平衡系统设计的途径主要有三种:质量平衡、弹簧力平衡、可控力平衡[21]
。  
(1).质量平衡法——臂杆质量平衡的原理是合理地分布臂杆质量,使臂杆
重心尽可能落在支点上,必要时甚至采用在适当位置配置平衡质量(即配重)的方
法,使臂杆的重心落在支点上。这种方法虽然会使臂杆的总质量有所增加,但由
于重力悬臂力矩减小,使总的驱动扭矩、扭矩间的耦合和非线性程度有所降低。
在关节型机器人的应用中,由于小臂杆质量对驱动扭矩的不利影响更大,因而在
小臂杆上使用平衡技术更为普遍;对于大臂臂杆,主要使用弹簧力或其他可控力,
如气、液、电力等进行平衡。
(2). 弹簧平衡法——弹簧平衡一般可以使用长弹簧。分析表明,在关节
模型中,只要采用合适刚度和长度的弹簧平衡系统,可以全部平衡关节模型重力
项。实际应用时由于许多因素的作用,所制造弹簧的刚度很难完全满足要求的条
件,此时,可通过适当改变弹簧的长度和刚度加以修正。
(3) . 气动和液压平衡法——气动和液压平衡的原理和弹簧平衡的原理很相
似,但前者在两个方面有显著优点,即平衡缸中的压力是恒定的,不会随臂杆的
位置变化而变化;同时平衡缸的压力很容易得到调节和控制,有利于提高整个机
器人的动态性能,因此应用较广泛。这种平衡技术的缺点是需要动力源和储能器,
因而系统比较复杂,结构比较庞大,不像弹簧平衡或质量平衡那么简单;而且设
计时如果采用这种方案,需考虑动力源一旦中断时(如手臂会因自重下滑等)的防
范措施,以免发生事故。
   综合比较以上三种平衡方法,最终确定选择弹簧平衡法作为所设计喷漆机器
人的平衡方式。 本科毕业设计说明书(论文)   第10页  共34页
 
2.5  喷漆机器人总体方案确定   
综合考虑以上各方面内容, 确定机器人采取关节型坐标形式,步进电机驱动,
间接传动形式传动,弹簧平衡法平衡。各部分具体方案分别在后续设计中进行计
算和讨论。
喷漆机器人各部件位置安排有两种总体设计方案:
  第一种方案:腕部的两台驱动电机安装在大臂体中下部,小臂平衡弹簧斜拉
至大臂体中上部,小臂驱动电机安装于大臂中部伸出的背板上,大臂平衡弹簧从
大臂中下部斜拉至随机身一起旋转的搁板上,大臂驱动电机也铰接在在搁板伸出
的支架上,如图2-5所示。  
图2-5  喷漆机器人总体方案一示意图  
  第二种方案:腕部两台驱动电机安装在大臂体中部,基准位置时,小臂平衡
弹簧直拉至大臂中下部伸出的支架上,小臂驱动电机铰接在大臂伸出的支架上,
大臂平衡弹簧从大臂中部斜拉至可随机身一起旋转的搁板上,大臂驱动电机与大
臂平衡弹簧分别置于大臂体前后两侧,铰接在隔板伸出的支架上,如图 2-6所示。
图2-6  喷漆机器人总体方案二示意图
  对比两种方案,虽然第一种方案结构紧凑,简单明了,但斜拉小臂平衡弹簧
会引入平衡力之外的力,增加大小臂联接轴的负担;腕部驱动电机安装在小臂体
一端也会增加小臂结构的质量和转动惯量,导致电机的驱动负担增大。第二种方
案中,虽然腕部传动环节的传动距离被拉长,但更有利于机身稳定,大臂上的各
部分结构布置也更合理。因此,决定采用第二种方案。
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