夹持系统

夹持系统（精选7篇）

夹持系统 篇1

0 引言

不宜采用普通压板夹持的零件在机械加工过程中经常遇到,且随着复合材料结构件的应用,整

体结构件中应用这类零件也越来越多,如飞机上的梁、框、壁板等。这类零件外形不规则,刚度一般较差,零件上一般没有压板夹持空间。目前在实际生产过程中往往采用增加辅助工艺夹持面等方法通过压板夹持,这种方法加工成本高,需要后续去除工艺夹持面,进而影响零件的加工效率和成本。

针对上述问题,本文提出一种通过磁粉传递夹持力夹持工件的设计方案,该方案利用磁粉在外加磁场的激励下产生阻碍工件运动的夹持力,从而达到对工件夹持的效果。本文旨在通过使用有限元方法定性地分析磁粉填充区域内磁场的分布以及不同的磁粉填充参数对磁场分布的影响,为进一步研究磁粉夹持力提供理论依据。

1 磁粉夹持原理

磁粉夹持原理就是利用外加磁场的作用,将填充在待加工工件周围的磁粉磁化[1,2]。磁化后的磁粉颗粒之间相互吸引、相互挤压,从而对工件壁及加工平台产生正压力,磁粉磁化程度越强,正压力越大。当工件在切削过程中有相对位移时,磁粉与工件壁之间以及磁粉与加工平台之间就会产生摩擦力的作用,这种力会阻碍工件的相对位移,从而达到对工件夹持的目的,其基本原理示意图见图1。

2 磁场的有限元分析

本文使用有限元方法定性地分析磁粉填充区域内整个磁场的分布情况。与传统的磁路算法相比,有限元方法能处理磁路算法中必须使用的一些假设,而且更能从物理本质上反映电磁场的分布规律。在有限元方法中,磁性材料的非线性磁导率、漏磁、边缘效应等都能被精确分析[3]。

2.1 建立二维有限元模型

本文以自制的U形电磁装置作为研究对象,根据磁粉夹持系统的特点,在建立其电磁场有限元模型时进行了一定的假设以简化计算过程:①研究的主要目的是分析磁场分布、漏磁等与时间没有关系的磁场特性,所以可以将磁粉填充区域内的磁场假定为静磁场;②假定磁粉材料各向同性,忽略磁滞效应,采用平均磁化曲线;③将三维的磁粉夹持系统简化成二维平面问题进行研究;④取无限远处空间的磁势为参考磁势,即零磁势,在实际计算中,由于磁粉填充区域外的空气中仅有非常少的漏磁,为了突出主要问题,忽略了磁粉以外空间的漏磁[4];⑤假定磁粉填充区域内的磁场能够满足工件的夹持要求。

在上述假设的基础上,建立了磁粉夹持系统的二维平面几何模型(图2)。选用二维静态电磁场分析实体单元来表示结构的几何形状,定义磁极、空气、线圈、磁粉的相对磁导率分别为1000、1、1、2000;定义磁极的几何尺寸(间距为20mm,厚度为20mm,高度为40mm);空气间隙为1mm;激磁线圈电流强度为1A;线圈匝数为100匝。划分网格,设置材料属性,形成有限元模型。在有限元求解过程中,由于忽略磁粉以外空间的漏磁,所以在模型的最外层节点加载磁力线平行边界条件;由于假设磁场为平面二维静态磁场,使用矢量磁势偏微分方程求解电磁场边值问题[5]。

2.2 分析结果

为了深入研究磁粉填充区域内磁场的分布,本文借助ANSYS10.0中的路径功能虚拟映射结果数据到模型的任意路径上,沿路径进行分析[6]。图3a、图3b分别表示磁感应强度沿图2中AE直线和CD直线的变化情况,其中图3a横坐标中0~20和40~60表示两个磁极的正上方,20~40表示两个磁极之间的空气间隙部分;图3b横坐标中0~30表示磁粉填充区域,30~50表示空气部分。比较分析图3可以得到以下结论:①在磁粉填充区域的水平方向上,磁感应强度相对磁极中心面近似对称分布,两个磁极正上方的磁感应强度较大,而在两磁极之间的空气间隙部分磁感应强度相对较小;②在磁粉填充区域的垂直方向上,磁粉下表面附近的磁感应强度最大,随着磁粉高度的增大,磁感应强度逐渐缓慢下降,而在接近磁粉上表面的地方磁感应强度急剧降低。

对于整个磁场而言,磁粉下表面的磁场强度相对较强,随着磁粉高度的增大,磁感应强度逐渐减小。但是如果当磁粉的填充参数发生了变化,磁粉填充区域内的磁场分布就会受到一定的影响。所以接下去在保证外加激磁一定的条件下,进一步研究不同的磁粉填充参数对磁场分布的影响。

(b)CD路径上的计算结果

2.3 磁粉填充高度对磁场分布的影响

按照上述建立的有限元模型,对不同的磁粉填充参数进行计算。假定磁粉填充参考长度为60mm(即为电磁装置的磁极长度),参考高度为30mm,当分析其中一个参数时,以另外一个参数为参考值进行计算。在分析磁粉填充高度对磁场分布的影响时,将磁粉填充高度从10mm依次增加到100mm,填充长度保持为参考值。在不同的磁粉填充高度下,沿着磁粉中心线进行数值计算,计算结果如表1所示。

由表1可以得知:①当磁粉填充高度小于30mm时,磁粉填充区域中磁感应强度最大值随着填充高度的增大有所减小,而当磁粉填充高度大于30mm时,其最大值近似相等;②随着磁粉填充高度的增大,磁粉上表面的磁感应强度明显降低(即最小值降低),并且磁感应强度最小值与最大值的比值也明显下降。当磁粉的填充高度大于40mm时,磁粉上表面的磁感应强度还不到最大值的20%。

2.4 磁粉填充长度对磁场分布的影响

在应用有限元方法分析磁粉填充长度对磁场分布的影响时,将磁粉填充长度的变化范围设定在30~80mm之间,填充高度保持为参考值,计算结果如图4所示。

(c)磁粉填充长度为60mm (d)磁粉填充长度为80mm

对照图4中4个磁力线分布图可以看出: ①只有极少数的磁力线通过两个磁极之间的空气间隙,其余磁力线都通过磁粉形成闭合回路,这种磁力线的分布是我们所希望得到的磁场分布;②随着磁粉填充长度的增大,通过两磁极之间空气部分以及磁粉边缘的磁力线在明显减少,说明漏磁在逐渐减少;③当磁粉填充长度小于60mm(即磁极长度)时,磁粉中磁力线的分布类似于椭圆弧,有部分磁力线穿过磁粉边缘的空气进入磁粉形成回路,但随着磁粉填充长度的增大,磁粉填充区域内的磁力线分布逐渐趋于水平,分布也逐渐变得均匀。

图5表示图4c中CD、CE连线上磁感应强度在不同磁粉填充长度下的数值分布图。图5a表明:当磁粉填充长度大于60mm(即磁极长度)时,CD连线上的磁感应强度分布几乎相同;随着填充长度的减小,磁粉填充区域的磁感应强度明显下降。对于图5b来说,几条曲线相互比较靠近,这说明随着磁粉填充长度的增大,CE方向上磁感应强度的变化很小,但磁粉边缘区域的磁感应强度却随着磁粉填充长度的增大而降低,说明磁粉边缘区域的漏磁在减少。所以,对于磁粉填充长度的选择在一定程度上依赖于电磁装置的几何形状,在外界条件允许的情况下,磁粉填充长度应该尽量大于磁极长度。

(b)CE直线上的磁场分布 1.磁粉填充长度为30mm 2.磁粉填充长度为50mm3.磁粉填充长度为60mm 4.磁粉填充长度为80mm

3 实验测试

本文将三维的磁粉夹持系统简化成二维平面问题进行分析计算,为了验证其二维模型计算的合理性,本文使用高斯计在自制的U形电磁实验装置上测量磁极纵向磁感应强度的变化。实验实物图如图6所示,电源的输出电压为48V,每个激磁线圈为2000匝,整个装置的电阻为33.6Ω,磁极材料为铁氧体。由于高斯计的探头无法进入磁粉内部直接进行测量,因此本实验得到的测量值为测量平台上表面的纵向磁感应强度(图7)。每组实验测量值沿着纵向距

离没有明显的变化,计算可得磁极内外侧位置的相对标准偏差分别为4.75%和2.93%,两者的偏差均在允许偏差范围5%以内,从而间接验证了本文采用二维静态磁场有限元建模的合理性。

4 结束语

本文利用有限元的方法对磁粉夹持系统中的整个磁场进行了定性的分析,同时也对比分析了不同的磁粉填充参数对磁场分布的影响,并通过实验测试验证了采用二维磁场建模和计算的合理性。结果表明:在同等的电流激励下,磁感应强度随着磁粉填充高度的增大明显下降,当磁粉的填充高度大于40mm时,磁粉上表面的磁感应强度还不到最大值的20%,所以磁粉的填充高度不宜超过40mm;在同样的条件下,磁感应强度却随着磁粉填充长度的增大而增大,当填充长度大于磁极长度时,磁场分布近似没有变化,因此在实际夹持过程中磁粉填充长度要超过磁极长度。

参考文献

[1]刘刚,柯映林.纸基蜂窝芯零件高速铣削固持系统设计[J].中国机械工程,2006,17(2):196-200.

[2]Liu Gang,Ke Yinglin.Study on Clamping Methodfor Paper Honeycomb Based on Magnetic Field andFriction Principle[J].Journal of Materials Process-ing Technology,2007,190:65-72.

[3]张榴晨,徐松.有限元法在电磁计算中的应用[M].北京:中国铁道出版社,1996.

[4]丁国平,胡业发,周祖德.径向磁力轴承磁极布置对磁场和磁力的影响[J].中国机械工程,2008,19(19):2364-2367.

[5]Ding G P,Zhou Z D,Hu Y F.Magnetic Field Cal-culation and Measurement of Active Magnetic Bear-ings[C]//Proceedings of 3rd International Symposi-um on Precision Mechanical Measurements.Uru-mqi,China,2006:351-357.

[6]孙明礼,胡仁喜,崔海蓉.ANSYS10.0电磁学有限元实例指导教程[M].北京:机械工业出版社,2007.

夹持系统 篇2

三维实体测量与重构技术在机械设计、航空航天等领域的应用越来越广泛,但传统测量系统普遍存在的一些缺陷限制了该技术的进一步发展及应用,如测量设备昂贵、测量精度低、速度慢、运算复杂等。而基于浮力测量的三维实体测量与重构方法弥补了传统方法的缺点,研究表明,应用该方法设计的三维测量系统能够快速完成初始数据的测量,对数据的处理算法简单,重构精度高,设备成本低廉。然而,采用该测量系统进行测量时,需要在测量过程中夹持并且精确平移和翻转被测物体。目前是通过手动来实现该功能的,这样就大大降低了系统的测量精度,同时也限制了其实际应用。因此,本文设计了一种适用于该三维测量系统的夹持机构,并对该机构进行了力学和运动学分析。分析结果表明,此夹持机构能够保证被测物体夹持稳定、扰动小、旋转和移动的定位精度高,测量灵活。

1夹持机构的功能分析

基于浮力测量的三维实体测量与重构方法的测量思想就是将被测物体在A、B两种铰链状态通过相互垂直的3个方向浸入液体中,经过测力装置采集每个虚拟断层所受到的浮力,并经过分析、处理后对被测物体进行重构。夹持机构的功能就是要能够对复杂形状的被测物体进行稳定地夹紧,同时能够带动被测物体精确地移动和翻转,保证测量能够精确、灵活地进行。

在整个测量过程中,夹持机构夹紧被测物体后不再松开,通过夹持机构的翻转和平移来实现测量状态的变化,三维测量系统原理见图1。在进行测量时,夹持机构夹紧被测物体第一次进入液体,并进行测量,待第一次测量完成后,被测物体离开液体;接着,夹持机构旋转90o,带着被测物体第二次进入测量液体并进行测量,再接着出液体后旋转90o进行第三次测量。即通过相互垂直的3个方向分别进行测量。

每个夹持方向根据变臂长的测量方法,对应有A铰链和B铰链两种状态(即力臂上的A、B两个位置),因此,在夹持机构旋转90o进行测量时,每一个浸入液体的方向可以获得A和B两个位置的测量状态,即完成整个测量过程可获得6种测量状态。

2夹持机构的原理设计

本夹持机构设计的主要思路是减小夹持机构对测量过程所带来的误差,从而减少传动机构的复杂性。在此,除采用轻质材料外,还将动力装置与夹持机构分离,置于测量平台上。当夹持机构进行夹持、旋转和平移工作时,动力装置通过传递装置将动力传递给夹持机构,工作完成后,传递装置与夹持机构分离,这样可以有效地避免由动力装置对测量所带来的扰动与误差。当动力传递装置工作时,夹持机构通过齿轮传动将动力传递给夹紧装置、旋转装置和平移装置。在机构动力输入端设置有离合、制动联合装置,这样可以提高灵活性以及稳定性,夹持机构原理图见图2。由于本设计采用了离合器,类似于将电机安装在夹持机构内直接驱动,相当于有4个动力源分别驱动夹紧、两个自由度的旋转以及被测物体和配重的平移。

1—电机;2—驱动装置;3—夹持装置动力输入端;4、10—平移装置;5、6—旋转关节;7—被测物体;8—夹紧装置;9—固定平台

夹持机构的工作原理如下:

(1)电机1安装在固定平台9上,用于控制动力装置2沿y轴方向移动,机构3为夹持装置动力输入端(即动力传递装置)。当需要进行夹持、旋转或者平移时,启动电机1控制动力装置2与动力输入端3有效、准确地连接;当动力装置2与动力输入端3连接稳定后,电机1停止工作,同时启动动力装置2通过输入端3为夹持机构输入动力进行工作;当任务完成时,关闭动力装置2,启动电机1控制动力装置2离开夹持机构。

(2)机构4和机构10为平移装置。根据变臂长测量方法,机构4对应A铰链和B铰链两种状态做位置变化,用于维持横梁平衡。在机构4进行位置变化时,机构10控制配重在相应的C、D两种状态之间移动。

(3)机构5和机构6为旋转装置。机构5用于控制被测物体7进行x轴方向夹角为90o的往复旋转,机构6带动被测物体进行z轴方向夹角为90o的翻转。装置8进行被测物体的夹持。

3模型简图

根据测量要求和上述设计的夹持原理进行建模,模型简图见图3。因为一部分夹持机构在测量过程中将会和被测物体一同浸入液体中,为了避免带来不能定量的测量误差,设计的整体结构应紧凑、简单,减少浸入液体时的扰动,不能有盲孔等测量盲区。物体夹持采用底面定位、四面夹持的方法。在夹持前需要先将被测物体放在定位平面上,平稳后开始夹持。被测物体须为刚体,体积范围为10-6m3～10-3m3。

4夹持机构的力学分析

夹持机构所要实现的功能主要由3部分来完成:夹持装置、进行z轴旋转的关节装置和进行x轴旋转的关节装置。这3部分功能都是通过动力输入端输入转矩来实现的。

4.1 夹持装置所需要的最大转矩M1

根据测量限制,被测物体最大重量为10kg,夹持所需最大转矩为:

undefined。 (1)

其中:G为被测物体所允许的最大重力;μ为夹持点与被测物体的摩擦系数;l为夹紧力臂长度;mei为机械系统的等效质量,undefined为机械系统中第k构件的质量,ωk为机械系统中第k构件的角速度,Jsk为机械系统中第k构件绕其质心s的转动惯量,vsk为机械系统中第k构件质心的速度,vB为等效力作用点的速度。

4.2 进行z轴方向旋转所需转矩M2

进行z轴方向旋转的动力转矩需要克服被测物体重力和第一部分夹持装置的自身重力,按照被测物体为最大重量计算:

undefined。 (2)

式中:Fi——机械系统中第i构件所受的力;

ωi ——机械系统中第i构件的角速度;

vi ——机械系统中第i构件的速度;

θi ——力Fi与速度vi之间的夹角;

Wi ——机械系统中第i构件的转矩;

ω ——机械系统的等效角速度。

4.3 进行x轴方向旋转所需转矩M3

进行x轴方向旋转的动力转矩需要克服被测物体重力、第一部分夹持装置的自身重力和第二部分进行z轴方向旋转的关节装置的自身重力,按照被测物体为最大重量计算:

undefined。 (3)

4.4 总转矩计算

将相关参数代入式(1)～式(3),计算得总转矩M为:

M=M1+M2+M3=29.71N·m 。

计算结果说明:这样的机构只需要控制在较小的加速度范围内,就不会造成大的冲击力,有效地减少了对液面的干扰,可以达到较高的测量精度,满足了整个测量对夹持机构的功能要求。

5结论

本文设计了一种实现基于浮力测量的三维实体测量与重构方法的专用夹持机构。通过功能分析和运动学仿真,结果表明:该夹持机构满足三维测量系统的应用要求,能够实现测量系统的自动化,提高了测量精度。同时,也为其它机械方面的设计者提供了有益的参考。

参考文献

[1]孙宁.一种测量三维物体轮廓的设备和方法:中国专利,03108989[P].2003-09-17.

[2]加一郎.机械手图册[M].上海交通大学机械手及机器人研究室,译.上海:上海科学技术出版社,1979.

[3]郭洪红.工业机器人技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006.

[4]祝凌云,李斌.P ro/ENG INEER运动仿真和有限元分析[M].北京:人民邮电出版社,2004.

夹持系统 篇3

主从式遥操作机器人已经被越来越广泛地应用于社会生产和生活的各个领域。本实验室自主研发的显微外科手术医疗机器人(“妙手”)采用主从式遥操作模式,成功进行了1 mm以下微血管缝合的动物实验。“妙手”系统构成主要包括主操作手(以下简称主手),控制系统,从操作手(以下简称从手)和图像系统。医生在图像系统的引导下,通过操作主手和控制系统驱动从手运动完成手术操作。

对于医疗机器人系统而言,其中要实现的最基本手术动作之一是从手末端夹持装置的开合,以实现夹持缝合针,线,或剪切器官组织等。主从夹持控制是利用主手上的开合机构来控制从手末端夹持装置的开合,从而实现手术中的夹持操作。

医疗机器人的主从控制系统要求主控芯片有较强的实时性和较丰富的可利用资源,以满足手术动作中低延时和较复杂的控制需求。ARM芯片以其高速的处理性能和丰富的处理器资源较单片机和DSP更能满足医疗机器人的控制系统要求,并且ARM芯片已经被越来越广泛地应用于工业控制和移动计算领域,其应用正走向普及与成熟。本文则阐述了如何利用ARM微控制器实现本实验室自主研发的关节式主手和从手手指的主从夹持控制。

1 系统总体描述

1.1 关节式主手

本实验室自主设计的六自由度关节式主手,见图1,适用于显微外科手术医疗机器人。它由位置调整机构(包括X,Y,Z转动关节用以控制从操作手的位置),姿态调整机构(包括α,β,γ转动关节用以控制从手的姿态)和前端开合机构(用以控制从手手指的开合)组成,共具有七个转动自由度。其中前端开合机构详见图2,操作时,人的拇指和食指分别与该装置的转子指套和定子指套相连,通过捏合与分离两个指套使之产生相对运动。而电位器的定子和转子分别与两指套相连用来将两指套的相对转角信号转化为对应的电压信号,输入到控制单元进行后续处理。

1.2 从手手指

从操作手手指和前端可快速更换工具(图3)适用于显微外科手术医疗机器人。其机构剖面简图,安装在手指金属壳体内部的微型步进电机通过传动部件驱动前端夹持钳左右两瓣实现开合运动(图4)。前端夹持钳根据手术操作需要可快速更换为刀具、剪子等,用以实现夹持、撕咬、割除、剪切等手术动作。无论前端工具如何更换,手指机构的实现原理均相同,故本文只以夹持钳为例进行系统阐述。

2 系统整体结构

本文所阐述的主从夹持控制系统整体结构见图5。整个系统分为三个主要部份——主手,控制系统和从手手指。

在人的操作下,主手开合机构的电位器随着转子指套与定子指套的相对运动而输出某一时刻夹持角的模拟电压量,该模拟电压量输入控制系统中的模数转换(ADC)模块,实现该时刻夹持角的数字量输出。ARM控制平台对该数字量进行处理,进而输出控制信号给步进电机驱动模块,使之产生步进脉冲以驱动从手手指内的步进电机转动,并通过壳体内的机械传动部件实现手指前端夹持钳的开合,且使其开合后达到的夹持角能与该时刻主手开合机构夹持角在位置上相对应。

3 控制系统硬件设计

本节从ARM控制平台、模数转换以及步进电机驱动等三个模块详细地阐述了控制系统的硬件构成。ARM控制平台是在AT91RM9200微控制芯片外围进行内存、通信接口等扩展,以构成系统能够正常运行的最基本硬件平台。模数转换模块和步进电机驱动模块则分别阐述了实现系统需求的模数转换功能和步进电机驱动功能所必要的硬件连接。

3.1 ARM控制平台的硬件实现

3.1.1 ARM微控制器芯片的选择

当前应用比较广泛的ARM芯片大都为ARM7和ARM9系列,生产厂家主要为韩国的三星(Samsung)公司,美国的爱特梅尔(Atmel)公司和荷兰的飞利浦(Philips)公司。根据系统性能要求并综合考虑性价比,功耗等多种因素,选用爱特梅尔公司生产的工业级ARM芯片AT91RM9200作为该控制系统的主控芯片。

AT91RM9200的主要特性有:内嵌ARM920TTM ARM®Thumb®处理器内核,工作于180 MHz时性能高达200MIPS;控制器具有SDRAM,FLASH,10/100 Base-T型以太网,USB 2.0,两线TWI,串行SPI等许多外设接口资源;四个32位PIO控制器拥有122个可编程I/O口线,各线均有输入变化中断及开漏能力;功耗低,正常工作时消耗电流为30.4 m A,待机模式下消耗电流仅为3.1 m A[1]。

3.1.2 控制器外围的硬件实现

要使微控制器能够正常工作,其外围必需进行扩展,图6则是实现整个ARM控制平台的硬件系统原理图。

电源模块负责为整个平台提供稳定,干净的直流电源。兼于控制器与外围芯片的电源电压存在3.3 V和1.8 V两种,电源模块需同时提供这两种电压的电源。

边界扫描测试(JTAG调试)单元用来实现程序的在线调试。串行通讯接口则实现控制平台与计算机的通讯及操作的可视化,并实现程序的下载。为使系统能够运行较大的程序,如LINUX内核和文件系统,在微控制器外围扩展了32M字节的SDRAM内存芯片。扩展16M字节的FLASH芯片作为程序和数据的存储设备,以保证掉电时程序和数据不丢失。

3.2 模数转换(ADC)模块设计

模数转换芯片可以分为并行接口和串行接口两种。并行接口的模数转换芯片传输速率快,但是引脚多,体积大,占用控制器口线资源较多。而串行接口的转换芯片已经逐渐成为主流,主要为四线SPI接口,传输速率也与并行接口不相上下,而且具有体积小、功耗低、占用控制器口线少等优点。

由于AT91RM9200微控制器芯片内具有SPI串行控制器并且片外有SPI接口,故系统选取了Analog Devices(AD)公司生产的SPI接口模数转换芯片AD7467。AD7467是具有10位转换精度的单通道高速,低功耗,低噪声的串行模数转换芯片,其主要特性有:电源输入电压范围1.6V~3.6V;低功耗,在电源输入电压为3 V,转换速率为100 KSPS时功耗仅为0.62 m W;最高转换速率可达200 KSPS;具有高速串行接口SPI,输入串行时钟频率最高可达3.4 MHz;模数转换时的参考电压直接取自芯片电源输入[2]。

该模数转换模块见图7。主手电位器与AD7467采用同源3.3 V电压供电,AD7467直接采集电位器输出的模拟电压AVDD。微控制器AT91RM9200芯片与AD7467之间用SPI接口连接,NPCS作为AD7467的选通信号,SPCK作为模数转换过程中的时钟输入,而MISO则作为模数转换结果的输出线将数据从AD7467串行移入AT91RM9200芯片。由于AD7467芯片内部无寄存器操作,也无数据输入引脚,故电路只需采用三线连接。

3.3 步进电机驱动模块设计

从手手指驱动夹持钳开合的步进电机型号为瑞士ARSAPE公司生产的微型步进电机AM1020-V12,双极性驱动,电压型,工作电压12 V,步距角18°。其驱动芯片选用ST公司的L298N。L298N为双相全桥驱动芯片,可用于驱动两相或四相电机,最大输出电压为46 V,最高输出电流为4 A,输入信号为标准TTL电平,便于微控制器进行控制[3]。

选用L298N驱动时,采用L297作为脉冲分配器,以提供时序信号。L297可以产生四相控制信号,用于控制四相单极性或两相双极性步进电机,可用于半步、全步、斩波控制方式[4]。利用L297+L298N组成步进电机的驱动控制模块,微控制器只需向模块发送转向、脉冲信号等全局控制信号,就可以控制步进电机。

由于L297的工作电压为5 V,而微控制器的工作电压为3.3 V,故二者的通讯接口需加光耦进行隔离。采用光耦隔离既可以避免器件因工作电压的不同而造成的损坏,又增强了信号的抗干扰能力。

该步进电机驱动模块(图8),利用AT91RM9200的一组I/O(PIOB)口线通过一组高速光耦6N137与L297相连实现驱动模块的控制信号及步进脉冲的输入。L297将时序信号传输到后接驱动芯片L298N,由L298N实现步进电机的功率驱动。

4 控制系统软件设计

系统使用较为通用且稳定的2.4.26版本的LINUX内核及运行于其下的文件系统作为其操作系统,整个控制系统基于该操作系统正常运行。而控制系统对模数转换模块与步进电机驱动模块的控制是通过访问这两个模块在操作系统下的驱动程序来实现的。基于该操作系统的用户空间程序则通过对这两个模块驱动程序的调用,实现实时的模数转换与步进驱动,从而实现主从夹持控制。

4.1 模数转换模块驱动程序的实现

模数转换模块驱动程序即实现AD7467芯片在操作系统下的驱动。AD7467芯片驱动程序主要包括以下几个部份:写数据进程,中断服务进程和读数据进程。根据AD7467工作时序图(图9)可知芯片在完成一次完整的模数转换过程时,即实现“模拟电压采样—模数转换—串行数据移位输出”,芯片需要14个周期的串行时钟(SCLK)输入。而随着时钟的输入,包含转换结果的14位数据也同时被串行移位输出,其中高四位为零,低十位为模数转换结果。

当写数据进程往微控制器的SPI发送寄存器(SPI_TDR)中写入任意14位的数据时,数据立即通过控制器的SPI串行移位器输出,此时14个周期的串行时钟信号也输入了AD7467芯片,同时包含模数转换结果的14位数据也从AD7467芯片串行输入到微控制器的接收寄存器(SPI_RDR)中,并致使SPI状态寄存器(SPI_SR)中的接收寄存器满标志位(RDRF)置位而触发中断,中断服务进程唤醒处于睡眠状态的读数据进程。读数据进程从接收寄存器读取移入的14位数据,并且屏蔽掉无用的高四位,以得到正确的转换结果。

4.2 步进电机驱动模块驱动程序的实现

该模块驱动程序即实现L297芯片在操作系统下的驱动。该驱动主要是完成微控制器向L297芯片的步进脉冲和控制信号的发送,它主要包括以下几个部份:初始化闭合夹持钳进程,写数据进程和主从操作进程。

由于从手手指中的步进电机没有位置反馈,而要实现夹持控制过程中主从开合位置的对应,在主从控制实施前主手开合机构与从手手指夹持钳需要有一个初始对应的开合位置,因此选取两者的闭合状态作为初始对应位置。而初始化闭合夹持钳进程即通过发送一定数量的步进脉冲给L297芯片,驱动夹持钳闭合。系统由定时器中断来产生步进脉冲,通过配置定时器自动重载,每次进入定时中断服务程序时PIOB中用来产生脉冲信号的引脚状态翻转一次,从而产生一定频率的脉冲信号。通过调整定时器初值可以改变脉冲频率,进而改变步进电机的转速来调整夹持钳开合的速度。

写数据进程是从用户空间程序调用的,负责将主从操作中驱动从手手指开合所需的步进脉冲数传入内核空间的驱动程序。

主从操作进程是在写数据进程执行完后被调用的,用来向从手手指发送主从操作时所需的步进脉冲。该进程中有一个脉冲频率调节环节,用以调节步进电机的转速以完成“启动—加速—匀速—减速—停止”的运转过程,减少运转时急起急停的冲击。频率的调节是通过对己发送脉冲进行计数,当计数达到一定值时,在定时器中断服务进程中改变定时初值,使脉冲频率实现平滑的调节。

4.3 用户空间程序设计

用户空间程序完成两模块驱动的调用与协调并进行一些必要的数值计算,使整个系统的控制功能得以实现。图10为用户空间程序的流程图。

模数转换与步进电机驱动这两个模块的驱动程序在编译完成后,以设备文件的形式向用户空间提供了访问驱动的接口。因此用户空间程序在使用这两个模块的驱动时先要打开其注册的设备。

在实施主从夹持控制前,需要先调用初始化闭合夹持钳进程以完成从手夹持钳与主手开合机构的初始状态对应。

在完成初始化后,程序进入主从夹持实时控制部份(虚线框内)。通过调用模数转换写数据进程和读数据进程,即可获得此时刻模数转换的数据结果。在用户空间数据处理程序中,根据事先实验测定的主手开合机构的夹持角与从手夹持钳的夹持角之间的数值关系以及输入从手的步进脉冲数与夹持钳的夹持角之间的数值关系,可以计算得出这一时刻从手夹持钳跟随主手开合机构实现开合动作时步进电机需要获取的步进脉冲数。再通过调用步进驱动写数据进程和主从操作进程,便可将所需数量的步进脉冲输入驱动模块,从而驱动夹持钳完成相应角度的开合。

当程序返回实时控制部份程序的顶部,开始新一轮的主从夹持控制,使从手手指夹持钳始终跟随主手开合机构的动作而张开或闭合,从而实现主从夹持的实时控制。

5 动物实验

应用所开发的系统,针对兔子腿部动脉1 mm血管进行了缝合实验。动物实验的基本步骤见图11。实验表明了系统可以有效控制缝合针的夹持操作。

注:a.手术操作环境;b.医生与助手;c.手术操作过程;d.牵引血管外膜;e.牵引缝合线;f.术后白兔。

6 结语

主从夹持控制是主从式医疗机器人需要实现的一个重要环节。本文从硬件和软件设计上详细描述了所研发的主从操作手夹持控制系统。该系统应用于外科手术机器人“妙手”中。运行结果表明主从夹持张开与闭合回程误差小,控制精度高。为医疗机器人主从遥操作系统的研发提供了很好的参考。

摘要：利用ARM微控制器,基于本实验室自主研发的医疗机器人用关节式主操作手和从操作手的手指系统,构建了主从遥操作夹持控制系统。本文设计了AT91RM9200 ARM微控制器与外围器件的硬件电路,并在运行于硬件平台的LINUX操作系统上开发了相应的硬件驱动程序。实验表明该系统可以有效控制缝合针的夹持操作。

关键词：医疗机器人,主从遥操作,ARM微控制器

参考文献

[1]Atmel Corporation.ATMEL®ARM920TTM based Microcontroller AT91RM9200[EB/OL].http://www.atmel.com/literature,2015.

[2]Analog Corporation.Preliminary Technical Data AD7466/AD7467/AD7468[EB/OL].http://www.analog.com.2011.

[3]STMicroelectronics GROUP OF COMPANY.L298 DUAL FULL-BRIDGE DRIVER[EB/OL].http://www.st.com.2015.

[4]STMicroelectronics GROUP OF COMPANY.L297 STEP MOTOR CONTROLLERS[EB/OL].http://www.st.com,2015.

[5]李群智.机器人辅助显微外科手术系统的研究与开发[D].天津:天津大学,2004.

[6]张捷,顾海,孙健华,等.机器人技术在医疗临床的应用及前景展望[J].机床与液压,2016,44(3):1-3.

[7]王晓明.电动机的单片机控制[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

[8]王伟,王伟东,董为,等.基于协作空间与灵巧度的机器人辅助微创手术术前规划算法[J].机器人,2016,3(2):208-216.

[9]徐兆红,宋成利,闫士举,等.机器人在微创外科手术中的应用[J].中国组织工程研究,2011,15(35):6598-6601.

夹持类工具夹持痕迹特征的研究 篇4

关键词：夹持痕迹,特征,夹持部位

夹持撬压是指犯罪分子利用工具的夹持功能, 夹压客体的某一部位, 进行上、下或左右夹压, 以达到破坏目的。夹压工具多为钳具, 例如钢丝钳、虎头钳、鲤鱼钳等, 破坏客体以厚度小、直径小的客体为主, 如锁扣、锁梁、锁芯、窗户护栏等。

钳具夹压破坏是靠其夹持部位完成的。夹持部位通常由前平台、齿纹、后平台、 (如是夹圆体口钢丝钳、则在后平后前还有夹圆体口及其齿纹) 等组成, 少数钳具还具有中平台结构, 夹持面与夹圆体口上的分布有不同数量的齿纹, 这些齿纹分布基本均匀, 长度基本一致, 但夹圆体口上的第一齿与第二齿、最后一齿与前一齿之间的距离比其他齿纹的间距要大。选用几种刑事案件现场中经常使用的, 比较典型的夹持工具为例来分析其形成痕迹的特征。

1 钢丝钳夹持痕迹的特征

1.1 钢丝钳有关部位的特征

一般特征:钳顶的宽窄与形状;侧边的宽窄与形状;齿纹的宽窄、形状与数量。

个别特征:钳顶边沿凹凸点的位置、形状, 侧边凹凸点的位置、形状;前后平台边沿与顶部凹凸点、线的形状与位置;齿纹顶部凹凸点的形状、位置;磨损、缺口、崩裂的形状。

1.2 钢丝钳夹持痕迹的特征

钢丝钳夹持部位的的结构是由齿纹、前平台、后平台组成。用钢丝钳夹压客体时, 则可能留下前平台、齿纹、后平台的压痕。1.2.1由下往上夹压时, 客体上面出现前平台与部分齿纹的压痕, 前平台的前部与齿纹的前部比较明显;客体下面出现后平台与部分齿纹压痕, 后平台的后部与齿纹后部比较明显。1.2.2由上往下夹压时, 客体上面出现后平台与部分齿纹的压痕, 后平台的后部分与齿纹的后部较明显。客体下面出现前平台与部分齿纹的压痕, 前平台前部与齿纹前部较明显。1.2.3左右夹压时, 多留下前平台与齿纹的压痕, 齿纹的里端或外端的压痕较明显。1.2.4不同品牌的钢丝钳其夹持痕迹反映清晰度不同。

2 尖嘴钳夹持痕迹的特征

为总结出液压剪的留痕特点, 找出推断其留痕的依据, 结合液压剪的结构、刃部形态、剪切性能等方面的特点及液压钳刃口反映、断头留痕分析液压钳的种类特征与个别征, 分别进行以下三步实验:

2.1 尖嘴钳有关部位的特征

一般特征:钳顶的宽窄与形状;齿纹的宽窄、形状与数量。

个别特征:钳顶边沿凹凸点的位置、形状, 齿纹顶部凹凸点的形状、位置;磨损、缺口、崩裂的形状。

2.2 尖嘴钳夹持痕迹的特征

尖嘴钳夹持部位的的结构是由后平台与齿纹组成。用尖嘴钳夹压客体时, 则可能留下前齿纹与后平台的压痕。2.2.1由下往上夹压时, 客体上面出现部分齿纹的压痕, 齿纹的前部比较明显;客体下面出现后平台与部分齿纹压痕, 后平台的后部与齿纹后部比较明显。2.2.2由上往下夹压时, 客体上面出现后平台与部分齿纹的压痕, 后平台的后部分与齿纹的后部较明显。客体下面出现部分齿纹的压痕, 齿纹前部较明显。2.2.3左右夹压时, 留下齿纹的压痕, 齿纹的里端或外端的压痕较明显。2.2.4痕迹反映清晰, 齿纹多而密, 呈三角形分布。

3 管钳夹持痕迹的特征

3.1 管钳有关部位的特征

一般特征:钳顶的宽窄与形状;侧边的宽窄与形状;齿纹的宽窄、形状与数量。

个别特征:钳顶边沿凹凸点的位置、形状, 侧边凹凸点的位置、形状;齿纹顶部凹凸点的形状、位置;磨损、缺口、崩裂的形状。

3.2 管钳夹持痕迹的特征

管钳夹持部位分两个部分, 一部分能够活动、拆卸, 由前平台与齿纹组成, 无后平台;另一部分固定在钳体上, 也由前平台与齿纹组成。用管钳夹压客体时, 则可能留下前平台与齿纹的压痕。3.2.1由下往上夹压时, 客体上面体现的是活动夹持部位的前平台与部分齿纹的压痕, 前平台的前部与齿纹的前部较明显;客体下面体现的是钳体上夹持部位的部分齿纹压痕, 齿纹的后部较明显。3.2.2由上往下夹压时, 客体上面体现的是活动夹持部位部分齿纹的压痕, 齿纹的后部较明显;客体下面体现钳体上夹持部位前平台与部分齿纹的压痕, 前平台前部与齿纹的前部较明显。3.2.3左右夹压时, 多留下前平台与齿纹的压痕, 齿纹的里端或外端的压痕较明显。3.2.4齿纹间距较大, 痕迹较深, 反映清晰。

4 管钳夹持痕迹的特征

4.1 大力钳有关部位的特征

一般特征:齿纹的宽窄、形状与数量。

个别特征:前平台边沿与顶部凹凸点、线的形状与位置;齿纹顶部凹凸点的形状、位置;磨损、缺口、崩裂的形状。

4.2 大力钳有关部位的特征

大力钳夹持部位的的结构是由齿纹与前平台组成。用大力钳夹压客体时, 则可能留下前平台与齿纹的压痕。4.2.1由下往上夹压时, 客体上面出现前平台与部分齿纹的压痕, 前平台的前部与齿纹的前部比较明显;客体下面出现部分齿纹压痕, 齿纹后部比较明显。4.2.2由上往下夹压时, 客体上面出现部分齿纹的压痕, 齿纹的后部较明显。客体下面出现前平台与部分齿纹的压痕, 前平台前部与齿纹前部较明显。4.2.3左右夹压时, 留下前平台与齿纹的压痕, 齿纹的里端或外端的压痕较明显。4.2.4痕迹反映清晰, 前平台压痕比较宽大, 由于大力钳齿纹数量较少, 所以无论是从上往下或从下往上夹压客体, 一般均能完整反映出所有齿纹痕迹。

5 鲤鱼钳夹持痕迹的特征

5.1 鲤鱼钳有关部位的特征

一般特征:钳顶的宽窄与形状;齿纹的宽窄、形状与数量。

个别特征:钳顶边沿凹凸点的位置、形状, 钳顶铣纹形态;齿纹顶部凹凸点的形状、位置;磨损、缺口、崩裂的形状。

5.2 鲤鱼钳有关部位的特征

鲤鱼钳夹持部位的的结构是由齿纹和前平台组成。用鲤鱼钳夹压客体时, 则可能留下前平台与齿纹的压痕。5.2.1由下往上夹压时, 客体上面出现前平台与部分齿纹的压痕, 前平台的前部与齿纹的前部比较明显;客体下面出现部分齿纹压痕, 齿纹后部比较明显。5.2.2由上往下夹压时, 客体上面出现部分齿纹的压痕, 齿纹的后部较明显。客体下面出现前平台与部分齿纹的压痕, 前平台前部与齿纹前部较明显。5.2.3左右夹压时, 留下前平台与齿纹的压痕, 齿纹的里端或外端的压痕较明显。5.2.4痕迹反映清晰, 前平台压痕也能完整体现出来。

6 扳手夹持痕迹的特征

弹簧加载的工件夹持支架 篇5

工件夹具公司目前可提供3种弹簧加载的工件夹持支架 (见图1) , 用于在机加工、组装及外形检测中工件的精确定位和导向。Imao型固定支架结构有:4种块形、5种圆柱形和3种紧凑式微型结构。3种类型的弹簧加载工件支架均由合金钢制作而成并进行了发黑处理。

根据待加工工件的外形、台肩、不同的直径和高度, 用户可以选用适宜的支架, 并将其固定在基座的任何位置。该类支架有利于稳固工件, 并确保夹紧装置安全, 防止工件在加载或机加工力的作用下产生振动或偏转。支架柱塞的弹簧加载特点是:在工件承受载荷时能起缓冲作用并使卸载操作更简便。

块形支架能够提供8 985N的支撑力, 具有结构简单、使用灵活的特点。支架高度通过转动内六角螺栓调节, 支架本身有螺纹孔, 用以更换某个可替代的接触元件, 减少支撑结构及表面的磨损。支架上有预先加工好的孔和沉孔, 以便从顶部安装内六角螺栓。

柱形工件支架具有3 981～8 985N的承载力, 在支架柱塞顶部带有丝孔, 用以安装接触元件。柱形系列支架的特点是:易于用六角扳手紧固底部的螺栓, 安装简便。在其侧面还有一个用来锁定支架柱塞高度的螺钉, 以提供稳固的支撑和工件的精确定位。

紧凑式微型支架适用于有限的空间操作位置, 适用于轻载工况, 可以提供196N、298N和396N 3种承载力。

定向夹持机械臂的设计 篇6

定向夹持机械臂是车轴翻转机的重要部件, 用于夹持HXD1型和谐大功率电力机车所用的车轴并旋转, 配合转动输送平台可以将车轴运送至指定位置, 并实现车轴与轮毂、齿轮的自动化装配等一系列动作。

2设计要求

定向夹持机械臂的设计要求:能夹持水平或竖直两个状态的车轴或车轴与轮毂的组合体, 且不能损伤车轴表面;夹持位置在车轴正中, 直径为φ240mm;以车轴水平状态为0°, 能实现±90°内的任意旋转, 且旋转90°所用时间能控制在8-10秒。

3设计参数的确定

3.1确定夹持重量。根据设计要求可知, 定向夹持机械臂需要夹持的工件是车轴或车轴与轮毂的组合体。图1为根据车轴、轮毂的零件图和组装图, 用三维软件SOLID EDGE制作的三维模型, 并由软件计算出其质量为1035.4kg。

3.2确定夹持力。定向夹持机械臂卡钳内衬黄铜摩擦片, 以保证夹持时不损伤车轴表面, 同时也可以增大摩擦力。通过机械手册, 查得钢-黄铜的摩擦因数μ=0.19。由公式F夹=M*g/μ*k1计算机械臂所需的夹持力, 其中M为夹持的车轴与轮毂的组合体的质量, M=1035.4kg, k1为安全系数, 取k1=3, 代入公式, 得F夹=160KN。

3.3确定旋转扭矩。由车轴与轮毂组合体的三维模型可知, 其质心坐标为X=-123.2, Y=0, Z=0 (单位:mm) , 而定向夹持机械臂夹持位置在车轴的正中, 旋转中心坐标为X=0, Y=0, Z=0, 因此机械臂要顺利旋转, 必须克服车轴偏心产生的扭矩。由公式Tmax=M*g*L偏*k2计算机械臂所需的最大旋转扭矩, 其中M为夹持的车轴与轮毂的组合体的质量, M=1035.4kg, 偏心距L偏=0.1232m安全系数k2=2, 代入公式, 得Tmax=2500Nm。

4机械结构设计

定向夹持机械臂的机械结构如图2所示, 由支座、伺服电机、减速器、主轴、轴承座、轴承、定钳口、动钳口、液压油缸和黄铜摩擦片等组成。伺服电机额定转速1500 r/min, 额定扭矩24.5Nm;减速机速比1:500, 额定扭矩5120Nm。

旋转扭矩的校核:计算可提供的旋转扭矩25.4*500=12700Nm大于减速机的额定扭矩5120Nm, 因此理论上的最大输出扭矩为5120Nm, 是满足要求的。

旋转时间的校核:伺服电机额定转速1500 r/min, 减速机速比1:500, 最大转速为1500/500=3 r/min, 而旋转90°所用时间最少为5秒, 可以通过调节伺服电机转速, 使旋转90°所用时间控制在8-10秒, 因此符合设计要求。

5液压系统设计

液压系统是定向夹持机械臂的难点, 其主要原因是:液压系统为液压缸提供压力, 是机械臂夹持力的来源, 当机械臂夹持车轴, 特别是旋转时, 一旦压力不稳, 或遇到断电等突发情况, 会导致夹持力不足, 车轴滑移, 甚至脱落, 引发安全事故。因此如何保证油压稳定且不受突发情况影响就是液压系统设计的关键。

由于定向夹持机械臂受整体设计的限制, 液压站预留空间有限, 因此保持液压泵连续工作来输出稳定压力的方案是不可行的, 因为液压泵长时间工作会散发热量, 这就要求液压油箱足够大, 并配合散热装置来降温, 否则过高的油温易损伤液压元件。

经过多个液压设计方案的比较, 采用蓄能器辅助液压泵、压力继电器控制的方案圆满的解决了在液压泵不能始终连续工作的前提下, 既要保证油压稳定还能不受突发情况影响的问题。图3为液压系统原理图。

其主要原理是:a.将压力继电器的上限设置为9.5MPa, 下限设置为7Mpa;b.机械臂夹持车轴时, 液压泵先工作, 在为液压缸提供压力的同时, 也为蓄能器补充压力;c.当压力达到压力继电器的9.5MPa上限时, 液压泵停止工作, 由蓄能器为液压缸补充压力;d.随着压力缓慢下降, 直至压力达到压力继电器的7MPa下限时, 液压泵再次启动, 以此循环。同时, 一旦遇到断电等突发情况, 蓄能器能维持液压缸的压力一段时间, 以确保夹持的车轴不会突然掉落。

效果:首先, 实际使用证明, 除首次工作外, 液压泵只需每隔8-10分钟工作数十秒, 就能满足液压系统的压力要求, 不但节能, 而且有效的控制了油温。其次, 采用突然断电的方式, 试验机械臂夹持车轴的安全性, 记录从断电开始到车轴脱落的时间大致都在10分钟左右, 这就为处理突发情况提供足够的时间, 避免产生安全事故。

6结论

此定向夹持机械臂目前已经试制一台并投入使用, 效果良好, 功能性和安全性都符合实际使用要求, 设计是成功的。同时, 该定向夹持机械臂仅能用于夹持一种车轴, 通用性不佳, 因此如何改善其通用性, 扩大适用范围, 也是下一步研究和设计的方向。

参考文献

亚麻剥麻机夹持机构的改进 篇7

1 现有亚麻机械的夹持带

1.1 链式夹持带

欧洲产的870型亚麻剥麻机的链式夹持带, 结构如图1所示, 工作原理如下。

1.平板带 2.前链节 3.后链节 4.橡胶小带 5.大带底板 6.亚麻 7.大带靠板 8.刮麻辊刃片

链节与平板带铆接在一起, 并依靠链节的凹槽和凹槽内橡胶将亚麻夹在金属链节的凹槽内, 同时整个夹持带夹持着亚麻通过大带靠板定位在大带底板上滑动。

在亚麻的加工过程中, 在刮麻辊刃片的打击和刮削作用下, 将夹持带外面的亚麻的木质化成分同纤维分开。但由于金属链式夹持带的连接结构, 在相邻链节的连接处设有转动间隙, 前后相邻链节出现接缝, 所以在1mm左右间隙处的亚麻纤维没有被夹住, 常被剥麻辊的刃片拉出, 造成出麻率降低。

1.2 橡胶夹持带

俄罗斯产的740型和我国自行研制的B-800型亚麻剥麻机的夹持带, 夹持原理与链式夹持带的原理相同, 只是结构上将大带改为一条环形的带凹槽的橡胶带, 消除了链式夹持带的间隙, 解决了间隙处掉麻的现象, 在一定程度上降低了损失率。但当夹持带内的亚麻厚度在5～10mm时, 小带常在纤维的拉力作用下随同纤维一同从大带的凹槽内滑出, 也会造成出麻率降低, 甚至被迫停机。

2 夹持带需要解决的问题

a.降低损失率。链式夹持带虽夹持力稳定, 坚固耐用, 但相邻链节处存在间隙, 整个夹持带转动一周, 间隙累积可达20～70mm, 加工过程中亚麻损失率高。

b.解决掉带问题。上述两种夹持带内的亚麻厚度控制不好时 (亚麻厚度在5～10mm时) , 就容易掉带, 被迫停机, 影响机械化生产的连续性。

现在的夹持带主要存在以上两方面缺陷, 对此我们在现有夹持带的基础上, 进行了结构改进。

3 改进后的夹持带结构与工作原理

3.1 总体结构

1.平板带 2.前链节 3.后链节 4.橡胶小带 5.大带底板 6.亚麻 7.大带靠板 8.刮麻辊刃片 9.小带限位板

改进后的夹持带如图2所示, 主要是对金属链节和橡胶小带的结构进行了重新设计, 并增加了小带限位板, 主要由平板带、链节、小带、限位板等组成。

3.2工作原理

链节的后端部分延长, 加工成斜形尾翼;链节前端部分与后端对应加工成斜形尾翼的凹槽, 这样相邻两链节便形成相嵌连接, 在整条夹持带的任一截面都保证了链节与小带的连续相嵌, 能将亚麻连续地夹在链节与小带之间。