基于机械原理的新型机器人教具的设计与研究

引言

机械原理、机械设计基础等课程不仅是机械工程类大学生的专业必修课程,也是很多其他工科专业的必学课程,重在讲解机器/机构的工作原理、机械设计原理、参数计算等内容,在教学过程中普遍采用教具展示抽象的结构及运动过程。但传统教具普遍只能展示某种单一的结构和运动,动作目的性不强,缺少机构间的有机组合,不能很好地吸引大学生的学习兴趣和动力,教具的有效利用率较低,教学效果不理想。

本设计以展示机械原理为基础,以实现物料的抓取、搬运为目标,将基础的机械传动原理、机构设计原理与现代技术发展趋势融为一体,创新机械原理等课程教具形式,提高讲解机械课程的趣味性和学生的学习兴趣,改善教学效果。

1机器人教具系统设计

本文所述展示机器人机械原理的教具,通过仿生学原理模拟四足行走机构及人体手臂结构,主要完成物料的行走及搬运动作。设计主要包括头部机构、胸腔本体、手臂部件、腰部转动机构和行走机构(图1),其中左臂部件和右臂部件分别位于胸腔本体的左右两侧:行走机构位于胸腔本体的下方。主要传动方式包括液压马达、液压缸、复合连杆机构、槽轮机构、齿轮机构、行星轮系机构以及凸轮机构等，可用于课堂上或实验室进行实物演示,在展示基础机构及机械传动的基础上,将机械设计和不同的机械传动有机结合起来,使学生在学习机械类课程或机器人课程时能直观地了解机器人机械机构和原理,能快速理解机构中各构件的运动关系,在一定程度上提高学生的关注力,提高教学质量,同时也能对学生提高机械设计能力给予启发,并激发大学生的创新思维,提高创造力。

2机器人教具的机构设计

机器人教具以实现对棒状物料的抓取、搬运为工作目标,展现多种机械结构设计和机械传动原理为手段,将零部件的设计、装配原理、传动原理、受力分析、运动分析等融为一体,便于在教学过程中展现交叉学科之间的联系,提高学生对专业知识综合运用的意识和理解。

图1机器人教具系统设计图

1一头部机构2一胸腔机构3一左臂部件

4一四足行走机构5一右臂部件

2.1头部系统设计

头部系统采用电动机驱动,结合齿轮传动、带轮传动、凸轮结构等完成机器人头部的摆动动作,具体设计如图2所示。

图2头部系统结构设计图

1一电动机2一维齿轮组3一主动带轮4一冲动带轮

5一摆动连杆6一头部

电动机1的输出轴将动力和运动传递给锥齿轮组,从动锥齿轮与主动带轮3为同轴连接,主动带轮3通过皮带带动从动带轮4转动,从动带轮与凸轮为同轴设计,通过凸轮的转动推动连杆5完成头部的摆动动作。头部系统结构设计可以针对锥齿轮的传动特点、V带传动的运动及受力特性、凸轮间歇机构的传动原理等知识进行讲解和补充。

2.2胸腔传动系统设计

机器人胸腔传动系统主要展示齿轮传动的工作原理(具体结构如图3所示),通过齿轮系将动力由齿轮5传递给肩齿轮1,完成手臂围绕肩部的转动动作,实现手臂对物料的举升搬运。

图3肩部动力提供装配图

1一肩齿轮2、3一过渡齿轮4—换向维齿轮5—动力齿轮

6—换向件7一换向维齿轮

齿轮5与锥齿轮7同轴,可实现同向转动,齿轮7与齿轮4啮合,利用过渡齿轮2将动力和运动传递给肩齿轮1,带动肩部的转动。通过换向件6可以使齿轮7与下部换向锥齿轮4啮合,通过齿轮3、2将动力和运动传递给齿轮1,改变肩部转动方向。通过该传动系统可有效讲解齿轮传动的转动方向和传动比问题,明确齿轮传动的特点。

2.3机械手系统设计

机械手系统是机器人教具的主要动作执行部件,通过对大臂、小臂、肘关节、机械手等零部件的结构设计,利用齿轮传动、液压缸、四杆机构等模拟人体手臂的结构及动作规律,完成棒状物料的抓取及搬运动作,其设计质量对机器人实现动作目的具有非常直接和重要的影响(图4)。

图4机械手系统设计装配图

1一机械手2—小臂3一槽轮4—主动拨盘5—大臂6—肩关节

  机械手系统设计主要包括肩关节、大臂、动力圆盘、槽轮、小臂、机械手等零部件的设计,肩关节通过较连接与胸腔本体连接,由肩齿轮提供动力完成肩部的转动动作:大臂主要完成肩关节与小臂的连接,同时为槽轮系统提供安装位置和强度支撑:槽轮系统包括槽轮和主动拨盘,主动拨盘较接于大臂,将液压马达的动力通过槽轮传递给槽轮,槽轮与机械小臂焊接为一体,可带动小臂完成间歇转动动作,根据机械手臂的动作需求,该液压马达应选择大扭矩低转速液压马达,保证小臂转动的平稳性:机械手通过液压缸连接于小臂,通过液压缸的伸缩完成机械手的抓取动作。机械手的具体设计如图5所示。

图5机械手设计图

1—小臂2—液压缸3—较接架4—活塞杆

5—连接杆6一夹持臂

机械手采用液压系统与四杆机构传动系统实现物料的取动作,机械小臂上设有凹槽,液压缸固定安装在凹槽内,较接架固定在小臂的一端,作为夹持臂的安装支架,夹持臂是抓取物料的终端执行装置,其一端较接于较接架上,另一端与活塞杆较连接。当活塞杆做回缩运动时,连杆带动两个夹持臂向中间运动,完成物料的抓取动作(图6(a)):当活塞杆做外伸运动时,在连杆推力的作用下,两个夹持臂在连接杆的推动下做张开运动,最大张度约为55mm,此时活塞杆的导程为17.4mm(图6(b))。夹持臂对物料夹持力的大小可通过液压系统中设置的溢流阀进行调节,从而保证夹持物料的安全性和可靠性。

2.4腰转系统设计

腰转系统是连接机器人上部结构和下部行走系统的关键部件,主要通过扭转改变上、下两部分的相对角度,便于机器人在同一位置抓取或放置不同方位的物料。本设计采用了行星轮系的设计,该结构具有体积小、重量轻、速比高、效率高的特点,可满足机器人低速稳定转动的需求(图7),通过本系统设计可有效向学生讲解行星轮系的工作原理,更加直观地展示运动和动力的传递路径,更容易使学生理解行星轮在自转的同时围绕太阳轮公转的抽象运动,同时引发学生对太阳轮、行星架固定时等不同状态下运动模式的思考。

  腰转系统要由齿圈、行星轮、太阳轮、行星架、动力电机等结构组成,齿圈通过螺栓连接固定于行走转系的机架上,是9腰转系的固定件:电动机通过螺栓连接固定在上部胸腔的底板上,太阳轮上端与电动机的输出轴同轴,下端通过轴承等结构与行走转系的机架连接,将上部的胸腔本体结构和下部的行走转系连接起来:3个行星轮可自腰地连接于行星架上,分别与太阳轮、齿圈进行啮合。9部需要扭腰动作时,统动件太阳轮将运动和动力传递至行星轮,行星轮在自腰的同时,通过与齿圈的啮合围绕太阳轮公腰,太阳轮的自腰方向和行星轮的公腰方向相同,因此可以获得较大的传动比,实现9腰转系低速稳定腰动的工作需求。

2.5行走系统设计

行走转系是机器人教具完成物料搬运的关键部分,也是机器人其他转系的安装平台,其性能优劣直接影响到机器人运动的平稳性和物料搬运的效率。本文统要采用多连杆复合机构进行四足仿生设计(图8),模拟四足动物的行走方法,进一步为学生展现多连杆机构复杂运动的特点,使学生掌握构件数量、高副、低副与自由度的关转,明确多连杆机构具有确定相对运动的条件。

行走转系由右后腿、右前腿、左前腿、左后腿机构及传动转系组成,低速大扭矩电动机将运动和动力由齿轮装置减速后传递至四条腿,带动四足机构模拟四足爬行动物的行走状态。静止时四条腿在同一个平面上,保证机器人的站立稳定性,前进状态时四条腿分为两组交替运动,采用对角步态的前进方式,左前腿和右后腿为一组,右前腿和左后腿为另一组,当一组腿向前迈出时,另一组的两条腿与地面接触的位置不变,但是其关节处先前弯曲移动以适应机器人重心前移。根据本机构的设计,当向前运动时,每一组的前腿采用的是离开地面向前运动的方式,后腿采用的是始终接触地面向前"拖步"的迈步方式,以保证机器人始终有3条腿与地面接触,保持机器人在运动时的平衡。

机器人的腿采用曲柄摇杆原理的多连杆复合机构实现运动,由7个构件组成(不含机架),运动副含有10个低副,其中包含3个复合较链(图9),自由度为1,可实现确定的相对运动。

图9 腿的结构设计图

腿部结构中,机架8为固定件,曲柄6为动力部件并做匀速腰动,动力和运动通过连杆7、4、1、2、5,最终传递至连杆3,实现足部的移动和支撑。

3结语

本研究利用仿生学原理,设计了可实现物料抓取和搬运的四足机器人,在实现机械动作目的的前提下,大量运用机电专业学生必修课中的机械设计原理、齿轮传动原理、四杆机构原理、液压传动原理等知识,进一步将机械设计基础知识与现代科技发展趋势相结合,将抽象的理论知识直观地表现出来,增加机械类课程学习的趣味性,提高了学生的学习兴趣,进一步提升了教学效果。