仿生机械手结构设计与分析
第28卷第l期
2002年2月
东华大学学报【自然科学版)
JOURNAL
017
Vo【28、Nol
DONGHUAUNIVERSⅡY}eb.2002
仿生机械手结构设计与分析
申
琼何
勇
东华大学机械工程学院.上海.200051
摘要介绍了一种白行研制的自售饮料仿生机械手晕统模型.对仿生机械手姑抽进行了原理设计以厦连动学分析,井推导出机械手各个关节执行机构的运动定位误差与末端抓手的定位误差的数学关系式。关键词:仿生机械手.运动学,执行机构.抓手.定位谖差
中图法分类号:开241
3
A
杯输出口。
(3)机械手系统。这是整个系统中的关键环节。由8031扩展的控制系统根据总控制器指令,控制机械手从空杯输出口抓取空杯,移到顾客所要求饮料的龙头下,装满饮料后送到顾客点,然后归位,完成一次售卖。另外,在顾客点上.机械手还可根据顾客高矮上下摆动一定幅度。
从第一台商用机器人诞生至今,已经有40多年的仂史:机器人的理论和技术不断发展和完善,其中相当一部分已经成熟.这使机器人技术的民用化成为可能1;=在这种背景下,根据市场需求设计并研制了一台自售饮料仿生机械手系统模型,以提高现有杯装饮料机的自动化程度。
1
系统构成
该系统由图l所示部分组成,系统的总体控制是
由以8031为核心的总控制器完成。当检测到有足够的硬币投入,控制器开始读取饮料种类,然后启动饮料杯输送系统,将空饮料杯送至输出口,同时触发机械手控制系统,以完成一次饮料售卖过程,各组成部分功能如下:
(1)饮料机本体。基本保持市场上通用饮料机现有结构不变,只是为实现自动控制,增加了辅助系统,饮料开关由电磁阀控制。
(2)辅助系统由检测装置和饮料杯储运系统组成。检测装置负责对投入的硬币、顾客按下的饮料按钮以及饮料杯的数量进行检测,然后为控制器提供相应信号;饮料杯储运系统:由饮料杯存储器和传输装置组成,负责将空杯从存储器中取出,然后传输到空
蠡茎慧墓
图1系统框圈
2结构设计
2.1机械手整体设计
根据运动要求,机械手的几何模型如图2所示。其中,0,为肩关节偏航自由度,0:为肩关节俯仰自由度,0,为肘关节偏航自由度,0。为腕关节偏航自由度,0,为腕关节俯仰自由度。f,、f。分别为机械手上、下臂的长度,f,为腕关节中心到抓手中心的距离。
收稿口期:2001—03—08
万方数据
东华大学学报(自然科学版
苇28考
图2机械手几何模型及DH坐标系
二2手臂长度的确定
如图3所示为饮料机俯视示意图,l。、l:分别为机械手上、下臂中心线长度,其中,£:包含手掌长度,D为饮料杯直径.h为饮料龙头高度,dl,d2分别为机械手肩关节中心到最近和最远龙头的距离。则根据几何关系有:
图3机械手运动极限位置
,‘
ff
22l
+
2
+
+
C0S“=
+
D一2
一
2,-
D一2
l
d
2,/Ll
2
}
2+
,-
+
一
f
=
,n+
D一2
2f2
+
口一2
CoS
口2
d
22(2
式中,h,D均为实测值,d1,d2根据实际要求选取。。,,a,根据机械结构的运动极限来确定,根据式(1)、(2)可求出手臂的理论尺寸。
2
3多指手设计
根据人手功能,手部设计成关节型多指手结
构2:其原理如图4所示:
图4手指机构运动简图
万
方数据该结构为首尾相接的两个四连杆机构它们的耦合作用表现为三根指节的握合运动。
每根杆件的长度值根据雷温法(Raven)即复矢量
;法E3J确定。原理如图5所示:
围5四连杆机构等效矢量图
矢量回路的闭合方程为:
I"2
e}。2+1"3幽=7l十r4tJ。4
(3)
式中,j为虚数常数。由于杆长不变,故求导得
j口2r2e)82+J口3r3d8】=j04r4p。。
(4)
令实部、虚部分别相等,且令“z=0z,m,=03
f603r3sin03一[04r4sin04
2
一
§J【Ⅲ3
r3cos03一Ⅲ41"4cos04=
一
§l叫哪吨c窨
∞
解方程组得
r2sin(02—04)
∽2面积百_西啦
(6)
为了提高运动的灵活性和可靠程度.机构设计成
双曲柄机构。当固定杆为四连杆中的最短杆时,应满
足r一+rnan≤7l+r2,其中r一,twin分别为最长杆和最短杆的长度,mr2分别为其余两杆的长度。根据实
际运动及尺寸约束,求出各理论参数。利用三维造型软件进行实体样机造型,对其结构实体运动仿真,并对理论参数进行修正,直至符合要求。
3运动参数的确定
3
l加速度
图6中(a)所示为装满饮料后杯的静止状态,
(b)为饮料即将溅出时的临界状态。可算出,杯子的最大加速度为
。一=g・tan。
(7)
期
申琼等:仿生机械手结构设计与分析
39
日曰
图6饮料杯静止及最大加速度运动状态
3.2速度
设t,为机械手归位所用时间,空杯输出口位于机械手的零位置处,f2为机械手拿到空杯后运动到相应的饮料龙头下所用时间,这两个时间段里的运动不受
a一限制。设£,为机械手从装满饮料到送至顾客点所用时间,为了降低控制系统的复杂程度,将t,细分
为匀加速、匀速及匀减速三个时间段,分别设为t。
f”,tm如图7所示。
V
婪1
图7抓手运动的速度曲线
可得末端抓手的最大运动速度:
v。,=n一・o)I
(8)
利用雅可比矩阵_,的逆矩阵J-。,可以求出各关
节的最大转速:
p=J。1
p一
(9)
4各关节运动误差对机械手末端
运动误差的影响[4]
假定机械手伸直状态下所处位置为停止位置,根据D
H(Denavit&Hanerlbe礓)方法‘5】为机械手建立各
坐标架,如图2所示,则末端抓手坐标系0525Y粥相
对于参考坐标系00zoYo:o的齐次变换矩阵为:
nx
0zⅡ_儿
ny0ynT
P7
=
R~0,.●
nz
o:a2:n
、J
0O
01
n0
万
方数据式中,r:一.(c=1,2,…,5)为机械手两相邻连杆问第
i个杆坐标系相对于第i一1个杆坐标系的齐次变换矩
阵。尺
为旋转变换矩阵,P
(以P,Pz)7为平移变换矩阵。
由旋转变换矩阵的正交性质可得:RRl’=E。所
以,对齐次变换阵
nr
or母j
P。
‰0,0,Py
r=
nz
0:
dz
P2
睁a
㈩,
0O0
1
有
R
n,R
—P+n
Dxor0:
一P‘D
(12)
ox
avⅡt
—P‘a
OOO1
式中,n=(k~心)’,
0=(o,0,Dj)’,
n=(a,Ⅱ,Ⅱ:)7。
当末端抓手坐标系相对于参考坐标系产生微动
㈦兰≮
…,
时,相应微变换阵为
O
晚
母
以
以0
一
乱
“
(14)
乱
瓦
0
吐
O0
O
0
式中,d为微平移矢量,6为微转动矢量。而相对于末
端抓手坐标系05。5Y5。5的微变换阵为:
40东华大学学报(自然科学版)
第28卷
△,=r叫△T=
O
式中,△}=(rll矸1,一,司)一1△?l(丁:jT;+。,,砭)
d・O
一6・O-
0
8-(p
x
n)+d・tt,
5
所以,实际的末端抓手的齐次变换矩阵为磅=
占・Ⅱ占・O
O
一d-i9,a・(P×0)+d・0
00
(ⅡdT,;)《
5
(15)
d・nO
8・(PX。)+d・。
0
结束语
该饮料机系统是为完成特定的任务而没计的,所
所以,相对于末端抓手坐标系05x5y525的微动量为
‘d:=n・((6
x
以在机械设计和控制系统上都比一般通用型机器人要简单,但试验证明,该系统无论在成本还是在性能上,都满足了实际应用的要求。
p)+d)
td,=0・((6×p)+d)‘吐=4・((6×P)+d)
。、(16)
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Thesvstemmodelof/113
automatic蛐machine
withbio-robotrnampulatorisintroduced-"In8principledesign
Themathemaficsrelati。nbetween
thepositioninge“。。of
andk面目118bcsanaIvsisofthe
gripper
bio-商耐nmfipulatorare舀ven
andthatoftheactuatorofeachjointisdeveloped.
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Keywords:bio--mbotmanipulator,kinematics,actuator,gripper,positioning
万方数据
仿生机械手结构设计与分析
作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:
申琼, 何勇
东华大学机械工程学院,上海,200051
东华大学学报(自然科学版)
JOURNAL OF DONGHUA UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION)2002,28(1)4次
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