三维缝纫机械手的设计

三维缝纫机械手的设计第23卷第3期2010年5月机电产品开发与新Development&InnovationofMachinery&ElectricalProductsVo1.23.No.3May.2010文章编号:10026673(2010)0302903三维缝纫机械手的设计汪峰.吴世林(武汉科技学院机电工程学院,湖北武汉430073)摘要:针对缝合三维纺织复合材料构件作业时缝合设备的需求.设计了一种伺服电机驱动的五自由度缝纫机械手,介绍了其主要结构.根据单边缝合法原理,利用曲柄滑块机构设计了一种单边缝合机构.运用DH法构建了机械手的坐标系,推导了其位姿方程并求得逆解,作为控制系统设计的基础.关键词:单边缝合;曲柄滑块机构;机械手;位姿方程中图分类号:TB47文献标识码:Adoi:lO.3969/j.issn.1002-6673.2010.03.0113DDesnofSewingManipulatorWANGFeng,WUShi-Lin(SchoolofElectricalandMechanicalEngineering,WuhanUniversityofScienceandEngineering,WuhanHubei430073,China)Abstract:Aimingatthedemandforsewingequipmenttostitch3Dfabriccomposite,asewingmanipulatorwith5-DOFisdesigned,whichisdrivenbyservomotoranditsmechanicalstructureisintroduced.Accordingtotheprincipleofunilateralseanllegitimate,akindofonesidestitchingmechanismbasedonslidercrankmechanismisdevelopedforthesystem.ThereferencecoordinatesofthemanipulatorarebuiltbasedonDHmethodandthepositionequationisdeduced.Theinversekinematicsofthismanipulatorissolvedasthebasicofdesigningthecontrollingsystem.Keywords:onesidestitching;shdercrankmechanism;manipulator;positionequation0引言在传统的缝纫设备中,勾线单元和缝合单元机械的关联在一起,它们被配置在缝料上下两面,这种缝纫设备能够完成二维平面的缝合工作.然而.在三维纺织复合材料的缝合过程中,传统的缝纫设备由于机针工作空间的限制无法缝合大量存在的复杂异形件.因此,将缝纫技术与机器人技术相结合,用机器手控制缝合机头,使缝合机头可以持续沿着被缝合件的缝口在三维空间移动,从而达到缝合大型异形构件的目的.本文所设计的三维缝纫机械手.正是针对缝合复合材料预成型件技术的特点,而提出的一种加工装置.1三维缝纫机械手技术分析三维缝纫机械手是以单边缝合机构作为末端执行器,由工业机器人本体提供缝合过程中单边缝合机头所需要收稿日期:201003-23作者简介:汪峰(1980一),男,硕士研究生.研究方向:智能机械及计算机仿真;吴世林(1970-),男,副教授.主要研究方向:智能缝绣技术,视觉伺服技术.的各种运动轨迹的操作机.其运动控制符合机器人运动学理论,单边缝合机头的工作方式遵循缝合技术原理.(1)单边缝合机构.单边缝合机构主要由缝合机构和挑线机构组成.可以从缝料的一个表面进行缝纫.单边缝合法正是为了克服双边缝合技术的缺点而开发出来的.OSS单边缝合技术21的缝合方式与简单链式缝合原理相似.但它需要由两个缝合针头来完成.如图l所示,两针一线,一根传统的针和一根勾线针,两针都要沿针轴向运动,穿过缝料.勾线针接过普通针上的缝线然后穿回缝料,再穿过上次形成的线圈.通过这种方法相互锁结的线圈就形成了,其缝合线轨迹如图2所示.(2)缝纫机械手的技术要求.通过上述分析,可以对缝纫机械手提出以下几点技术要求:单边缝合机构图1OSS单边缝合法图2OSS单边缝合法线轨迹29?开发与创新?的设计应考虑勾线针,引线针和挑线机构运动相互协调配合;机械手一般应具有五个自由度.末端缝针沿着缝料表面的任意一点都要有一定的姿态.即确定缝针正压力的方向要与该点的法线方向一致.因此.机械手要提供缝针到达空间位姿的自由度,并考虑避障情况下所需的自由度;缝纫机械手必须是连续轨迹控制,以此来达到连续缝合的目的.2三维缝纫机械手的设计三维缝纫机械手机构由单边缝合机构和操作机本体两部分组成,单边缝合机构为机械手的末端执行器,它用来缝合缝料,操作机本体的结构决定着缝合机构的运动轨迹和姿态.设计过程中将两部分机构有机结合起来,简化整机结构和控制系统.(1)单边缝合机构的设计.根据单边缝合法的要求.勾线机构和引线机构分别由两套曲柄滑块机构组成,由一套齿轮机构分别为它们提供动力,曲柄滑块机构分别带动勾线针和引线针沿着各自的针杆轴线来回往复运动.而挑线机构与传统缝纫机相似,也采用四连杆机构构成.缝合机构如图3所示.图3缝合机构简图(2)机械手本体的设计.机械手是缝纫轨迹和缝合机构位姿的执行机构.是三维缝纫机械手硬件设备的关键部分.机械手结构如图4所示.机械手的驱动部件由五个伺服电机配合谐波减速器组成.由于伺服电机扭矩传递到各个部件主轴方向成90.,因此,在每个谐波减0t30图4机械手结构简图速器输出轴上安装锥齿轮副,使传递的力换向.缝合机构固定安装于机械手的末端手腕部.机械手运动副由五个转动副组成.整个机械手安装在基座顶部.根据具体的使用要求.可以将基座安装于可移动的部件之上.通过0,0,0,0和0的联动可以实现各种缝合线迹的加工.3机械手位姿方程机械手的位姿方程,即运动学方程,是描述机械手末端执行器位置和姿态的方程,也是进行运动分析的基本方程.机器人位置控制中.要求机器人从当前构形1U变化到构形2时,需要将各铰接变量0由当前值0i带到IIl构形2需要的值0io0;由逆几何模型求取.根据0的Ul值给各个驱动器一个相应的驱动变量将0i带到0;31.在缝料表面位置已知时.对运动学方程进行逆解.得到机械手各个关节变量的表达式,据此以使末端执行器达到相对于某个坐标系的确定位置和方向.根据DH法对图4所示的缝纫机械手建立坐标系如图5所示.0.是缝纫机械手极坐标系,是固定坐标系;O(i=l2?)是各个关节坐标系.根据DH法建立的系统参数见表1.图5机械手参考坐标系表1DH参数表杆件变量0.仅;aiS.10l90.OSl2020.a203030.a3O40490.OO505O.OO其中:Of.;一轴i和i+1之间的夹角;0i一轴i+l绕轴i转动的角度:ai轴i和i+1的公法线长度:Si一相邻两条公法线与同一轴的交点的距离.根据系统参数列出系统齐次变换矩阵MiM分别(M;:表示坐标系R.在坐标系R中的变换矩阵,简化符号s0代替sin0,cO代替cos0).M01_-cO10sO】00100sO10一cOl00s,0l;Ml2_ce2s02sO2c0200O00a2c020a2s02l001?开发与创新?ce3一sO30a,ce3一sO40cO40计算对应的各个关节变量Oi(i_1,2,5),即为运动s03cO30a3s03cO40sO40!学的逆解.机械手运动学逆问题的求解方法是:将运动M23=;M34=;疗程式的两端依次左乘各M矩阵的逆矩阵.并使两端0O130l0O0O010001阳等矩阵的对应元素相等,就可求得各个关节变量.经c05一sO500计算.得到逆解为:sO5cO500M45=:则机械手运动学方程表示f翻:Ol=arctan孚01000001D一.一P:s1ndPxPxcosO1+in0lnydyayPyD:一(PzS1)(a2+a3cosO3)一(Pxcos01+PsinO1)a3sin03MoS=Mo1gMl2gM23gM34gM5=(1)(PxeosOl+in01)z+(s1)nd.azPznnn1n一一cosO3(Pxcos01+P,zin01)+sin03fP,S1)一a3.1=.fsin03(Pxcos0l+in.1)一cosO3-s1)妇式(1),我们求得机械手的矩阵元素为:l05=arcsi(nxsinO.一nvc.so)n-c01c05s(02+03+04)+00sl根据求出的逆解ei,将其与初始值相比较,可以得到d=cOsOss(02+O+e4)+s0cOs赋给每个驱动器的驱动变量.从而达到我们需要的位姿.Px:a3c0c(e2+03)+a2c0ce2+haxf4结论ny=-801S058(02+03+04)一cOs05I本文所设计的五自由度缝纫机械手只是三维缝纫机ay=S0?C(02+03+04)l动模式和加工轨迹.复合材料的增强织物结构通常都是Py=a3sOlc(02+03)+a2sOlc02+hal三维结构,所以使用传统的双边缝合技术从被缝合件的d=-s05e(O+e,+e4)l好的解决这个问题.对该机械手其位姿方程及逆解的推s(02+0,+04)l导是后续控制系统设计的理论铺垫.Pa3s(02+e3)+a2se2+sl+hazl中:n,n,n,d,d,d,ax,ay,a2是末端执行;参考文献:6L构坚标原点05对参考坐标0.的方向余弦,Px,Py,PzI11严柳芳,陈南梁?缝合技术在复合材料上的应用及发展J】.产业用是05相对于0.的位置.假设末端缝合机构的位姿给l纺织品,00,2,定.1N阴D肛J,DES.MARSB啦.Aerotiss.把nx氐I31吴芳美.机器人控制基础M.北京:中国铁道出版社,1992.Bydy毒10001:(上接第36页)参考文献:1】1MatsunoFSakawaY.Dynamichybridpositionforcecontrolofatwodegree-of-freedomflexiblemanipulatorJ.JournalofRoboticSystems,1994,5.2】YoshikawaT.Dynamichybridposition/forcecontrolofrobotmanip-ulators-descriptionofhandconstraintsandcalculationofjointdfivingforceJ1.IEEEJRA,1987,3.3】3KwonDS,BookWJ.AninversedynamicmethodyieldingflexiblemanipulatorstatetrajectoriesC.ProceedingsoftheAmericanControlConference,SanDiego,PublbyAmericanAutomaticControlCouncil,1990.【4】MatsunoF.Modelingandquasi-statichybridposition/forcecontrolofconstrainedplanartwo-linkflexiblemanipulators叨.IEEETransactionsonRoboticsandAutomation,1994,5.【55Go,onM,ShabanaAA.Controlstructureinteractioninthenonlinearanalysisofflexiblemechanicalsystems叨.NonlinearDynamics,1993,4.【6】BayoE,MoulinH.Anefficientcomputationoftheinversedynamicsofflexiblemanipulatorsinthetimedomain【C.ProceedingsoftheIEEEInternationalConfefenceonRoboticsandAutomation,Scottsdale,PubibyIEEE,1989.31