基于機(jī)械原理的新型機(jī)器人教具的設(shè)計(jì)與研究

引言

機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等課程不僅是機(jī)械工程類大學(xué)生的專業(yè)必修課程,也是很多其他工科專業(yè)的必學(xué)課程,重在講解機(jī)器/機(jī)構(gòu)的工作原理、機(jī)械設(shè)計(jì)原理、參數(shù)計(jì)算等內(nèi)容,在教學(xué)過(guò)程中普遍采用教具展示抽象的結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)過(guò)程。但傳統(tǒng)教具普遍只能展示某種單一的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng),動(dòng)作目的性不強(qiáng),缺少機(jī)構(gòu)間的有機(jī)組合,不能很好地吸引大學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力,教具的有效利用率較低,教學(xué)效果不理想。

本設(shè)計(jì)以展示機(jī)械原理為基礎(chǔ),以實(shí)現(xiàn)物料的抓取、搬運(yùn)為目標(biāo),將基礎(chǔ)的機(jī)械傳動(dòng)原理、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)原理與現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)融為一體,創(chuàng)新機(jī)械原理等課程教具形式,提高講解機(jī)械課程的趣味性和學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,改善教學(xué)效果。

1機(jī)器人教具系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所述展示機(jī)器人機(jī)械原理的教具,通過(guò)仿生學(xué)原理模擬四足行走機(jī)構(gòu)及人體手臂結(jié)構(gòu),主要完成物料的行走及搬運(yùn)動(dòng)作。設(shè)計(jì)主要包括頭部機(jī)構(gòu)、胸腔本體、手臂部件、腰部轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)(圖1),其中左臂部件和右臂部件分別位于胸腔本體的左右兩側(cè):行走機(jī)構(gòu)位于胸腔本體的下方。主要傳動(dòng)方式包括液壓馬達(dá)、液壓缸、復(fù)合連桿機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、行星輪系機(jī)構(gòu)以及凸輪機(jī)構(gòu)等，可用于課堂上或?qū)嶒?yàn)室進(jìn)行實(shí)物演示,在展示基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)及機(jī)械傳動(dòng)的基礎(chǔ)上,將機(jī)械設(shè)計(jì)和不同的機(jī)械傳動(dòng)有機(jī)結(jié)合起來(lái),使學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)械類課程或機(jī)器人課程時(shí)能直觀地了解機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)和原理,能快速理解機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,在一定程度上提高學(xué)生的關(guān)注力,提高教學(xué)質(zhì)量,同時(shí)也能對(duì)學(xué)生提高機(jī)械設(shè)計(jì)能力給予啟發(fā),并激發(fā)大學(xué)生的創(chuàng)新思維,提高創(chuàng)造力。

2機(jī)器人教具的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人教具以實(shí)現(xiàn)對(duì)棒狀物料的抓取、搬運(yùn)為工作目標(biāo),展現(xiàn)多種機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和機(jī)械傳動(dòng)原理為手段,將零部件的設(shè)計(jì)、裝配原理、傳動(dòng)原理、受力分析、運(yùn)動(dòng)分析等融為一體,便于在教學(xué)過(guò)程中展現(xiàn)交叉學(xué)科之間的聯(lián)系,提高學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)綜合運(yùn)用的意識(shí)和理解。

圖1機(jī)器人教具系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

1一頭部機(jī)構(gòu)2一胸腔機(jī)構(gòu)3一左臂部件

4一四足行走機(jī)構(gòu)5一右臂部件

2.1頭部系統(tǒng)設(shè)計(jì)

頭部系統(tǒng)采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),結(jié)合齒輪傳動(dòng)、帶輪傳動(dòng)、凸輪結(jié)構(gòu)等完成機(jī)器人頭部的擺動(dòng)動(dòng)作,具體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2頭部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1一電動(dòng)機(jī)2一維齒輪組3一主動(dòng)帶輪4一沖動(dòng)帶輪

5一擺動(dòng)連桿6一頭部

電動(dòng)機(jī)1的輸出軸將動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞給錐齒輪組,從動(dòng)錐齒輪與主動(dòng)帶輪3為同軸連接,主動(dòng)帶輪3通過(guò)皮帶帶動(dòng)從動(dòng)帶輪4轉(zhuǎn)動(dòng),從動(dòng)帶輪與凸輪為同軸設(shè)計(jì),通過(guò)凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)連桿5完成頭部的擺動(dòng)動(dòng)作。頭部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以針對(duì)錐齒輪的傳動(dòng)特點(diǎn)、V帶傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng)及受力特性、凸輪間歇機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)原理等知識(shí)進(jìn)行講解和補(bǔ)充。

2.2胸腔傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人胸腔傳動(dòng)系統(tǒng)主要展示齒輪傳動(dòng)的工作原理(具體結(jié)構(gòu)如圖3所示),通過(guò)齒輪系將動(dòng)力由齒輪5傳遞給肩齒輪1,完成手臂圍繞肩部的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)手臂對(duì)物料的舉升搬運(yùn)。

圖3肩部動(dòng)力提供裝配圖

1一肩齒輪2、3一過(guò)渡齒輪4—換向維齒輪5—?jiǎng)恿X輪

6—換向件7一換向維齒輪

齒輪5與錐齒輪7同軸,可實(shí)現(xiàn)同向轉(zhuǎn)動(dòng),齒輪7與齒輪4嚙合,利用過(guò)渡齒輪2將動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞給肩齒輪1,帶動(dòng)肩部的轉(zhuǎn)動(dòng)。通過(guò)換向件6可以使齒輪7與下部換向錐齒輪4嚙合,通過(guò)齒輪3、2將動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞給齒輪1,改變肩部轉(zhuǎn)動(dòng)方向。通過(guò)該傳動(dòng)系統(tǒng)可有效講解齒輪傳動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和傳動(dòng)比問(wèn)題,明確齒輪傳動(dòng)的特點(diǎn)。

2.3機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械手系統(tǒng)是機(jī)器人教具的主要?jiǎng)幼鲌?zhí)行部件,通過(guò)對(duì)大臂、小臂、肘關(guān)節(jié)、機(jī)械手等零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),利用齒輪傳動(dòng)、液壓缸、四桿機(jī)構(gòu)等模擬人體手臂的結(jié)構(gòu)及動(dòng)作規(guī)律,完成棒狀物料的抓取及搬運(yùn)動(dòng)作,其設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)動(dòng)作目的具有非常直接和重要的影響(圖4)。

圖4機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)裝配圖

1一機(jī)械手2—小臂3一槽輪4—主動(dòng)撥盤5—大臂6—肩關(guān)節(jié)

  機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括肩關(guān)節(jié)、大臂、動(dòng)力圓盤、槽輪、小臂、機(jī)械手等零部件的設(shè)計(jì),肩關(guān)節(jié)通過(guò)較連接與胸腔本體連接,由肩齒輪提供動(dòng)力完成肩部的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作:大臂主要完成肩關(guān)節(jié)與小臂的連接,同時(shí)為槽輪系統(tǒng)提供安裝位置和強(qiáng)度支撐:槽輪系統(tǒng)包括槽輪和主動(dòng)撥盤,主動(dòng)撥盤較接于大臂,將液壓馬達(dá)的動(dòng)力通過(guò)槽輪傳遞給槽輪,槽輪與機(jī)械小臂焊接為一體,可帶動(dòng)小臂完成間歇轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作,根據(jù)機(jī)械手臂的動(dòng)作需求,該液壓馬達(dá)應(yīng)選擇大扭矩低轉(zhuǎn)速液壓馬達(dá),保證小臂轉(zhuǎn)動(dòng)的平穩(wěn)性:機(jī)械手通過(guò)液壓缸連接于小臂,通過(guò)液壓缸的伸縮完成機(jī)械手的抓取動(dòng)作。機(jī)械手的具體設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5機(jī)械手設(shè)計(jì)圖

1—小臂2—液壓缸3—較接架4—活塞桿

5—連接桿6一夾持臂

機(jī)械手采用液壓系統(tǒng)與四桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)物料的取動(dòng)作,機(jī)械小臂上設(shè)有凹槽,液壓缸固定安裝在凹槽內(nèi),較接架固定在小臂的一端,作為夾持臂的安裝支架,夾持臂是抓取物料的終端執(zhí)行裝置,其一端較接于較接架上,另一端與活塞桿較連接。當(dāng)活塞桿做回縮運(yùn)動(dòng)時(shí),連桿帶動(dòng)兩個(gè)夾持臂向中間運(yùn)動(dòng),完成物料的抓取動(dòng)作(圖6(a)):當(dāng)活塞桿做外伸運(yùn)動(dòng)時(shí),在連桿推力的作用下,兩個(gè)夾持臂在連接桿的推動(dòng)下做張開(kāi)運(yùn)動(dòng),最大張度約為55mm,此時(shí)活塞桿的導(dǎo)程為17.4mm(圖6(b))。夾持臂對(duì)物料夾持力的大小可通過(guò)液壓系統(tǒng)中設(shè)置的溢流閥進(jìn)行調(diào)節(jié),從而保證夾持物料的安全性和可靠性。

2.4腰轉(zhuǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

腰轉(zhuǎn)系統(tǒng)是連接機(jī)器人上部結(jié)構(gòu)和下部行走系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,主要通過(guò)扭轉(zhuǎn)改變上、下兩部分的相對(duì)角度,便于機(jī)器人在同一位置抓取或放置不同方位的物料。本設(shè)計(jì)采用了行星輪系的設(shè)計(jì),該結(jié)構(gòu)具有體積小、重量輕、速比高、效率高的特點(diǎn),可滿足機(jī)器人低速穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)的需求(圖7),通過(guò)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)可有效向?qū)W生講解行星輪系的工作原理,更加直觀地展示運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的傳遞路徑,更容易使學(xué)生理解行星輪在自轉(zhuǎn)的同時(shí)圍繞太陽(yáng)輪公轉(zhuǎn)的抽象運(yùn)動(dòng),同時(shí)引發(fā)學(xué)生對(duì)太陽(yáng)輪、行星架固定時(shí)等不同狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)模式的思考。

  腰轉(zhuǎn)系統(tǒng)要由齒圈、行星輪、太陽(yáng)輪、行星架、動(dòng)力電機(jī)等結(jié)構(gòu)組成,齒圈通過(guò)螺栓連接固定于行走轉(zhuǎn)系的機(jī)架上,是9腰轉(zhuǎn)系的固定件:電動(dòng)機(jī)通過(guò)螺栓連接固定在上部胸腔的底板上,太陽(yáng)輪上端與電動(dòng)機(jī)的輸出軸同軸,下端通過(guò)軸承等結(jié)構(gòu)與行走轉(zhuǎn)系的機(jī)架連接,將上部的胸腔本體結(jié)構(gòu)和下部的行走轉(zhuǎn)系連接起來(lái):3個(gè)行星輪可自腰地連接于行星架上,分別與太陽(yáng)輪、齒圈進(jìn)行嚙合。9部需要扭腰動(dòng)作時(shí),統(tǒng)動(dòng)件太陽(yáng)輪將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞至行星輪,行星輪在自腰的同時(shí),通過(guò)與齒圈的嚙合圍繞太陽(yáng)輪公腰,太陽(yáng)輪的自腰方向和行星輪的公腰方向相同,因此可以獲得較大的傳動(dòng)比,實(shí)現(xiàn)9腰轉(zhuǎn)系低速穩(wěn)定腰動(dòng)的工作需求。

2.5行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)

行走轉(zhuǎn)系是機(jī)器人教具完成物料搬運(yùn)的關(guān)鍵部分,也是機(jī)器人其他轉(zhuǎn)系的安裝平臺(tái),其性能優(yōu)劣直接影響到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和物料搬運(yùn)的效率。本文統(tǒng)要采用多連桿復(fù)合機(jī)構(gòu)進(jìn)行四足仿生設(shè)計(jì)(圖8),模擬四足動(dòng)物的行走方法,進(jìn)一步為學(xué)生展現(xiàn)多連桿機(jī)構(gòu)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),使學(xué)生掌握構(gòu)件數(shù)量、高副、低副與自由度的關(guān)轉(zhuǎn),明確多連桿機(jī)構(gòu)具有確定相對(duì)運(yùn)動(dòng)的條件。

行走轉(zhuǎn)系由右后腿、右前腿、左前腿、左后腿機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)轉(zhuǎn)系組成,低速大扭矩電動(dòng)機(jī)將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力由齒輪裝置減速后傳遞至四條腿,帶動(dòng)四足機(jī)構(gòu)模擬四足爬行動(dòng)物的行走狀態(tài)。靜止時(shí)四條腿在同一個(gè)平面上,保證機(jī)器人的站立穩(wěn)定性,前進(jìn)狀態(tài)時(shí)四條腿分為兩組交替運(yùn)動(dòng),采用對(duì)角步態(tài)的前進(jìn)方式,左前腿和右后腿為一組,右前腿和左后腿為另一組,當(dāng)一組腿向前邁出時(shí),另一組的兩條腿與地面接觸的位置不變,但是其關(guān)節(jié)處先前彎曲移動(dòng)以適應(yīng)機(jī)器人重心前移。根據(jù)本機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì),當(dāng)向前運(yùn)動(dòng)時(shí),每一組的前腿采用的是離開(kāi)地面向前運(yùn)動(dòng)的方式,后腿采用的是始終接觸地面向前"拖步"的邁步方式,以保證機(jī)器人始終有3條腿與地面接觸,保持機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)時(shí)的平衡。

機(jī)器人的腿采用曲柄搖桿原理的多連桿復(fù)合機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng),由7個(gè)構(gòu)件組成(不含機(jī)架),運(yùn)動(dòng)副含有10個(gè)低副,其中包含3個(gè)復(fù)合較鏈(圖9),自由度為1,可實(shí)現(xiàn)確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖9 腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

腿部結(jié)構(gòu)中,機(jī)架8為固定件,曲柄6為動(dòng)力部件并做勻速腰動(dòng),動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)通過(guò)連桿7、4、1、2、5,最終傳遞至連桿3,實(shí)現(xiàn)足部的移動(dòng)和支撐。

3結(jié)語(yǔ)

本研究利用仿生學(xué)原理,設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)物料抓取和搬運(yùn)的四足機(jī)器人,在實(shí)現(xiàn)機(jī)械動(dòng)作目的的前提下,大量運(yùn)用機(jī)電專業(yè)學(xué)生必修課中的機(jī)械設(shè)計(jì)原理、齒輪傳動(dòng)原理、四桿機(jī)構(gòu)原理、液壓傳動(dòng)原理等知識(shí),進(jìn)一步將機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)與現(xiàn)代科技發(fā)展趨勢(shì)相結(jié)合,將抽象的理論知識(shí)直觀地表現(xiàn)出來(lái),增加機(jī)械類課程學(xué)習(xí)的趣味性,提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,進(jìn)一步提升了教學(xué)效果。