面向核環(huán)境的側桿式撥爪機械手分析及仿真

張明路，郭 鵬，田 穎，呂曉玲

（河北工業(yè)大學機械工程學院，天津300130）

1 引言

近年來，工業(yè)機械手在航空航天、機械制造、核環(huán)境檢測等領域的應用越來越廣，因而其工作的高效性、穩(wěn)定性和精確性也越來越為人所關注。大量科研人員投入精力研究機械手的優(yōu)化設計及運動學分析，以期獲得更穩(wěn)定更精確且效率更高的工業(yè)機械手。

文獻[1-2]對新型機械手進行了結構設計；文獻[3]對一種抓胎機械手進行了優(yōu)化和分析；文獻[4-5]對DH法建立連桿坐標系規(guī)則和改進方法做了研究；文獻[6-9]對機械手正向運動學及奇異性做了分析及仿真；文獻[10]對機械手逆向運動學做了分析。以上研究均以開環(huán)多關節(jié)機械手為主，未對此類側桿式機械手做出結構分析。

針對特殊核電環(huán)境，圓周上均布的四個活接螺栓需要同時撥開和撥回，以實現(xiàn)對濾芯外蓋的固定，如圖1（a）所示。提出了一種側桿式撥爪機械手，如圖1（b）所示，對此類機械手進行結構分析及優(yōu)化。通過分析鉸接點位置確定其與末端點運動范圍的關系；結合工況條件，確定撥爪尺寸選取規(guī)則；借助側桿-撥爪-拉伸桿三者的尺寸關系研究運動學特性，得到機械手末端位姿，為分析此類側桿式撥爪機械手運動學提供解決方法；借助仿真軟件討論機械手作業(yè)的穩(wěn)定性。從而為該特殊環(huán)境下的機械手工程應用提供理論依據和仿真數(shù)據。

圖1 機械手結構及工況示意圖Fig.1 The Schematic Diagram of Manipulator Structure and Working Condition

2 機械手結構分析

2.1 側桿式撥爪機械手組成及工作原理

此類側桿式機械手由四個撥爪、四個側桿、一個拉伸桿和一個套筒組成。所述拉伸桿前端穿過套筒與四個撥爪連接，拉伸桿后部設有齒條，電機的輸出軸上固定的齒輪與拉伸桿上的齒條相嚙合；所述套筒的外部通過銷軸連接側桿，每個側桿的另一端通過銷軸連接撥爪的中部。當電機轉動后，通過正、反轉驅動拉伸桿前后運動，由于套筒與機架固定，此時側桿將繞點旋轉。撥爪在前后運動的同時將會繞與拉伸桿連接的銷軸旋轉，這樣末端點就有了確定的運動路線。該撥爪機械手對開環(huán)多關節(jié)機械手進行改進，撥爪和套筒通過側桿鉸接，這樣在撥爪與拉伸桿的鉸接處省去驅動電機，使撥爪機械手結構簡單，節(jié)約設計成本；四個撥爪都通過與拉伸桿相連的電機驅動，可以使其動作一致，運動過程更加平穩(wěn)。

2.2 鉸接點分析

所述撥爪機械手的撥爪和套筒通過側桿鉸接，側桿的鉸接點選取要遵循以下原則：（1）側桿鉸接后可以實現(xiàn)機械手撥開和撥回功能；（2）側桿與撥爪運動過程中不發(fā)生干涉現(xiàn)象；（3）鉸接點應保證撥爪在較小的驅動條件下實現(xiàn)規(guī)定運動。

分析撥爪和套筒鉸接位置可以發(fā)現(xiàn)，當鉸接點位于撥爪上半部分時，其運動過程中會發(fā)生干涉，撥爪運動范圍受到較大限制，因此鉸接點不宜位于撥爪上半部分，如圖2所示。

圖2 撥爪與側桿干涉圖Fig.2 The Interference Figure of Pull Claw and Side Rod

取桿長相同的撥爪模型，分別將鉸接點布置在距離撥爪末端處和處。將Solidworks中建好的模型導入到Adams中，加入同類型約束和相同作用力，如圖3（a）、圖3（c）所示，其中，F(xiàn)orce1=Force2=Force3=Force4=3.9E-003，F(xiàn)orce5=88E-003，仿真結果，如圖3（b）、圖3（d）所示。對比圖3（b）和圖3（d）可知，在仿真時間相同情況下，鉸接點布置于距離撥爪末端時的運動范圍大于布置于距離撥爪末端時的運動范圍；在同一位置，鉸接點布置于距離撥爪末端時的速度、加速度大于布置于距離撥爪末端時的速度、加速度。由此可知，鉸接點的選取與末端點的運動有關。在相同運動時間內，鉸接點越靠近末端點，其運動范圍越大；在運動過程中的同一位置處，鉸接點越靠近末端點，其速度和加速度越大。

圖3 不同鉸接點位置虛擬樣機模型及仿真曲線圖Fig.3 The Virtual Prototype Model and Simulation Curve of Different Hinged Position

2.3 結構尺寸分析

取機械手的部分為例，對其做如下的分析：

圖4 結構尺寸關系圖Fig.4 The Diagram of Structural Dimensions

圖中：A1—撥爪兩鉸接點與拉伸桿之間角度；A2—側桿與拉伸桿之間角度；A3—撥爪兩鉸接點與側桿之間角度；A4—撥爪兩鉸接點與撥爪割線之間角度；l1—側桿長度；l2—撥爪兩鉸接點之間的長度；l3—撥爪鉸接點與套筒鉸接點之間的長度；l4—撥爪割線長度。

如圖4所示，根據幾何關系，可得：

根據（1）式，可得：

對于具體結構，l1和l2已知，則A1可用l1線性表示，即：

2.4 工況分析

在實際環(huán)境中，機械手運動分為撥開和撥回兩種工況。

其實際撥回工況條件下，初始螺栓與外蓋呈一定角度，機械手四個撥爪極限姿態(tài)為：撥爪末端內側與四個螺栓端面同時接觸，其尺寸關系，如圖5（a）所示。電機轉動后，驅動拉伸桿向后運動，由于套筒固定，因此側桿繞點旋轉。撥爪在前后運動的同時，也繞點旋轉，這樣末端點就有了確定的運動路線。當末端內側與螺栓接觸后，電機繼續(xù)轉動，直到螺栓與外蓋處于垂直。

其實際撥開工況時，初始螺栓軸線與外蓋處于垂直，其機械手四個撥爪極限姿態(tài)為：撥爪末端外側與四個螺母內接，其尺寸關系，如圖5（b）所示。其電機轉動方向與撥回過程中方向相反。

圖5 撥開、撥回結構尺寸示意圖Fig.5 The Diagram of Dialing and Returning

根據圖5，可確定其撥開和撥回兩個過程中，各桿件尺寸需滿足下面方程組

根據式（4），選擇一組數(shù)據進行仿真驗證，各桿件參數(shù)，如表1所示。

通過式（4）計算可知l4應滿足：168.4mm≤l4≤172.6mm，取l4=171mm進行仿真。

根據表1中各參數(shù)，模擬撥回工況下角度β2及z方向位移，建立虛擬樣機模型，如圖6（a）所示。在模型中拉伸桿末端施加沿x正方向驅動，速度大小設置為10mm/s，其初始值l3設定為98mm。角度β2變化曲線和末端點z方向位移曲線，如圖6（b）、圖6（c）所示。由圖6（b）和圖6（c）可知，當β2=120°時，lz=156.5mm≥；當β2=135°時，可以滿足方程組（4）的關系，從而驗證結論的準確性。

表1 仿真參數(shù)表Tab.1 The Simulation Parameter Table

圖6 具體工況仿真曲線圖Fig.6 The Simulation Curve of Specific Conditions

3 機械手運動學模型分析

3.1 正向運動學分析

運動學研究通常選用DH法，根據機械手的關節(jié)類別，建立機器人各關節(jié)坐標系，如圖7所示。

圖7 機械手坐標系建立圖Fig.7 The Mechanical Manual Coordinate System

圖中：xiyizi—關節(jié)i的坐標系；z0y0z0—基坐標系。

用以下參數(shù)描述連桿，ai—連桿長度，αi—連桿扭角，θi—連桿轉角，di—連桿距離，運用齊次坐標變換描述該機器人相鄰桿件的空間關系：

z1y1z1系相對于x0y0z0基坐標系的變化為：

x2y2z2系相對于x1y1z1系的變化為：

最終可建立x2y2z2系相對于x0y0z0基坐標系的齊次變換矩陣：

其中，

表2 連桿參數(shù)表Tab.2 The Linkage Parameter Table

將表2參數(shù)帶入式（7），得：

對于具體結構，l4和A4為已知，結合式（3），可得只含一個未知變量l3的機械手末端位姿方程。

3.2 逆向運動學分析

假設末端位姿為：

由式（5）可得：

將表2參數(shù)帶入，得：

由式（6）可得：

將表2參數(shù)帶入，得：

由式（7）可得：

將表2參數(shù)帶入，得：

對于具體結構，式（11）、式（13）、式（15）中，l4和A4為已知，結合式（3），可得只含一個未知變量的機械手末端位姿方程。

令公式兩端元素對應相等，可得任意位置的變量。

4 基于Adams的運動學仿真與分析

對撥爪機械手進行數(shù)值仿真，仍然采用1.4節(jié)建立的虛擬樣機模型。由于在實際工況下，撥爪末端點直接與其他部位接觸，所以為了研究其工作范圍是否符合工作需要，需研究撥爪末端點的運動軌跡。取兩個位置相對撥爪，對其之間的距離進行仿真，如圖8（a）所示。對機械手末端速度和加速度進行仿真，如圖8（b）、8（c）所示，可知其運動是否平穩(wěn)，是否符合實際工況；對撥爪角速度和角加速度進行仿真，如圖8（d）、圖8（e）所示，觀察其角度變化情況，可以驗證其撥爪尺寸及角度設計的合理性。

圖8 運動學仿真曲線圖Fig.8 The Kinematics Simulation Curve Diagram

從圖8（a）可知，末端點之間的距離由變?yōu)?，可大體確定其工作范圍。因此在此范圍內不應布置其他部件，以防發(fā)生碰撞。從圖8（b）和圖8（c）可以看出，整個過程中速度變化平緩，而且運動過程中沒有明顯的震顫現(xiàn)象，加速性能較好。速度處于緩慢上升的走勢，與實際工況下初始接觸撥爪運動較緩慢，隨即速度逐漸變大的要求相符。從圖8（d）和圖8（e）可知，撥爪角速度和角加速度變化平穩(wěn)，運動過程中無波動現(xiàn)象，基本呈現(xiàn)線性增長，避免了死點角度，說明撥爪的尺寸設計較合理。

5 結論

介紹了一類面向核環(huán)境的側桿式撥爪機械手，對其進行結構分析，通過Adams仿真確定了側桿鉸接點位置與撥爪運動之間的關系；模擬實際工況，建立了撥爪和外蓋的尺寸關系模型；提出一種借助結構尺寸關系解決此類側桿式機械手運動學分析的方法；借助Adams建立虛擬樣機模型，對機械手的運動進行仿真。仿真結果表明該機械手有較好的運動特性及較強的實用性，可代替人工實現(xiàn)高輻射極限條件下對濾芯的更換。末端可以進行一定的改造，以適應不同的工況。在仿真計算過程中未考慮關節(jié)摩擦力，今后可以對此方面做進一步的研究。