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1、 三維縫紉機械手的設計 第23卷第3期 2010年5月 機電產品開發(fā)與新Development&InnovationofMachinery&ElectricalProducts Vo1.23.No.3 May..2010 文章編號:1002—6673(2010)03—029—03 三維縫紉機械手的設計 汪峰.吳世林 (武漢科技學院機電工程學院,湖北武漢430073) 摘要:針對縫合三維紡織復合材料構件作業(yè)時縫合設備的需求.設計了一種伺服電機驅動的五自由度縫紉 機械手,介紹了其主要結構.根據(jù)單邊縫合法原理,利用曲柄滑塊機構設計了一種單邊縫合機構. 運用D

2、—H法構建了機械手的坐標系,推導了其位姿方程并求得逆解,作為控制系統(tǒng)設計的基礎. 關鍵詞:單邊縫合;曲柄滑塊機構;機械手;位姿方程 中圖分類號:TB47文獻標識碼:Adoi:lO.3969/j.issn.1002-6673.2010.03.011 3DDesnofSewingManipulator WANGFeng,WUShi-Lin (SchoolofElectricalandMechanicalEngineering,WuhanUniversityofScienceandEngineering,WuhanHubei430073,China) Abstract:Aimingatt

3、hedemandforsewingequipmenttostitch3Dfabriccomposite,asewingmanipulatorwith5-DOFisdesigned,which isdrivenbyservomotoranditsmechanicalstructureisintroduced.Accordingtotheprincipleofunilateralseanllegitimate,akindofone— side—stitchingmechanismbasedonslider—crankmechanismisdevelopedforthesystem.Theref

4、erencecoordinatesofthemanipulatorare builtbasedonD—Hmethodandthepositionequationisdeduced.Theinversekinematicsofthismanipulatorissolvedasthebasicofdesign— ingthecontrollingsystem. Keywords:onesidestitching;shder—crankmechanism;manipulator;positionequation 0引言 在傳統(tǒng)的縫紉設備中,勾線單元和縫合單元機械的 關聯(lián)在一起,它們被配置

5、在縫料上下兩面,這種縫紉設 備能夠完成二維平面的縫合工作.然而.在三維紡織復 合材料的縫合過程中,傳統(tǒng)的縫紉設備由于機針工作空 間的限制無法縫合大量存在的復雜異形件.因此,將縫 紉技術與機器人技術相結合,用機器手控制縫合機頭, 使縫合機頭可以持續(xù)沿著被縫合件的縫口在三維空間移 動,從而達到縫合大型異形構件的目的.本文所設計的 三維縫紉機械手.正是針對縫合復合材料預成型件技術 的特點,而提出的一種加工裝置. 1三維縫紉機械手技術分析 三維縫紉機械手是以單邊縫合機構作為末端執(zhí)行器, 由工業(yè)機器人本體提供縫合過程中單邊縫合機頭所需要 收稿日期:2010—03-23 作者簡介

6、:汪峰(1980一),男,碩士研究生.研究方向:智能 機械及計算機仿真;吳世林(1970-),男,副教授.主要研究 方向:智能縫繡技術,視覺伺服技術. 的各種運動軌跡的操作機.其運動控制符合機器人運動 學理論,單邊縫合機頭的工作方式遵循縫合技術原理. (1)單邊縫合機構.單邊縫合機構主要由縫合機構 和挑線機構組成.可以從縫料的一個表面進行縫紉.單 邊縫合法正是為了克服雙邊縫合技術的缺點而開發(fā)出來 的.OSS單邊縫合技術[21的縫合方式與簡單鏈式縫合 原理相似.但它需要由兩個縫合針頭來完成.如圖l所 示,兩針一線,一根傳統(tǒng)的針和一根勾線針,兩針都要 沿針軸向運動,穿過縫料.

7、勾線針接過普通針上的縫線 然后穿回縫料,再穿過上次形成的線圈.通過這種方法 相互鎖結的線圈就形成了,其縫合線軌跡如圖2所示. (2)縫紉機械手的技術要求.通過上述分析,可以 對縫紉機械手提出以下幾點技術要求:①單邊縫合機構 圖1OSS單邊縫合法圖2OSS單邊縫合法線軌跡 29 ? 開發(fā)與創(chuàng)新? 的設計應考慮勾線針,引線針和挑線機構運動相互協(xié)調 配合;②機械手一般應具有五個自由度.末端縫針沿著 縫料表面的任意一點都要有一定的姿態(tài).即確定縫針正 壓力的方向要與該點的法線方向一致.因此.機械手要 提供縫針到達空間位姿的自由度,并考慮避障情況下所 需的自由度;③縫紉機械手必

8、須是連續(xù)軌跡控制,以此 來達到連續(xù)縫合的目的. 2三維縫紉機械手的設計 三維縫紉機械手機構由單邊縫合機構和操作機本體 兩部分組成,單邊縫合機構為機械手的末端執(zhí)行器,它 用來縫合縫料,操作機本體的結構決定著縫合機構的運 動軌跡和姿態(tài).設計過程中將兩部分機構有機結合起 來,簡化整機結構和控制系統(tǒng). (1)單邊縫合機構的設計.根據(jù)單邊縫合法的要 求.勾線機構和引線機構分別由兩套曲柄滑塊機構組 成,由一套齒輪機構分別為它們提供動力,曲柄滑塊機 構分別帶動勾線針和引線針沿著各自的針桿軸線來回往 復運動.而挑線機構與傳統(tǒng)縫紉機相似,也采用四連桿 機構構成.縫合機構如圖3所示.

9、圖3縫合機構簡圖 (2)機械手本體的設計.機械手是縫紉軌跡和縫合 機構位姿的執(zhí)行機構.是三維縫紉機械手硬件設備的關 鍵部分.機械手結構如圖4所示.機械手的驅動部件由 五個伺服電機配合諧波減速器組成.由于伺服電機扭矩 傳遞到各個部件主軸方向成90.,因此,在每個諧波減 0t 30 圖4機械手結構簡圖 速器輸出軸上安裝錐齒輪副,使傳遞的力換向.縫合機 構固定安裝于機械手的末端手腕部.機械手運動副由五 個轉動副組成.整個機械手安裝在基座頂部.根據(jù)具體 的使用要求.可以將基座安裝于可移動的部件之上.通 過0,0,0,,0和0的聯(lián)動可以實現(xiàn)各種縫合線跡的 加工. 3機械手位

10、姿方程 機械手的位姿方程,即運動學方程,是描述機械手 末端執(zhí)行器位置和姿態(tài)的方程,也是進行運動分析的基 本方程.機器人位置控制中.要求機器人從當前構形1 U 變化到構形2時,需要將各鉸接變量0由當前值0i帶到 IIl 構形2需要的值0io0;由逆幾何模型求取.根據(jù)0的 Ul 值給各個驅動器一個相應的驅動變量將0i帶到0;[31. 在縫料表面位置已知時.對運動學方程進行逆解.得到 機械手各個關節(jié)變量的表達式,據(jù)此以使末端執(zhí)行器達 到相對于某個坐標系的確定位置和方向. 根據(jù)D—H法對圖4所示的縫紉機械手建立坐標系 如圖5所示.0.是縫紉機械手極坐標系,是固定坐標系;

11、O(i=l2??)是各個關節(jié)坐標系.根據(jù)D—H法建立的系 統(tǒng)參數(shù)見表1. 圖5機械手參考坐標系 表1D—H參數(shù)表 桿件變量0.僅;aiS. 10l90.OSl 2020.a20 3030.a3O 40490.OO 505O.OO 其中:Of.;一軸i和i+1之 間的夾角;0i一軸i+l繞軸i 轉動的角度:ai～軸i和i+1 的公法線長度:Si一相鄰兩 條公法線與同一軸的交點的 距離. 根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)列出系統(tǒng) 齊次變換矩陣MiM分別(M;:表示坐標系R.在坐標系 R中的變換矩陣,簡化符號s0代替sin0,cO代替 cos0). M01_- cO10 sO

12、】0 01 00 sO10 一 cOl0 0s, 0l ;Ml2_ ce2～s02 sO2c02 00 O0 0a2c02 0a2s02 l0 01 ? 開發(fā)與創(chuàng)新? ce3一sO30a,ce3一sO40cO40計算對應的各個關節(jié)變量Oi(i_1,2,…,5),即為運動 s03cO30a3s03cO40sO40!學的逆解.機械手運動學逆問題的求解方法是:將運動M 2 3=;M34=; 療程式的兩端依次左乘各M矩陣的逆矩陣.并使兩端0O130l0O 0O010001陽等矩陣的對應元素相等,就可求得各個關節(jié)變量.經(jīng) c05一sO500計算.得到逆解

13、為:] sO5cO500 M45=:則機械手運動學方程表示f翻:Ol=arctan孚0100 0001 D一….一P:s1 ndPx～…"Px cosO1+in0l nydyayPyD…～:一(Pz—S1)(a2+a3cosO3)一(Pxcos01+P~sinO1)a3sin03 MoS=Mo1gMl2gM23gM34gM5=(1)……"(PxeosOl+in01)z+(s1)nd . azPz nnn1n…一一cosO3(Pxcos01+P,zin01)+sin03fP,S1)一a3 ..…. 1=.....f～…"sin03(Pxcos0l+in.1)一cosO3

14、-s1) 婦式(1),我們求得機械手的矩陣元素為:l05=arcsi(nxsinO.一nvc.so) n-c01c05s(02+03+04)+00sl根據(jù)求出的逆解ei,將其與初始值相比較,可以得到 d~=cOsOss(02+O+e4)+s0cOs賦給每個驅動器的驅動變量.從而達到我們需要的位姿. Px:a3c0c(e2+03)+a2c0ce2+haxf4結論 ny=-801S058(02+03+04)一cO~s05I本文所設計的五自由度縫紉機械手只是三維縫紉機 ay=S0?C(02+03+04)l動模式和加工軌跡.復合材料的增強織物結構通常都是 Py=a3sOlc(02+03)

15、+a2sOlc02+hal三維結構,所以使用傳統(tǒng)的雙邊縫合技術從被縫合件的 d~=-s05e(O+e,+e4)l好的解決這個問題.對該機械手其位姿方程及逆解的推 s(02+0,+04)l導是后續(xù)控制系統(tǒng)設計的理論鋪墊. Pa3s(02+e3)+a2se2+sl+hazl 中:n,n,n,d,d,d,ax,ay,a2是末端執(zhí)行;參考文獻: 6『L構堅標原點05對參考坐標0.的方向余弦,Px,Py,PzI[11嚴柳芳,陳南梁?縫合技術在復合材料上的應用及發(fā)展[J】.產業(yè)用 是05相對于0.的位置.假設末端縫合機構的位姿給l紡織品,00,2, 定.1N 陰 D 肛 J,DES

16、 . MARSB 啦 .A … erotiss . ∞"把 nx氐I[31吳芳美.機器人控制基礎[M].北京:中國鐵道出版社,1992. Bydy毒1 0001: (上接第36頁) 參考文獻: [1】1MatsunoFSakawaY.Dynamichybridposition]forcecontrolofa twodegree-of-freedomflexiblemanipulator[J].JournalofRobotic Systems,1994,5. [2】YoshikawaT.Dynamichybridposition/forcecontrolofrob

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