气动翻转机械手部件设计[动画仿真][PPT]
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一个平行爪机械手的合规性效应
作者：A.J.G. Nuttall, A.J. KleinBreteler
国籍：荷兰
出处：2002年荷兰代尔夫特设计学院
摘要：本文讨论了平行爪机械手的机械合规性效应。在研究专用机械手设计的一个案例中，分析了两种不同设计元素对兼容特性的影响——预加载弹簧的弹性和由摩擦引起的阻力。这种机械手通过操纵半自动旋锁来保护海轮货物集装箱。这种适应性效应能有效的减少偏差和对机械手的过载。
关键字：机械合规性 扭锁操作 预装载弹簧 摩擦力
1 介绍：
机械手在夹具的帮助下抓取和操作对象。通常把被操作的对象放在一个指定的位置，机器人可以抓取住并将其移动到另一个指定的位置。当开始的抓取位置和最后放置的目的位置是能由外部干扰而移动的沉重刚体时，抓取就会出现困难。如果机械手无法在抓取和释放中适应这种动作，那么这种运动的巨大力量就会被传递到机械手本身，可能导致机械手破坏。因此，机械手应该变成灵活的或者能适应复杂僵硬的环境。
通过标准的终端效应或夹具，适应性可以引入到机械手中。这个可以用不同的方法来实现。我们在文献中能发现各种各样的关于机械手合规性的主题，这些都主要集中在对通用夹具和精细操作的控制理论中。在这种环境中适应性被调查用于刚度模型，而且可以引入远程合规中心。这些调查借助特殊的传感器和执行器的可靠力量和可能的位置控制把合规性整合进控制系统。这种形式的电子控制的通用夹持器可以管理许多不同的任务和对象。
这是与被设计用于特定任务和对象的有特殊用途的端部执行器相反的，通过利用简单的传感器和与以机械形式的合规性效应相结合的执行器，一种有效的、可靠的、强大的机械手就能产生，这种机械手能够适应运动（以有限制的方式）的握持点。适应这种形式的合规性夹具配置已被证明很难在文献中找到。
本文给出了在夹持器的机械合规效应影响下的一个观点。这是一个对夹具设计的案例研究。作为例子，它讨论了两种不同的机械合规模式。这个例子由一个用于操纵半自动旋锁的平行爪机械手配置组成。
2扭锁机械手的背景
机械手被要求能自动连接和从和到集装箱的底部角配件移除半自动旋锁。在左边图1所示为一种半自动的扭锁，这种类型的扭锁是一种绑扎设备，用于固定海域航行货柜船舶的甲板。它由一本体，一上部和下部旋转锥和一个用于锥位置手动操作的手柄组成。
通过下侧锥体的旋转的解锁，上部锥体可以被插入到右图所示的底部的角铸件。因为它的孔的形状相匹配，所以最上方的领口修正成的孔的角铸件。当锥体旋转回其原始位置时，旋转式锁销被固定在底部的角铸件，手柄是用于手动操作，如果它被拉到该轴旋转时，锥体就连接在一起。为了这种固定过程的自动化和反向操作这种夹具必须被设计成能通过其脖子上的足够的抓力来抓取不同类型的旋锁。当机械手定位在开放式平行爪扭锁时，平行爪也必须打开的足够大来防止和锥体发生碰撞
图1半自动扭锁和边角集装箱
因为它会通过连接线被悬挂在空气中或搁在有气动轮胎的轧制底盘上，所以这种容器能够在由于外部干扰而产生的抓取和释放操作中移动。风就是一个干扰的例子，它能够在集装箱的侧面上产生波动力量，这可能会导致振荡运动。由于大型集装箱（30吨）的可能的运动和结构坚固的扭锁，这种机械手将必须是兼容的，以防止对自身或对机器的其他部件造成破坏。机械合规性有助于解决在集装箱上的移动抓取点的问题，也有助于保持必要的控制系统简单化。
因为轴环是不同的扭锁设计中常见的元素，所以它被选择作为与夹具接触的表面。它必须适应标准化的角铸件的孔，所以形状和大小大体相同。尽管孔的宽度的公差只允许被控制在1.5毫米以内，但在实践中发现，轴环的宽度可以取在57毫米和62毫米之间。在这5毫米的范围内，轴环的尺寸必须对夹具的可靠性操作加以考虑。
这是在扭锁操作过程中必须要保证的最小的作用力，可以用于所有轴口的类型。在图2a中显示了在抓取过程中由钳口施加的作用力。套环侧上产生的摩擦力必须足够大，以补偿在扭锁上产生的静态和动态的力。在与轴环表面平行的方向上必须进行补偿的总的作用力（Ftot）大小是200 N，这是通过确定由操作器和静电引力造成的动态力计算出来的。靠着为0.125（升）的摩擦系数可以计算每个的钳口施加的抓取力，如下
图2扭锁抓取力和必要的抓取行程
图2b显示了在打开和闭合位置的夹爪。它显示了在打开的夹具的定位中机械爪必须打开多大的距离。因为圆锥直径大于凸缘的宽度，所以在圆锥体和机械手之间必须有足够的间隙以防止碰撞。为了得到一个间隙为15毫米的位移的钳口，机械手必须具有40毫米。
3找到一个合适的夹具配置
图3a阐述了现有的能够产生一个相当大的夹紧力和大位移的夹持器，它由两个由双作用气缸驱动的平行机械爪组成。连接到气缸的s活塞杆是一个双齿条齿轮，它能驱动两个部分扇区的小齿轮。两对对称平行布置闭合联系是直接安装在行星小齿轮上的部分扇区和提供加紧力的。
这样的设计只适合应用于就被抓取物体的宽度具有兼容的行为，如果被抓取的对象大于闭合钳口之间的距离，它们将会在全部关闭之前与对象接触，因此在关闭操作的期间，活塞将不会移动到结束位置，
它使抓取不同尺寸的物体变成可能。然而，检测闭合位置的机械爪将变得更加困难。这需要一种特殊的检测方法如作用力检测将要求测量闭合位置。
如图3a所示的机械手结构图中，在图3b中机械手可以被给予额外的约束。为了在水平方向能够得到约束，预加载的弹簧已经被添加到机械手中。预载弹簧提供了两个好处，首先，所有需要建立足够的抓力的行程会变短。如果预压被设置为所需的最小的抓取力，那机械手在抓取到对象之后，弹簧几乎不需要一段安全抓取的距离。第二，需要抓取的最小的力在传感器的帮助下能保证，检测到端部位置的气压缸。如果机械爪之间的抓取对象到达气缸闭合行程的末端，那弹簧必须受压，而且抓取力必须至少等于设定的预紧力。
图3平行机械手合规性配置
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