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一個平行爪機械手的合規(guī)性效應(yīng)
作者：A.J.G. Nuttall, A.J. KleinBreteler
國籍：荷蘭
出處：2002年荷蘭代爾夫特設(shè)計學院
摘要：本文討論了平行爪機械手的機械合規(guī)性效應(yīng)。在研究專用機械手設(shè)計的一個案例中，分析了兩種不同設(shè)計元素對兼容特性的影響——預(yù)加載彈簧的彈性和由摩擦引起的阻力。這種機械手通過操縱半自動旋鎖來保護海輪貨物集裝箱。這種適應(yīng)性效應(yīng)能有效的減少偏差和對機械手的過載。
關(guān)鍵字：機械合規(guī)性 扭鎖操作 預(yù)裝載彈簧 摩擦力
1 介紹：
機械手在夾具的幫助下抓取和操作對象。通常把被操作的對象放在一個指定的位置，機器人可以抓取住并將其移動到另一個指定的位置。當開始的抓取位置和最后放置的目的位置是能由外部干擾而移動的沉重剛體時，抓取就會出現(xiàn)困難。如果機械手無法在抓取和釋放中適應(yīng)這種動作，那么這種運動的巨大力量就會被傳遞到機械手本身，可能導致機械手破壞。因此，機械手應(yīng)該變成靈活的或者能適應(yīng)復(fù)雜僵硬的環(huán)境。
通過標準的終端效應(yīng)或夾具，適應(yīng)性可以引入到機械手中。這個可以用不同的方法來實現(xiàn)。我們在文獻中能發(fā)現(xiàn)各種各樣的關(guān)于機械手合規(guī)性的主題，這些都主要集中在對通用夾具和精細操作的控制理論中。在這種環(huán)境中適應(yīng)性被調(diào)查用于剛度模型，而且可以引入遠程合規(guī)中心。這些調(diào)查借助特殊的傳感器和執(zhí)行器的可靠力量和可能的位置控制把合規(guī)性整合進控制系統(tǒng)。這種形式的電子控制的通用夾持器可以管理許多不同的任務(wù)和對象。
這是與被設(shè)計用于特定任務(wù)和對象的有特殊用途的端部執(zhí)行器相反的，通過利用簡單的傳感器和與以機械形式的合規(guī)性效應(yīng)相結(jié)合的執(zhí)行器，一種有效的、可靠的、強大的機械手就能產(chǎn)生，這種機械手能夠適應(yīng)運動（以有限制的方式）的握持點。適應(yīng)這種形式的合規(guī)性夾具配置已被證明很難在文獻中找到。
本文給出了在夾持器的機械合規(guī)效應(yīng)影響下的一個觀點。這是一個對夾具設(shè)計的案例研究。作為例子，它討論了兩種不同的機械合規(guī)模式。這個例子由一個用于操縱半自動旋鎖的平行爪機械手配置組成。
2扭鎖機械手的背景
機械手被要求能自動連接和從和到集裝箱的底部角配件移除半自動旋鎖。在左邊圖1所示為一種半自動的扭鎖，這種類型的扭鎖是一種綁扎設(shè)備，用于固定海域航行貨柜船舶的甲板。它由一本體，一上部和下部旋轉(zhuǎn)錐和一個用于錐位置手動操作的手柄組成。
通過下側(cè)錐體的旋轉(zhuǎn)的解鎖，上部錐體可以被插入到右圖所示的底部的角鑄件。因為它的孔的形狀相匹配，所以最上方的領(lǐng)口修正成的孔的角鑄件。當錐體旋轉(zhuǎn)回其原始位置時，旋轉(zhuǎn)式鎖銷被固定在底部的角鑄件，手柄是用于手動操作，如果它被拉到該軸旋轉(zhuǎn)時，錐體就連接在一起。為了這種固定過程的自動化和反向操作這種夾具必須被設(shè)計成能通過其脖子上的足夠的抓力來抓取不同類型的旋鎖。當機械手定位在開放式平行爪扭鎖時，平行爪也必須打開的足夠大來防止和錐體發(fā)生碰撞
圖1半自動扭鎖和邊角集裝箱
因為它會通過連接線被懸掛在空氣中或擱在有氣動輪胎的軋制底盤上，所以這種容器能夠在由于外部干擾而產(chǎn)生的抓取和釋放操作中移動。風就是一個干擾的例子，它能夠在集裝箱的側(cè)面上產(chǎn)生波動力量，這可能會導致振蕩運動。由于大型集裝箱（30噸）的可能的運動和結(jié)構(gòu)堅固的扭鎖，這種機械手將必須是兼容的，以防止對自身或?qū)C器的其他部件造成破壞。機械合規(guī)性有助于解決在集裝箱上的移動抓取點的問題，也有助于保持必要的控制系統(tǒng)簡單化。
因為軸環(huán)是不同的扭鎖設(shè)計中常見的元素，所以它被選擇作為與夾具接觸的表面。它必須適應(yīng)標準化的角鑄件的孔，所以形狀和大小大體相同。盡管孔的寬度的公差只允許被控制在1.5毫米以內(nèi)，但在實踐中發(fā)現(xiàn)，軸環(huán)的寬度可以取在57毫米和62毫米之間。在這5毫米的范圍內(nèi)，軸環(huán)的尺寸必須對夾具的可靠性操作加以考慮。
這是在扭鎖操作過程中必須要保證的最小的作用力，可以用于所有軸口的類型。在圖2a中顯示了在抓取過程中由鉗口施加的作用力。套環(huán)側(cè)上產(chǎn)生的摩擦力必須足夠大，以補償在扭鎖上產(chǎn)生的靜態(tài)和動態(tài)的力。在與軸環(huán)表面平行的方向上必須進行補償?shù)目偟淖饔昧Γ‵tot）大小是200 N，這是通過確定由操作器和靜電引力造成的動態(tài)力計算出來的?？恐鵀?.125（升）的摩擦系數(shù)可以計算每個的鉗口施加的抓取力，如下
圖2扭鎖抓取力和必要的抓取行程
圖2b顯示了在打開和閉合位置的夾爪。它顯示了在打開的夾具的定位中機械爪必須打開多大的距離。因為圓錐直徑大于凸緣的寬度，所以在圓錐體和機械手之間必須有足夠的間隙以防止碰撞。為了得到一個間隙為15毫米的位移的鉗口，機械手必須具有40毫米。
3找到一個合適的夾具配置
圖3a闡述了現(xiàn)有的能夠產(chǎn)生一個相當大的夾緊力和大位移的夾持器，它由兩個由雙作用氣缸驅(qū)動的平行機械爪組成。連接到氣缸的s活塞桿是一個雙齒條齒輪，它能驅(qū)動兩個部分扇區(qū)的小齒輪。兩對對稱平行布置閉合聯(lián)系是直接安裝在行星小齒輪上的部分扇區(qū)和提供加緊力的。
這樣的設(shè)計只適合應(yīng)用于就被抓取物體的寬度具有兼容的行為，如果被抓取的對象大于閉合鉗口之間的距離，它們將會在全部關(guān)閉之前與對象接觸，因此在關(guān)閉操作的期間，活塞將不會移動到結(jié)束位置，
它使抓取不同尺寸的物體變成可能。然而，檢測閉合位置的機械爪將變得更加困難。這需要一種特殊的檢測方法如作用力檢測將要求測量閉合位置。
如圖3a所示的機械手結(jié)構(gòu)圖中，在圖3b中機械手可以被給予額外的約束。為了在水平方向能夠得到約束，預(yù)加載的彈簧已經(jīng)被添加到機械手中。預(yù)載彈簧提供了兩個好處，首先，所有需要建立足夠的抓力的行程會變短。如果預(yù)壓被設(shè)置為所需的最小的抓取力，那機械手在抓取到對象之后，彈簧幾乎不需要一段安全抓取的距離。第二，需要抓取的最小的力在傳感器的幫助下能保證，檢測到端部位置的氣壓缸。如果機械爪之間的抓取對象到達氣缸閉合行程的末端，那彈簧必須受壓，而且抓取力必須至少等于設(shè)定的預(yù)緊力。
圖3平行機械手合規(guī)性配置