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一個(gè)平行爪機(jī)械手的合規(guī)性效應(yīng)
作者：A.J.G. Nuttall, A.J. KleinBreteler
國籍：荷蘭
出處：2002年荷蘭代爾夫特設(shè)計(jì)學(xué)院
摘要：本文討論了平行爪機(jī)械手的機(jī)械合規(guī)性效應(yīng)。在研究專用機(jī)械手設(shè)計(jì)的一個(gè)案例中，分析了兩種不同設(shè)計(jì)元素對(duì)兼容特性的影響——預(yù)加載彈簧的彈性和由摩擦引起的阻力。這種機(jī)械手通過操縱半自動(dòng)旋鎖來保護(hù)海輪貨物集裝箱。這種適應(yīng)性效應(yīng)能有效的減少偏差和對(duì)機(jī)械手的過載。
關(guān)鍵字：機(jī)械合規(guī)性 扭鎖操作 預(yù)裝載彈簧 摩擦力
1 介紹：
機(jī)械手在夾具的幫助下抓取和操作對(duì)象。通常把被操作的對(duì)象放在一個(gè)指定的位置，機(jī)器人可以抓取住并將其移動(dòng)到另一個(gè)指定的位置。當(dāng)開始的抓取位置和最后放置的目的位置是能由外部干擾而移動(dòng)的沉重剛體時(shí)，抓取就會(huì)出現(xiàn)困難。如果機(jī)械手無法在抓取和釋放中適應(yīng)這種動(dòng)作，那么這種運(yùn)動(dòng)的巨大力量就會(huì)被傳遞到機(jī)械手本身，可能導(dǎo)致機(jī)械手破壞。因此，機(jī)械手應(yīng)該變成靈活的或者能適應(yīng)復(fù)雜僵硬的環(huán)境。
通過標(biāo)準(zhǔn)的終端效應(yīng)或夾具，適應(yīng)性可以引入到機(jī)械手中。這個(gè)可以用不同的方法來實(shí)現(xiàn)。我們在文獻(xiàn)中能發(fā)現(xiàn)各種各樣的關(guān)于機(jī)械手合規(guī)性的主題，這些都主要集中在對(duì)通用夾具和精細(xì)操作的控制理論中。在這種環(huán)境中適應(yīng)性被調(diào)查用于剛度模型，而且可以引入遠(yuǎn)程合規(guī)中心。這些調(diào)查借助特殊的傳感器和執(zhí)行器的可靠力量和可能的位置控制把合規(guī)性整合進(jìn)控制系統(tǒng)。這種形式的電子控制的通用夾持器可以管理許多不同的任務(wù)和對(duì)象。
這是與被設(shè)計(jì)用于特定任務(wù)和對(duì)象的有特殊用途的端部執(zhí)行器相反的，通過利用簡單的傳感器和與以機(jī)械形式的合規(guī)性效應(yīng)相結(jié)合的執(zhí)行器，一種有效的、可靠的、強(qiáng)大的機(jī)械手就能產(chǎn)生，這種機(jī)械手能夠適應(yīng)運(yùn)動(dòng)（以有限制的方式）的握持點(diǎn)。適應(yīng)這種形式的合規(guī)性夾具配置已被證明很難在文獻(xiàn)中找到。
本文給出了在夾持器的機(jī)械合規(guī)效應(yīng)影響下的一個(gè)觀點(diǎn)。這是一個(gè)對(duì)夾具設(shè)計(jì)的案例研究。作為例子，它討論了兩種不同的機(jī)械合規(guī)模式。這個(gè)例子由一個(gè)用于操縱半自動(dòng)旋鎖的平行爪機(jī)械手配置組成。
2扭鎖機(jī)械手的背景
機(jī)械手被要求能自動(dòng)連接和從和到集裝箱的底部角配件移除半自動(dòng)旋鎖。在左邊圖1所示為一種半自動(dòng)的扭鎖，這種類型的扭鎖是一種綁扎設(shè)備，用于固定海域航行貨柜船舶的甲板。它由一本體，一上部和下部旋轉(zhuǎn)錐和一個(gè)用于錐位置手動(dòng)操作的手柄組成。
通過下側(cè)錐體的旋轉(zhuǎn)的解鎖，上部錐體可以被插入到右圖所示的底部的角鑄件。因?yàn)樗目椎男螤钕嗥ヅ?，所以最上方的領(lǐng)口修正成的孔的角鑄件。當(dāng)錐體旋轉(zhuǎn)回其原始位置時(shí)，旋轉(zhuǎn)式鎖銷被固定在底部的角鑄件，手柄是用于手動(dòng)操作，如果它被拉到該軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，錐體就連接在一起。為了這種固定過程的自動(dòng)化和反向操作這種夾具必須被設(shè)計(jì)成能通過其脖子上的足夠的抓力來抓取不同類型的旋鎖。當(dāng)機(jī)械手定位在開放式平行爪扭鎖時(shí)，平行爪也必須打開的足夠大來防止和錐體發(fā)生碰撞
圖1半自動(dòng)扭鎖和邊角集裝箱
因?yàn)樗鼤?huì)通過連接線被懸掛在空氣中或擱在有氣動(dòng)輪胎的軋制底盤上，所以這種容器能夠在由于外部干擾而產(chǎn)生的抓取和釋放操作中移動(dòng)。風(fēng)就是一個(gè)干擾的例子，它能夠在集裝箱的側(cè)面上產(chǎn)生波動(dòng)力量，這可能會(huì)導(dǎo)致振蕩運(yùn)動(dòng)。由于大型集裝箱（30噸）的可能的運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)堅(jiān)固的扭鎖，這種機(jī)械手將必須是兼容的，以防止對(duì)自身或?qū)C(jī)器的其他部件造成破壞。機(jī)械合規(guī)性有助于解決在集裝箱上的移動(dòng)抓取點(diǎn)的問題，也有助于保持必要的控制系統(tǒng)簡單化。
因?yàn)檩S環(huán)是不同的扭鎖設(shè)計(jì)中常見的元素，所以它被選擇作為與夾具接觸的表面。它必須適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化的角鑄件的孔，所以形狀和大小大體相同。盡管孔的寬度的公差只允許被控制在1.5毫米以內(nèi)，但在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，軸環(huán)的寬度可以取在57毫米和62毫米之間。在這5毫米的范圍內(nèi)，軸環(huán)的尺寸必須對(duì)夾具的可靠性操作加以考慮。
這是在扭鎖操作過程中必須要保證的最小的作用力，可以用于所有軸口的類型。在圖2a中顯示了在抓取過程中由鉗口施加的作用力。套環(huán)側(cè)上產(chǎn)生的摩擦力必須足夠大，以補(bǔ)償在扭鎖上產(chǎn)生的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的力。在與軸環(huán)表面平行的方向上必須進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目偟淖饔昧Γ‵tot）大小是200 N，這是通過確定由操作器和靜電引力造成的動(dòng)態(tài)力計(jì)算出來的?？恐鵀?.125（升）的摩擦系數(shù)可以計(jì)算每個(gè)的鉗口施加的抓取力，如下
圖2扭鎖抓取力和必要的抓取行程
圖2b顯示了在打開和閉合位置的夾爪。它顯示了在打開的夾具的定位中機(jī)械爪必須打開多大的距離。因?yàn)閳A錐直徑大于凸緣的寬度，所以在圓錐體和機(jī)械手之間必須有足夠的間隙以防止碰撞。為了得到一個(gè)間隙為15毫米的位移的鉗口，機(jī)械手必須具有40毫米。
3找到一個(gè)合適的夾具配置
圖3a闡述了現(xiàn)有的能夠產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)大的夾緊力和大位移的夾持器，它由兩個(gè)由雙作用氣缸驅(qū)動(dòng)的平行機(jī)械爪組成。連接到氣缸的s活塞桿是一個(gè)雙齒條齒輪，它能驅(qū)動(dòng)兩個(gè)部分扇區(qū)的小齒輪。兩對(duì)對(duì)稱平行布置閉合聯(lián)系是直接安裝在行星小齒輪上的部分扇區(qū)和提供加緊力的。
這樣的設(shè)計(jì)只適合應(yīng)用于就被抓取物體的寬度具有兼容的行為，如果被抓取的對(duì)象大于閉合鉗口之間的距離，它們將會(huì)在全部關(guān)閉之前與對(duì)象接觸，因此在關(guān)閉操作的期間，活塞將不會(huì)移動(dòng)到結(jié)束位置，
它使抓取不同尺寸的物體變成可能。然而，檢測閉合位置的機(jī)械爪將變得更加困難。這需要一種特殊的檢測方法如作用力檢測將要求測量閉合位置。
如圖3a所示的機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖中，在圖3b中機(jī)械手可以被給予額外的約束。為了在水平方向能夠得到約束，預(yù)加載的彈簧已經(jīng)被添加到機(jī)械手中。預(yù)載彈簧提供了兩個(gè)好處，首先，所有需要建立足夠的抓力的行程會(huì)變短。如果預(yù)壓被設(shè)置為所需的最小的抓取力，那機(jī)械手在抓取到對(duì)象之后，彈簧幾乎不需要一段安全抓取的距離。第二，需要抓取的最小的力在傳感器的幫助下能保證，檢測到端部位置的氣壓缸。如果機(jī)械爪之間的抓取對(duì)象到達(dá)氣缸閉合行程的末端，那彈簧必須受壓，而且抓取力必須至少等于設(shè)定的預(yù)緊力。
圖3平行機(jī)械手合規(guī)性配置