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排爆机器人夹持器的机构设计及仿真


ROB-5

第 18 届中国机构与机器科学国际会议

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排爆机器人夹持器的机构设计及仿真
袁航,张青
( 上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240,E-mail: 11yuanhang@sjtu.edu.cn )
摘要: 本文对排爆机器人的夹持器进行了构型设计,提出了夹持器的

两种构型方案,这两种构型主要适用于在不可知的复 杂环境中(光照差,小角落) ,对小型爆炸物实施自主抓取。对两种构型方案进行了工作空间分析、静力学分析及方案比较, 并在此基础上对两种构型方案进行了静力学仿真及参数优化。 设计结果表明, 优化后的夹持器能够满足机构简单、 结构稳定、 活动灵巧、易于控制的设计要求,可为使用者提供安全、准确的夹持操作。 关键词:排爆机器人;夹持器;机构设计;参数优化;工作空间分析;静力学分析 中图分类号:TH132 文献标识码:A

Design and Simulation of the Explosive Disposal Robot’s Gripper
YUAN Hang ZHANG Qing (School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200240)
AbstractThis paper presents two structure designs of the explosive disposal robot’s gripper which can be applied for unknown complicated environment (hard to manipulate the robot, for example, under-vehicle) and the shape of the explosive substances undiscovered. The content of this design includes: bringing up two mechanical designs of the gripper, making comparison between the two designs from the views of both workspace and the force analysis, utilizing the tool MATLAB to optimize the specific parameters of the mechanical design. The design results indicate that the mechanism meets the requirements to be simple, stable, flexible and easy-controlled and it guarantees the safety and convenient manipulation of the operator. Key words: Explosive disposal robot; Gripper; Mechanism design; Parameters optimization; Workspace and Statics analysis

0 前言

*

排爆机器人是指用于代替人工,到存在爆炸物 等危险环境中,进行现场侦查和排爆,也可对一些 持枪的恐怖分子实施有效攻击的机器人。一般犯罪 分子会选择人员密集、 环境复杂、 难以控制的场合, 给排爆工作增添了复杂性。 目前的排爆夹持器大多以夹持力的大小为设计 重点,存在的主要问题是:传动系统复杂,机构笨 重,不够灵活。故本文提出了设计简单、活动灵巧、 易于控制的夹持器设计方案,可适宜于复杂环境下 的排爆工作,且方便操作者的安全及准确控制。

1 机械设计方案及原理
1.1 问题分析 对于排爆机械手,要求作业稳定、安全;对于 速度无过多的要求,为了达到平稳的效果,速度不

能太快; 总体体积较小, 方便在狭小的环境下作业。 机械手最终只需一个自由度的实现,可以选用 四连杆机构,有两种实现方式: (1)四根杆的长度 为定值,改变其中两根杆的夹角; (2)三根杆长度 为定值,改变第四根杆的杆长。对于第一种实现方 式,需把螺母丝杠传递过来的直线运动转换为杆的 转动,则齿轮传动无疑是很好的选择。在传动方式 上,将电机的转动传递给杆臂, 可选用齿轮传动、 链 传动或是螺母丝杠的方式。考虑到螺母丝杠具有结 构紧凑,体积重量较小,方便控制等优点,故选择 螺母丝杠作为传动链。 1.2 方案设计及原理 根据以上分析,本文提出两种构型方案: (1) 连杆传动+螺母丝杠传动+齿轮传动 其构型如图1和图2所示。

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2 工作空间分析及方案比较
机械夹持器的工作空间要求如表1:
表1 机械结构设计参数

图1

方案Ⅰ机械结构

手爪最大张口: 不小于120mm; 机械手伸展长度: 不小于130mm; 两种机构亦是在满足此条件下自给定参数。此 外,工作空间计算时考虑到,闭合时前端本身橡胶 的直径, 故闭合时前端点应保持25mm (橡胶直径) ; 螺母所能上升的最大高度为68mm(距离顶端保留 4mm的安全距离) 。 方案Ⅰ的工作空间分析 根据几何关系及齿轮参数,N=30,d=48mm, 求得:下臂的最小张角为30.7°;张角范围72°,最大 张角为102.7°;张口距离为204mm,则实际情况手 爪前端距离为179mm。 具体的机械手开合的位形见图 5: 2.1

图2

方案Ⅰ机械结构内部视图

长臂短臂与之间的连杆构成了四连杆机构,其 中四根杆长都是定值;螺母丝杠将电机的转动转换 成为螺母的直线运动;螺母沿着丝杠的直线运动又 带动了齿轮的转动;齿轮和下臂之间用销子链接, 带动下臂转动。从而实现夹持器运动。 (2) 连杆传动+螺母丝杠, 其构型如图 3 和图 4 所示。

图5

方案Ⅰ手爪闭合与张开情况下位形

2.2

图3

方案Ⅱ机械结构

方案Ⅱ的工作空间分析 根据几何尺寸及螺母所能达到的最大高度,求 得:机械手闭合时螺母的高度为 31mm;最大张口 距离为 353mm,考虑到前端橡胶的厚度,则实际情 况手爪前端距离为 328mm。 具体的机械手开合的位形见图 6:

图4

方案Ⅱ机械结构

机械手长臂与短臂之间的连杆构成了三连杆机 构,通过改变其中一根臂的长度来改变三连杆机构 的位形;而螺母丝杠的作用正是将电机的转动转换 成为螺母沿丝杠的直线运动。相当于改变了连杆机 构中的一根杆长,从而实现了手爪开合的操作。

图6

方案Ⅱ手爪闭合与张开情况下位形

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3 静力学分析及方案比较
3.1 方案Ⅰ的静力学分析 方案Ⅰ的受力如图 7 所示, 作用在 G 点的力为 F 0 。

?? ?

图8

方案Ⅱ受力分析图

对整体连杆机构,BC 杆分别进行静力平衡分 析,有:

图7

方案Ⅰ受力分析图

F A ? hAD ? F Cx ? hCD ? F Cy ? lCD ? 0 h l F A ? ? F Cx ? CD ? F Cy ? CD h AD h AD
F Cx F Cy ? tan ? ? l BC hBC
l l BC hCD ? ? F Cy ? CD h AD hBC h AD

(7) (8)

对整体连杆机构,BD 杆、CE 杆分别进行静力 平衡分析,有: ?? ?? ?? ?? F A ? hAE ? F Dx ? hDE ? F Dy ? l DE ? F 0 ? GE ? 0(1)

(9) (10)

F A ? F Dx ? F Ex ? F 0 ? cos ? ? 0 ?? F Dx l ?? ? BD F Dy hBD ?? F Ex CG ?? ? ?F0 cos ? CE
可解得:

(2) (3) (4)

F A ? ? F Cy ?

机构只有一个自由度,即 hCD (设为 h) ,化简得:

F A ? ?F 0 ?

l CD ? BD ( h ? AC ) ? ( BD ? h)

(11)

将实际尺寸代入 F A 表达式,最终求得 FA ? 0.1F0

?? h F A ? ( BD ? lDE ? hDE ? hAE ) lBD ?? h GE ? F 0 ? [(hDE ? BD ? lDE ) ? ? cos ? ? GE ] ? 0 lBD CE

4 机构仿真及参数优化
利用 MATLAB 对两种设计方案进行仿真,分 析机构尺寸参数对夹持力的影响,并根据仿真结果 提出参数优化方案,在合理机构的前提下增大夹持 力。 4.1 方案Ⅰ的仿真结果 方案Ⅰ的仿真结果如图 9-13 所示。 其中主要考

(5) 机构只有一个自由度,直接以 ? 作为自变量,上式 化简得:

?? F A ? (lDE ? cot ? ? AD ) ?? GE ? F 0 ? [( h ? lDE ? cot ? ) ? ? cos ? ? GE ] CE

虑 h , l DE , GE , CE , AD 对 F A 的影响。

(6) 将设计尺寸代入 FA 表达式,最终求得

FA ? 0.2 F0
3.2

为 F 0 ,其中 F

?? ?

方案Ⅱ的静力学分析 方案Ⅱ的受力图如图 8 所示, 作用在 G 点的力
Cy

? F0 。
图9

?? F A 与 h 的关系图

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图 10

F A 与 k 的关系图

长,但考虑到齿轮的尺寸限制,实际设计中 GE 为 14mm,较为合适。 (4)由图 12 知, CE 对力 F A 的影响也较为明显, 可是考虑到齿轮的尺寸, CE 长度定在 40~45mm 较 为合适。设计尺寸为 74mm,可优化为 43mm。 (5)由图 13 知, F A 与 AD 有一个较为明显的分界 点, 取 138mm 较为合适, 实际设计中 AD 为 160mm, 还可以减小为 138mm。 4.3 方案Ⅱ的仿真结果 方案Ⅱ的仿真结果如图 14-16 所示。 主要考虑 lCD , BD , AC 对 F A 的影响。

图 11 F A 与 GE 的关系图 图 14 F A 与 lCD 的关系图

图 12 F A 与 CE 的关系图 图 15 F A 与 BD 的关系图

图 13 F A 与 AD 的关系图

4.2 方案Ⅰ的仿真结果分析及参数优化 h 在 53mm 处是机构中的不稳定点, (1) 由图 9 知, 应使尺寸处于安全范围内。实际设计中 h 尺寸为 33mm,可增大到 45mm,达到更优效果。 ( 2 )由图 10 知, k 取 1.2~1.4 较为合适。此时 l DE ? k ? h 为 36mm~42mm,实际设计中为 9mm, 可以增大至 40mm。 (3)由图 11 知, GE 的增长会给力 F A 带来明显增

图 16 F A 与 AC 的关系图

4.4 方案Ⅱ的仿真结果分析及参数优化 (1)由图 14 知, F A 跟随 lCD 呈现单调的变化关系, 但考虑到机构限制,过大会对零件制造带来不便, 故取 15mm 较为合适,实际设计中 lCD 长度为 7mm, 可优化为 15mm。 (2)由图 15 知,F A 随 BD 的增大而减小,而 BD 的

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长度也受到了机构的限制,取 100mm 较为合适, 且 100mm 附近的变化已经十分缓慢,所以实际设 计中取 114mm,较为合适。 而 “机 (3) 由图 16 知,AC 的增长带来 F A 的减小, 械手伸展长度不小于 130mm”, 而 130mm 之后曲线 变化并不明显,实际设计中取 170mm,较为合适。 4.5 优化尺寸后设计方案 通过 MATLAB 仿真分析及参数优化,可得如 图 17 所示的设计方案:

景极为广阔,而作为排爆机器人重要组成部分之一 的夹持器,它的设计和控制的好坏,直接影响到排 爆机器人性能的优劣。 本文在提出两种机械夹持器构型方案的基础 上,运用静力学分析和 MATLAB 工具对具体参数 进行优化,使得在机械尺寸改变不大的情况下,实 现结构紧凑稳定、负载能力提升、活动轻便灵巧等 优化, 对操作者的安全以及准确操作具有重要意义。









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设计结果分析

(1)通过对两种设计方案的 MATLAB 仿真及参数 优化,两种方案的几何外形都能达到设计的要求, 并且在参数优化后,抓力都可以达到 0.3F0。 (2)从图 17 可以看出,方案Ⅰ设计的工作空间受 到了限制,减小了机械手爪的张角范围,灵活性上 不如方案Ⅱ; (3) 由机械设计方案图 2 和图 4 看出, 方案Ⅱ在体 积和重量上都比方案Ⅰ小巧,使得运动更加灵活轻 便; (4)相比方案Ⅱ,方案Ⅰ多了一对齿轮副,使得后 期保养维护以及运作过程中润滑都增加了复杂性。

6 结论
随着经济的发展,对反恐排爆机器人的需求前


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