基于機械手軸孔裝配的對中裝置設(shè)計

黃斌 范啟東 盧焯昇 張清華

摘要：機械中的軸孔裝配不當，會嚴重影響軸孔連接和損壞機器。另一方面，機械手廣泛被應(yīng)用到軸孔裝配，但軸孔對中定位仍存在困難。利用多傳感器可實現(xiàn)軸孔對中，但過多的傳感器會影響裝配效率。本文提出一種多桿機械手對中機構(gòu)設(shè)計，可實現(xiàn)平面空間的對中找正，而且結(jié)構(gòu)簡單。利用機構(gòu)轉(zhuǎn)化方式進行設(shè)計及運動分析，計算其線性對中的范圍，并最終通過實例理論驗證。

Abstract： Improper joint alignment in machine will seriously affect the peg-in-hole connection and damage the machine. On the other hand， manipulators are widely used in peg-in-hole assembly， however， difficulties still accompanywithjoint alignment in peg-in-hole assembly. Peg-in-hole alignment can be realized by using multiple sensors， but might affect the assembly efficiency. This paper presents a design center alignment mechanism of manipulator based on multi linkage mechanism， which can realize the centering in plane with simple structure. The mechanism is designed and analyzed by mechanism transformation， the range of linear alignment is calculated， and finally verified by example theory.

關(guān)鍵詞：對中找正;軸孔裝配;機械手

Key words： joint alignment;peg-in-hole;robotic manipulator

中圖分類號：TP241.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0085-03

0? 引言

軸孔裝配是機械裝配工作中十分重要的一環(huán)，若裝配不當，會嚴重影響軸孔連接及其他零部件的正常工作。另一方面，隨著工業(yè)智能化，利用機械手進行軸孔裝配的案例不斷涌現(xiàn)。Xu等[1]將機械手的軸孔裝配的方式歸類為兩種：接觸裝配和非接觸裝配。但兩種裝配方式都需要牽涉到軸孔定位，需要另外引入傳感系統(tǒng)予以輔助。不少學者都對裝配的傳感定位系統(tǒng)進行了深入的研究，包括使用視覺傳感器[2]、視覺伺服系統(tǒng)[3]、力傳感器[4]、無傳感器主動柔順控制系統(tǒng)[5]、集成傳感系統(tǒng)[6]及控制技術(shù)[7]。但研究均假設(shè)軸被機械手準確夾持，但實際軸的中心不能完全準確地和機械手的預(yù)設(shè)坐標重合，給軸孔裝配帶來困難。同時，多傳感器的輔助系統(tǒng)確實可提高軸孔裝配的準確度，但批量生產(chǎn)而言，過多傳感器會降低生產(chǎn)效率。另一方面，在實際應(yīng)用中，平行爪機械手更為廣泛使用[8]。如何更好利用平行爪機械手同時夾持和定位一直是難題。然而，平行爪機械手的研究也集中在機器視覺定位，Burbidge等[9]使用Kinect RGBD攝像系統(tǒng)對平行爪機械手進行抓取規(guī)劃。Bircher[10]等研制可通過手-物體系統(tǒng)的運動學重復實現(xiàn)重新定位的平行爪機械手，不依賴傳感器及復雜控制系統(tǒng)。Chavan-Dafle等[11]開發(fā)了兩相手指的設(shè)計，可以通過從自由旋轉(zhuǎn)點接觸及多點接觸重新定向物體。由此可見，平行爪機械手也應(yīng)該可以不依賴傳感進行對中定位。因此，設(shè)計可以輔助平行爪機械手的對中裝置，將是本文重點討論的內(nèi)容。

1? 對中裝置設(shè)計

考慮到在實際生產(chǎn)中不同尺寸的軸的夾持（圖1），以及至少需要兩個以上方向受力，才能保證與機械手的中心重合（圖2（a）），因此本文引入基于六桿機構(gòu)的夾持方案，并利用其運動特性，引導多方向的對向夾持力（圖2（b）），可實現(xiàn)在一個原動件的條件下，軸被準確對中夾持。

圖2（b）所示的六桿機構(gòu)僅能實現(xiàn)一個軸尺寸的對中定位，因此需要對該六桿機構(gòu)進行改進。圖3（a）為該六桿機構(gòu)的機構(gòu)簡圖，由于該機構(gòu)關(guān)于OC及OA對稱，因此，可以集中在OABC范圍里討論。假設(shè)點O固定，BC及AB長度固定，要使軸在OC及OA方向受力，就需要滿足以下條件：

從式（1）可以看出，AB的長度不恒定，而利用菱形機構(gòu)可以實現(xiàn)AB的長度變化，如圖3（b）。

由于結(jié)構(gòu)對中性，可集中在OABCD的范圍進行討論，并將OABCD可以轉(zhuǎn)化為連桿滑塊機構(gòu)，如圖4（a）。其活動構(gòu)件為4個，低副為5個，機構(gòu)運動不確定，需添加活動構(gòu)件以滿足運動要求。圖4（b）中將連桿AD改成連桿ADE，活動構(gòu)件為5個，低副為7個，自由度為1，機構(gòu)運動確定。

因平面四連桿機構(gòu)的軌跡實際上為一條（近似）直線，至少需要有四個位置以上的確定位置，才能保證直線軌跡和連續(xù)性。但四個位置或以上的OABCDE機構(gòu)設(shè)計需要借助數(shù)值方式以求得。如圖5（b）所示，？駐ABP為直角三角形，已知OC及BC，分別求出∠BAP及∠ABP：

在ABD，分別求出∠ADB、∠BAD及D點的坐標：

因為點E、F及G的位置不確定，因此要結(jié)構(gòu)OADBC的軌跡進行分析。連桿ADE上DE長度及∠ABD大小均未知，可先確定其中一個值，然后確定固定點F的位置及EF的長度。活動點E是繞著固定點F轉(zhuǎn)動，點E的活動軌跡為以EF為長度的部分圓弧，因此，圓方程為：

其中：

假設(shè)DE或∠ABD其中一個值已知，代入已知位置坐標，利用數(shù)值法及已知位置坐標求解圓方程的未知值d、e及f，進而求出固定點F的位置及EF的長度為部分圓弧的圓心、半徑及接觸點A的位置：

2? 對中姿態(tài)實例驗證分析

考慮對中性的驗證，需要機構(gòu)的對中姿態(tài)進行分析。在圖5（b）中，以∠CBD為變量，？駐BGF則在？駐BDF、？駐DEF及四桿機構(gòu)BDFG中，

可得：

本文設(shè)定對中性檢測的誤差為？駐r，然后根據(jù)式（24）判斷機構(gòu)是否滿足設(shè)定要求：

3? 實例分析

以實例對上述模型進行驗證，如圖4（b）所示，已知BC=10，AD=DB=4，C點的坐標為（0，0），已知夾持點的四個位置，并根據(jù)式（1）至（12），計算對應(yīng)點坐標和角度，如表1所示。

在此基礎(chǔ)上，利用式（13）至（23）及分別以DE和∠ABD為已知量分別對結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，并利用數(shù)值迭代的方式逐級逼近出d，e及f，并根據(jù)式（24）的誤差值？駐r作為式（9）的d值的測量依據(jù)，當標準差小于10-15時，可以認為DE和∠ABD滿足要求。表2為兩種不同方式獲得計算值。

分別將數(shù)據(jù)代入式，可求得兩實例的最大角度在75°附近，而兩者在夾持距離10-13mm范圍內(nèi)可保持近似線性關(guān)系，如圖5所示。

4? 結(jié)論與展望

為解決機械手末端的對中性要求，本文提出了一種基于多桿機構(gòu)的機械手末端對中機構(gòu)設(shè)計方案，該方案由多組五桿機構(gòu)以對稱方式組合而成。機構(gòu)具備在平面空間實現(xiàn)對中功能，而且結(jié)構(gòu)簡單，可用一個原動件實現(xiàn)多方向夾持。另外，本文利用機構(gòu)轉(zhuǎn)化方式將機構(gòu)整體轉(zhuǎn)化為局部的連桿滑塊機構(gòu)，然后對該機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動分析，計算了夾持的線性范圍，并最終通過實例理論驗證。理論結(jié)果證明，在設(shè)定的范圍內(nèi)，該機構(gòu)可以實現(xiàn)線性對中功能。為了更好地實現(xiàn)對中功能，進一步可以研究接觸點的力學性能，從而將機構(gòu)的幾何對中推展到幾何及力學整合對中。

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