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1、電氣工程論文：一種自適應欠驅動機械手的創(chuàng)新設計與研究 摘要 目前傳統(tǒng)工業(yè)機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生產線柔性化，精細化作業(yè)的要求。 因此，本文根據(jù)國內外新型欠驅動機構的研究現(xiàn)狀，結合本課題的具體要求，對具有自適應的欠驅動機器人手爪進行了設計和分析。 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、國內外的研究現(xiàn)狀、研究目的和意義，以及論文的主要研究內容；第二部分介紹了機器人仿人手爪的結構設計，其內容包括仿生學在手爪設計上的應用；確定方案進行建模、整體結構設計、食指設計、拇指設計、手指的模塊化設計；自適

2、應欠驅動機械手的抓取仿真與分析，其內容包含包絡抓取的實現(xiàn)、機器人手爪抓取的靜力學分析及優(yōu)化、機器人手爪抓取的運動學分析、欠驅動手爪整體抓取仿真；第四部分寫了自適應欠驅動機械手欠驅手指的二次優(yōu)化，其內容包含了手指結構的二次優(yōu)化以及分析、其他結構、連接方式設計、仿真結果及分析。本文的研究，以期促進研究自適應欠驅動機械手這方面的學者及研究者做參考。 關鍵詞：仿人機器人手；欠驅動；仿真；優(yōu)化設計 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 機器人對于工業(yè)生產至關重要，而機械手作為機器人最重要的部件，一直是國內外學者的熱點研究課題。目

9、前，較先進的機械手大致可分為兩類：靈巧手以及欠驅動手。靈巧手的外形結構與人手類似，能最大限度地模仿人類手指的功能，可視作安裝在機器人末端、可獨立實現(xiàn)精細操作的一組機器人，其特點是至少需要三根手指，且每根手指至少三個自由度，自由度數(shù)等于驅動數(shù)。欠驅動手一般也為多手指結構，但是其驅動數(shù)少于自由度數(shù)，多余的自由度由可變約束機構控制，按需要釋放?？勺兗s束機構并不會改變欠驅動手的自由度數(shù)，但是保證了欠驅動手始終有確定的運動規(guī)律。 靈巧手每個自由度均配備一個驅動器，并配有大量傳感器，智能化程度高，適應性強，可完成抓取和操作功能，但由于其采用了大量的串聯(lián)關節(jié)，導致結構復雜、控制困難，所以目前仍然處在實驗室

10、階段[1]。欠驅動手一般只具備抓取功能，由于存在可變約束機構[2][3]，故其具有自動調整和適應外部變化的能力，且相對于靈巧手，由于驅動器數(shù)量較少，欠驅動手的結構、控制也更加簡單，且一般的工業(yè)生產并不要求末端執(zhí)行器具備操作功能，故欠驅動手更適合生產實際中的應用。 近年來針對手指的自由度和驅動，重量和靈活性之間的矛盾，國內外提出欠驅動機構，具有自適應的欠驅動機器人手爪是一種新型的多用途手爪。這種手爪的特點是驅動元件數(shù)少于手指關節(jié)的自由度數(shù)。每個手指只有一個驅動源，整個手爪的驅動元件的數(shù)量少，降低了結構和操作的復雜性，具有控制方便，抓取范圍廣泛等優(yōu)點[3]。 欠驅動機械手具有簡化控制、減輕重量

11、、降低能耗及降低制作成本等優(yōu)點。研究欠驅動手指機構及其分析與設計理論，實現(xiàn)結構緊湊、抓持力大、操作簡單的新型欠驅動機器人手指，在工業(yè)機器人、擬人機器人、人體假肢及航天機器人等領域都具有廣泛的應用前景，因此具有重要的研究意義。 1.2 國內外的研究現(xiàn)狀及分析 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 加拿大MD ROBOTIC公司和Laval 大學合作研制出SARAH 手爪(Self-Adapting Robotic Auxiliary Hand)[7-9]，附加一個手指位置旋轉自由度，該手爪共有10個自由度，只用兩個電機驅動，一個電機負責三個手指的開合；另一個負責調整手指方向，使其能采取不同的抓取姿勢抓

12、取物體，SARAH 手爪既可以用末關節(jié)指面捏取的方式完成精確捏取，又可以用欠驅動的方式完成包絡抓取。 斯坦福大學的 Daniel Aukes 設計了一種腱繩驅動的欠驅動手爪[8]，該欠驅動手共有四個手指，每個手指三個自由度，每根手指配備一個電機，多余的自由度由彈簧約束。此外，還專門配備一個電機調整手指的相對位置，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動的欠驅動手 Smarthand[9]，如圖 1-5 所示，共 16 個自由度，由四個直流電機驅動，動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彈簧控制。該欠驅動手具有良好的適應性，具有精確

13、捏取、強力抓取等多種功能，主要應用于假肢手領域。 1.2.2國內研究現(xiàn)狀 國內從事機器人手爪研究的主要有清華大學、北京理工大學和哈爾濱工業(yè)大學以及國防科技大學等單位。 哈爾濱工業(yè)大學的史士旺等人在2004年，采用欠驅動自適應原理研制了與成年人手大小相仿的五指機器人手，所設計的機器人手結構簡單，重量輕，適應性強，五個手指的重量約為500g。整個機器人手共有3個電機，分別驅動拇指、食指和中指。無名指和小指沒有驅動器，它們是由中指通過同步帶來驅動的。它既可以用于仿人機器人末端操作器，也可以應用于殘疾人假手[5]。 從國內外研究發(fā)展趨勢來看，早期研究多采用兩指欠驅動手爪，但是這種結構的欠驅動手

14、爪在包絡抓取過程中，會出現(xiàn)接觸點脫離的現(xiàn)象，這也正是由于欠驅動機構的特殊性引起的，其根本原因在于欠驅動本身，在某個時刻完成抓取行為達到平衡位置以后，由于手指的每個關節(jié)仍然具有局部運動自由度的可能，使得抓取物體時存在多種可能的抓取構型，當手指對物體的約束不能抵抗外施加在物體上的力旋量擾動時，物體的初始姿態(tài)會發(fā)生改變，影響了抓取的穩(wěn)定性。為了克服這點，從仿生學的角度，現(xiàn)如今的欠驅動手爪多采用三關節(jié)結構，并且從兩個手指到三個手指，發(fā)展到今天的仿人五指機器人手爪，大大提高了物體抓取的穩(wěn)定性。 1.3 研究目的和意義 本文設計的具有自適應性的機器人手爪是仿照人的手指外形、結構和功能的機械手，它可以根

15、據(jù)抓取物體被動或主動調整手爪姿態(tài)，從而獲得最優(yōu)抓取姿態(tài)。從仿生學、人機工程學角度出發(fā)，該機器人手爪結構緊湊，效率高，可以滿足服務或工業(yè)機器人在不同場合下的多種應用。 本文所設計的機械手中的電機并不直接提供接觸力，而是通過控制抓取姿態(tài)來控制扭轉彈簧扭轉角，而扭轉彈簧的扭矩又提供了各個指節(jié)的接觸力。采用扭轉彈簧提供接觸力有如下優(yōu)點: 1.扭轉彈簧變形量不存在突變，故接觸力也不存在突變，欠驅動手的抓取穩(wěn)定性、抗干擾能力更強。 2.扭轉彈簧使得手指關節(jié)具備一定的柔性，因此欠驅動手對不同尺寸、形狀的被抓取對象具有良好的自適應性。 2.由于扭轉彈簧變形量有限，故各個指節(jié)接觸力也存在一個特定的上限，

16、并不會無限制升高，防止過大的接觸力導致被抓取目標的損壞。 3.欠驅動手各個零件的加工精度和裝配精度對扭轉彈簧的變形量影響較小，故其對接觸力的影響也較小，采用扭轉彈簧提供接觸力可以以較低的生產成本而實現(xiàn)較高的接觸力控制精度。 由于欠驅動原理和可變約束機構的應用，本文所設計的欠驅動手具有結構簡單、控制方便、自適應性強、接觸力可調、成本低廉、抓取范圍大等優(yōu)點。 1.4 主要研究內容 目前傳統(tǒng)工業(yè)機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生產線柔性化，精細化作業(yè)的要求。 因此，本文根據(jù)國內外新型欠驅動機構的研究現(xiàn)狀，結合本課題的具體

17、要求，對具有自適應的欠驅動機器人手爪進行了設計和分析。 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、國內外的研究現(xiàn)狀、研究目的和意義，以及論文的主要研究內容；第二部分介紹了機器人仿人手爪的結構設計，其內容包括仿生學在手爪設計上的應用；確定方案進行建模、整體結構設計、食指設計、拇指設計、手指的模塊化設計；自適應欠驅動機械手的抓取仿真與分析，其內容包含包絡抓取的實現(xiàn)、機器人手爪抓取的靜力學分析及優(yōu)化、機器人手爪抓取的運動學分析、欠驅動手爪整體抓取仿真；第四部分寫了自適應欠驅動機械手欠驅手指的二次優(yōu)化，其內容包含了手指結構的二次優(yōu)化以及分析、其他結構、連接方式設計、仿真結果及分析

18、。本文的研究，以期促進研究自適應欠驅動機械手這方面的學者及研究者做參考。。 2 機器人仿人手爪的結構設計 機器人仿人手爪的研究目的是為了拓展機器人末端操作手爪的工作能力，使其能夠進行復雜多樣的操作任務。就目前的形勢來看，雖然很多研究者已經(jīng)開發(fā)出了很多樣機，但真正能夠實現(xiàn)預期功能的機器人手爪卻為數(shù)不多。本章主要對機器人手爪的機械結構進行設計，在充分考慮實現(xiàn)較多抓取模式的前提下，設計了一種基于欠驅動手指結構的機器人手爪，并且具有形狀自適應性較好、尺寸小等特點。 2.1 仿生學在手爪設計上的應用 2.1.1仿生學概述 隨著科學技術的發(fā)展，從20世紀以來，人們通過對自然的觀察，已經(jīng)認

19、識到自然界的生物對于新技術的開辟具有重要的啟發(fā)性，并且吸引了越來越多的學者的興趣。研究人員運用化學、物理學、數(shù)學等學科的理論知識以及相關技術模型對生物系統(tǒng)開展了深入的研究。生物學家和工程師們的積極合作，大大推動了仿生學在各個領域的發(fā)展，同時也不斷從生物界獲得寶貴的知識實現(xiàn)了對舊的或者沒有的工程設備的改善或者創(chuàng)造。典型的仿生學運用如圖2-1和圖2-2所示。 簡言之，仿生學就是模仿生物對人類有用的的特殊本領，利用生物的結構和功能來研究新技術新產品的科學。它是生物學、物理學、化學、數(shù)學和工程技術相互滲透而結合的新型的多邊緣學科。其首要的任務是研究生物系統(tǒng)的特殊本領以及產生的機理，并把它進行模式化設

20、計推廣運用，然后運用這些原理去設計制造新的工程設備。仿生學的主要研究方法是構建出模型，然后進行相關的模擬仿真，并進一步分析使之得到優(yōu)化[10]。大致的研究過程有以下三個階段： 首先是對生物原型的研究。根據(jù)生產實際需要提出的具體問題進行分析建模，并將研究所得的資料予以簡化，運用對技術有利的方面而消除與生產技術無關的因素，得到一個簡化的生物原型；第二階段是對生物模型進行數(shù)學分析，并使其內在的聯(lián)系抽象化，用數(shù)學語言來描述生物原型；最后根據(jù)數(shù)學模型制造出可在工程技術上實現(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械都優(yōu)越的多，仿生學就是要在工程上實現(xiàn)并有效的應用生物功能的

21、學科。 從仿生學的角度考慮機器人手爪的設計，很自然的就能想到我們人類自己的手，機器人技術發(fā)展至今，人手早已成為機器人研究人員在開發(fā)設計機器人手爪時的重要參照對象。為了使機器人的終端執(zhí)行工具能夠像人類的手一樣對不同形狀和不同性質的物體具有豐富的操作功能，越來越多的機器人研究學者利用仿生學的思想已經(jīng)實現(xiàn)這個目標，如圖2-3和圖2-4所示。 2.1.2 人手的生理結構特點 醫(yī)學上，通過對人手的生理解剖研究，已經(jīng)獲得了人手的結構和運動機理的詳細信息。根據(jù)人手的骨骼結構，可以知道除了拇指有兩個關節(jié)外，其余4個手指均具有3個關節(jié)。5個手指分別通過掌骨和腕骨相連。人手拇指掌指關節(jié)為雙軸向關節(jié)，但近

22、似屈曲關節(jié)，主要作屈伸運動，拇指掌指關節(jié)的屈曲范圍為0-20，后伸為5，拇指指間關節(jié)為屈曲關節(jié)，可屈伸0-90，拇指外展范圍為0-40；食指、中指、無名指、小指的掌指關節(jié)的主要運動是側擺和屈曲，此外還可以作有限度的被動旋轉活動，四指的掌指關節(jié)可屈伸0-90，近側指間關節(jié)可屈伸0-100，遠側指間關節(jié)可屈曲0-90[10]。 此外，通過大量的測量統(tǒng)計，得到成年人手的尺寸一般如下：手指長度大致為50mm-90mm，其中長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，手掌寬度在80mm-90mm，手掌長度在100mm-110mm，而且每個手指的各關節(jié)長度由

23、手掌向外依次變短[10]。 2.2 確定方案進行建模 根據(jù)上面確定的機械手的設計方案和確定的尺寸參數(shù)，對仿生機械手進行建模。在建模的過程中，考慮到手的機構和現(xiàn)有的加工工藝，對外形加以調整，使結構和造形達到更好的統(tǒng)一。 通過分析產品造型的要素，借鑒一些產品造型的美學法則，利用仿生設計方法對仿生機械手的外觀造型做了合理的設計，并以人機工程學知識為基礎為仿生機械手的設計提供了尺寸依據(jù)。在此基礎上，利用三維軟件對仿生手進行建模并加以渲染。美觀的造型加以合理的尺寸，使仿生機械手在實現(xiàn)功能的基礎上，更能帶給消費者美感、舒適和心理上的滿足。 2.3 整體結構設計 仿人機器人手爪的設計主要包括整體結

24、構設計、手指結構設計、驅動及傳動機構設計、手掌結構設計，本設計并不包括控制系統(tǒng)的設計。 機器人手爪作為機器人終端執(zhí)行部件，與其它機構一樣由若干構件組成，各構件之間通過相關運動副聯(lián)結以產生確定的相對運動。常見的運動副有移動副、轉動副、螺旋副和球面副，它們的約束數(shù)分別為5、5、5和3，相應的自由度數(shù)為1、1、1和3.由于欠驅動機器人手爪中各運動副的運動變量都要借助于驅動器來實現(xiàn)，一方面對于多于一個自由度的運動副控制起來很不方便；另一方面，無論是轉動的驅動器或移動的驅動器又大多為一個自由度，所以在機器人手爪中所采用的運動副類型，大多數(shù)只有轉動副、移動副和螺旋副三種。 根據(jù)力的平衡原理，抓取物體時

25、至少有2個相對的力或力偶作用于物體上或者說物體上必須產生大小相等方向相反的兩個力或力偶作用于手上時才能夠實現(xiàn)抓取穩(wěn)定。因此，二個手指在理論上可以完成抓取任務，但是可操作性和抓取穩(wěn)定性都很差，無法完成對目標物體的微細或者復雜的操作，因為在沿著兩個接觸點連線的軸線方向上目標物體是存在著轉動的趨勢的，這種不穩(wěn)定性可能會給系統(tǒng)安全帶來隱患，所以從實際出發(fā)二個手指的手爪結構并不理想。手指數(shù)大于2的手爪理論上都可以通過規(guī)劃實現(xiàn)力封閉而實現(xiàn)穩(wěn)定抓取，考慮到人手有5個手指，并且能夠實現(xiàn)很多復雜的操作，多于5個手指就顯得沒有多大意義，這里根據(jù)人手仿生學的思想設計了五個手指的機器人手爪，以獲得較好的抓取穩(wěn)定性和靈

26、巧性。至于手指的關節(jié)數(shù)，參照人手，食指、中指、無名指、小指均為三關節(jié)手指，拇指是二關節(jié)結構。 通過分析人手對不同形狀的物體的抓取方式，可以將人手的抓取方式分為：手指內側接觸的包絡抓取和手指末關節(jié)接觸的捏取，而且所有的抓取都可以通過三個手指就能夠完成，其余兩個手指作為輔助手指協(xié)助完成抓取任務。 手指安裝到手掌上后，每個手指分別具有3個自由度，其中需要指出的是拇指具有兩個關節(jié)自由度加上1個拇指機構的旋轉自由度，整個手爪具有15個自由度。 2.4 食指設計 2.4.1 食指結構設計 在前面我們對比討論了全驅動和欠驅動結構的特點，經(jīng)過對比分析我們選擇了欠驅動結構的手指。采用欠驅動結構可以使手

27、指具有出力大、負載能力強、靈活性好、尺寸小等特點，對多種形狀的物體具有適應性，擴大了抓取范圍，而且在保持多個自由度的前提下，可以將驅動元件數(shù)量減少到最少，簡化了驅動和控制結構，大大減小了手指的尺寸和重量。相關文獻指出：手指對物體的形狀適應能力和關節(jié)數(shù)成正比，采用三關節(jié)的欠驅動手指的自適應能力會比兩個關節(jié)或單關節(jié)的更好一些。而作為衡量抓取穩(wěn)定性的重要指標的抓取構形數(shù)是和關節(jié)數(shù)成指數(shù)變化的關系。抓取構形越多越容易出現(xiàn)接觸點脫離，越不容易穩(wěn)定。前文中已經(jīng)提到本設計主要參考人類手指，采用具有三個自由度的三個關節(jié)欠驅動手指機構。 根據(jù)機構的自由度公式可以得出具有個關節(jié)的手指的自由度為 式中：——

28、活動構件數(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構。由計算可以看出：對于三關節(jié)手指來說，，而每個手指由一個電機驅動，即只有一個動力源，所以每個手指存在2個欠驅動度。 2.4.2 食指尺寸設計 手指的尺寸設計主要包括關節(jié)尺寸和包絡機構尺寸。手指關節(jié)的長度和寬度采用近似人手關節(jié)尺寸的設計。接下來從抓取穩(wěn)定性的角度出發(fā)定性地研究手指關節(jié)包絡機構的連桿尺寸。 在設計關節(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)前面的人手仿生學的學習和參考文獻[12]中關于人體手指各關節(jié)的平均尺寸的統(tǒng)計，結合參

29、考文獻，初步設計食指的各個尺寸參數(shù)如表2-1。初步設計的食指模型見圖2-6。 表2-1 食指尺寸參數(shù)初步計算 符號 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 拇指設計 本文設計的是兩個關節(jié)的拇指，再加上拇指整體的轉動的自由度，所以拇指也具有三個自由度。拇指的結構和尺寸將會在對食指首先進行設計和分析優(yōu)化后再做具體設計。 2.6 手指的模塊化設計 本設計中的欠驅動機器人手爪的食指、中指、無名指、小指采用模塊化設計思想，均為相同的尺寸和結構，只是在手掌的布置不同。所謂的模塊化設計

30、就是使用模塊的概念對產品或系統(tǒng)進行規(guī)劃設計和組織生產，模塊是模塊化產品的基本元素，是一種實體的概念，它是一組同時具有相同功能和相同結合要素，具有不同性能或用途甚至不同結構特征但能互換的單元[10]。 模塊化后的機械產品主要具有以下幾個特點： 1.互換性強，便于維修。 2.質量高、成本低，能解決多品種、小批量和大批量加工之間的矛盾。 3.有利于縮短產品的設計、制造和供貨周期。 2.7 手掌設計 從目前已經(jīng)開發(fā)的機器人爪子來看，可以發(fā)現(xiàn)有的機器人爪子有手掌，有的則沒有。 一般來說，大多數(shù)特殊的手爪都沒有手掌，而人形機器人的爪子大部分都有手掌。 然而，目前設計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改變。 例如，握直長鋼管時，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，四指掌骨形成曲面。 但目前設計的手掌大多為剛性結構，不能像人手那樣靈活地改變形狀。 自然，它們的適應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]。 本文設計的爪是一個有手掌的手掌，但也是一個不能改變構型的剛性結構的手掌。 本設計中的機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。 所設計的機器人夾持器的總體結構如圖所示。

32、 2.8 驅動及傳動機構的設計 2.8.1 驅動源 驅動源的形式主要有電機驅動、液壓驅動、氣壓驅動、形狀記憶合金和其他新型驅動等。為了使手爪能夠穩(wěn)定完成操作任務，需要確定合適的驅動源和傳動方式。 為了選擇出合適的驅動源，需要綜合考慮抓取力、手爪的尺寸大小和質量、操作方便性和成本等。目前機器人手爪常見的驅動源主要有液壓驅動、氣壓驅動、和電機驅動，及其它新型的驅動能源[15]。 液壓驅動：可以獲得較大的操作力，能驅動較大的負載，但是需要一種液壓動力裝置將電能轉換成液壓能，因此會導致驅動裝置體積大、成本高和易受污染。 氣壓驅動：在所有的驅動方式中，氣壓驅動相對簡單，在工業(yè)上應用很廣泛。其

33、主要優(yōu)點是操作簡單、易于編程、重量輕和成本低，但是精度不高，驅動裝置復雜。 記憶合金驅動：具有速度快、帶負載能力強等優(yōu)點，但是存在疲勞和壽命問題。 電機驅動：噪音小、反應迅速、控制方便、可靠性高和成本合理，易于實現(xiàn)精確的運動。目前在工業(yè)機器人中應用最廣泛的兩種電機是直流電機和步進電機。直流電機的轉動是連續(xù)且平滑的，本身沒有位置控制能力，因此要實現(xiàn)精確的位置，必須加入某種形式的位置反饋，構成閉環(huán)伺服系統(tǒng)。步進電機是將脈沖信號轉化為旋轉或直線增量運動，通過調整脈沖頻率實現(xiàn)調速作用，控制發(fā)出脈沖個數(shù)以達到控制角位移量來實現(xiàn)定位作用[15]。 其它新型驅動：如壓電陶瓷驅動、啟動肌肉驅動和可伸縮聚

34、合體驅動等，這些新型的驅動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)以上幾種驅動方式的比較分析，電機驅動方式在負載小、操作力不大時，相對于液壓和氣壓驅動有較大的優(yōu)越性，故本文采用步進電機驅動方式。但若選擇電機作為驅動元件，目前的電機轉速一般都較高，要得到對手指的理想輸出速度，就要在電機輸出端配裝減速機構。通過查找相關電機資料，本設計中，5個手指的驅動電機均采用金順16GA-050微型直流減速電機，這款電機的典型應用就是運用在機器人等微型機械中。該電機的特點是其輸出軸是一根導螺桿，導螺桿的長度可以按要求向廠家定做，導螺桿上可以直接配合螺母以構成螺紋傳動

35、副，從而將旋轉運動轉化成直線運動控制手指的開合，同時電機的轉速也可以控制在適合手指抓取的范圍內。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 金順16GA-050微型直流減速電機(DC24.0V 16000RPM) 減速比 空載 轉速 空載電流 負載 力矩 負載 轉速 負載 電流 堵轉 扭力 堵轉 電流 起動電壓 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 傳動方式 目前，傳動方式

36、主要有鍵、繩索與滑輪、鋼絲、連桿傳動和齒輪傳動等。 鍵傳動的運用理論已經(jīng)比較成熟，包括建的柔性補償?shù)?，但同時存在連接復雜、可靠性差、控制精度低和存在遲滯等缺點[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現(xiàn)遠距離的運動和動力傳送，也能滿足手指的結構要求，但采用這種方式需要正確布置繩索，以盡量減少產生附加力和附加力矩。因為當產生這種附加力矩時，會使運動出現(xiàn)耦合，增加控制的難度，影響抓取的穩(wěn)定性[10]。 平面連桿機構傳動的優(yōu)點是剛度好、出力大、負載能力強、加工制造容易、易獲得較高的精度，構件之間的接觸可以依靠幾何封閉來實現(xiàn)，能夠較好實現(xiàn)多種運動規(guī)律和運動軌跡的要求，

37、缺點是設計復雜[10]。 雖然氣動人工肌肉(PMA)具有結構簡單、緊湊的特點，但是與其配合使用的繩索滑輪的傳動方式具有力和運動傳遞的剛性不足的固有特點，所以這種傳動方式存在很多缺陷，可見用繩索加滑輪這種傳動方式并不理想，不能很好的滿足手爪的設計要求[19-20]。 通過對比分析，顯然平面連桿機構的傳動方式比較適合我們的設計。 2.9本章小結 通過對人手仿生學研究，在詳細分析機器人手爪結構的基礎上，對欠驅動機器人手爪的結構進行了設計，具體包括整體結構、手指結構和尺寸、手掌的結構、驅動及傳動方式等。設計出的機器人手爪具有和成年人手的外形相似大小相仿等特點，而且手指的機械結構能夠實現(xiàn)對物

38、體的包絡抓取。 3 自適應欠驅動機械手的抓取仿真與分析 在前面，我們設計了能夠實現(xiàn)對物體進行包絡抓取的手指結構，本章將從手爪抓取的靜力學模型、仿真、運動學分析、動力學分析、優(yōu)化設計等幾個方面詳細探討手爪在抓取物體時的特性。 3.1包絡抓取的實現(xiàn) 包絡抓取就是手指的各個關節(jié)依次與被抓取物體接觸，最終所有關節(jié)均與物體接觸，從而達到限制物體運動而實現(xiàn)抓取操作的過程。這里，為了保證手指的各個關節(jié)能夠相對于物體依次動作，在第一關節(jié)和第二關節(jié)之間以及第二關節(jié)和第三關節(jié)之間分別添加了兩個扭簧和，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 抓取的實現(xiàn)過程 圖3-1演

39、示的是通過Adams軟件仿真手指包絡抓取一個直徑為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，隨著電機的轉動，手指的第一關節(jié)接觸到物體并被限制運動，如b所示，第二、第三關節(jié)繼續(xù)在推力作用下運動，隨后完成包絡抓取過程。 3.2機器人手爪抓取的靜力學分析及優(yōu)化 圖3-2 三關節(jié)欠驅動手指包絡抓取的靜力學模型 文獻[2]對兩關節(jié)欠驅動手指包絡抓取模式下的力學性能進行了研究。本節(jié)重點研究三關節(jié)欠驅動手指包絡抓取模式下的靜力學性能。圖3-2為三關節(jié)欠驅動手指的包絡抓取機構靜力學模型。從圖中可以看出，手指是由兩套四連桿機構串聯(lián)起來的。通過分析手指的靜力學模型，可以得到輸入扭矩

40、和施加到物體上的力之間的關系。分析靜力學問題的基本原理是虛功原理，它闡明力學系統(tǒng)保持靜力平衡的充要條件。 為了確定和的關系，在圖3-2中，手指三個關節(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線的交點，桿和的速度瞬心為和的延長線的交點，圖中，是和的延長線的交角，是和的延長線的交角。 這里，由于組成手指的連桿機構尺寸較小，這里主要針對三關節(jié)手指里的剛性板○1和○2(見圖2-5)在Ansys里進行減輕重量的結構優(yōu)化，優(yōu)化目標函數(shù)是將重量減輕40%。優(yōu)化后的食指相關參數(shù)見表3-1，初步優(yōu)化后的食指建模如圖3-3所示。對于優(yōu)化后的食指，根據(jù)靜力學相關知識，借助Ansys軟件，首先將

41、初步設計的食指模型無縫插入到Ansys中進行整體的剛體動力學仿真，根據(jù)動力學仿真的結果，選取某一個對機構影響大的時刻，將該時刻模型的位移、約束載荷等導出，作為后續(xù)的靜力學分析的輸入?yún)?shù)，從而實現(xiàn)了對機構的每一部分的靜力學分析，初步優(yōu)化后的動力學仿真Ansys模型見圖3-4，圖3-5到圖3-13是相應的靜力學分析結果。 表3-1 優(yōu)化后的食指尺寸參數(shù) 符號 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，最大等效應變?yōu)?.7394e-9

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

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

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

45、時還能夠滿足需要的強度條件，未出現(xiàn)危險點，所以該設計和優(yōu)化是可靠可行的。 在食指結構優(yōu)化的基礎上，由于拇指結構和食指結構的相似性，可以將食指的設計派生到拇指上，從而可以大大縮短設計周期。拇指設計參數(shù)及結構見圖3-14，根據(jù)仿生學和統(tǒng)計學的理論以及食指設計的經(jīng)驗，拇指設計的相關參數(shù)見表3-2，拇指建模如圖3-15所示。 圖3-14 拇指設計參數(shù)及結構 表3-2 拇指設計的相關參數(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 手指設計、傳動方式、驅動源等確定后，手爪的整體裝配圖模型見圖3-16。 3-16 欠驅

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

47、物體的限制不斷波動，但從傅立葉轉換后的圖形中可以看出其波動是穩(wěn)定的。 3.4 欠驅動手爪整體抓取仿真 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 欠驅動手爪總裝配體的仿真抓取 3.5 本章小結 在本章中，我們對前面初步設計的食指結構，根據(jù)虛功原理建立了準靜力學模型，通過Ansys軟件首先對模型進行動力學仿真，再進一步得到靜力學分析結果，驗證了手指設計的可靠性。同時，經(jīng)過Ansys的優(yōu)化功能對模型進行了初步的優(yōu)化設計。再借助于Adams軟件對單根手指模型進行了動力學仿真，得到運動學分析的結果，最后再對手爪整體進行了抓取仿真，從

48、仿真的結果來看，該設計是可靠可行的。 4 自適應欠驅動機械手欠驅手指的二次優(yōu)化 第三章利用Ansys的優(yōu)化功能對手指結構進行了初步的優(yōu)化設計。 這里將結合相關工程實踐經(jīng)驗進行二次優(yōu)化，并對二次優(yōu)化模型的靜態(tài)分析和動態(tài)分析進行驗證。 此外，還從實際生產加工安裝問題出發(fā)，對手爪的相關具體結構的設計進行了探討。 4.1 手指結構的二次優(yōu)化以及分析 前面經(jīng)過對手指的初步優(yōu)化，通過相應的動力學分析、靜力學分析、運動學分析，綜合分析了手爪的結構可靠性和抓取穩(wěn)定性，這里結合相關的工程設計經(jīng)驗以及理論知識，進一步對前面設計的欠驅動手爪進行優(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、對比分析可以看出二次優(yōu)化后的手指結構避免了之前設計中的不必要的材料浪費和結構上的冗余，不僅使得結構更加簡單，更降低了手爪整體的重量，使欠驅動手爪的抓取性能得到進一步的優(yōu)化。 圖4-1 二次優(yōu)化后的食指 參照前面的方法，通過Ansys軟件對二次優(yōu)化后的食指進行動力學分析、靜力學分析，圖4-3是對應的動力學分析模型，圖4-4到圖4-12是相應的靜力學分析結果。 圖4-2 二次優(yōu)化后的大拇指 圖4-3 二次優(yōu)化后的動力學分析模型 圖4-4 連桿1的靜力學分析 從圖中可以看出，連桿1的最大的變形量為1.8614e-6mm，最大等效應變?yōu)?.2816e-8，最大等效應力為6.

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

51、428e-8，最大等效應力為1.1425e-2Mpa，從強度條件考慮，該結構是安全的。 圖4-8 連桿5的靜力學分析 由于連桿5、6、7、8在結構上的對稱性和相似性，這里只對連桿5進行了靜力學分析。從圖中可以看出，連桿5的最大的變形量為1.0127e-6mm，最大等效應變?yōu)?.2585e-8，最大等效應力為8.142e-3Mpa，從強度條件考慮，該結構是安全可靠的。 圖4-9 連桿9的靜力學分析 從圖中可以看出，連桿9的最大的變形量為1.3013e-6mm，最大等效應變?yōu)?.0938e-7，最大等效應力為2.1756e-2Mpa，從強度條件考慮，該結構是可靠的。 圖4-1

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

53、構是安全可靠的。 4.2 其他結構 考慮到欠驅動手爪整體的加工和安裝等問題，這里將對手指以外的其他結構的加工以及安裝的細節(jié)進行設計，首先欠驅動機器人手爪整體建模如圖4-13。 圖4-13 欠驅動手爪總體裝配圖 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、滑軌以及電機等。主手掌總長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、滑軌以及電機等。 4.2.3 附件 (1)扭簧 前文中提到過，為了實現(xiàn)多關節(jié)欠驅動手指在抓取物體時各個關節(jié)先后

54、接觸，在相鄰的兩個關節(jié)之間加入了扭簧，扭簧材料為65Mn。圖4-16是介于關節(jié)1和關節(jié)2之間的雙扭簧1，扭轉剛度是0.1Nm，初始角度為58，圖4-17是介于關節(jié)2和關節(jié)3之間的雙扭簧2，扭轉剛度是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節(jié)和手掌，確定手指在手掌中的位置，材料為45號鋼，模型見圖4-18。 圖4-18 連接塊圖4-19 滑動導軌 (3)滑動導軌 考慮到滑軌的制作簡單和安裝方便，采用如圖4-19簡單可行的滑軌設計，滑軌導程為32mm，45號鋼材料。 (4)螺母 基于上面的滑軌設計

55、，不得不對先前的螺母設計更改如圖4-20，螺紋孔直徑為與電機輸出軸導螺桿相配合的M3。 (5)電機座 這里根據(jù)電機的選型自行設計了配套的電機座，見圖4-21。 圖4-20 螺母圖4-21 電機座 4.3 連接方式設計 4.3.1 關節(jié)之間的連接 考慮關節(jié)之間的配合對于抓取運動的性能影響，本文采用鉚釘連接的方式， 20號鋼材料。 4.3.2 附件與手掌的連接 為了實現(xiàn)手爪的小巧性，所以相關的結構的尺寸也比較小，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現(xiàn)相對轉動，即附加在大拇指整體上的轉動自由度，而主手掌和副手掌之間由于承載著大量的結構和手指的作用，所以要選擇一個強度可靠的連接方式，這里參考合頁的設計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號鋼。 4.4仿真結果及分析 4.4.1 結果曲線 關節(jié)角是機械手運動學的重要參數(shù)，在此我們提取了各個關節(jié)的角位移、角速度、角加速度變化規(guī)律和各個關節(jié)的驅動力矩變化規(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，可見各關節(jié)運轉正常，機械手運行平穩(wěn)，速度和加速度穩(wěn)定。 從圖的角加速度曲線。 4-24，可以看出各關節(jié)的加速度在起動和停止階段都有突變。 加速在啟動階段從零到最大，在停止階段從最大到零。 在正常運行階段，角加速度變化平穩(wěn)，大致呈線性。 由于重力的考慮，各關節(jié)的角加速度是重力和驅動力矩共同作用的結果。 從圖中可以看出。 4-23，各關節(jié)驅動力矩變化平穩(wěn)，無沖擊現(xiàn)象。 實際上，在各個關節(jié)的啟停階段，驅動力矩也有一個小的波動。 但由于突變很小，可以忽略不計，因此可以認為在機械手整個運行階段，驅動力矩變

58、化平穩(wěn)，沒有沖擊載荷，即運動軌跡設置。 4.5 本章小結 本章根據(jù)相關工程經(jīng)驗對前面設計的欠驅動夾持器進行了二次優(yōu)化，通過對二次優(yōu)化后的模型進行靜態(tài)分析和動態(tài)分析，分析結果表明二次優(yōu)化后的模型不僅能滿足設計要求，而且大大簡化了結構，減輕了夾持器的重量，進一步保證了可靠的抓取性能。 然后從生產，加工，安裝等實際問題出發(fā)，對手爪相關結構的設計進行了探討和設計。 最后，通過對二次優(yōu)化后的欠驅動夾持器整體進行仿真，驗證了夾持設計的可靠性和穩(wěn)定性。 結論 在工業(yè)自動化中，傳統(tǒng)的機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。 針對手指自由度與驅動，重

59、量與柔性之間的矛盾，提出了欠驅動機構。 自適應欠驅動機器人夾持器是一種新型的多用途夾持器。 這種手爪的特點是驅動元件數(shù)少于手指關節(jié)的自由度數(shù)，整個手爪的驅動元件數(shù)較少，降低了結構和操作的復雜性，具有控制方便，抓取范圍廣等優(yōu)點。本文設計的自適應機器人手爪是一種模仿人體手指形狀，結構和功能的機械手。它能根據(jù)抓取對象被動或主動地調整夾持器姿態(tài)，從而獲得最優(yōu)抓取。 從仿生學和人機工程學的角度來看，該機器人的夾持器結構緊湊，效率高，可以滿足服務或工業(yè)機器人在不同場合的多種應用。 參考文獻 [1]王遵富. 基于手部抓取行為分析的柔性機械手指設計研究[D].華南理工大學,2019. [2]

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