在現(xiàn)在,機械臂有很多現(xiàn)成廠家的產(chǎn)品,但是實際需求往往比較復(fù)雜,不是簡單買一套來就能用上,因此存在一個設(shè)計過程。就好比裝修房子,市場上有很多家具可以買,但是還是要設(shè)計好,再購買,才能確保符合需要[1]。實際運用中,機械臂的設(shè)計工作還涉及到生產(chǎn)動作的編程,有的還涉及到機械臂的某些關(guān)節(jié)、特別是末端抓取裝置的設(shè)計;有的還要采用相應(yīng)的傳感器,確保運動動作的精準。這樣,設(shè)計出來的機械臂才能滿足人們工作、生活的需要,讓人們的生活變得更加的智能。
機械臂能模仿人們的動作,代替人們完成工作的好幫手。它的運行需要輸入固定的程序,才能使機械臂完成抓取、搬運物件或操作工具的動作。代替人們完成繁重、臟累的工作,還能代替人們在有害環(huán)境下完成工作,極大限度的保護了人們的生命安全,被人們廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域。機械手的研究工作開始于20世紀中期,隨著計算機技術(shù)及自動化技術(shù)的快速發(fā)展,特別是計算機技術(shù)的快速發(fā)展,為機械臂的研究工作奠定了堅實的基礎(chǔ)。機械臂首先是美國開始研發(fā),1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手鉚接機器人,1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”作為機器人產(chǎn)品最早的實用機型。這些工業(yè)機械臂代替了人們繁重的工作,為人們減輕了工作上的壓力,保護了人們的人身安全,因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門[2]。
機械臂設(shè)計包含以下一些考慮要點:①載重。要考慮機械臂的載重要求,這樣就可以大致知道用多大的機械臂;②自由度。考慮機械臂動作要求的自由度有多高,是一維的直線運動,還是多維的復(fù)雜動作;③精度。要考慮的是機械臂的精度,對操作對象的取放的位置精度、力量控制精度等;④速度。考慮速度,就是效率。
關(guān)節(jié)和臂桿等結(jié)構(gòu)、機構(gòu)部件組成機械臂,它是一個在空間環(huán)境中進行工作的動力系統(tǒng)。作為機械臂的核心,就是關(guān)節(jié)了,關(guān)節(jié)在機械臂運行中起到非常重要的作用,尤其在關(guān)于機械臂的設(shè)計工作中,需著重考慮關(guān)節(jié)在機械臂中的合理設(shè)計和應(yīng)用。設(shè)計人員需準確了解關(guān)節(jié)的動力學(xué)特性,從而才能建立起精確的關(guān)節(jié)動力學(xué)模型。關(guān)節(jié)的動力學(xué)特性還作為機械臂設(shè)計、模擬分析的重要基礎(chǔ)[3]。
機械臂模型如圖1所示,機械臂的大臂利用虎克鉸與底座相連接;兩個電動推桿利用球鉸與機架相連接,利用虎克鉸與大臂相連接;大臂與小臂之間的連接是利用轉(zhuǎn)動副連接來實現(xiàn)的;而兩個電動推桿的兩端與大臂和小臂之間的連接也是通過轉(zhuǎn)動副連接來實現(xiàn)的。在這種混聯(lián)式機械臂的下半部分,采用了并聯(lián)的形式相連接,這樣的做法使得該機械臂的機械結(jié)構(gòu)具有良好的剛性,而又不乏運動的靈活性。在該機械臂的上半部分則采用了串聯(lián)的形式相連接,使得該機械臂擁有比較大的工作空間[4]。
該機械臂的機械結(jié)構(gòu)可以得到確定的運動狀態(tài),是因為該種機械臂的三個電動推桿作為機構(gòu)的原動件,從而使得原動件的數(shù)目與機械結(jié)構(gòu)的自由度相等,從而使得該機械臂可以得到穩(wěn)定而確定的運動。手腕1是用來調(diào)整或改變工件的方位的部件,還能用來連接末端操作器和手臂,由于它有三個自由度,因此可以作為夾鉗式或吸附式這類型的工作。本設(shè)計還可以根據(jù)工作的不同,而配置不同的末端操作器。
圖1 機械臂模型圖
3.1 仿真模型的建立
機械臂的設(shè)計完成,需要對機械臂的工作性能進行仿真測試,主要應(yīng)用了Pro/E和ADAMS軟件對機械臂的工作性能進行仿真實驗。文章主要對3自由度混聯(lián)式機械臂的工作性能進行仿真實驗,一般的仿真實驗往往采用ADAMS軟件對機械臂的工作性能進行運動學(xué)仿真實驗,雖然ADAMS軟件為我們提供了建模的功能,但該軟件與專業(yè)的建模仿真分析軟件相比,其性能就相對比較弱一點,因此本位采用Pro/E軟件進行實體建模[5],將建模后的模型格式輸入到ADAMS軟件中去,在該軟件的工作環(huán)境下進行仿真分析實驗。
3.2 運動學(xué)仿真
進行運動學(xué)仿真前,需要在三個移動副上添加上相應(yīng)的運動函數(shù),在進行運動學(xué)仿真實驗,在小臂末端添加marker點,仿真得出機構(gòu)末端的工作空間為環(huán)球體的一部分??梢愿鶕?jù)機構(gòu)末端軌跡點從而繪制出的三維工作空間運動軌跡。該機械臂的機械性能的一項重要指標還需要機械結(jié)構(gòu)末端的運動特性來衡量。而末端的運動特性可通過末端的速度與加速度變化曲線來描述[6]。
機械臂的設(shè)計和動力學(xué)仿真建模與控制問題是當(dāng)前控制界研究的熱點之一,近年來受到廣泛關(guān)注。機械臂的設(shè)計及其動力學(xué)研究相當(dāng)復(fù)雜,因此從事機械臂的研究需要進行大量的實驗與仿真模擬,深入到所涉及的每個學(xué)科,根據(jù)工作環(huán)境、空間的不同需求,需要設(shè)計不同的機械臂滿足人們的需要,從而使得機械臂充分發(fā)揮其功效,為經(jīng)濟的發(fā)展帶來積極作用。