導(dǎo)語：機械臂球鉸鎖緊結(jié)構(gòu)設(shè)計研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

[摘要]針對機械臂關(guān)節(jié)鎖緊，采用了球鉸結(jié)構(gòu)，使用碟形彈簧進行預(yù)緊，并建立三維模型。通過合理的條件假設(shè)，對球鉸結(jié)構(gòu)中球碗球頭部分進行受力分析，根據(jù)球碗、球蓋對球頭的鎖緊力矩須大于小臂所受最大扭矩的要求，且為滿足嚴苛的使用環(huán)境，對球碗、球蓋、球頭表面噴涂防滑涂料，最后計算出碟形彈簧需要施加的最小預(yù)緊力。

[關(guān)鍵詞]機械臂；關(guān)節(jié)鎖緊；球鉸結(jié)構(gòu)；碟形彈簧；預(yù)緊力

機械臂在運動時常常需要保持指定的位姿，其關(guān)節(jié)必須在指定的位置鎖緊，因此，機械臂關(guān)節(jié)鎖緊是機械臂設(shè)計中尤為重要的一環(huán)。北航機器人研究所主要采用了2種機械臂關(guān)節(jié)鎖緊結(jié)構(gòu)：一種是利用電磁離合器，將其安裝在各個關(guān)節(jié)處，通過離合器通斷電后的閉合實現(xiàn)鎖緊，但其初始成本過大，且后期維護難度也相對較大；另一種是機械鎖緊，彈簧在關(guān)節(jié)外拉緊摩擦片，使得外圈抱緊摩擦片從而實現(xiàn)鎖緊，但摩擦片長期使用后，摩擦系數(shù)越來越小，終將導(dǎo)致鎖緊能力下降[1]。北京石油化工學(xué)院郭麗峰[2]等設(shè)計了一種球鉸快速鎖緊裝置，該結(jié)構(gòu)是利用電磁鐵通斷電使得鎖緊推桿推動鎖緊盤，松放球鉸內(nèi)球體實現(xiàn)鎖緊，但此方法維修比較困難；潘保安[3]設(shè)計了一種可調(diào)節(jié)鎖緊力的液壓鎖緊缸，但其需要額外的液壓源，同時，還存在泄漏的問題；蘇州大學(xué)匡紹龍[4]等設(shè)計了一種被動機械臂關(guān)節(jié)鎖緊機構(gòu)，通過螺紋軸套與剎車盤片互相抵緊實現(xiàn)鎖緊，但其剎車盤片和上述摩擦片相似，長期使用會使摩擦系數(shù)變小，導(dǎo)致鎖緊能力下降。針對上述鎖緊機構(gòu)存在的問題，本文設(shè)計了一種氣壓驅(qū)動的球鉸鎖緊機構(gòu)，并對其中的碟形彈簧進行預(yù)緊力分析計算。球鉸結(jié)構(gòu)較其他結(jié)構(gòu)有更快的鎖緊速度，采用氣壓鎖緊雖然難以伺服控制，但能提供較大鎖緊力，且高壓氣體源可以經(jīng)過壓縮后儲存在很小的容器中，可降低機械臂整體體積。

1球鉸鎖緊結(jié)構(gòu)設(shè)計

球鉸鎖緊結(jié)構(gòu)主要由鎖緊機構(gòu)、解鎖機構(gòu)、預(yù)緊機構(gòu)、高壓氣缸、單向閥等組成，如圖1所示。在平常狀態(tài)下，球鉸被彈簧施加的預(yù)緊力壓緊鎖死，需要解鎖時由高壓氣推動活塞釋放球頭。本次采用的是碟形彈簧，它能在小變形量內(nèi)對球頭提供較大的預(yù)緊力。鎖緊機構(gòu)為球鉸提供正壓力使其鎖緊；解鎖機構(gòu)利用氣缸活塞受到高壓氣推擠產(chǎn)生位移，導(dǎo)致球窩脫離球頭從而解鎖；預(yù)緊機構(gòu)用于在安裝過程中擠壓碟形彈簧從而調(diào)節(jié)機構(gòu)預(yù)緊力，而4個單向閥分別控制左右臂高壓氣缸的進氣排氣。如圖2所示，控制過程如下：左解鎖閥處于閉合狀態(tài)，高壓氣體無法進入氣缸，左側(cè)球碗受彈簧預(yù)緊力壓緊球頭，右解鎖閥打開高壓氣體進入氣缸中，推動活塞向左運動，球碗脫離球頭，對球頭的壓緊力消失，球頭可自由活動；左鎖緊閥被按下，左側(cè)氣壓缸與外界大氣相通，活塞受左側(cè)碟形彈簧預(yù)緊力作用將球碗壓緊在球頭上，右鎖緊閥閉合，高壓氣體被密封在右側(cè)氣缸中，在不考慮氣體泄漏的情況下，右側(cè)活塞持續(xù)受高壓氣體推力，球頭處于解鎖狀態(tài)。

2關(guān)節(jié)預(yù)緊力計算

球鉸具有3個自由度，小臂受扭矩、拉力、壓力作用時，可分為在空間3個平面的受力。小臂在水平面上所受扭矩最大，要保證小臂鎖死，則球碗、球蓋對球頭的摩擦扭矩必須大于水平面內(nèi)所受最大扭矩。球碗、球蓋、球頭三者在接觸時會發(fā)生彈性變形，其橫截面如圖3所示，球碗受到力F向上運動。因球碗不可能為剛體，三者屬于柔性體非線性接觸，其形變量與柔性體形狀、材料、厚度等有關(guān)，要精確計算出球鉸鎖緊時的摩擦扭矩非常困難，采用近似求解方法也能滿足要求，為了計算方便引入下列假設(shè)：（1）假設(shè)球面處的應(yīng)力密度q按余弦分布以上述假設(shè)為前提，球碗球窩受力簡圖如圖4所示。圖4中：α——球窩球面最大張角；R——球面半徑；O——球心點；B——球面上任意一點；F——球窩所受的推力。球碗上任意一點B處產(chǎn)生摩擦力f，摩擦力的方向為B點的切面與通過B點垂直于z軸且平行于xoy的平面。采用球面坐標表示B點[5]，則球碗上任意一點B的微面積因此，碟形彈簧施加的預(yù)緊力只要能夠大于1.326kN即能夠滿足球鉸鎖緊需求。

3結(jié)論

本文的氣壓驅(qū)動的機械臂關(guān)節(jié)球鉸鎖緊結(jié)構(gòu)使用氣壓驅(qū)動可提供較大鎖緊力，且氣體壓縮后可儲存進小型容器中，可減小機械臂整體體積。采用碟形彈簧對關(guān)節(jié)處進行預(yù)緊力計算分析，在球碗、球蓋、球頭表面處噴涂防滑涂料，使其能在嚴苛的工作環(huán)境下工作。最后，計算出碟形彈簧需要施加1.326kN的力才能滿足球鉸鎖緊的需求。本文為后續(xù)碟形彈簧受力分析、預(yù)緊機構(gòu)受力分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計以及關(guān)節(jié)鎖緊力試驗提供了參考。

參考文獻

[1]劉達,唐粲.CT導(dǎo)航微創(chuàng)外科機器人關(guān)節(jié)液壓鎖緊結(jié)構(gòu)研究[J].機器人,2008,30(4):298-303.

[2]郭麗峰,黃其剛,韓麗艷,等.球鉸快速鎖緊裝置:CN201620313621.X[P].2016-10-12.

[3]潘保安.鎖緊力可調(diào)的液壓鎖緊缸:CN01262152.8[P].2002-07-10．

[4]匡紹龍,李錦忠,章麗,等.一種被動機械臂關(guān)節(jié)鎖緊機構(gòu):CN201721923569.0[P].2018-09-14.

[5]同濟大學(xué)數(shù)學(xué)系.高等數(shù)學(xué)下冊[M].北京:高等教育出版社,2007.

[6]洪偉宏.國外航母甲板防滑涂料技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].艦船科學(xué)技術(shù),2015,37(12):166-169.

作者：鐘志豪 崔建昆 呂嗣孝 單位：上海市上海理工大學(xué)