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電氣工程論文:一種自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與研究

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1、電氣工程論文:一種自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與研究 摘要 目前傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人端部夾緊裝置柔性差,抓取精度低,穩(wěn)定性,可靠性和通用性差,沒有可靠的輸出力控制,不能滿足FMS生產(chǎn)線柔性化,精細(xì)化作業(yè)的要求。 因此,本文根據(jù)國內(nèi)外新型欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀,結(jié)合本課題的具體要求,對(duì)具有自適應(yīng)的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手爪進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析。 文章分為了五部分來闡述,第一部分為緒論,介紹了課題來源和背景、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、研究目的和意義,以及論文的主要研究?jī)?nèi)容;第二部分介紹了機(jī)器人仿人手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其內(nèi)容包括仿生學(xué)在手爪設(shè)計(jì)上的應(yīng)用;確定方案進(jìn)行建模、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、食指設(shè)計(jì)、拇指設(shè)計(jì)、手指的模塊化設(shè)計(jì);自適

2、應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的抓取仿真與分析,其內(nèi)容包含包絡(luò)抓取的實(shí)現(xiàn)、機(jī)器人手爪抓取的靜力學(xué)分析及優(yōu)化、機(jī)器人手爪抓取的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、欠驅(qū)動(dòng)手爪整體抓取仿真;第四部分寫了自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手欠驅(qū)手指的二次優(yōu)化,其內(nèi)容包含了手指結(jié)構(gòu)的二次優(yōu)化以及分析、其他結(jié)構(gòu)、連接方式設(shè)計(jì)、仿真結(jié)果及分析。本文的研究,以期促進(jìn)研究自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手這方面的學(xué)者及研究者做參考。 關(guān)鍵詞:仿人機(jī)器人手;欠驅(qū)動(dòng);仿真;優(yōu)化設(shè)計(jì) Abstract At present, the traditional end clamping device of industrial robot has poor flexibility,

3、low grasping accuracy, poor stability, reliability and versatility, and no reliable output force control, which cannot meet the requirements of flexible and fine operation in FMS production line. Therefore, according to the research status of new underactuated mechanisms at home and abroad, and in c

4、ombination with the specific requirements of this topic, this paper designs and analyzes the self-adaptive underactuated robot gripper. The article is divided into five parts to elaborate. The first part is the introduction, which introduces the source and background of the topic, the research stat

5、us at home and abroad, the research purpose and significance, and the main research contents of the paper. The second part introduces the structural design of robot claw, including the application of bionics in claw design. Determine the scheme for modeling, overall structure design, index finger de

6、sign, thumb design and finger modular design; The grasping simulation and analysis of the adaptive underactuated manipulator include the realization of envelope grasping, static analysis and optimization of robot gripper grasping, kinematics analysis of robot gripper grasping, and overall grasping s

7、imulation of underactuated gripper. The fourth part writes the secondary optimization of the underactuated finger of the adaptive underactuated manipulator, which includes the secondary optimization and analysis of the finger structure, the design of other structures, connection modes, simulation re

8、sults and analysis. The research in this paper is expected to promote scholars and researchers studying adaptive underactuated manipulators as a reference. Keywords: humanoid robot hand; Underactuated; Simulation; Optimal design 1 緒 論 1.1 課題來源和背景 機(jī)器人對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)至關(guān)重要,而機(jī)械手作為機(jī)器人最重要的部件,一直是國內(nèi)外學(xué)者的熱點(diǎn)研究課題。目

9、前,較先進(jìn)的機(jī)械手大致可分為兩類:靈巧手以及欠驅(qū)動(dòng)手。靈巧手的外形結(jié)構(gòu)與人手類似,能最大限度地模仿人類手指的功能,可視作安裝在機(jī)器人末端、可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)精細(xì)操作的一組機(jī)器人,其特點(diǎn)是至少需要三根手指,且每根手指至少三個(gè)自由度,自由度數(shù)等于驅(qū)動(dòng)數(shù)。欠驅(qū)動(dòng)手一般也為多手指結(jié)構(gòu),但是其驅(qū)動(dòng)數(shù)少于自由度數(shù),多余的自由度由可變約束機(jī)構(gòu)控制,按需要釋放??勺兗s束機(jī)構(gòu)并不會(huì)改變欠驅(qū)動(dòng)手的自由度數(shù),但是保證了欠驅(qū)動(dòng)手始終有確定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 靈巧手每個(gè)自由度均配備一個(gè)驅(qū)動(dòng)器,并配有大量傳感器,智能化程度高,適應(yīng)性強(qiáng),可完成抓取和操作功能,但由于其采用了大量的串聯(lián)關(guān)節(jié),導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制困難,所以目前仍然處在實(shí)驗(yàn)室

10、階段[1]。欠驅(qū)動(dòng)手一般只具備抓取功能,由于存在可變約束機(jī)構(gòu)[2][3],故其具有自動(dòng)調(diào)整和適應(yīng)外部變化的能力,且相對(duì)于靈巧手,由于驅(qū)動(dòng)器數(shù)量較少,欠驅(qū)動(dòng)手的結(jié)構(gòu)、控制也更加簡(jiǎn)單,且一般的工業(yè)生產(chǎn)并不要求末端執(zhí)行器具備操作功能,故欠驅(qū)動(dòng)手更適合生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用。 近年來針對(duì)手指的自由度和驅(qū)動(dòng),重量和靈活性之間的矛盾,國內(nèi)外提出欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),具有自適應(yīng)的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手爪是一種新型的多用途手爪。這種手爪的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)元件數(shù)少于手指關(guān)節(jié)的自由度數(shù)。每個(gè)手指只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)源,整個(gè)手爪的驅(qū)動(dòng)元件的數(shù)量少,降低了結(jié)構(gòu)和操作的復(fù)雜性,具有控制方便,抓取范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)[3]。 欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手具有簡(jiǎn)化控制、減輕重量

11、、降低能耗及降低制作成本等優(yōu)點(diǎn)。研究欠驅(qū)動(dòng)手指機(jī)構(gòu)及其分析與設(shè)計(jì)理論,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、抓持力大、操作簡(jiǎn)單的新型欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手指,在工業(yè)機(jī)器人、擬人機(jī)器人、人體假肢及航天機(jī)器人等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景,因此具有重要的研究意義。 1.2 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及分析 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 加拿大MD ROBOTIC公司和Laval 大學(xué)合作研制出SARAH 手爪(Self-Adapting Robotic Auxiliary Hand)[7-9],附加一個(gè)手指位置旋轉(zhuǎn)自由度,該手爪共有10個(gè)自由度,只用兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng),一個(gè)電機(jī)負(fù)責(zé)三個(gè)手指的開合;另一個(gè)負(fù)責(zé)調(diào)整手指方向,使其能采取不同的抓取姿勢(shì)抓

12、取物體,SARAH 手爪既可以用末關(guān)節(jié)指面捏取的方式完成精確捏取,又可以用欠驅(qū)動(dòng)的方式完成包絡(luò)抓取。 斯坦福大學(xué)的 Daniel Aukes 設(shè)計(jì)了一種腱繩驅(qū)動(dòng)的欠驅(qū)動(dòng)手爪[8],該欠驅(qū)動(dòng)手共有四個(gè)手指,每個(gè)手指三個(gè)自由度,每根手指配備一個(gè)電機(jī),多余的自由度由彈簧約束。此外,還專門配備一個(gè)電機(jī)調(diào)整手指的相對(duì)位置,具備多種抓取模式。接觸力的控制則依靠指尖的電壓式力傳感器。 意大利研制了一款腱繩驅(qū)動(dòng)的欠驅(qū)動(dòng)手 Smarthand[9],如圖 1-5 所示,共 16 個(gè)自由度,由四個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng),動(dòng)力通過滑輪和包裹尼龍的鋼絲繩傳遞,多余的自由度由扭轉(zhuǎn)彈簧控制。該欠驅(qū)動(dòng)手具有良好的適應(yīng)性,具有精確

13、捏取、強(qiáng)力抓取等多種功能,主要應(yīng)用于假肢手領(lǐng)域。 1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)從事機(jī)器人手爪研究的主要有清華大學(xué)、北京理工大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及國防科技大學(xué)等單位。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的史士旺等人在2004年,采用欠驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)原理研制了與成年人手大小相仿的五指機(jī)器人手,所設(shè)計(jì)的機(jī)器人手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,重量輕,適應(yīng)性強(qiáng),五個(gè)手指的重量約為500g。整個(gè)機(jī)器人手共有3個(gè)電機(jī),分別驅(qū)動(dòng)拇指、食指和中指。無名指和小指沒有驅(qū)動(dòng)器,它們是由中指通過同步帶來驅(qū)動(dòng)的。它既可以用于仿人機(jī)器人末端操作器,也可以應(yīng)用于殘疾人假手[5]。 從國內(nèi)外研究發(fā)展趨勢(shì)來看,早期研究多采用兩指欠驅(qū)動(dòng)手爪,但是這種結(jié)構(gòu)的欠驅(qū)動(dòng)手

14、爪在包絡(luò)抓取過程中,會(huì)出現(xiàn)接觸點(diǎn)脫離的現(xiàn)象,這也正是由于欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的特殊性引起的,其根本原因在于欠驅(qū)動(dòng)本身,在某個(gè)時(shí)刻完成抓取行為達(dá)到平衡位置以后,由于手指的每個(gè)關(guān)節(jié)仍然具有局部運(yùn)動(dòng)自由度的可能,使得抓取物體時(shí)存在多種可能的抓取構(gòu)型,當(dāng)手指對(duì)物體的約束不能抵抗外施加在物體上的力旋量擾動(dòng)時(shí),物體的初始姿態(tài)會(huì)發(fā)生改變,影響了抓取的穩(wěn)定性。為了克服這點(diǎn),從仿生學(xué)的角度,現(xiàn)如今的欠驅(qū)動(dòng)手爪多采用三關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu),并且從兩個(gè)手指到三個(gè)手指,發(fā)展到今天的仿人五指機(jī)器人手爪,大大提高了物體抓取的穩(wěn)定性。 1.3 研究目的和意義 本文設(shè)計(jì)的具有自適應(yīng)性的機(jī)器人手爪是仿照人的手指外形、結(jié)構(gòu)和功能的機(jī)械手,它可以根

15、據(jù)抓取物體被動(dòng)或主動(dòng)調(diào)整手爪姿態(tài),從而獲得最優(yōu)抓取姿態(tài)。從仿生學(xué)、人機(jī)工程學(xué)角度出發(fā),該機(jī)器人手爪結(jié)構(gòu)緊湊,效率高,可以滿足服務(wù)或工業(yè)機(jī)器人在不同場(chǎng)合下的多種應(yīng)用。 本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手中的電機(jī)并不直接提供接觸力,而是通過控制抓取姿態(tài)來控制扭轉(zhuǎn)彈簧扭轉(zhuǎn)角,而扭轉(zhuǎn)彈簧的扭矩又提供了各個(gè)指節(jié)的接觸力。采用扭轉(zhuǎn)彈簧提供接觸力有如下優(yōu)點(diǎn): 1.扭轉(zhuǎn)彈簧變形量不存在突變,故接觸力也不存在突變,欠驅(qū)動(dòng)手的抓取穩(wěn)定性、抗干擾能力更強(qiáng)。 2.扭轉(zhuǎn)彈簧使得手指關(guān)節(jié)具備一定的柔性,因此欠驅(qū)動(dòng)手對(duì)不同尺寸、形狀的被抓取對(duì)象具有良好的自適應(yīng)性。 2.由于扭轉(zhuǎn)彈簧變形量有限,故各個(gè)指節(jié)接觸力也存在一個(gè)特定的上限,

16、并不會(huì)無限制升高,防止過大的接觸力導(dǎo)致被抓取目標(biāo)的損壞。 3.欠驅(qū)動(dòng)手各個(gè)零件的加工精度和裝配精度對(duì)扭轉(zhuǎn)彈簧的變形量影響較小,故其對(duì)接觸力的影響也較小,采用扭轉(zhuǎn)彈簧提供接觸力可以以較低的生產(chǎn)成本而實(shí)現(xiàn)較高的接觸力控制精度。 由于欠驅(qū)動(dòng)原理和可變約束機(jī)構(gòu)的應(yīng)用,本文所設(shè)計(jì)的欠驅(qū)動(dòng)手具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制方便、自適應(yīng)性強(qiáng)、接觸力可調(diào)、成本低廉、抓取范圍大等優(yōu)點(diǎn)。 1.4 主要研究?jī)?nèi)容 目前傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人端部夾緊裝置柔性差,抓取精度低,穩(wěn)定性,可靠性和通用性差,沒有可靠的輸出力控制,不能滿足FMS生產(chǎn)線柔性化,精細(xì)化作業(yè)的要求。 因此,本文根據(jù)國內(nèi)外新型欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀,結(jié)合本課題的具體

17、要求,對(duì)具有自適應(yīng)的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手爪進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析。 文章分為了五部分來闡述,第一部分為緒論,介紹了課題來源和背景、國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、研究目的和意義,以及論文的主要研究?jī)?nèi)容;第二部分介紹了機(jī)器人仿人手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),其內(nèi)容包括仿生學(xué)在手爪設(shè)計(jì)上的應(yīng)用;確定方案進(jìn)行建模、整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、食指設(shè)計(jì)、拇指設(shè)計(jì)、手指的模塊化設(shè)計(jì);自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的抓取仿真與分析,其內(nèi)容包含包絡(luò)抓取的實(shí)現(xiàn)、機(jī)器人手爪抓取的靜力學(xué)分析及優(yōu)化、機(jī)器人手爪抓取的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、欠驅(qū)動(dòng)手爪整體抓取仿真;第四部分寫了自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手欠驅(qū)手指的二次優(yōu)化,其內(nèi)容包含了手指結(jié)構(gòu)的二次優(yōu)化以及分析、其他結(jié)構(gòu)、連接方式設(shè)計(jì)、仿真結(jié)果及分析

18、。本文的研究,以期促進(jìn)研究自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手這方面的學(xué)者及研究者做參考。。 2 機(jī)器人仿人手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人仿人手爪的研究目的是為了拓展機(jī)器人末端操作手爪的工作能力,使其能夠進(jìn)行復(fù)雜多樣的操作任務(wù)。就目前的形勢(shì)來看,雖然很多研究者已經(jīng)開發(fā)出了很多樣機(jī),但真正能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能的機(jī)器人手爪卻為數(shù)不多。本章主要對(duì)機(jī)器人手爪的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),在充分考慮實(shí)現(xiàn)較多抓取模式的前提下,設(shè)計(jì)了一種基于欠驅(qū)動(dòng)手指結(jié)構(gòu)的機(jī)器人手爪,并且具有形狀自適應(yīng)性較好、尺寸小等特點(diǎn)。 2.1 仿生學(xué)在手爪設(shè)計(jì)上的應(yīng)用 2.1.1仿生學(xué)概述 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,從20世紀(jì)以來,人們通過對(duì)自然的觀察,已經(jīng)認(rèn)

19、識(shí)到自然界的生物對(duì)于新技術(shù)的開辟具有重要的啟發(fā)性,并且吸引了越來越多的學(xué)者的興趣。研究人員運(yùn)用化學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科的理論知識(shí)以及相關(guān)技術(shù)模型對(duì)生物系統(tǒng)開展了深入的研究。生物學(xué)家和工程師們的積極合作,大大推動(dòng)了仿生學(xué)在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展,同時(shí)也不斷從生物界獲得寶貴的知識(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)舊的或者沒有的工程設(shè)備的改善或者創(chuàng)造。典型的仿生學(xué)運(yùn)用如圖2-1和圖2-2所示。 簡(jiǎn)言之,仿生學(xué)就是模仿生物對(duì)人類有用的的特殊本領(lǐng),利用生物的結(jié)構(gòu)和功能來研究新技術(shù)新產(chǎn)品的科學(xué)。它是生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)相互滲透而結(jié)合的新型的多邊緣學(xué)科。其首要的任務(wù)是研究生物系統(tǒng)的特殊本領(lǐng)以及產(chǎn)生的機(jī)理,并把它進(jìn)行模式化設(shè)

20、計(jì)推廣運(yùn)用,然后運(yùn)用這些原理去設(shè)計(jì)制造新的工程設(shè)備。仿生學(xué)的主要研究方法是構(gòu)建出模型,然后進(jìn)行相關(guān)的模擬仿真,并進(jìn)一步分析使之得到優(yōu)化[10]。大致的研究過程有以下三個(gè)階段: 首先是對(duì)生物原型的研究。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需要提出的具體問題進(jìn)行分析建模,并將研究所得的資料予以簡(jiǎn)化,運(yùn)用對(duì)技術(shù)有利的方面而消除與生產(chǎn)技術(shù)無關(guān)的因素,得到一個(gè)簡(jiǎn)化的生物原型;第二階段是對(duì)生物模型進(jìn)行數(shù)學(xué)分析,并使其內(nèi)在的聯(lián)系抽象化,用數(shù)學(xué)語言來描述生物原型;最后根據(jù)數(shù)學(xué)模型制造出可在工程技術(shù)上實(shí)現(xiàn)的物理模型[10]。 自然界的生物所具有的功能迄今比任何人工制造的機(jī)械都優(yōu)越的多,仿生學(xué)就是要在工程上實(shí)現(xiàn)并有效的應(yīng)用生物功能的

21、學(xué)科。 從仿生學(xué)的角度考慮機(jī)器人手爪的設(shè)計(jì),很自然的就能想到我們?nèi)祟愖约旱氖郑瑱C(jī)器人技術(shù)發(fā)展至今,人手早已成為機(jī)器人研究人員在開發(fā)設(shè)計(jì)機(jī)器人手爪時(shí)的重要參照對(duì)象。為了使機(jī)器人的終端執(zhí)行工具能夠像人類的手一樣對(duì)不同形狀和不同性質(zhì)的物體具有豐富的操作功能,越來越多的機(jī)器人研究學(xué)者利用仿生學(xué)的思想已經(jīng)實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo),如圖2-3和圖2-4所示。 2.1.2 人手的生理結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 醫(yī)學(xué)上,通過對(duì)人手的生理解剖研究,已經(jīng)獲得了人手的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理的詳細(xì)信息。根據(jù)人手的骨骼結(jié)構(gòu),可以知道除了拇指有兩個(gè)關(guān)節(jié)外,其余4個(gè)手指均具有3個(gè)關(guān)節(jié)。5個(gè)手指分別通過掌骨和腕骨相連。人手拇指掌指關(guān)節(jié)為雙軸向關(guān)節(jié),但近

22、似屈曲關(guān)節(jié),主要作屈伸運(yùn)動(dòng),拇指掌指關(guān)節(jié)的屈曲范圍為0-20,后伸為5,拇指指間關(guān)節(jié)為屈曲關(guān)節(jié),可屈伸0-90,拇指外展范圍為0-40;食指、中指、無名指、小指的掌指關(guān)節(jié)的主要運(yùn)動(dòng)是側(cè)擺和屈曲,此外還可以作有限度的被動(dòng)旋轉(zhuǎn)活動(dòng),四指的掌指關(guān)節(jié)可屈伸0-90,近側(cè)指間關(guān)節(jié)可屈伸0-100,遠(yuǎn)側(cè)指間關(guān)節(jié)可屈曲0-90[10]。 此外,通過大量的測(cè)量統(tǒng)計(jì),得到成年人手的尺寸一般如下:手指長(zhǎng)度大致為50mm-90mm,其中長(zhǎng)度從小到大依次為拇指、小指、食指、無名指和中指,手指寬度大致在15mm-20mm范圍內(nèi),手掌寬度在80mm-90mm,手掌長(zhǎng)度在100mm-110mm,而且每個(gè)手指的各關(guān)節(jié)長(zhǎng)度由

23、手掌向外依次變短[10]。 2.2 確定方案進(jìn)行建模 根據(jù)上面確定的機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案和確定的尺寸參數(shù),對(duì)仿生機(jī)械手進(jìn)行建模。在建模的過程中,考慮到手的機(jī)構(gòu)和現(xiàn)有的加工工藝,對(duì)外形加以調(diào)整,使結(jié)構(gòu)和造形達(dá)到更好的統(tǒng)一。 通過分析產(chǎn)品造型的要素,借鑒一些產(chǎn)品造型的美學(xué)法則,利用仿生設(shè)計(jì)方法對(duì)仿生機(jī)械手的外觀造型做了合理的設(shè)計(jì),并以人機(jī)工程學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)為仿生機(jī)械手的設(shè)計(jì)提供了尺寸依據(jù)。在此基礎(chǔ)上,利用三維軟件對(duì)仿生手進(jìn)行建模并加以渲染。美觀的造型加以合理的尺寸,使仿生機(jī)械手在實(shí)現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上,更能帶給消費(fèi)者美感、舒適和心理上的滿足。 2.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 仿人機(jī)器人手爪的設(shè)計(jì)主要包括整體結(jié)

24、構(gòu)設(shè)計(jì)、手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、手掌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),本設(shè)計(jì)并不包括控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 機(jī)器人手爪作為機(jī)器人終端執(zhí)行部件,與其它機(jī)構(gòu)一樣由若干構(gòu)件組成,各構(gòu)件之間通過相關(guān)運(yùn)動(dòng)副聯(lián)結(jié)以產(chǎn)生確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。常見的運(yùn)動(dòng)副有移動(dòng)副、轉(zhuǎn)動(dòng)副、螺旋副和球面副,它們的約束數(shù)分別為5、5、5和3,相應(yīng)的自由度數(shù)為1、1、1和3.由于欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手爪中各運(yùn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)變量都要借助于驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn),一方面對(duì)于多于一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)副控制起來很不方便;另一方面,無論是轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器或移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器又大多為一個(gè)自由度,所以在機(jī)器人手爪中所采用的運(yùn)動(dòng)副類型,大多數(shù)只有轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副和螺旋副三種。 根據(jù)力的平衡原理,抓取物體時(shí)

25、至少有2個(gè)相對(duì)的力或力偶作用于物體上或者說物體上必須產(chǎn)生大小相等方向相反的兩個(gè)力或力偶作用于手上時(shí)才能夠?qū)崿F(xiàn)抓取穩(wěn)定。因此,二個(gè)手指在理論上可以完成抓取任務(wù),但是可操作性和抓取穩(wěn)定性都很差,無法完成對(duì)目標(biāo)物體的微細(xì)或者復(fù)雜的操作,因?yàn)樵谘刂鴥蓚€(gè)接觸點(diǎn)連線的軸線方向上目標(biāo)物體是存在著轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)的,這種不穩(wěn)定性可能會(huì)給系統(tǒng)安全帶來隱患,所以從實(shí)際出發(fā)二個(gè)手指的手爪結(jié)構(gòu)并不理想。手指數(shù)大于2的手爪理論上都可以通過規(guī)劃實(shí)現(xiàn)力封閉而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抓取,考慮到人手有5個(gè)手指,并且能夠?qū)崿F(xiàn)很多復(fù)雜的操作,多于5個(gè)手指就顯得沒有多大意義,這里根據(jù)人手仿生學(xué)的思想設(shè)計(jì)了五個(gè)手指的機(jī)器人手爪,以獲得較好的抓取穩(wěn)定性和靈

26、巧性。至于手指的關(guān)節(jié)數(shù),參照人手,食指、中指、無名指、小指均為三關(guān)節(jié)手指,拇指是二關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。 通過分析人手對(duì)不同形狀的物體的抓取方式,可以將人手的抓取方式分為:手指內(nèi)側(cè)接觸的包絡(luò)抓取和手指末關(guān)節(jié)接觸的捏取,而且所有的抓取都可以通過三個(gè)手指就能夠完成,其余兩個(gè)手指作為輔助手指協(xié)助完成抓取任務(wù)。 手指安裝到手掌上后,每個(gè)手指分別具有3個(gè)自由度,其中需要指出的是拇指具有兩個(gè)關(guān)節(jié)自由度加上1個(gè)拇指機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)自由度,整個(gè)手爪具有15個(gè)自由度。 2.4 食指設(shè)計(jì) 2.4.1 食指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在前面我們對(duì)比討論了全驅(qū)動(dòng)和欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),經(jīng)過對(duì)比分析我們選擇了欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的手指。采用欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)可以使手

27、指具有出力大、負(fù)載能力強(qiáng)、靈活性好、尺寸小等特點(diǎn),對(duì)多種形狀的物體具有適應(yīng)性,擴(kuò)大了抓取范圍,而且在保持多個(gè)自由度的前提下,可以將驅(qū)動(dòng)元件數(shù)量減少到最少,簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)和控制結(jié)構(gòu),大大減小了手指的尺寸和重量。相關(guān)文獻(xiàn)指出:手指對(duì)物體的形狀適應(yīng)能力和關(guān)節(jié)數(shù)成正比,采用三關(guān)節(jié)的欠驅(qū)動(dòng)手指的自適應(yīng)能力會(huì)比兩個(gè)關(guān)節(jié)或單關(guān)節(jié)的更好一些。而作為衡量抓取穩(wěn)定性的重要指標(biāo)的抓取構(gòu)形數(shù)是和關(guān)節(jié)數(shù)成指數(shù)變化的關(guān)系。抓取構(gòu)形越多越容易出現(xiàn)接觸點(diǎn)脫離,越不容易穩(wěn)定。前文中已經(jīng)提到本設(shè)計(jì)主要參考人類手指,采用具有三個(gè)自由度的三個(gè)關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)手指機(jī)構(gòu)。 根據(jù)機(jī)構(gòu)的自由度公式可以得出具有個(gè)關(guān)節(jié)的手指的自由度為 式中:——

28、活動(dòng)構(gòu)件數(shù); ——低副數(shù)量; ——高副的數(shù)量,這里沒有高副,所以。 這里三角形看成是剛性結(jié)構(gòu)。由計(jì)算可以看出:對(duì)于三關(guān)節(jié)手指來說,,而每個(gè)手指由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng),即只有一個(gè)動(dòng)力源,所以每個(gè)手指存在2個(gè)欠驅(qū)動(dòng)度。 2.4.2 食指尺寸設(shè)計(jì) 手指的尺寸設(shè)計(jì)主要包括關(guān)節(jié)尺寸和包絡(luò)機(jī)構(gòu)尺寸。手指關(guān)節(jié)的長(zhǎng)度和寬度采用近似人手關(guān)節(jié)尺寸的設(shè)計(jì)。接下來從抓取穩(wěn)定性的角度出發(fā)定性地研究手指關(guān)節(jié)包絡(luò)機(jī)構(gòu)的連桿尺寸。 在設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)尺寸之前,擬定抓取物體的范圍為直徑40-60mm,抓取范圍大致是從乒乓球到普通飲料水瓶的大小。根據(jù)前面的人手仿生學(xué)的學(xué)習(xí)和參考文獻(xiàn)[12]中關(guān)于人體手指各關(guān)節(jié)的平均尺寸的統(tǒng)計(jì),結(jié)合參

29、考文獻(xiàn),初步設(shè)計(jì)食指的各個(gè)尺寸參數(shù)如表2-1。初步設(shè)計(jì)的食指模型見圖2-6。 表2-1 食指尺寸參數(shù)初步計(jì)算 符號(hào) l m n a1 B1 C1 a1 b2 C2 a1 a2 數(shù)值 30 25 23 10 28.3 20 10 23 20 59 121 2.5 拇指設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的是兩個(gè)關(guān)節(jié)的拇指,再加上拇指整體的轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度,所以拇指也具有三個(gè)自由度。拇指的結(jié)構(gòu)和尺寸將會(huì)在對(duì)食指首先進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析優(yōu)化后再做具體設(shè)計(jì)。 2.6 手指的模塊化設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手爪的食指、中指、無名指、小指采用模塊化設(shè)計(jì)思想,均為相同的尺寸和結(jié)構(gòu),只是在手掌的布置不同。所謂的模塊化設(shè)計(jì)

30、就是使用模塊的概念對(duì)產(chǎn)品或系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)和組織生產(chǎn),模塊是模塊化產(chǎn)品的基本元素,是一種實(shí)體的概念,它是一組同時(shí)具有相同功能和相同結(jié)合要素,具有不同性能或用途甚至不同結(jié)構(gòu)特征但能互換的單元[10]。 模塊化后的機(jī)械產(chǎn)品主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn): 1.互換性強(qiáng),便于維修。 2.質(zhì)量高、成本低,能解決多品種、小批量和大批量加工之間的矛盾。 3.有利于縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造和供貨周期。 2.7 手掌設(shè)計(jì) 從目前已經(jīng)開發(fā)的機(jī)器人爪子來看,可以發(fā)現(xiàn)有的機(jī)器人爪子有手掌,有的則沒有。 一般來說,大多數(shù)特殊的手爪都沒有手掌,而人形機(jī)器人的爪子大部分都有手掌。 然而,目前設(shè)計(jì)的手掌大多與人手不同。 區(qū)別

31、表現(xiàn)在:人的手掌是由五指的掌骨通過肌肉皮膚連接起來的。 它的形狀可以在一定范圍內(nèi)改變。 例如,握直長(zhǎng)鋼管時(shí),手掌中食指,中指,無名指和小指的掌骨基本在同一平面,而抓乒乓球等球形物體時(shí),四指掌骨形成曲面。 但目前設(shè)計(jì)的手掌大多為剛性結(jié)構(gòu),不能像人手那樣靈活地改變形狀。 自然,它們的適應(yīng)能力和靈活性都不如人手。 前面提到的岡田爪沒有手掌,而猶他州/MIT,NASA,和HIT/DLR的手掌是剛性的[13-14]。 本文設(shè)計(jì)的爪是一個(gè)有手掌的手掌,但也是一個(gè)不能改變構(gòu)型的剛性結(jié)構(gòu)的手掌。 本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人夾持器腕部沒有自由度,僅起到連接手臂和夾持器的作用。 所設(shè)計(jì)的機(jī)器人夾持器的總體結(jié)構(gòu)如圖所示。

32、 2.8 驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2.8.1 驅(qū)動(dòng)源 驅(qū)動(dòng)源的形式主要有電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、形狀記憶合金和其他新型驅(qū)動(dòng)等。為了使手爪能夠穩(wěn)定完成操作任務(wù),需要確定合適的驅(qū)動(dòng)源和傳動(dòng)方式。 為了選擇出合適的驅(qū)動(dòng)源,需要綜合考慮抓取力、手爪的尺寸大小和質(zhì)量、操作方便性和成本等。目前機(jī)器人手爪常見的驅(qū)動(dòng)源主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、和電機(jī)驅(qū)動(dòng),及其它新型的驅(qū)動(dòng)能源[15]。 液壓驅(qū)動(dòng):可以獲得較大的操作力,能驅(qū)動(dòng)較大的負(fù)載,但是需要一種液壓動(dòng)力裝置將電能轉(zhuǎn)換成液壓能,因此會(huì)導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)裝置體積大、成本高和易受污染。 氣壓驅(qū)動(dòng):在所有的驅(qū)動(dòng)方式中,氣壓驅(qū)動(dòng)相對(duì)簡(jiǎn)單,在工業(yè)上應(yīng)用很廣泛。其

33、主要優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、易于編程、重量輕和成本低,但是精度不高,驅(qū)動(dòng)裝置復(fù)雜。 記憶合金驅(qū)動(dòng):具有速度快、帶負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),但是存在疲勞和壽命問題。 電機(jī)驅(qū)動(dòng):噪音小、反應(yīng)迅速、控制方便、可靠性高和成本合理,易于實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)。目前在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用最廣泛的兩種電機(jī)是直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)是連續(xù)且平滑的,本身沒有位置控制能力,因此要實(shí)現(xiàn)精確的位置,必須加入某種形式的位置反饋,構(gòu)成閉環(huán)伺服系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng),通過調(diào)整脈沖頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)速作用,控制發(fā)出脈沖個(gè)數(shù)以達(dá)到控制角位移量來實(shí)現(xiàn)定位作用[15]。 其它新型驅(qū)動(dòng):如壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)、啟動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)和可伸縮聚

34、合體驅(qū)動(dòng)等,這些新型的驅(qū)動(dòng)方式雖然在某些方面較傳統(tǒng)方式具有良好的性能,但不可避免地或多或少存在一些瑕疵。 根據(jù)以上幾種驅(qū)動(dòng)方式的比較分析,電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式在負(fù)載小、操作力不大時(shí),相對(duì)于液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)有較大的優(yōu)越性,故本文采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。但若選擇電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件,目前的電機(jī)轉(zhuǎn)速一般都較高,要得到對(duì)手指的理想輸出速度,就要在電機(jī)輸出端配裝減速機(jī)構(gòu)。通過查找相關(guān)電機(jī)資料,本設(shè)計(jì)中,5個(gè)手指的驅(qū)動(dòng)電機(jī)均采用金順16GA-050微型直流減速電機(jī),這款電機(jī)的典型應(yīng)用就是運(yùn)用在機(jī)器人等微型機(jī)械中。該電機(jī)的特點(diǎn)是其輸出軸是一根導(dǎo)螺桿,導(dǎo)螺桿的長(zhǎng)度可以按要求向廠家定做,導(dǎo)螺桿上可以直接配合螺母以構(gòu)成螺紋傳動(dòng)

35、副,從而將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)控制手指的開合,同時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速也可以控制在適合手指抓取的范圍內(nèi)。其性能參數(shù)見表2-2。 表2-2 金順16GA-050微型直流減速電機(jī) 金順16GA-050微型直流減速電機(jī)(DC24.0V 16000RPM) 減速比 空載 轉(zhuǎn)速 空載電流 負(fù)載 力矩 負(fù)載 轉(zhuǎn)速 負(fù)載 電流 堵轉(zhuǎn) 扭力 堵轉(zhuǎn) 電流 起動(dòng)電壓 i (RPM) (mA) (g.cm) (RPM) (mA) (kg.cm) (mA) (V) 1:360 44.4 ≦75 4320 33.3 ≦230 ≥19.8 ≦450 ≦2.5 2.8.2 傳動(dòng)方式 目前,傳動(dòng)方式

36、主要有鍵、繩索與滑輪、鋼絲、連桿傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)等。 鍵傳動(dòng)的運(yùn)用理論已經(jīng)比較成熟,包括建的柔性補(bǔ)償?shù)?,但同時(shí)存在連接復(fù)雜、可靠性差、控制精度低和存在遲滯等缺點(diǎn)[16-18]。 使用繩索加滑輪的方法是比較有利的,它可以比較容易地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳送,也能滿足手指的結(jié)構(gòu)要求,但采用這種方式需要正確布置繩索,以盡量減少產(chǎn)生附加力和附加力矩。因?yàn)楫?dāng)產(chǎn)生這種附加力矩時(shí),會(huì)使運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)耦合,增加控制的難度,影響抓取的穩(wěn)定性[10]。 平面連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是剛度好、出力大、負(fù)載能力強(qiáng)、加工制造容易、易獲得較高的精度,構(gòu)件之間的接觸可以依靠幾何封閉來實(shí)現(xiàn),能夠較好實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)軌跡的要求,

37、缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)復(fù)雜[10]。 雖然氣動(dòng)人工肌肉(PMA)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊的特點(diǎn),但是與其配合使用的繩索滑輪的傳動(dòng)方式具有力和運(yùn)動(dòng)傳遞的剛性不足的固有特點(diǎn),所以這種傳動(dòng)方式存在很多缺陷,可見用繩索加滑輪這種傳動(dòng)方式并不理想,不能很好的滿足手爪的設(shè)計(jì)要求[19-20]。 通過對(duì)比分析,顯然平面連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式比較適合我們的設(shè)計(jì)。 2.9本章小結(jié) 通過對(duì)人手仿生學(xué)研究,在詳細(xì)分析機(jī)器人手爪結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,對(duì)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手爪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì),具體包括整體結(jié)構(gòu)、手指結(jié)構(gòu)和尺寸、手掌的結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)方式等。設(shè)計(jì)出的機(jī)器人手爪具有和成年人手的外形相似大小相仿等特點(diǎn),而且手指的機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物

38、體的包絡(luò)抓取。 3 自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的抓取仿真與分析 在前面,我們?cè)O(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物體進(jìn)行包絡(luò)抓取的手指結(jié)構(gòu),本章將從手爪抓取的靜力學(xué)模型、仿真、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面詳細(xì)探討手爪在抓取物體時(shí)的特性。 3.1包絡(luò)抓取的實(shí)現(xiàn) 包絡(luò)抓取就是手指的各個(gè)關(guān)節(jié)依次與被抓取物體接觸,最終所有關(guān)節(jié)均與物體接觸,從而達(dá)到限制物體運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)抓取操作的過程。這里,為了保證手指的各個(gè)關(guān)節(jié)能夠相對(duì)于物體依次動(dòng)作,在第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)之間以及第二關(guān)節(jié)和第三關(guān)節(jié)之間分別添加了兩個(gè)扭簧和,且。 a 抓取初始狀態(tài)b 抓取中間狀態(tài)1c 抓取中間狀態(tài)2 圖3-1 抓取的實(shí)現(xiàn)過程 圖3-1演

39、示的是通過Adams軟件仿真手指包絡(luò)抓取一個(gè)直徑為60mm的球形物體的過程。手指的初始狀態(tài)不與物體接觸,如a所示,隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng),手指的第一關(guān)節(jié)接觸到物體并被限制運(yùn)動(dòng),如b所示,第二、第三關(guān)節(jié)繼續(xù)在推力作用下運(yùn)動(dòng),隨后完成包絡(luò)抓取過程。 3.2機(jī)器人手爪抓取的靜力學(xué)分析及優(yōu)化 圖3-2 三關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)手指包絡(luò)抓取的靜力學(xué)模型 文獻(xiàn)[2]對(duì)兩關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)手指包絡(luò)抓取模式下的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。本節(jié)重點(diǎn)研究三關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)手指包絡(luò)抓取模式下的靜力學(xué)性能。圖3-2為三關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)手指的包絡(luò)抓取機(jī)構(gòu)靜力學(xué)模型。從圖中可以看出,手指是由兩套四連桿機(jī)構(gòu)串聯(lián)起來的。通過分析手指的靜力學(xué)模型,可以得到輸入扭矩

40、和施加到物體上的力之間的關(guān)系。分析靜力學(xué)問題的基本原理是虛功原理,它闡明力學(xué)系統(tǒng)保持靜力平衡的充要條件。 為了確定和的關(guān)系,在圖3-2中,手指三個(gè)關(guān)節(jié)均和物體相互接觸,根據(jù)三心定理得桿和桿的速度瞬心為和的延長(zhǎng)線的交點(diǎn),桿和的速度瞬心為和的延長(zhǎng)線的交點(diǎn),圖中,是和的延長(zhǎng)線的交角,是和的延長(zhǎng)線的交角。 這里,由于組成手指的連桿機(jī)構(gòu)尺寸較小,這里主要針對(duì)三關(guān)節(jié)手指里的剛性板○1和○2(見圖2-5)在Ansys里進(jìn)行減輕重量的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)是將重量減輕40%。優(yōu)化后的食指相關(guān)參數(shù)見表3-1,初步優(yōu)化后的食指建模如圖3-3所示。對(duì)于優(yōu)化后的食指,根據(jù)靜力學(xué)相關(guān)知識(shí),借助Ansys軟件,首先將

41、初步設(shè)計(jì)的食指模型無縫插入到Ansys中進(jìn)行整體的剛體動(dòng)力學(xué)仿真,根據(jù)動(dòng)力學(xué)仿真的結(jié)果,選取某一個(gè)對(duì)機(jī)構(gòu)影響大的時(shí)刻,將該時(shí)刻模型的位移、約束載荷等導(dǎo)出,作為后續(xù)的靜力學(xué)分析的輸入?yún)?shù),從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)構(gòu)的每一部分的靜力學(xué)分析,初步優(yōu)化后的動(dòng)力學(xué)仿真Ansys模型見圖3-4,圖3-5到圖3-13是相應(yīng)的靜力學(xué)分析結(jié)果。 表3-1 優(yōu)化后的食指尺寸參數(shù) 符號(hào) l m n a1 B1 C1 a1 b2 C2 a1 a2 數(shù)值 30 25 23 15 35 25 15 23 20 20 121 從圖中可以看出,連桿a1的最大的變形量為2.0513e-8mm,最大等效應(yīng)變?yōu)?.7394e-9

42、,最大等效應(yīng)力為5.4715e-4Mpa,從強(qiáng)度條件考慮,該結(jié)構(gòu)是安全可靠的。 從圖中可以看出,遠(yuǎn)指節(jié)的最大的變形量為1.334e-8mm,最大等效應(yīng)變?yōu)?.2688e-9,最大等效應(yīng)力為4.3773e-4Mpa,從強(qiáng)度條件考慮,該結(jié)構(gòu)是安全的。 從圖中可以看出,近指節(jié)的最大的變形量為1.546e-8mm,最大等效應(yīng)變?yōu)?.3024e-9,最大等效應(yīng)力為2.6044e-4Mpa,從強(qiáng)度條件考慮,該結(jié)構(gòu)是安全可靠的。 圖3-8 中指節(jié)的靜力學(xué)分析 從圖中可以看出,中指節(jié)的最大的變形量為2.6878e-8mm,最大等效應(yīng)變?yōu)?.8534e-9,最大等效應(yīng)力為7.7034e-4M

43、pa,從強(qiáng)度條件考慮,該結(jié)構(gòu)是安全可靠的。 圖3-9 連桿b1的靜力學(xué)分析 從圖中可以看出,連桿b1的最大的變形量為9.1384e-9mm,最大等效應(yīng)變?yōu)?.3073e-10,最大等效應(yīng)力為1.6613e-4Mpa,從強(qiáng)度條件考慮,該結(jié)構(gòu)是可靠的。 圖3-10 連桿c1的靜力學(xué)分析 從圖中可以看出,連桿c1的最大的變形量為5.1838e-8mm,最大等效應(yīng)變?yōu)?.5427e-9,最大等效應(yīng)力為1.6996e-3Mpa,從強(qiáng)度條件考慮,該結(jié)構(gòu)是安全可靠的。 圖3-11 連桿b2的靜力學(xué)分析 從圖中可以看出,連桿b2的最大的變形量為6.7398e-9mm,最大等效應(yīng)變?yōu)?.

44、0869e-9,最大等效應(yīng)力為2.1726e-4Mpa,從強(qiáng)度條件考慮,該結(jié)構(gòu)是安全可靠的。 圖3-12傳動(dòng)桿d的靜力學(xué)分析 從圖中可以看出,傳動(dòng)桿d的最大的變形量為2.7595e-8mm,最大等效應(yīng)變?yōu)?.7187e-9,最大等效應(yīng)力為5.3869e-4Mpa,從強(qiáng)度條件考慮,該結(jié)構(gòu)是安全可靠的。 圖3-13 螺母的靜力學(xué)分析 從圖中可以看出,螺母的最大的變形量為5.0078e-8mm,最大等效應(yīng)變?yōu)?.3467e-9,最大等效應(yīng)力為1.8148e-3Mpa,從強(qiáng)度條件考慮,該結(jié)構(gòu)是安全可靠的。 比較優(yōu)化前和優(yōu)化后的分析不難發(fā)現(xiàn),優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)不僅簡(jiǎn)單而且減輕了手指的重量,同

45、時(shí)還能夠滿足需要的強(qiáng)度條件,未出現(xiàn)危險(xiǎn)點(diǎn),所以該設(shè)計(jì)和優(yōu)化是可靠可行的。 在食指結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)上,由于拇指結(jié)構(gòu)和食指結(jié)構(gòu)的相似性,可以將食指的設(shè)計(jì)派生到拇指上,從而可以大大縮短設(shè)計(jì)周期。拇指設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)見圖3-14,根據(jù)仿生學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論以及食指設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn),拇指設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)見表3-2,拇指建模如圖3-15所示。 圖3-14 拇指設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu) 表3-2 拇指設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù) 參數(shù) q r a b c a 數(shù)值 30 28 15 35 25 121 圖3-15 拇指建模 手指設(shè)計(jì)、傳動(dòng)方式、驅(qū)動(dòng)源等確定后,手爪的整體裝配圖模型見圖3-16。 3-16 欠驅(qū)

46、動(dòng)機(jī)器人手爪的總裝配圖 3.3 機(jī)器人手爪抓取的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 這里通過Adams軟件對(duì)優(yōu)化后的手爪進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析,其在Adams里建立的分析模型見圖3-17。 圖3-17 單根手指的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析的Adams模型 圖3-18 第一關(guān)節(jié)角位移 通過圖3-18可以發(fā)現(xiàn)第一關(guān)節(jié)在18s左右和物體接觸,角位移為25左右,質(zhì)心角速度和角加速度由于物體的限制不斷波動(dòng),但從傅立葉轉(zhuǎn)換后的圖形中可以看出其波動(dòng)是穩(wěn)定的。 圖3-19 第二關(guān)節(jié)的角加速度及傅立葉變換 通過圖3-19可以發(fā)現(xiàn)第二關(guān)節(jié)在61s左右和物體接觸,角位移為82左右,質(zhì)心角速度和角加速度由于

47、物體的限制不斷波動(dòng),但從傅立葉轉(zhuǎn)換后的圖形中可以看出其波動(dòng)是穩(wěn)定的。 3.4 欠驅(qū)動(dòng)手爪整體抓取仿真 最后,手爪總裝配體的仿真抓取過程見圖3-20。 (1)抓取初始狀態(tài)(2)抓取穩(wěn)定狀態(tài) 圖3-20 欠驅(qū)動(dòng)手爪總裝配體的仿真抓取 3.5 本章小結(jié) 在本章中,我們對(duì)前面初步設(shè)計(jì)的食指結(jié)構(gòu),根據(jù)虛功原理建立了準(zhǔn)靜力學(xué)模型,通過Ansys軟件首先對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,再進(jìn)一步得到靜力學(xué)分析結(jié)果,驗(yàn)證了手指設(shè)計(jì)的可靠性。同時(shí),經(jīng)過Ansys的優(yōu)化功能對(duì)模型進(jìn)行了初步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。再借助于Adams軟件對(duì)單根手指模型進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真,得到運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的結(jié)果,最后再對(duì)手爪整體進(jìn)行了抓取仿真,從

48、仿真的結(jié)果來看,該設(shè)計(jì)是可靠可行的。 4 自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手欠驅(qū)手指的二次優(yōu)化 第三章利用Ansys的優(yōu)化功能對(duì)手指結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 這里將結(jié)合相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行二次優(yōu)化,并對(duì)二次優(yōu)化模型的靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析進(jìn)行驗(yàn)證。 此外,還從實(shí)際生產(chǎn)加工安裝問題出發(fā),對(duì)手爪的相關(guān)具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討。 4.1 手指結(jié)構(gòu)的二次優(yōu)化以及分析 前面經(jīng)過對(duì)手指的初步優(yōu)化,通過相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)分析、靜力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,綜合分析了手爪的結(jié)構(gòu)可靠性和抓取穩(wěn)定性,這里結(jié)合相關(guān)的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及理論知識(shí),進(jìn)一步對(duì)前面設(shè)計(jì)的欠驅(qū)動(dòng)手爪進(jìn)行優(yōu)化。圖4-1和圖4-2是二次優(yōu)化后的食指模型和大拇指模型,

49、對(duì)比分析可以看出二次優(yōu)化后的手指結(jié)構(gòu)避免了之前設(shè)計(jì)中的不必要的材料浪費(fèi)和結(jié)構(gòu)上的冗余,不僅使得結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單,更降低了手爪整體的重量,使欠驅(qū)動(dòng)手爪的抓取性能得到進(jìn)一步的優(yōu)化。 圖4-1 二次優(yōu)化后的食指 參照前面的方法,通過Ansys軟件對(duì)二次優(yōu)化后的食指進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析、靜力學(xué)分析,圖4-3是對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)分析模型,圖4-4到圖4-12是相應(yīng)的靜力學(xué)分析結(jié)果。 圖4-2 二次優(yōu)化后的大拇指 圖4-3 二次優(yōu)化后的動(dòng)力學(xué)分析模型 圖4-4 連桿1的靜力學(xué)分析 從圖中可以看出,連桿1的最大的變形量為1.8614e-6mm,最大等效應(yīng)變?yōu)?.2816e-8,最大等效應(yīng)力為6.

50、1382e-3Mpa,從強(qiáng)度條件考慮,該結(jié)構(gòu)是安全可靠的。 圖4-5 連桿2的靜力學(xué)分析 從圖中可以看出,連桿2的最大的變形量為9.3823e-6mm,最大等效應(yīng)變?yōu)?.0465e-7,最大等效應(yīng)力為3.9524e-2Mpa,從強(qiáng)度條件考慮,該結(jié)構(gòu)是安全可靠的。 圖4-6 連桿3的靜力學(xué)分析 從圖中可以看出,連桿3的最大的變形量為4.3626e-6mm,最大等效應(yīng)變?yōu)?.2323e-8,最大等效應(yīng)力為1.8223e-2Mpa,從強(qiáng)度條件考慮,該結(jié)構(gòu)是可靠的。 圖4-7 連桿4的靜力學(xué)分析 從圖中可以看出,連桿4的最大的變形量為7.9248e-7mm,最大等效應(yīng)變?yōu)?.7

51、428e-8,最大等效應(yīng)力為1.1425e-2Mpa,從強(qiáng)度條件考慮,該結(jié)構(gòu)是安全的。 圖4-8 連桿5的靜力學(xué)分析 由于連桿5、6、7、8在結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性和相似性,這里只對(duì)連桿5進(jìn)行了靜力學(xué)分析。從圖中可以看出,連桿5的最大的變形量為1.0127e-6mm,最大等效應(yīng)變?yōu)?.2585e-8,最大等效應(yīng)力為8.142e-3Mpa,從強(qiáng)度條件考慮,該結(jié)構(gòu)是安全可靠的。 圖4-9 連桿9的靜力學(xué)分析 從圖中可以看出,連桿9的最大的變形量為1.3013e-6mm,最大等效應(yīng)變?yōu)?.0938e-7,最大等效應(yīng)力為2.1756e-2Mpa,從強(qiáng)度條件考慮,該結(jié)構(gòu)是可靠的。 圖4-1

52、0 連桿10的靜力學(xué)分析 從圖中可以看出,連桿10的最大的變形量為1.4806e-5mm,最大等效應(yīng)變?yōu)?.2645e-7,最大等效應(yīng)力為0.11713Mpa,從強(qiáng)度條件考慮,該結(jié)構(gòu)是安全可靠的。 圖4-11 連接桿d的靜力學(xué)分析 從圖中可以看出,連接桿d的最大的變形量為6.0337e-4mm,最大等效應(yīng)變?yōu)?.932e-7,最大等效應(yīng)力為0.13553Mpa,從強(qiáng)度條件考慮,該結(jié)構(gòu)是安全可靠的。 圖4-12 螺母的靜力學(xué)分析 從圖中可以看出,螺母的最大的變形量為7.2135e-6mm,最大等效應(yīng)變?yōu)?.4261e-7,最大等效應(yīng)力為0.13919Mpa,從強(qiáng)度條件考慮,該結(jié)

53、構(gòu)是安全可靠的。 4.2 其他結(jié)構(gòu) 考慮到欠驅(qū)動(dòng)手爪整體的加工和安裝等問題,這里將對(duì)手指以外的其他結(jié)構(gòu)的加工以及安裝的細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì),首先欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手爪整體建模如圖4-13。 圖4-13 欠驅(qū)動(dòng)手爪總體裝配圖 4.2.1 主手掌 圖4-14是主手掌模型,用于連接食指、中指、無名指、小拇指、滑軌以及電機(jī)等。主手掌總長(zhǎng)104.4mm,總寬68mm,厚度為1mm。 圖4-14 主手掌圖4-15 副手掌 4.2.2 副手掌 圖4-15是副手掌模型,用于連接大拇指、滑軌以及電機(jī)等。 4.2.3 附件 (1)扭簧 前文中提到過,為了實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)手指在抓取物體時(shí)各個(gè)關(guān)節(jié)先后

54、接觸,在相鄰的兩個(gè)關(guān)節(jié)之間加入了扭簧,扭簧材料為65Mn。圖4-16是介于關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2之間的雙扭簧1,扭轉(zhuǎn)剛度是0.1Nm,初始角度為58,圖4-17是介于關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3之間的雙扭簧2,扭轉(zhuǎn)剛度是0.2Nm,初始角度為60。 圖4-16 雙扭簧1圖4-17 雙扭簧2 (2)連接塊 連接塊的作用在于連接手指的第一關(guān)節(jié)和手掌,確定手指在手掌中的位置,材料為45號(hào)鋼,模型見圖4-18。 圖4-18 連接塊圖4-19 滑動(dòng)導(dǎo)軌 (3)滑動(dòng)導(dǎo)軌 考慮到滑軌的制作簡(jiǎn)單和安裝方便,采用如圖4-19簡(jiǎn)單可行的滑軌設(shè)計(jì),滑軌導(dǎo)程為32mm,45號(hào)鋼材料。 (4)螺母 基于上面的滑軌設(shè)計(jì)

55、,不得不對(duì)先前的螺母設(shè)計(jì)更改如圖4-20,螺紋孔直徑為與電機(jī)輸出軸導(dǎo)螺桿相配合的M3。 (5)電機(jī)座 這里根據(jù)電機(jī)的選型自行設(shè)計(jì)了配套的電機(jī)座,見圖4-21。 圖4-20 螺母圖4-21 電機(jī)座 4.3 連接方式設(shè)計(jì) 4.3.1 關(guān)節(jié)之間的連接 考慮關(guān)節(jié)之間的配合對(duì)于抓取運(yùn)動(dòng)的性能影響,本文采用鉚釘連接的方式, 20號(hào)鋼材料。 4.3.2 附件與手掌的連接 為了實(shí)現(xiàn)手爪的小巧性,所以相關(guān)的結(jié)構(gòu)的尺寸也比較小,這里綜合選擇了GB/T 6560 1986自攻鎖緊螺釘M2x5和GB/T 6172.1-2000六角薄螺母M2-N,材料均為20號(hào)鋼。 4.3.3 主手掌和副手掌的連

56、接 由于主手掌和副手掌之間要實(shí)現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng),即附加在大拇指整體上的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,而主手掌和副手掌之間由于承載著大量的結(jié)構(gòu)和手指的作用,所以要選擇一個(gè)強(qiáng)度可靠的連接方式,這里參考合頁的設(shè)計(jì)來連接主手掌和副手掌,采用不銹鋼的材料,模型見圖4-22。并且選擇了GB/T 6560 1986自攻鎖緊螺釘M4x8-N和GB/T 6172.1-2000六角薄螺母M4-N,材料均為20號(hào)鋼。 4.4仿真結(jié)果及分析 4.4.1 結(jié)果曲線 關(guān)節(jié)角是機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)的重要參數(shù),在此我們提取了各個(gè)關(guān)節(jié)的角位移、角速度、角加速度變化規(guī)律和各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩變化規(guī)律分別如圖4-23、圖4-24和圖4-25所示。

57、 4.4.2 結(jié)果分析 通過觀察無花果的角加速度和角速度曲線。 4-24和4-25,可見各關(guān)節(jié)運(yùn)轉(zhuǎn)正常,機(jī)械手運(yùn)行平穩(wěn),速度和加速度穩(wěn)定。 從圖的角加速度曲線。 4-24,可以看出各關(guān)節(jié)的加速度在起動(dòng)和停止階段都有突變。 加速在啟動(dòng)階段從零到最大,在停止階段從最大到零。 在正常運(yùn)行階段,角加速度變化平穩(wěn),大致呈線性。 由于重力的考慮,各關(guān)節(jié)的角加速度是重力和驅(qū)動(dòng)力矩共同作用的結(jié)果。 從圖中可以看出。 4-23,各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩變化平穩(wěn),無沖擊現(xiàn)象。 實(shí)際上,在各個(gè)關(guān)節(jié)的啟停階段,驅(qū)動(dòng)力矩也有一個(gè)小的波動(dòng)。 但由于突變很小,可以忽略不計(jì),因此可以認(rèn)為在機(jī)械手整個(gè)運(yùn)行階段,驅(qū)動(dòng)力矩變

58、化平穩(wěn),沒有沖擊載荷,即運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)置。 4.5 本章小結(jié) 本章根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)前面設(shè)計(jì)的欠驅(qū)動(dòng)夾持器進(jìn)行了二次優(yōu)化,通過對(duì)二次優(yōu)化后的模型進(jìn)行靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析,分析結(jié)果表明二次優(yōu)化后的模型不僅能滿足設(shè)計(jì)要求,而且大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu),減輕了夾持器的重量,進(jìn)一步保證了可靠的抓取性能。 然后從生產(chǎn),加工,安裝等實(shí)際問題出發(fā),對(duì)手爪相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討和設(shè)計(jì)。 最后,通過對(duì)二次優(yōu)化后的欠驅(qū)動(dòng)夾持器整體進(jìn)行仿真,驗(yàn)證了夾持設(shè)計(jì)的可靠性和穩(wěn)定性。 結(jié)論 在工業(yè)自動(dòng)化中,傳統(tǒng)的機(jī)器人末端夾持器存在柔性差,抓取精度低,穩(wěn)定性,可靠性和通用性差,沒有可靠的輸出力等缺點(diǎn)。 針對(duì)手指自由度與驅(qū)動(dòng),重

59、量與柔性之間的矛盾,提出了欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人夾持器是一種新型的多用途夾持器。 這種手爪的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)元件數(shù)少于手指關(guān)節(jié)的自由度數(shù),整個(gè)手爪的驅(qū)動(dòng)元件數(shù)較少,降低了結(jié)構(gòu)和操作的復(fù)雜性,具有控制方便,抓取范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)機(jī)器人手爪是一種模仿人體手指形狀,結(jié)構(gòu)和功能的機(jī)械手。它能根據(jù)抓取對(duì)象被動(dòng)或主動(dòng)地調(diào)整夾持器姿態(tài),從而獲得最優(yōu)抓取。 從仿生學(xué)和人機(jī)工程學(xué)的角度來看,該機(jī)器人的夾持器結(jié)構(gòu)緊湊,效率高,可以滿足服務(wù)或工業(yè)機(jī)器人在不同場(chǎng)合的多種應(yīng)用。 參考文獻(xiàn) [1]王遵富. 基于手部抓取行為分析的柔性機(jī)械手指設(shè)計(jì)研究[D].華南理工大學(xué),2019. [2]

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