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http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/62290
標題: | 具有可變負重之平面靜平衡鉸接式操作器之設計 Design of Planar Statically Balanced Articulated Manipulator With Changeable Payload |
作者: | Huan-Hao Chang 張桓豪 |
指導教授: | 陳達仁(Dar-Zen Chen) |
關鍵字: | 靜平衡,彈簧平衡,操作器,關節力矩,可變負重, static balance,spring balance,joint torque,changeable payload, |
出版年 : | 2013 |
學位: | 碩士 |
摘要: | 本論文提出一種具有可變負重的平面靜平衡鉸接式操作器之設計。該操作器能自身平衡其桿件及負重的重力因而能夠在平面上維持任何構型並保持平衡。本文以在每個關節上的力矩平衡狀態為觀點,藉由安裝彈簧在桿件上的特定位置,在任何構型下,以彈簧力提供的力矩皆能完全抵消桿件重力產生的力矩。在操作器的運作過程中經常遇到需要改變負重的情況,負重的不同造成各關節上的重力力矩也隨之變化,藉由改變彈簧安裝點,可改變彈簧力力矩使機構保持靜平衡。基於此概念,由重力力矩與彈簧力力矩的公式而歸納出力矩剛性矩陣(Torque Stiffness Matrix),包括重力的力矩剛性矩陣及彈簧力的力矩剛性矩陣,能表現重力以及彈簧力在各個關節上力矩的有效分布量,藉此可以得知各桿件、負重及安裝之彈簧對各關節力矩的影響。透過令力矩剛性矩陣的總和為零矩陣可以得到設計方程式,根據特定的彈簧安裝角度以及各力矩剛性矩陣與設計方程式之間的相互關係,得到最簡明彈簧配置構型(Simplest Spring Configuration)。從設計方程式解出彈簧安裝距離的方程式發現,對於一個任意桿件數量的靜平衡平面鉸接式操作器,隨著負重質量的不同,只有三個彈簧安裝點是可變的,而其餘的彈簧安裝點皆是在固定的位置。接著提出一個三自由度的設計實例,根據合理的突出桿件部分以及解析度,發展選擇合適彈力常數之準則,給定桿件的質量與長度以及選擇合適的彈力常數後,可以根據調整接地彈簧安裝點的空間限制決定可變負重的範圍。藉由一假設運作情況的關節力矩模擬結果,確認系統可以藉由根據不同負重質量改變彈簧安裝點來達到完全的靜平衡。另外也發現在較大的負重情形下,為了較為方便地改變彈簧安裝點,可以根據不同負重質量只改變一個彈簧安裝點而大部分的重力力矩皆能被抵消。最後,根據設計理論,製作與組裝出了實體原型機,用來展示本研究的設計概念。 This thesis proposes the design of planar statically balanced articulated manipulator with changeable payload. For a statically balanced system, the sum of gravitational torque and spring-effecting torque on each joint is zero at any configuration. Different mass of payload changes gravitational joint torques and the associated spring-effecting torques can be changed by altering spring installed points of installed springs. By formulating torques contributed by gravity and springs in differential quadratic matrix with joint angle as variable, the design equations are simplified as zero-torque stiffness matrices. With specified mass center location and spring installed angle, a simplest spring configuration is determined from the complementary characteristics of torque stiffness matrices. The installation parameters of spring installed point are obtained from design equations, which show that, for a planar n-link articulated manipulator with changeable payload, three spring installed points are correlated with the mass of payload which vary accordingly, while other spring installed points are invariant. A 3-DOF articulated support arm is presented as a design example. The criteria of selecting feasible spring stiffness are developed based on acceptable protrudent link parts and sensitivity and the available range of payload is determined with given mass and dimension properties of links and specified spring stiffness. The simulation results of joint torques validate the achievement of static balance. A prototype based on the design was fabricated to demonstrate the overall concept of this study. |
URI: | http://tdr.lib.ntu.edu.tw/jspui/handle/123456789/62290 |
全文授權: | 有償授權 |
顯示於系所單位: | 機械工程學系 |
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