机械臂及设计标准---高刚度及高密度

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1、机械臂的设计标准-高刚度及高密度卡里姆阿卜杜勒马利克，美国爱荷华大学，艾奥瓦城，爱荷华州，伯顿保罗，宾夕法尼亚大学，费城，宾夕法尼亚州摘要一个六自由度的高精度机械手设计部分已能实现。这种机械手（被称为UTI臂）由四个旋转关节和两个棱柱关节组成。这种机械手的机械设计目的是为了获取高精度，高刚度和高密度的链接。对机械元件的预应力是为了使得强度与刚度相匹配。在拉伸载荷下的链接是实验是为了增强弯曲刚度。在过去，研究人员已经报道效率低下的柱状节理是由于他的高度规则性。与均匀的薄壁管相比在此使用的棱柱关节设计提供了一个各向同性，较高的抗弯刚度及在扭转刚度上相对低的损耗。实验已经验证了这种理论通过计算关节的

2、扭转刚度。一种有限元模型也被使用于该模型，手臂机械设计的详细介绍是通过棱柱形的接头通过观察横截面和预应力的效果。关键词机械手设计；结构刚度；机器人设计；机器人介绍刚性连接的机械臂要求重量轻，刚度结构实现高精度和低惯量。尽管转动关节的分析与合成在文献中得以解决。柱状节理尚未引起极大的关注由于在设计和制造方面的相对困难。通用手册为了帮助机械手的设计在已存在的文献中，而且其他作品的列表设计标准也有很多。灵活的设计机制也应被提出。机械手的链接刚度分析可能被Rivin，Dukovski和王所发现。早在1979年，计算机辅助设计的程序已被应用于设计中。优化技术和校准技术已被用于纠正错误的准确性。被动引力补

3、偿也已被弥敦道和库马尔解决。最近，许多系列的机器人采用分析标准设计机器人技术设计。犹他州/麻省理工学院机械手，WAMS系统是两个这样的例子。其他机器人设计师们试图系统的发展分析设计标准作为设计的重要组成部分。举个例子，Fresonke，埃尔南德斯和特萨已经设立了分析标准对于系列机器人的变形预测。轩尼诗等已经证明设计了一个轻型机械臂，当威廉姆斯，洛杉矶和Bulca已经展示设计的六轴机器人手臂的各向同性。Rivin已经比较了一系列结构材料被使用于机械手臂并且已经研究了关键设计组件。机械手设计方面的独特部分可以在美国专利中找到，诸如雷诺，菲利普斯和通用汽车。最近，模块化设计已经出现在那些可以获得复杂

4、结构的地方。对机械手的共同发展的方法由吴，Hwang，和Chladek提出，而容错机械臂的设计是由Paredis和科斯拉解决。在这篇论文中，UTI臂结构设计的方面被提出。操作器臂部的柱状节理是基于一个连接的横截面设计，这提供一种高刚度的，高质量密度与带有一中空的圆形横截面相比。手臂的机械设计将首要被解决，其次是预应力的效果。柱状节理刚度和对试验的比较以及对那些管状关节的理论结果的呈现。手臂，调节器，接口的详细设计总体能被找到在阿卜杜勒马利克的相关美国专利中。一个完整的，详细描述的手臂将首要介绍。对于选择链接横截面的分析标准在机械手的使用将被使用与棱柱关节来被实现。对近似偏转的横截面数学公式将被

5、建议衍生。该剖面与轮比较，空心部分通常使用在机械手的连接处。这将所示，一个重要的增益在弯曲刚度上的可以得到与抗扭刚度相似的轻微损失。其他数学标准在张力预加载的数量能维持较高的弯曲载荷，将发展和证明通过实验的结果。UTI臂的描述本节介绍UTI臂鉴于其机械设计和装配。每个关节将被单独解决，尽管腕关节（包括三个自由度）被处理为一个整体。UTI臂的运动骨架图1示出了简化的UTI臂的运动学骨架。机械臂包括6个移动链接（被称为链接1至6），并且一个固定链接（链接0）。最终效应（对象持有人，夹具）被固定于链6的尾端。联合1是移动的包含垂直运动（d1），联合2是公转2，联合3是棱柱包括水平方向运动（d3），联

6、合4,5和6是公转并给出了符号4，5，和6.最后三个关节相交于一点被称为腕关节点，它能模拟一个球形的手腕。装配设计为了简化即将进行的讨论，电脑提供手臂的实体模型，如图2.为了清楚起见，图中部分引用随后的详细数字。链接0由三个平行轴固定于基础，定点位于等边三角形的中心。链接1包括三个内管结构，垂直于链接0被用为作为指南，然后形成链接1.固定连接1连接6个球花键，如图3所示，紧固到所述套管有两个紧缩板A和B，（推力板A和B如图3）.滚珠花键轴套被施加预应力，且球花键轴内运行。连杆1的内管包括三个部分，（a）内管A，（b）齿圈固定管A，且（c）内管B。接头1和2的分解视图，如图3所示。链接0由固定于

7、基座上的三个平行轴组成。各中心位于等边三角形的各顶点上。链接1包含内管结构。联合1 联合1，在图3显示，通过导线驱动螺钉，位于基本三角形的中心（一根位于三角形顶点处的花轴键）。一个循环螺母滚珠（图中未示出）依附于内管结构，沿着导罗管垂直运动。丝杆先预装以避免反弹。参考图4，丝杆直接耦合到DC无刷伺服电机上。基座固定在上板上。板被固定到一个铝制管状结构（气缸）上，上面设有两个凸缘分别用螺栓固定到不锈钢下部和上部板。联合2 联合2，图3显示，该板的外管结构的臂带有其余部分。外管围绕内管旋转，外管两套A和B的重量被用于抵抗推力轴承的重量。连接板1链接两个轴承的外管，这允许内管去诱导其余的臂部分。预应

8、力还规定手臂留在位置时，电源被切断，并消除了影响接头的间隙。外管是精确地围绕内管加载由两个位于内层之间的滚针轴承套管和外管（如图3）.外管是通过一个齿轮A旋转围绕内管的。允许齿轮A在圆周运动实现旋转和平移（行星齿轮），正如图5中勾勒出的。齿轮被连接到轴，其固定到一个谐波传动。谐波传动的波发生器通过与直流位于与齿轮同轴的DC无刷伺服电动机与谐波驱动。考虑到谐波传动的规律，一些谐波驱动器的大小要精心挑选。为了降低合规的谐波传动，可以选择尺寸较大的谐波传动，或在谐波传动后立即插入齿轮。一旦电机被激活，谐波传动传输功率（齿轮A），连杆1与齿圈依次啮合。相对于连杆1内部的齿轮被固定（如图5）。因此，齿轮

9、A被迫旋转；然而，因为紧固到外圈的齿轮A拥有结构，齿轮A也是被迫传动。连接到所述外管的两个括号（显示在图3中的板下方）。每个托架延伸到接头1的轴线的距离是4.5英寸（11.4厘米）。每个有三个空的支架的中心在一个等边三角形的顶点。为了弥补体重，括号位于相反侧的电机谐波传动齿轮组件。连接两个括号的是个平面盘。联合3参照图6，接头3包括三个镍铬铁合金，20英寸（51厘米）长通过一个滚珠衬套。管位于等边三角形的顶点。连接三个不锈钢板的高精密齿轮齿条（一个在一端保持电机驱动器，另一个在另一端保持在手腕）。机架的运动将导致通过括号内的三个管件的作为一个刚体的移动。齿轮以一英寸（25.4ram）的紧密齿轮

10、齿条啮合。齿轮被固定到轴上正是固定的谐波传动。连接的谐波传动的伺服电机是直流无刷伺服电机。手腕位于在三个镍铬铁合金管的端部。A轴（在图6中所示的扭转轴）连接到手腕延伸通过管道，通过括号内，并直接连接到谐波传动。谐波的夹紧环驱动器紧固到不锈钢板上。板是被紧固到管上，电机是连接到所述板上的（如图6）。手腕：联合4,5,6图7是所示手腕的分解图。要定位在手腕上没有轴向或横向相对于管的移动。两个轴承是两个管状部分间隔（查看详细的手腕示意图8）。保持在手腕上运行的轴靠轴承保证。轴承是固定的，两个接头的刚性连接六个固定螺钉。内侧有一个计数器的板由于结构受到横向移动的限制。轴承是由图8中所描绘的两个空心的圆

11、筒形分离间隔件组成。间隔物在加工中同时进行，以保证其等效的长度。内衬垫的长度被加工了0.002英寸（0.005毫米）。这将确保预应力的角接触轴承（外对内圈）。预应力引起相当大的刚度以消除间隙。手腕在两个轴承间自由旋转，但在轴向上的移动却被限制。手腕上有一个奇点时，轴联合图4是接头6的轴线平行。电机轴5是连接到高次谐波发生器驱动器的。腕关节结构由手腕和一个管状结构组成。手腕上的保持器以90的方向插入管状结构。A引脚是位于通过手腕保持器上（引脚的长度是大于手腕保持器的直径）。当手腕保持器紧固到所述管状结构，引脚被压靠在管状结构上，固定两引脚的确切位置且造成手腕处于轴向张力状态。手腕支架轴上的应力将

12、转变为提高弯曲刚度。较高的弯曲刚度就允许使用较轻的远端结构设计链接，导致较低的惯性力和更高的准确性。被贯通于管状结构的轴连接到一组谐波。谐波驱动器的钳位环紧固到管状结构上。由两部分组成的外管，A和B（如图7），位于任一侧管状结构上。外管A有一个嵌入它的滚针轴承。滚针轴承驻留在管状结构中。外管通过板和两个推力轴承被保持在适当位置。轴向间隙从而消失，以及在旋转方向上的刚度增强。外管的两部分，A和B，由铝结构连接（如图7中支架）。该结构由U形铝亚菲特板组成。铝的结构被紧固到外管的两部分。一轴是通过铝结构来定位并端部执行器可被紧固。轴是由电动机的外管顶部来旋转。图9显示了完整的UTI臂。堆载预压的影响

13、UTI臂的设计是根据在可能情况下的机械部件的预应力来决定。正如上面的讨论，预应力在下列情况下呈现。（a） 预压的滚珠花间的槽和轴以提高弯曲刚度并减少齿隙。（b） 加载一个恒定的张力于导螺杆的设计会把强度改造成弯曲刚度。（c） 轴向推力轴承的预压。（d） 角接触轴承的轴向预加载以提高抗弯刚度。（e） 手腕轴的设计是增强强度和抗弯刚度。（f） 齿轮的预应力驱动皮带。下面的分析表明，一个链接在进行轴向预压下可获得弯曲刚度的增益。机械手连接设计的张力问题，没有外力，由Rivin发现被实现成一个单一的链路，精度高的定位系统。为了演示由于预应力的刚度的增强，考虑到在图8所示手腕。假定从不同方向经受弯矩于端

14、部执行器。在负载P和轴向预紧S下一个简单支持梁的偏转是E是弹性模量，L是悬臂的长度，I是截面二次距，y是偏转，S是轴向拉力，P是横向加载，C是从边缘到位置P的距离。代入方程S/EI=k2求出方程左右两边。C1，C2，C3，C4是积分常数。用以下边界条件来找到常量。左侧和右侧的结果可以被写成最大挠度y(max)作为中间量（x=l/2）手腕支架轴可近似为悬臂梁上的两个轴承的一端和加载在手腕重量和有效负载的另一端上。增强刚度k，悬臂通过以下方式获得用2P代P，用2L代L。虽然对于悬臂梁表刚度k（无轴向负荷）， 铝（E=10*10 6psi）的手腕他的轴直径d=0.60英寸（15毫米）长度l=6英寸（

15、152毫米）。为了增强刚度而预加载的1000磅（454公斤）的计算公式为且未预加载荷的计算式为提高22%刚度的比率。鉴于屈服强度，横截面面积A，允许的轴向张力可达到最大。（用于预应力拧紧如图8）柱状节理大多数机械臂连结截面是中空的圆形或矩形空心。空心链接提供方便的管道，电力和通信电缆，软管，送点介质等。Rivin研究在两个弯曲截面上挠度和扭转的影响。他已经比较了带中空圆形的空心方横截面。Rivin陈述方形的截面可以提供69%-84%的增长在刚度方面，通过圆形中空，它的重量只增加了27%。在这篇文章中，介绍了不同的横截面，组成的由在中心在三个顶点的等边三角形的管中。该横截面简称为三管配置。空心圆

16、筒形的链接将被称为一个内管组态。通常开放式机器人的链接建模为悬臂式。举一个简单的悬臂，带有以下实心或空心截面性能：纯弯曲中偏转角是期中M是弯曲力矩。侧向位移是在纯扭转下，扭转角为T是扭矩，G是刚性模量，J是极距的面积，V是泊松比，L是长度。可以影响减少挠度的参数是E和（I或J）。弹性模量的改变只能由材料的不同而改变。转动惯量主要由截面形状来确定。许多研究已经选择对机械臂链接材料的选择。链接有效长度的改变可以引入滑动支承来实现，如图10a。图10b示出三管配置。它可以表明，如果复合材料的截面是任何三个全等对称的等边三角形，则对于复合材料面积的转动惯量在横向轴线通过复合材料质心是不变的。因此，以下

17、讨论的三管复合物在弯曲方向具有各向同性。纯弯曲产生的挠度建议利用近似的转动惯量来研究任何通过质心的直径轴（第二区）。单管对在图10a描述的单管，关于直径的惯性是其中D1和D0是内外径，对单管结构，T是单管的厚度，面积是：三管对在图10b中描述的三管，中性轴NN的转动惯量是其中单一的如图11b中空管直径的惯性力是其中d0和d1是外内径，在等边三角形上的每个管，t是三管结构中每个管的厚度，r是离质心的距离（如图11b中的定义）。每个管的面积是从式（12）和（13）中，把s代入L弯曲刚度通过使用下面公式可以用实验来确定：单向管的弯曲刚度是三管的弯曲刚度是扭转产生的挠度角对于单向管的横截面（图11a）

18、，在扭转中的有效长度是整个管长度L。（图11b）的三管配置中，在扭转方向上的有效长度是s=Lb，其中L和b在图10中被定义。在设计中，对计算扭转角的有效长度已经从L减为（Lb）。扭转刚度，按比列算（Lb）3,因此大幅增加。一杆的扭转角是其中k=扭转刚度，单管单管结构的扭转刚度是把式（26），（27）代入（25），刚度可以写为三管总的弯扭力矩可以被写为弯扭组合（见图12）.其中Ft是作用在每个管上的切向力，Tb是每个管上的扭转力矩。对于扭转力矩，扭转角为（见图12b）刚度常数Kb是其中Ji是每个单独管的极性。扭转角，如图12b，相对于如下的尖端位移的，其中是每个横向前端位移。在管的中部（一个弯曲

19、处的拐点），位移可写为简化为重写角度作为切向力可以这样算：把式（36）和（30）代入式（29），总扭转力矩可以改写成此外，对三管配置，边界条件都符合连接所有三极管刚性端帽（见图13）是把式（38）和（31）代入式（29），发现K3是等效刚度。把式（26）和式（27）代入式（39），等效刚度可改写为单管与三管配置的比较 为了验证先前开发部分的理论，为了获得实验结果，对三管的结构用以下特性进行测试。在对三管结构制造中，把其焊接在两个法兰盘每个的末端。在管的长度和每个凸缘的平直度上保留一定量公差，因为这些尺寸对偏转有直接的影响。三管结构的端部被固定，而另一端被用凸缘加载和偏转。刚度是通过偏转负荷数据

20、的斜率来计算的。该结构还利用有限元计算机程序建模（ANSYS）。每个管是用两个节点中的边界条件指定每一组的端节点来建模的。偏转在一端，作图在另一端。刚度（扭转弯曲）从斜坡曲线中计算出。把有实验得到的扭转刚度的结果与通过从ANSYS和理论计算式（40）中的结果相比较。结果列于表1中。类似的弯曲刚度的结果列于表2中。对于三管结构，一个显著地增加是在弯曲和扭转刚度中，且管的中心被进一步定为到三角形的中心（图11b中r的增加）。在扭转情况下，增加更加显著。观察到三个管件的刚度的增加是从r=0.6英寸（15毫米）到r=1.7英寸（43毫米）（32%的增幅在扭转刚度和8.5%的增幅在弯曲刚度）。通过保持1

21、.2英寸（30毫米）的三管配置在s=3英寸（76毫米）下，弯曲刚度的增幅是显著地（从11134到1603513%），但是扭转刚度的增加不显著（从311到3244%）。比较单管与三管的刚度，考虑一个单管的剖面积相等（面积=0.032平方英寸）具有以下属性。理论扭转刚度和弯曲刚度呈现在表3中。对同样的重量，三管结构（r=1.7英寸）是52.2倍的弯曲刚度比单管。在扭转刚性上的损耗，并不显著（3.4%）。方程（40）可以改写成无量纲形式图14显示的是r和s在扭转刚度上对三管的影响。注意到s的值越大，距离r对扭转刚度的影响小，但是s的值越小，r的影响就越大。添加在两端间的保持托架链接有助于三管配置的扭

22、转刚度。如前图3描绘的一样，保持托架对单管配置没有影响。结论预应力在机械连接中对刚度的转变要落实到对六轴，高精度机械臂的设计中。预应力要求增加弯曲刚度。刚度的增加允许设计出质量轻，精度高的机械手结构。三管配置被使用于柱状节理的构造中，且允许轻型链接的构造中。通过比较三管配置比单管配置有更小的弯曲刚度，但略有损耗在扭转刚度上。研究表明，扭转刚度的损失与抗弯刚度的增益相比可以忽略。分析三管配置的扭转刚度通过实验与通过建立有限元模型计算得到的结果比较。进一步的比较需要在柱状节理和双旋转接头（弯头）在刚度上的比较。这篇论文中的分析和具体落实到UTI臂的目的是为了提供一个更好的了解机器人手臂的设计思路。该机械手在制造环境中被用于微型零件的组合生产。由于其内在结构的高刚度质量比，操纵器非常适合于执行高速组装如果安装上适当的控制算法。目前它已运用于为残疾人士发展建立机器人辅助工作站的研究。致谢这项研究由UTI公司赞助支持。作者对弗洛伊德 Crafl，塞尔温 辛普森，迈克 费雷尔，戴夫 车库，特丽 Romech表示感谢他们把设想变成工作机。参考文献