《三維縫紉機(jī)械手的設(shè)計(jì)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《三維縫紉機(jī)械手的設(shè)計(jì)（9頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 三維縫紉機(jī)械手的設(shè)計(jì) 第23卷第3期 2010年5月 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與新Development&InnovationofMachinery&ElectricalProducts Vo1.23.No.3 May..2010 文章編號(hào):1002—6673(2010)03—029—03 三維縫紉機(jī)械手的設(shè)計(jì) 汪峰.吳世林 (武漢科技學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,湖北武漢430073) 摘要:針對(duì)縫合三維紡織復(fù)合材料構(gòu)件作業(yè)時(shí)縫合設(shè)備的需求.設(shè)計(jì)了一種伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的五自由度縫紉 機(jī)械手,介紹了其主要結(jié)構(gòu).根據(jù)單邊縫合法原理,利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種單邊縫合機(jī)構(gòu). 運(yùn)用D

2、—H法構(gòu)建了機(jī)械手的坐標(biāo)系,推導(dǎo)了其位姿方程并求得逆解,作為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ). 關(guān)鍵詞:單邊縫合;曲柄滑塊機(jī)構(gòu);機(jī)械手;位姿方程 中圖分類號(hào):TB47文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shè)備中,勾線單元和縫合單元機(jī)械的 關(guān)聯(lián)在一起,它們被配置

5、在縫料上下兩面,這種縫紉設(shè) 備能夠完成二維平面的縫合工作.然而.在三維紡織復(fù) 合材料的縫合過程中,傳統(tǒng)的縫紉設(shè)備由于機(jī)針工作空 間的限制無法縫合大量存在的復(fù)雜異形件.因此,將縫 紉技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合,用機(jī)器手控制縫合機(jī)頭, 使縫合機(jī)頭可以持續(xù)沿著被縫合件的縫口在三維空間移 動(dòng),從而達(dá)到縫合大型異形構(gòu)件的目的.本文所設(shè)計(jì)的 三維縫紉機(jī)械手.正是針對(duì)縫合復(fù)合材料預(yù)成型件技術(shù) 的特點(diǎn),而提出的一種加工裝置. 1三維縫紉機(jī)械手技術(shù)分析 三維縫紉機(jī)械手是以單邊縫合機(jī)構(gòu)作為末端執(zhí)行器, 由工業(yè)機(jī)器人本體提供縫合過程中單邊縫合機(jī)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(jī)械及計(jì)算機(jī)仿真;吳世林(1970-),男,副教授.主要研究 方向:智能縫繡技術(shù),視覺伺服技術(shù). 的各種運(yùn)動(dòng)軌跡的操作機(jī).其運(yùn)動(dòng)控制符合機(jī)器人運(yùn)動(dòng) 學(xué)理論,單邊縫合機(jī)頭的工作方式遵循縫合技術(shù)原理. (1)單邊縫合機(jī)構(gòu).單邊縫合機(jī)構(gòu)主要由縫合機(jī)構(gòu) 和挑線機(jī)構(gòu)組成.可以從縫料的一個(gè)表面進(jìn)行縫紉.單 邊縫合法正是為了克服雙邊縫合技術(shù)的缺點(diǎn)而開發(fā)出來 的.OSS單邊縫合技術(shù)[21的縫合方式與簡單鏈?zhǔn)娇p合 原理相似.但它需要由兩個(gè)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(yùn)動(dòng),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(jié)的線圈就形成了,其縫合線軌跡如圖2所示. (2)縫紉機(jī)械手的技術(shù)要求.通過上述分析,可以 對(duì)縫紉機(jī)械手提出以下幾點(diǎn)技術(shù)要求:①單邊縫合機(jī)構(gòu) 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(shè)計(jì)應(yīng)考慮勾線針,引線針和挑線機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)相互協(xié)調(diào) 配合;②機(jī)械手一般應(yīng)具有五個(gè)自由度.末端縫針沿著 縫料表面的任意一點(diǎn)都要有一定的姿態(tài).即確定縫針正 壓力的方向要與該點(diǎn)的法線方向一致.因此.機(jī)械手要 提供縫針到達(dá)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(jī)械手必

8、須是連續(xù)軌跡控制,以此 來達(dá)到連續(xù)縫合的目的. 2三維縫紉機(jī)械手的設(shè)計(jì) 三維縫紉機(jī)械手機(jī)構(gòu)由單邊縫合機(jī)構(gòu)和操作機(jī)本體 兩部分組成,單邊縫合機(jī)構(gòu)為機(jī)械手的末端執(zhí)行器,它 用來縫合縫料,操作機(jī)本體的結(jié)構(gòu)決定著縫合機(jī)構(gòu)的運(yùn) 動(dòng)軌跡和姿態(tài).設(shè)計(jì)過程中將兩部分機(jī)構(gòu)有機(jī)結(jié)合起 來,簡化整機(jī)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng). (1)單邊縫合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).根據(jù)單邊縫合法的要 求.勾線機(jī)構(gòu)和引線機(jī)構(gòu)分別由兩套曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組 成,由一套齒輪機(jī)構(gòu)分別為它們提供動(dòng)力,曲柄滑塊機(jī) 構(gòu)分別帶動(dòng)勾線針和引線針沿著各自的針桿軸線來回往 復(fù)運(yùn)動(dòng).而挑線機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)縫紉機(jī)相似,也采用四連桿 機(jī)構(gòu)構(gòu)成.縫合機(jī)構(gòu)如圖3所示.

9、圖3縫合機(jī)構(gòu)簡圖 (2)機(jī)械手本體的設(shè)計(jì).機(jī)械手是縫紉軌跡和縫合 機(jī)構(gòu)位姿的執(zhí)行機(jī)構(gòu).是三維縫紉機(jī)械手硬件設(shè)備的關(guān) 鍵部分.機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖4所示.機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)部件由 五個(gè)伺服電機(jī)配合諧波減速器組成.由于伺服電機(jī)扭矩 傳遞到各個(gè)部件主軸方向成90.,因此,在每個(gè)諧波減 0t 30 圖4機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡圖 速器輸出軸上安裝錐齒輪副,使傳遞的力換向.縫合機(jī) 構(gòu)固定安裝于機(jī)械手的末端手腕部.機(jī)械手運(yùn)動(dòng)副由五 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成.整個(gè)機(jī)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(dòng)的部件之上.通 過0,0,0,,0和0的聯(lián)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)各種縫合線跡的 加工. 3機(jī)械手位

10、姿方程 機(jī)械手的位姿方程,即運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,是描述機(jī)械手 末端執(zhí)行器位置和姿態(tài)的方程,也是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析的基 本方程.機(jī)器人位置控制中.要求機(jī)器人從當(dāng)前構(gòu)形1 U 變化到構(gòu)形2時(shí),需要將各鉸接變量0由當(dāng)前值0i帶到 IIl 構(gòu)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(gè)驅(qū)動(dòng)器一個(gè)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)變量將0i帶到0;[31. 在縫料表面位置已知時(shí).對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程進(jìn)行逆解.得到 機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)變量的表達(dá)式,據(jù)此以使末端執(zhí)行器達(dá) 到相對(duì)于某個(gè)坐標(biāo)系的確定位置和方向. 根據(jù)D—H法對(duì)圖4所示的縫紉機(jī)械手建立坐標(biāo)系 如圖5所示.0.是縫紉機(jī)械手極坐標(biāo)系,是固定坐標(biāo)系;

11、O(i=l2??)是各個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系.根據(jù)D—H法建立的系 統(tǒng)參數(shù)見表1. 圖5機(jī)械手參考坐標(biāo)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(zhuǎn)動(dòng)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(diǎn)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(biāo)系R.在坐標(biāo)系 R中的變換矩陣,簡化符號(hào)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(jì)算對(duì)應(yīng)的各個(gè)關(guān)節(jié)變量Oi(i_1,2,…,5),即為運(yùn)動(dòng) s03cO30a3s03cO40sO40!學(xué)的逆解.機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)逆問題的求解方法是:將運(yùn)動(dòng)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(duì)應(yīng)元素相等,就可求得各個(gè)關(guān)節(jié)變量.經(jīng) c05一sO500計(jì)算.得到逆解

13、為:] sO5cO500 M45=:則機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)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(jī)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(gè)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)變量.從而達(dá)到我們需要的位姿. Px:a3c0c(e2+03)+a2c0ce2+haxf4結(jié)論 ny=-801S058(02+03+04)一cO~s05I本文所設(shè)計(jì)的五自由度縫紉機(jī)械手只是三維縫紉機(jī) ay=S0?C(02+03+04)l動(dòng)模式和加工軌跡.復(fù)合材料的增強(qiáng)織物結(jié)構(gòu)通常都是 Py=a3sOlc(02+03)

15、+a2sOlc02+hal三維結(jié)構(gòu),所以使用傳統(tǒng)的雙邊縫合技術(shù)從被縫合件的 d~=-s05e(O+e,+e4)l好的解決這個(gè)問題.對(duì)該機(jī)械手其位姿方程及逆解的推 s(02+0,+04)l導(dǎo)是后續(xù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xiàn): 6『L構(gòu)堅(jiān)標(biāo)原點(diǎn)05對(duì)參考坐標(biāo)0.的方向余弦,Px,Py,PzI[11嚴(yán)柳芳,陳南梁?縫合技術(shù)在復(fù)合材料上的應(yīng)用及發(fā)展[J】.產(chǎn)業(yè)用 是05相對(duì)于0.的位置.假設(shè)末端縫合機(jī)構(gòu)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(jī)器人控制基礎(chǔ)[M].北京:中國鐵道出版社,1992. Bydy毒1 0001: (上接第36頁) 參考文獻(xiàn): [1】1MatsunoFSakawaY.Dynamichybridposition]forcecontrolofa twodegree-of-freedomflexiblemanipulator[J].JournalofRobotic Systems,1994,5. [2】YoshikawaT.Dynamichybridposition/forcecontrolofrob

17、otmanip- ulators-descriptionofhandconstraintsandcalculationofjointdfiv— ingforce[J1.IEEEJRA,1987,3. [3】3KwonDS,BookWJ.Aninversedynamicmethodyieldingflexible manipulatorstatetrajectories[C].ProceedingsoftheAmericanCon— trolConference,SanDiego,PublbyAmericanAutomaticControl Council,1990. 【4】Mat

18、sunoF.Modelingandquasi-statichybridposition/forcecontrol ofconstrainedplanartwo-linkflexiblemanipulators叨.IEEETrans— actionsonRoboticsandAutomation,1994,5. 【5]5Go,onM,ShabanaAA.Controlstructureinteractioninthenonlin— earanalysisofflexiblemechanicalsystems叨.NonlinearDynamics, 1993,4. 【6】BayoE,MoulinH.Anefficientcomputationoftheinversedynamics offlexiblemanipulatorsinthetimedomain【C].Proceedingsofthe IEEEInternationalConfefenceonRoboticsandAutomation,Scotts— dale,PubibyIEEE,1989. 31