确定广义执行子系统的功能模块及方案论证

设计广义执行子系统的主导思想是:重量轻、刚度好、动作灵活、速度快。

1.由“动作”初选执行机构

(1)初选“原地旋转机器人的行走机构”作为收集机器人的“行走机构”。这是一个很成熟的旋转行走机构,但须做两方面的修改:其一要能直行;其二要能上台阶。

(2)初选“手臂、手爪机构”作为收集机器人的“抓取机构”。这也是比较成熟的抓取机构,但须做两方面修改:其一手臂要能够上下垂直移动;其二手爪能抓紧、能放开,还能在手爪平面内微调位置。

2.执行机构和驱动装置(广义执行子系统)功能模块分解与设计方案论证

在初步确定了执行机构以后,就可以进一步将功能模块细分,要同时按设计主导思想考虑驱动(原理)模块和传动模块(如果必要),进行方案比较。

(1)行走机构功能模块的分解与方案论证

前已述及,初选“原地旋转机器人的行走机构”作为收集机器人的行走机构,下面介绍如何确定方案。

①原地旋转主功能模块

这个模块选的是“旋转机器人的行走机构”,如图5-2所示。该机构是很成熟的,所以不必再进行方案论证就确定下来。下面简单介绍其结构:该旋转行走机构有三个轮,三个轮面都在一个圆周上,它们的轴线互成120°,三个轮都装在六边形的铝合金架上(为了轻便选铝合金),且都由直流步进电动机驱动(为了灵活控制机器人行走的方向和位置)。

②直线行走辅助功能模块

因为三个车轮的轮面成120°放置,要想直行需解决两个问题:一个是驱动问题;另一个是斜轮的摩擦力问题。

a.直行驱动问题可以将后轮转90°做为驱动轮。这就要求做一个旋转机构,在机架上焊一个铝合金套,套的轴线垂直于机架平面,套里装一根轴(即垂直滑动导杆),该轴的下端与后轮固定〔见图5-3(b)〕。垂直滑动杆的轴线与后轮轴的轴线垂直,且过轮面与轮轴线的交点。90°旋转机构的驱动用气缸,选气缸是因为气缸比液压缸轻,比液压和电机速度快。

b.减小前进摩擦力的问题是现成的方案,目前已广泛采用“全向轮”。即在轮毂上装许多段“硬塑胶圆套”〔见图5-3(b)〕,当小车前后移动时该硬塑胶圆套管会绕着轮毂旋转,不影响前后行走的速度。

图5-2　原地旋转行走机构结构图(从底面向上看的仰视图)

图5-3　上台阶与直线行走机构结构图

③上台阶辅助功能模块

a.上台阶方案:上台阶可有两个方案,一个是用人工驾驶机器人将收集机器人托起再送到台阶上,另一个是在收集机器人自己身上安装举起和行走机构。由于运行时间长短是竞赛的绝对标准,考虑用人工驾驶机器人托起再送上台阶太耗费时间,不如收集机器人直行1 m后,接着就上台阶行走快,所以选用后一个方案。

b.将收集机器人举起的机构:该机构分两部分,一部分是前轮处安装的折叠腿机构,另一部分是将后轮上装的垂直轴转变为一个滑动杆,它既可在气缸1的驱动下旋转90°,又可在气缸3的驱动下沿铝合金套上下移动20 cm。(用气缸而不用液压缸或电动机的道理同前)

折叠腿的设计参考飞机起落架原理,如图5-4所示。收集机器人“站立”态〔见图5-3(b)〕时,该机构处于图5-4(a)所示状态,此时连杆有两个“死点”(“机械原理”课讲),该折叠腿在小车前进时能稳定工作(腿的下端装了小轮,以便于行走);折叠腿收起时,是图5-3(a)所示状态〔后轮方向应和图5-3(b)一样〕。折叠腿的驱动由气缸2完成〔见图5-3(b)〕。采用气缸的原因是其速度快,无污染,同时可用前面的气源。

图5-4　折叠腿结构原理图

c.上台阶时前行机构:此时前轮驱动;为了该收集机器人不至于摔下台阶(因此时后轮已收起),特在机架下面中部稍后的位置装了两个辅轮(见图5-2和图5-3)。

(2)抓取机构功能模块分解与方案论证

前已述及,初选“手臂、手爪机构”作为收集机器人的抓取机构,下面介绍如何确定方案。

①手臂功能模块

由于三层货架上都放有松糕需要机械手去拿,且要求抓取时间尽量短,所以最好是三层同时抓取。但由于货架顶层太高,而机器人的高度又有限制(1.3 m),故只能考虑,一、二层的松糕同时取,第三层(顶层)的松糕单独取的方案。因此手臂模块确定为三个,如图5-5所示。

a.三个机械手臂方案论证如下。机械手臂有两种。一种是柔性的,像人的手臂一样有几个关节,其优点是运动灵活,可以做各种自由运动;其缺点是刚性差,运动控制算法复杂,运动速度较慢。另一种是刚性的,一般没有关节,其缺点是自由度少,只做简单的移动或转动;其优点是刚性好,运动速度快。为了速度快,好控制,选择刚性机械手臂(即图5-5所示方案)。

图5-5　机械手结构图

b.1号、2号手臂机构设计。对1、2号手臂的动作要求是:上下移动(松糕脱销),水平移动(移出货架)。这两个动作如下分解:上下移动由机械手臂上下移动完成;水平移动由小车行走完成。这样机械手臂就可以设计成只有上下移动1个自由度的机构,图5-5所示正是这样的机构。1号、2号手臂都焊在滑套上,滑套由钢丝绳牵引带着两个手臂一起沿着垂直导柱上下滑动,钢丝绳由电动机驱动,位置好控制一点。为了使1号、2号机械手臂二者之间的距离能有些微调,1号机械手臂与钢丝绳固接,而2号手臂采用弹簧离合器与钢丝绳联接。

c.3号手臂机构设计。对3号手臂的动作要求是:上下移动,水平移动,手臂伸长。这三个动作分解如下:上下移动,水平移动都由人工驾驶机器人完成;手臂伸长由手臂自己完成。这样手臂只有1个自由度的伸缩运动。

采用上述方案的原因是:收集机器人很矮,货架顶层很高,解决的办法是,让人工驾驶机器人将收集机器人托起,托起后,高度仍然不够,所以再让3号手臂自己伸长一点。因为已经用人工驾驶机器人将收集机器人托起了,为了节省时间,干脆往上移动松糕的动作一起由人工驾驶机器人完成。完成上述动作以后还要把收集机器人放下,放下之前,必须将3号手臂移出货架,(否则是放不下的),所以前两个动作(上下、水平移动)都由人工驾驶机器人完成,这样省了好长时间。

至于手臂的伸缩机构采用的是套筒式的滑动机构。为了轻便,具体选用了碳纤维伸缩鱼杆,用气缸推动鱼杆伸缩,速度很快。

综上所述,三个手臂的工作过程如图5-6所示。

图5-6　收集机器人机械手工作过程

②手爪功能模块

三个机械手的手爪功能都是一样的。它们的动作是微调水平面的位置与抓紧、松开。为了很好地完成这三个动作,选用了一个五杆机构,如图5-7所示。

图5-7　两自由度抓取执行装置

该机构具有两个自由度。四个铰链使两个手爪可以在机构的平面内微动,便于调整手爪与松糕的相对位置,方便抓紧动作。当气缸充气时,两个手爪同时向内转,此时抓紧松糕;当气缸放气时,则两手爪同时向外转,放开松糕。

3.小结

至此,已确定了所有“执行机构”(有的还有“传动机构”)和“驱动装置”,可以构成各“广义执行子系统”了。同时,也确定了“能量流”和运动信号的传输路径,为详细设计阶段建立“闭合流线”,进而建立“自动控制系统”做好了准备。