕部的结构设计
(1) 设计要求
手腕部件设置于抓手和小臂之间, 它的作用主要是在小臂运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的姿态, 以扩大机械手的动作范围, 并使机械手变得更灵巧, 适应性更强。
腕部件具有独立的自由度。手腕运动有:绕x 轴的转动称为回转运动, 绕y 轴的转动称为上下摆动(或俯仰) ; 绕z 轴转动称为左右摆动; 有的甚至是沿y 轴(或z 轴) 的横向移动。
一般手腕设有回转运动或再增加一个上下摆动即可满足工作要求, 一些动作较简单的专用机械手, 为简化结构, 可以不设置腕部, 而直接由臂部的运动驱使手部搬运工件。
(2) 结构设计
根据上述手腕运动分析和工作要求, 腕部设计成3个自由度动作的结构(见图2) , 由3个回转关节组合而成, 组合方式采用2台步进电机驱动, 1台步进电机DJ1通过同步齿形带轮带动一对圆锥齿轮实现手转运动; 另1台步进电机DJ2通过另一对同步齿形带轮带动腕摆框实现腕摆运动, 步进电机DJ3实现小臂的转动。其中, 当腕摆框摆动而手转电动机不转时, 联接手部的锥齿轮将会产生一个附加的
刮板输送机常由于产品设计参数确定不当或设手转运动, 需要在控制上加以修正。6 结语
总体设计完成以后, 分别对机身、大臂、小臂及腕部等4个部件6个关节进行了结构设计。由机身完成机械手的转动要求, 由肩关节完成大臂的摆动要求, 由肘关节完成小臂的摆动要求, 小臂及腕部组成一个有机的整体, 小臂的臂壳是材料为16Mn 的矩形截面的整体式方形管, 以足够的强度和刚度承受机械手抓件时的动静载荷, 臂壳内装置有3台步进电机, 实现臂转、腕摆及手转的3个自由度的运动。其中腕部的结构设计是本机械手设计难点, 也是攻关的重点, 更是亮点。
参考文献:
[1]龚振帮. 机器人机械设计[M]. 北京:电子工业出版社, 1995. [2]周伯英. 工业机器人[M]. 北京:机械工业出版社, 2000.
[3]朱春波. 气动关节型机械手[J]. 液压气动与密封, 1999, 78(6) :21-24.
[4]蔡自兴. 机器人学[M]. 北京:清华大学出版社, 2000. [5]王天然. 机器人[M]. 北京:化学工业出版社, 2002.
作者简介:周惠明(1956-) , 江苏宜兴人, 高级工程师, 研究方向:机械设计与制造、化工机械设计, 主持开发的化工部九五攻关项目/工程塑料离心泵0获化工部科技进步二等奖、无锡市科技进步二等奖, 电话:0510-88071180, 电子信箱:Zhm161@163. com.
收稿日期:2007-05-28
第28卷第10期
2007年 10月
煤 矿 机 械
Vol 128No 110Oct. 2007
关节型机械手的结构创新设计
周惠明
(无锡工艺职业技术学院, 江苏宜兴214206)
摘要:分析了关节型机械手的总体要求, 进行了机构设计, 确定了驱动方式, 研究并解决了全关节型机械手关节结构设计的关键技术, 重点介绍了机身、肩关节、肘关节、小臂、手腕及抓手关节的结构创新设计思路和方法。
关键词:关节型机械手; 总体设计; 结构设计; 创新设计; 通用性; 可调性中图分类号:TH12 文献标志码:A 文章编号:1003-0794(2007) 10-0017-03
Creative Structure Design of Joint -manipulator
ZHOU Hui -m ing
(Wuxi Insti tute of Arts and Technology, Yixing 214206, China)
Abstract :Meant to analyze the comprehensive requirement of joint-manipulator, carry through the outfit de -sign and establish the method of drive. It studies and solves the key technology about the design of joint struc -ture in the full-joint-manipulator field, focuses on introducing the thought and method of the creative struc -ture design about airframe, shoulder joint, elbow joint, forearm and wrist etc..
Key words :joint-manipulator; comprehensive requirement; structure design; creative design; universality; adjustability
0 前言
关节型机械手是模仿人的手部动作, 按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置。特别是可在高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境以及笨重、单调、频繁的操作中代替人类作业, 因此获得日益广泛的应用。关节型机械手一般由执行机构、驱动系统、控制系统及检测装置三大部分组成, 本文研究开发的是PLC 控制的关节型机械手。要求机械手从加热炉中取出重量为5kg 的坯料, 然后把它放到压力机上进行锻打。报文而引起系统冲突, 采用查询状态标志发送多路CAN 报文, 首先查询P87C591的内部CAN 控制器是否有数据发送, 然后再查询SJA1000CAN 控制器是否有数据发送。
在接收模块, 存在SJA1000和P87C591的内部CAN 同时接收信号的可能性, 根据线路优先级的情况选择先接收内部C AN 报文。但要注意, 接收内部CAN 信号的同时, SJA1000会有溢出的可能, 如果溢出, 则要清空RxFIFO, 放弃未完成的SJA1000报文, 重新接收。3 结语
本接口卡已完成了通信测试, 测试参数分别设置:(1) 串口波特率为1200bps; (2) C AN 总线波特率为10kbps; (3) 串口发送数据的时间间隔为5ms, 发送的数据个数任意。
本系统有效地解决多路C AN 总线与PC 串口互
1 机械手的总体设计
根据课题目标, 本机械手共有6个关节动作和1个抓手动作(见图1) , 使用6台步进电机分别控制6个关节的动作, 第1台步进电机控制机身转动, 第2台步进电机控制肘部转动, 第3台步进电机控制臂部的转动, 第4台步进电机控制手臂的旋转, 第5台步进电机控制手腕的摆动, 第6台步进电机控制手爪的转动, 手爪的抓物动作由气阀控制。控制箱部分由电源、可编程控制器、步进电机驱动模块及相应的按钮组成, 具有手动和自动控制功能。联的问题, 适合应用于多主对等系统中, 提高数据传输的实时性、可靠性, 满足了国内市场一定的需求。具备在实际环境中应用的性能。
参考文献:
[1]刘双全. 基于飞利浦P8XC591的CAN 总线节点扩展[J]. 电子设计应用, 2003(3):77-80.
[2]饶运涛, 邹继军, 郑勇芸. 现场总线CA N 原理与应用技术[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2003.
[3]吴繁红. 基于A T89C51和SJA1000控制器实现CAN 总线接口[J].
电子技术应用, 2003, 29(7) :51-53. [4]吕巧艳, 高守乐, 裴立瑞, 等. 基于SJ AIO00的CAN RS232/485接口卡的设计[J]. 煤炭工程, 2005(9) :12-14.
作者简介:王鸿磊(1979-) , 江苏徐州人, 讲师, 网络教研室主任, 江苏技术师范学院毕业, 现为中国矿业大学通信与信息系统专业硕士研究生, 目前从事现场总线研究, 已发表论文10余篇, 电话:0516-82776325, 电子信箱:98312226@sohu. co m, wanghl@mail. xzcit. cn, 98312226@163. c om.
收稿日期:2007-04-04
机械手整机可分为机身、大臂、小臂(含手腕) 、手部4个部分(见图1) 。机身与大臂、大臂与小臂、小臂与手腕有3个旋转关节, 以保证达到工作空间的任意位置, 手腕中又有3个旋转关节:腕转、腕曲、腕摆, 以实现末端操作器的任意空间姿态。手腕的端部为一法兰, 以连接末端操作器。这是一个通用性接口,
以供用户配置多个手部装置或工具。
手臂回转, 实现其在整个空间的活动。手臂运动的快慢和正反向控制, 可由控制器调节电机的转速和转向来实现。步进电机通过臂座与大臂直接相连, 不仅结构紧凑, 而且具有互换性。4 小臂及肘关节的结构设计
(1) 设计要求
手臂部件(简称臂部或手部) 是机械手的主要执行部件。它的作用是支承腕部和手部, 并带动它们在空间运动。臂部还安装一些传动、驱动机构。
从臂部的受力情况看, 它在工作中直接承受腕、手和工件的静、动载荷, 自身运动又较多, 故受力复杂。
(2) 结构设计
小臂部分用一台步进电机DJ3实现小臂的旋转运动, 臂壳用厚度为2mm, 材料为16Mn 钢板, 折弯
成矩形截面的方形管, 使小臂具有足够的刚度。臂壳内装置2台步进电机, DJ1用以实现腕部的摆动,
图1 机械手的自由度
11机身 21肩关节 31肘关节 41腕摆动关节 51臂旋转关节
61腕弯曲关节
DJ2通过锥齿轮副实现抓手的旋转运动。小臂机构运动简图如图2
所示。
2 机械手的驱动方式
驱动装置是带动机械手到达指定位置的动力源。目前使用的主要有4种驱动方式:液压驱动、气压驱动、直流电动机驱动和步进电动机驱动。本设计的是小型机械手, 位置精度和负载力矩较小, 所以6个关节动作均选用步进电机驱动, 而抓手动作则采用气压驱动。
3 机身及肩关节的结构设计
(1) 设计要求
机身是直接连接、支承和传动手臂及行走机构部件。一般情况下, 实现臂部的升降、回转或俯仰等运动的驱动装置或传动件都安装在机身上。臂部的运动愈多, 机身的结构和受力愈复杂。机身既可以是固定式的, 也可以是行走式的, 即在它的下部装有能行走的机构, 可沿地面或架空轨道运行。本设计中机身采用固定式的。
(2) 结构设计
本设计中, 机身可作360b 回转运动, 其动力靠同步带来传递, 同步带传动以其体积小, 重量轻, 结构简单, 传动比准确而保证了手臂运动的灵活性和定位的准确性。
机身的上部是臂座, 其主要任务是支撑和完成
图3 肘关节机构运动简图
11步进电机专用联轴器 21向心推力球轴承 31小臂 41大臂
51步进电机
图2 小臂机构运动简图
11抓手 2、141进气口 3、101同步带 41步进电机DJ1 51向心推力球轴承 61步进电机专用联轴器 71步进电机DJ3 81小臂臂座 91步进电机DJ 2 111腕摆框 121锥齿轮副 131手部接口
肘关节的结构设计与手部的旋转驱动机构类似, 但在这里主要考虑的是通用性、互换性。当机械
手的抓取重量较小时, 可采用该结构, 用步进电机通过专用联轴器直接驱动的方式, 当抓取重量较大(\10kg) 时, 可采用其他驱动方式(齿轮变速电机, 液压缸与齿轮齿条的组合等) , 还可在臂尾设置配重, 以实现提高抓重能力的调节。肘关节的运动机构简图如图3
所示。
第28卷第10期
2007年 10月
煤 矿 机 械
Vol 128No 110Oct. 2007
刮板输送机的优化设计
王 琳
(靖远煤业有限公司科研设计院, 甘肃白银730913)
摘要:针对刮板输送机设计参数诸多的不确定性, 传统设计难以满足实际要求的现状, 从产品设计方法角度, 以电机功率最小和运输性能最佳为目标, 建立优化数学模型, 利用网格法对刮板输送机进行优化设计, 对于改善煤矿设备的使用性能, 减少设备维护量, 提高设计效率具有重要意义。
关键词:刮板输送机; 改进; 优化设计
中图分类号:TD63 文献标志码:A 文章编号:1003-0794(2007) 10-0019-03
Optimazes Design of Scraper Conveyor
WANG Lin
(Jingyuan Coal Industry Group Co. , Ltd. , Desi gning Institute, Baiyin 730913, China)
Abstract :Aim at scraper conveyor to transport the parameter many indeterminations of the machine design, the tradition design hard satisfy the present condition of actual request, from the machine design method, with scraper conveyor to transport the machine electrical engineering power minimum and conveyance the function is the best for target, build up excellent turn mathe matics model, make use of the mesh method to scraper conv -eyor to transport the machine to carry on excellent turn the design. Easy toly in time, raise to design efficiency to have the very important meaning.
Key words :scraper conveyor; technique improvement; optimizes design 0 前言
5 腕部的结构设计
(1) 设计要求
手腕部件设置于抓手和小臂之间, 它的作用主要是在小臂运动的基础上进一步改变或调整手部在空间的姿态, 以扩大机械手的动作范围, 并使机械手变得更灵巧, 适应性更强。
腕部件具有独立的自由度。手腕运动有:绕x 轴的转动称为回转运动, 绕y 轴的转动称为上下摆动(或俯仰) ; 绕z 轴转动称为左右摆动; 有的甚至是沿y 轴(或z 轴) 的横向移动。
一般手腕设有回转运动或再增加一个上下摆动即可满足工作要求, 一些动作较简单的专用机械手, 为简化结构, 可以不设置腕部, 而直接由臂部的运动驱使手部搬运工件。
(2) 结构设计
根据上述手腕运动分析和工作要求, 腕部设计成3个自由度动作的结构(见图2) , 由3个回转关节组合而成, 组合方式采用2台步进电机驱动, 1台步进电机DJ1通过同步齿形带轮带动一对圆锥齿轮实现手转运动; 另1台步进电机DJ2通过另一对同步齿形带轮带动腕摆框实现腕摆运动, 步进电机DJ3实现小臂的转动。其中, 当腕摆框摆动而手转电动机不转时, 联接手部的锥齿轮将会产生一个附加的
刮板输送机常由于产品设计参数确定不当或设手转运动, 需要在控制上加以修正。6 结语
总体设计完成以后, 分别对机身、大臂、小臂及腕部等4个部件6个关节进行了结构设计。由机身完成机械手的转动要求, 由肩关节完成大臂的摆动要求, 由肘关节完成小臂的摆动要求, 小臂及腕部组成一个有机的整体, 小臂的臂壳是材料为16Mn 的矩形截面的整体式方形管, 以足够的强度和刚度承受机械手抓件时的动静载荷, 臂壳内装置有3台步进电机, 实现臂转、腕摆及手转的3个自由度的运动。其中腕部的结构设计是本机械手设计难点, 也是攻关的重点, 更是亮点。
参考文献:
[1]龚振帮. 机器人机械设计[M]. 北京:电子工业出版社, 1995. [2]周伯英. 工业机器人[M]. 北京:机械工业出版社, 2000.
[3]朱春波. 气动关节型机械手[J]. 液压气动与密封, 1999, 78(6) :21-24.
[4]蔡自兴. 机器人学[M]. 北京:清华大学出版社, 2000. [5]王天然. 机器人[M]. 北京:化学工业出版社, 2002.
作者简介:周惠明(1956-) , 江苏宜兴人, 高级工程师, 研究方向:机械设计与制造、化工机械设计, 主持开发的化工部九五攻关项目/工程塑料离心泵0获化工部科技进步二等奖、无锡市科技进步二等奖, 电话:0510-88071180, 电子信箱:Zhm161@163. com.
收稿日期:2007-05-28