文档介绍：本科毕业设计
外文翻译
题目
机械手的机械和控制系统
姓名
谢百松
学号
20051103006
专业
机械设计制造及其自动化
指导教师
肖新棉
职称
副教授
中国·武汉
二○○九年二月
机械手的机械和控制系统
文章来源: Dirk Osswald, Heinz Wörn. Department puter Science , Institute for Process Control and Robotics (IPR).,Engler-Bunte-Ring 8 - Building .
摘要: 最近,全球内带有多指夹子或手的机械人系统已经发展起来了, 多种方法应用其上,有拟人化的和非拟人化的。不仅调查了这些系统的机械结构,而且还包括其必要的控制系统。如同人手一样,这些机械人系统可以用它们的手去抓不同的物体,而不用改换夹子。这些机械手具备特殊的运动能力(比如小质量和小惯性),这使被抓物体在机械手的工作范围内做更复杂、更精确的操作变得可能。这些复杂的操作被抓物体绕任意角度和轴旋转。本文概述了这种机械手的一般设计方法,同时给出了此类机械手的一个示例,如卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ。本文末介绍了一些新的构想,如利用液体驱动器为类人型机器人设计一个全新的机械手。
关键词:多指机械手;机器人手;精操作;机械系统;控制系统
引言
2001年6月在德国卡尔斯鲁厄开展的“人形机器人”特别研究,是为了开发在正常环境(如厨房或客厅)下能够和人类合作和互动的机器人系统。设计这些机器人系统是为了能够在非专业、非工业的条件下(如身处多物之中),帮我们抓取不同尺寸、形状和重量的物体。同时,它们必须能够很好的操纵被抓物体。
这种极强的灵活性只能通过一个适应性极强的机械人手抓系统来获得,即所谓的多指机械手或机器人手。
上文提到的研究项目,就是要制造一个人形机器人,此机器人将装备这种机器人手系统。这个新手将由两个机构合作制造,它们是卡尔斯鲁厄大学的IPR(过程控制和机器人技术研究院)和c(计算机应用科学研究院)。这两个组织都有制造此种系统的相关经验,但是稍有不同的观点。
IPR制造的卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ(如图1所示),是一个四指相互独立的手爪,我们将在此文中详细介绍。IAI制造的手(如图17所示)是作为残疾人的假肢。
Ⅱ图2. IAI开发的流体手
机器人手的一般结构
一个机器人手可以分成两大主要子系统:机械系统和控制系统。
机械系统又可分为结构设计、驱动系统和传感系统,我们将在第三部分作进一步介绍。在第四部分介绍的控制系统至少由控制硬件和控制软件组成。
我们将对这两大子系统的问题作一番基本介绍,然后用卡尔斯鲁厄灵巧手
Ⅱ演示一下。
机械系统
机械系统将描述这个手看起来如何以及由什么元件组成。它决定结构设计、手指的数量及使用的材料。此外,还确定驱动器(如电动机)、传感器(如位置编码器)的位置。
结构设计
结构设计将对机械手的灵活度起很大的作用,即它能抓取何种类型的物体以及能对被抓物体进行何种操作。设计一个机器人手的时候,必须确定三个基本要素:手指的数量、手指的关节数量以及手指的尺寸和安置位置。
为了能够在机械手的工作范围内安全的抓取和操作物件,至少需要三根手指。为了能够对被抓物体的操作获得6个自由度(3个平移和3个旋转自由度),每个手指必须具备3个独立的关节。这种方法在第一代卡尔斯鲁厄灵巧手上被采用过。但是,为了能够重抓一个物件而无需将它先释放再拾取的话,至少需要4根手指。
要确定手指的尺寸和安置位置,可以采用两种方法:拟人化和非拟人化。然后将取决与被操作的物体以及选择何种期望的操作类型。拟人化的安置方式很容易从人手到机器人手转移抓取意图。但是每个手指不同的尺寸和不对称的安置位置将增加加工费用,并且是其控制系统变得更加复杂,因为每个手指都必须分别加以控制。对于相同手指的对称布置,常采用非拟人化方法。因为只需加工和构建单一的
“手指模块”,因此可减少加工费用,同时也可是控制系统简化。
驱动系统
指关节的驱动器对手的灵活度也有很大的影响,因为它决定潜在的力量、精度及关节运动的速度。机械运动的两个方面需加以考虑:运动来源和运动方向。在这方面,文献里描述了有几种不同的方法,如文献[3]中说可由液压缸或气压缸产生运动,或者,正如大部分情况一样使用电动机。在多数情况下,运动驱动器(如电机)太大而不能直接与相应的指关节结合在一起,因此,这个运动必须由驱动器(一般位于机器臂最后的连接点处)转移过来。有几种不同的方法可实现这种运动方式,如使用键、传动带以及活动轴。使用这种间接驱动指关节的方法,或多或少地降低了整个系统的强度和精度,同时也