引言

機械原理、機械設計基礎等課程不僅是機械工程類大學生的專業(yè)必修課程,也是很多其他工科專業(yè)的必學課程,重在講解機器/機構的工作原理、機械設計原理、參數(shù)計算等內容,在教學過程中普遍采用教具展示抽象的結構及運動過程。但傳統(tǒng)教具普遍只能展示某種單一的結構和運動,動作目的性不強,缺少機構間的有機組合,不能很好地吸引大學生的學習興趣和動力,教具的有效利用率較低,教學效果不理想。

本設計以展示機械原理為基礎,以實現(xiàn)物料的抓取、搬運為目標,將基礎的機械傳動原理、機構設計原理與現(xiàn)代技術發(fā)展趨勢融為一體,創(chuàng)新機械原理等課程教具形式,提高講解機械課程的趣味性和學生的學習興趣,改善教學效果。

1機器人教具系統(tǒng)設計

本文所述展示機器人機械原理的教具,通過仿生學原理模擬四足行走機構及人體手臂結構,主要完成物料的行走及搬運動作。設計主要包括頭部機構、胸腔本體、手臂部件、腰部轉動機構和行走機構(圖1),其中左臂部件和右臂部件分別位于胸腔本體的左右兩側:行走機構位于胸腔本體的下方。主要傳動方式包括液壓馬達、液壓缸、復合連桿機構、槽輪機構、齒輪機構、行星輪系機構以及凸輪機構等，可用于課堂上或實驗室進行實物演示,在展示基礎機構及機械傳動的基礎上,將機械設計和不同的機械傳動有機結合起來,使學生在學習機械類課程或機器人課程時能直觀地了解機器人機械機構和原理,能快速理解機構中各構件的運動關系,在一定程度上提高學生的關注力,提高教學質量,同時也能對學生提高機械設計能力給予啟發(fā),并激發(fā)大學生的創(chuàng)新思維,提高創(chuàng)造力。

2機器人教具的機構設計

機器人教具以實現(xiàn)對棒狀物料的抓取、搬運為工作目標,展現(xiàn)多種機械結構設計和機械傳動原理為手段,將零部件的設計、裝配原理、傳動原理、受力分析、運動分析等融為一體,便于在教學過程中展現(xiàn)交叉學科之間的聯(lián)系,提高學生對專業(yè)知識綜合運用的意識和理解。

圖1機器人教具系統(tǒng)設計圖

1一頭部機構2一胸腔機構3一左臂部件

4一四足行走機構5一右臂部件

2.1頭部系統(tǒng)設計

頭部系統(tǒng)采用電動機驅動,結合齒輪傳動、帶輪傳動、凸輪結構等完成機器人頭部的擺動動作,具體設計如圖2所示。

圖2頭部系統(tǒng)結構設計圖

1一電動機2一維齒輪組3一主動帶輪4一沖動帶輪

5一擺動連桿6一頭部

電動機1的輸出軸將動力和運動傳遞給錐齒輪組,從動錐齒輪與主動帶輪3為同軸連接,主動帶輪3通過皮帶帶動從動帶輪4轉動,從動帶輪與凸輪為同軸設計,通過凸輪的轉動推動連桿5完成頭部的擺動動作。頭部系統(tǒng)結構設計可以針對錐齒輪的傳動特點、V帶傳動的運動及受力特性、凸輪間歇機構的傳動原理等知識進行講解和補充。

2.2胸腔傳動系統(tǒng)設計

機器人胸腔傳動系統(tǒng)主要展示齒輪傳動的工作原理(具體結構如圖3所示),通過齒輪系將動力由齒輪5傳遞給肩齒輪1,完成手臂圍繞肩部的轉動動作,實現(xiàn)手臂對物料的舉升搬運。

圖3肩部動力提供裝配圖

1一肩齒輪2、3一過渡齒輪4—換向維齒輪5—動力齒輪

6—換向件7一換向維齒輪

齒輪5與錐齒輪7同軸,可實現(xiàn)同向轉動,齒輪7與齒輪4嚙合,利用過渡齒輪2將動力和運動傳遞給肩齒輪1,帶動肩部的轉動。通過換向件6可以使齒輪7與下部換向錐齒輪4嚙合,通過齒輪3、2將動力和運動傳遞給齒輪1,改變肩部轉動方向。通過該傳動系統(tǒng)可有效講解齒輪傳動的轉動方向和傳動比問題,明確齒輪傳動的特點。

2.3機械手系統(tǒng)設計

機械手系統(tǒng)是機器人教具的主要動作執(zhí)行部件,通過對大臂、小臂、肘關節(jié)、機械手等零部件的結構設計,利用齒輪傳動、液壓缸、四桿機構等模擬人體手臂的結構及動作規(guī)律,完成棒狀物料的抓取及搬運動作,其設計質量對機器人實現(xiàn)動作目的具有非常直接和重要的影響(圖4)。

圖4機械手系統(tǒng)設計裝配圖

1一機械手2—小臂3一槽輪4—主動撥盤5—大臂6—肩關節(jié)

  機械手系統(tǒng)設計主要包括肩關節(jié)、大臂、動力圓盤、槽輪、小臂、機械手等零部件的設計,肩關節(jié)通過較連接與胸腔本體連接,由肩齒輪提供動力完成肩部的轉動動作:大臂主要完成肩關節(jié)與小臂的連接,同時為槽輪系統(tǒng)提供安裝位置和強度支撐:槽輪系統(tǒng)包括槽輪和主動撥盤,主動撥盤較接于大臂,將液壓馬達的動力通過槽輪傳遞給槽輪,槽輪與機械小臂焊接為一體,可帶動小臂完成間歇轉動動作,根據機械手臂的動作需求,該液壓馬達應選擇大扭矩低轉速液壓馬達,保證小臂轉動的平穩(wěn)性:機械手通過液壓缸連接于小臂,通過液壓缸的伸縮完成機械手的抓取動作。機械手的具體設計如圖5所示。

圖5機械手設計圖

1—小臂2—液壓缸3—較接架4—活塞桿

5—連接桿6一夾持臂

機械手采用液壓系統(tǒng)與四桿機構傳動系統(tǒng)實現(xiàn)物料的取動作,機械小臂上設有凹槽,液壓缸固定安裝在凹槽內,較接架固定在小臂的一端,作為夾持臂的安裝支架,夾持臂是抓取物料的終端執(zhí)行裝置,其一端較接于較接架上,另一端與活塞桿較連接。當活塞桿做回縮運動時,連桿帶動兩個夾持臂向中間運動,完成物料的抓取動作(圖6(a)):當活塞桿做外伸運動時,在連桿推力的作用下,兩個夾持臂在連接桿的推動下做張開運動,最大張度約為55mm,此時活塞桿的導程為17.4mm(圖6(b))。夾持臂對物料夾持力的大小可通過液壓系統(tǒng)中設置的溢流閥進行調節(jié),從而保證夾持物料的安全性和可靠性。

2.4腰轉系統(tǒng)設計

腰轉系統(tǒng)是連接機器人上部結構和下部行走系統(tǒng)的關鍵部件,主要通過扭轉改變上、下兩部分的相對角度,便于機器人在同一位置抓取或放置不同方位的物料。本設計采用了行星輪系的設計,該結構具有體積小、重量輕、速比高、效率高的特點,可滿足機器人低速穩(wěn)定轉動的需求(圖7),通過本系統(tǒng)設計可有效向學生講解行星輪系的工作原理,更加直觀地展示運動和動力的傳遞路徑,更容易使學生理解行星輪在自轉的同時圍繞太陽輪公轉的抽象運動,同時引發(fā)學生對太陽輪、行星架固定時等不同狀態(tài)下運動模式的思考。

  腰轉系統(tǒng)要由齒圈、行星輪、太陽輪、行星架、動力電機等結構組成,齒圈通過螺栓連接固定于行走轉系的機架上,是9腰轉系的固定件:電動機通過螺栓連接固定在上部胸腔的底板上,太陽輪上端與電動機的輸出軸同軸,下端通過軸承等結構與行走轉系的機架連接,將上部的胸腔本體結構和下部的行走轉系連接起來:3個行星輪可自腰地連接于行星架上,分別與太陽輪、齒圈進行嚙合。9部需要扭腰動作時,統(tǒng)動件太陽輪將運動和動力傳遞至行星輪,行星輪在自腰的同時,通過與齒圈的嚙合圍繞太陽輪公腰,太陽輪的自腰方向和行星輪的公腰方向相同,因此可以獲得較大的傳動比,實現(xiàn)9腰轉系低速穩(wěn)定腰動的工作需求。

2.5行走系統(tǒng)設計

行走轉系是機器人教具完成物料搬運的關鍵部分,也是機器人其他轉系的安裝平臺,其性能優(yōu)劣直接影響到機器人運動的平穩(wěn)性和物料搬運的效率。本文統(tǒng)要采用多連桿復合機構進行四足仿生設計(圖8),模擬四足動物的行走方法,進一步為學生展現(xiàn)多連桿機構復雜運動的特點,使學生掌握構件數(shù)量、高副、低副與自由度的關轉,明確多連桿機構具有確定相對運動的條件。

行走轉系由右后腿、右前腿、左前腿、左后腿機構及傳動轉系組成,低速大扭矩電動機將運動和動力由齒輪裝置減速后傳遞至四條腿,帶動四足機構模擬四足爬行動物的行走狀態(tài)。靜止時四條腿在同一個平面上,保證機器人的站立穩(wěn)定性,前進狀態(tài)時四條腿分為兩組交替運動,采用對角步態(tài)的前進方式,左前腿和右后腿為一組,右前腿和左后腿為另一組,當一組腿向前邁出時,另一組的兩條腿與地面接觸的位置不變,但是其關節(jié)處先前彎曲移動以適應機器人重心前移。根據本機構的設計,當向前運動時,每一組的前腿采用的是離開地面向前運動的方式,后腿采用的是始終接觸地面向前"拖步"的邁步方式,以保證機器人始終有3條腿與地面接觸,保持機器人在運動時的平衡。

機器人的腿采用曲柄搖桿原理的多連桿復合機構實現(xiàn)運動,由7個構件組成(不含機架),運動副含有10個低副,其中包含3個復合較鏈(圖9),自由度為1,可實現(xiàn)確定的相對運動。

圖9 腿的結構設計圖

腿部結構中,機架8為固定件,曲柄6為動力部件并做勻速腰動,動力和運動通過連桿7、4、1、2、5,最終傳遞至連桿3,實現(xiàn)足部的移動和支撐。

3結語

本研究利用仿生學原理,設計了可實現(xiàn)物料抓取和搬運的四足機器人,在實現(xiàn)機械動作目的的前提下,大量運用機電專業(yè)學生必修課中的機械設計原理、齒輪傳動原理、四桿機構原理、液壓傳動原理等知識,進一步將機械設計基礎知識與現(xiàn)代科技發(fā)展趨勢相結合,將抽象的理論知識直觀地表現(xiàn)出來,增加機械類課程學習的趣味性,提高了學生的學習興趣,進一步提升了教學效果。