排爆機器人平衡式機械手的自平衡裝置設計案例綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u12646排爆機器人平衡式機械手的自平衡裝置設計案例綜述 172161.1自平衡裝置的總體設計 119191.1.1自平衡裝置預期結果 1133071.1.2自平衡裝置設計思路 2202241.2自平衡裝置具體選型 365141.2.1平衡塊的選擇 3124911.2.2電動推桿的選擇 427429DGA系列的電動推桿參數(shù)如下 5198651.3自平衡裝置實現(xiàn)分析 51.1自平衡裝置的總體設計1.1.1自平衡裝置預期結果本文中自平衡裝置的機構設計如下，由于排爆機器人抓取危險物時，機械臂會產(chǎn)生一個翻轉(zhuǎn)力矩，移動平臺較大可能會發(fā)生側翻，為防止此類情況的發(fā)生，設計一個自平衡裝置，來避免移動機器人發(fā)生側翻。自平衡裝置由一個平衡塊和電動缸組成，電動缸進行重塊的移動控制，通過機械臂的伺服電機感知得到機械臂的狀態(tài)，在檢測到容易發(fā)生側翻的時候，通過電動缸推動重塊，讓整個車輛達到平衡。主要是通過電動推桿和平衡塊的連接來實現(xiàn)。機械運動流程為伺服電機通過一對齒輪減速后，帶動絲桿螺母，從而將電機的旋轉(zhuǎn)運動變成直線運動，并且利用電機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)平衡塊的推拉運動。由于，平衡塊與機械臂平臺的滑槽需要經(jīng)常發(fā)生相對移動，為減少滑槽的磨損，此處通過固體潤滑劑固定在接觸面上，以至于達到摩擦力減小、對接觸面的磨損降低的效果。本文中采用石墨作為固體潤滑劑，其具備耐高溫、抗腐蝕，在濕潤和干燥的環(huán)境下都具備良好的減摩效果，因此適合作為本文所采用的固體潤滑劑的選擇。并且，石墨作為固體潤滑材料可達到的摩擦系數(shù)可為，本文中所采用的的石墨含量對其石墨固體潤滑涂層的摩擦學性能影響主要體現(xiàn)在接觸地面摩擦系數(shù)。在選擇材料的過程中，此處平衡塊的選擇采取與叉車配重塊相同的材料為重晶石，由于重晶石的強度和持久性，價格相對偏油的特點，使其具備做排爆機器人自平衡裝置的平衡塊材料的優(yōu)越性和合理性。圖7-1自平衡裝置1.1.2自平衡裝置設計思路排爆機器人根據(jù)危險物的位置和重量，通過自平衡裝置達到防翻轉(zhuǎn)的目的，數(shù)據(jù)經(jīng)過采集、傳輸、處理、執(zhí)行是個過程。其中數(shù)據(jù)采集主要是根據(jù)排爆機器人大臂和小臂關節(jié)處裝有電位計，其作用為檢測關節(jié)轉(zhuǎn)角，控制系統(tǒng)反饋關節(jié)處的轉(zhuǎn)角，以及末端執(zhí)行機構裝有力傳感器反饋危險物重量，并對其進行轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)經(jīng)過發(fā)送后，數(shù)據(jù)中心采集到的數(shù)據(jù)進行儲存，并當數(shù)據(jù)數(shù)量充足的時候，將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，進行相應的處理。上位機對于發(fā)來的數(shù)據(jù)進行綜合考慮并且計算后，將反饋平衡塊的電動推桿所要執(zhí)行的位移長度，換算成伺服電機相應的轉(zhuǎn)角，最終傳回給數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心再對數(shù)據(jù)發(fā)送電動推桿的伺服電機處，從而達到自平衡的實現(xiàn)。圖7-2自平衡裝置數(shù)據(jù)傳輸流程圖當遇到危險情況的時候，排爆機器人將先移動車體部分至危險前方或者附近位置，再執(zhí)行伸出排爆機器人機械臂進行抓取危險物的任務，在此過程中車體與機械臂之間會發(fā)生相對運動。對于本文中涉及的排爆機器人在進行抓取危險物的時候，車體部分將處于靜止狀態(tài)，此刻，排爆機器人的重心會相應隨著機械臂部分的移動發(fā)生變換。對于機械臂運動伸出到一定位置的時候，整體的重心會對穩(wěn)定性產(chǎn)生問題，從而會對排爆機器人整體造成一個翻轉(zhuǎn)力矩，最終排爆機器人會產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。因此，在設計過程中為了綜合考慮這一因素，在機械臂所處平臺，因設計相應自平衡裝置，為平衡機械臂抓取重物時產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)力矩，從而避免排爆機器人由于重心不穩(wěn)從而發(fā)生翻轉(zhuǎn)的問題。1.2自平衡裝置具體選型1.2.1平衡塊的選擇首先，對平衡塊的選擇。為了實現(xiàn)排爆機器人在抓取危險物的時候防翻轉(zhuǎn)的問題，需要考慮機械手臂在極限位置下所產(chǎn)生的的翻轉(zhuǎn)力矩。排爆機器人在平地運動的時候，其機械手臂有向前最長的臂展，此時，危險物以及機械臂會對機械臂基座產(chǎn)生一個翻轉(zhuǎn)力矩，假設機械臂底座為翻轉(zhuǎn)中心O，距離抓取危險物的手爪的長度為L1，機械臂重心距離O的距離為L2；G1、G2分別為重物的重量和機械臂的重量；其中機械臂大臂基座自身寬度相比臂長下較小，可忽略，另外危險物自身尺寸亦可忽略。此時，為滿足自平衡條件，即平衡危險物此時對機械臂底座產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩，假設平衡塊的重量為G3，且被電動推桿推于最遠距離即離O點距離為L3，平衡方程可以簡單表示為：圖7-3機械臂處于最長位置時的機械簡圖公式中G1按本文排爆機器人可抓取最大質(zhì)量危險物為30kg，機械臂質(zhì)量G2由SolidWorks的質(zhì)量估計可以得出50kg（包括減速機和電機重量），以及L1和L2的長度分別為1.5m，0.73m，另外自平衡裝置的平衡塊最遠的位移距離L3為0.76m。由上式計算可得，平衡塊的最小質(zhì)量需為101.23kg，為滿足排爆機器人在極限情況下也不發(fā)生側翻，通過消除其對排爆機器人車身所造成的翻轉(zhuǎn)力矩，且避免一些極端情況下，前方末端執(zhí)行機構抓取危險物質(zhì)量超過30kg的時候發(fā)生意外，故采用質(zhì)量為110kg的配重塊在自平衡裝置中使用。1.2.2電動推桿的選擇其次，對于電動推桿所配的電動缸型號進行選型。為滿足電動推桿可以推動自平衡裝置的平衡塊從而實現(xiàn)對翻轉(zhuǎn)力矩的平衡，需要在平衡塊的重量和滑動平面的摩擦系數(shù)進行對電動推桿所配備的電機選擇，并且電機所輸出的轉(zhuǎn)速及推桿所推動的距離需要根據(jù)關節(jié)處的伺服電機電機反饋得到相應的參數(shù)。其中電動推桿需要滿足以下要求：接觸面的摩擦系數(shù)為0.1電動推桿的推力需要達到：電動推桿的行程需要達到：根據(jù)電動推桿的推力和行程選取，DGA系列的電動推桿，選擇電機驅(qū)動為伺服電機。DGA系列的電動推桿參數(shù)如下表7-1DGA系列電動推桿參數(shù)型號推力范圍行程范圍運動速度范圍QUOTEDGA50kN~500kN20mm~5000mm0.1mm/s~1000mm/s所配備的伺服電機經(jīng)過下列公式計算可得到：其中推力為108kN，位移為0.18m，通過蝸桿副效率為0.66，絲桿副效率為0.58，可以得到總效率為0.38，減速比100。為保證有足夠的驅(qū)動力矩，所選選電機的轉(zhuǎn)矩應該按所需的轉(zhuǎn)矩的1.3至1.5倍計算，即根據(jù)安川伺服電機7系列選型，綜合樣本選擇SGM7A-A5A表7-2SGM7A-A5A電機參數(shù)型號三相相電壓額定轉(zhuǎn)速額定功率QUOTE靜轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量QUOTE額定電流ASGM7A-A5A20030000.50.15912.36.41.3自平衡裝置實現(xiàn)分析上方計算得到平衡塊的質(zhì)量后，進行排爆機器人機械臂伸長長度變化和不同危險物質(zhì)量發(fā)生變化時，所實現(xiàn)平衡塊與電動推桿進行螺紋連接后進行動態(tài)伸縮。由于本文排爆機器人關節(jié)處轉(zhuǎn)動所采用電位計，其對關節(jié)轉(zhuǎn)角具有檢測功能，通過控制系統(tǒng)可以對機械臂大小臂所發(fā)生的轉(zhuǎn)角進行反饋。對于機械臂關節(jié)處的轉(zhuǎn)角測量，可以得到大臂和小臂與初始位置發(fā)生相應的轉(zhuǎn)角為α，β；其中機械臂大臂和小臂的質(zhì)量根據(jù)solidworks質(zhì)量評估可以得到G1，G2，根據(jù)末端執(zhí)行機構的力傳感器可以得知危險物的質(zhì)量為G3；