形狀自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手爪畢業(yè)論文

1、 . . . 畢畢業(yè)業(yè)設(shè)設(shè)計計（論論文文）題 目 形狀自適應(yīng)欠驅(qū)動機(jī)器人手爪的設(shè)計與分析專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計制造與其自動化學(xué) 號 學(xué) 生 指 導(dǎo) 教 師答 辯 日 期 . . . / 46摘摘 要要隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的自動化程度越來越高，機(jī)器人在工業(yè)自動化中的應(yīng)用也愈加普遍。目前，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的末端夾持裝置存在著靈活性差，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，無法達(dá)到FMS生產(chǎn)線上對于靈活和精細(xì)操作的要求。為此，本文根據(jù)國外的新型欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀，結(jié)合本課題的具體要求，對具有形狀自適應(yīng)的欠驅(qū)動機(jī)器人手爪進(jìn)行了設(shè)計與分析。首先，根據(jù)國外研究現(xiàn)狀的分析與綜述

2、，結(jié)合本課題具體要求，采用人手仿生學(xué)和欠驅(qū)動理論設(shè)計了與成年人手形狀相似大小相仿的單根手指 3 自由度的五指機(jī)器人手，由 6 個電機(jī)驅(qū)動。其次，采用多連桿傳動，剛度好、出力大、負(fù)載能力強(qiáng)。手指結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，具有形狀自適應(yīng)性。再次，根據(jù)虛功原理，借助于 Ansys 和 Adams 軟件，實(shí)現(xiàn)對手指的靜力學(xué)分析、運(yùn)動學(xué)分析、動力學(xué)分析、仿真和優(yōu)化設(shè)計，再結(jié)合工程實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計對手指進(jìn)行二次優(yōu)化。最后，通過仿真，二次優(yōu)化后的欠驅(qū)動機(jī)器人手能夠?qū)崿F(xiàn)對于球形、圓柱形以與不規(guī)則形狀的物體可靠的包絡(luò)抓取。關(guān)鍵詞：仿人機(jī)器人手；欠驅(qū)動；靜力學(xué)分析；運(yùn)動學(xué)分析；動力學(xué)分析；仿真優(yōu)化設(shè)計 . . . I /

3、 46各位如果需要此設(shè)計的全套容（包各位如果需要此設(shè)計的全套容（包括二維圖紙、中英文翻譯、完整版論文、括二維圖紙、中英文翻譯、完整版論文、程序、答辯程序、答辯 PPTPPT）可加）可加 695939903695939903，如果需要代做也請加上述如果需要代做也請加上述 , ,代做免費(fèi)代做免費(fèi)講解。講解。 . . . II / 46AbstractAbstractWith the development of science and technology ,the degree of automation in the field of industrial robots become high

4、er and higher and the application of robot in ind- ustrial automation has become more and more widespread .At present ,the clamping device of traditional industrial robot has such disadvantages like inflexibility ,low gra- sping accuracy ,poor stability、reliability、versatility and there is no reliab

5、le output force .The requirements of flexible and accurate operation can not be achieved in the production line of FMS because of these drawbacks. in this paper ,a new shape self- adaptive underactuated robotic hand is designed and analysed according to the domestic and abroad research status combin

6、ed with the specific requirements of this project.Firstly ,according to the analysis and outline of domestic and abroad research sta- tus with the consideration of the requirements of this project ,a human-like five-fingered robotic hand which has three degree-of-freedom on each finger is designed b

7、ased on bionics of human hand and underactuated theory and its driven by six motors .Secondly ,multi-bar transmission is adopted with the advantage of better stiffness、larger output force and higher load capacity .With a light weight and shape self-adapt- ation , the underactuated finger has a simpl

8、e structure .Thirdly , static analysis、kinematic analysis、dynamic analysis、simulation and optimized designing are achieved according to virtual power theory with the help of Ansys and Adams software and quadratic optimization is developed based on the exp- eriences in engineering practice .Lastly ,

9、the underactuated robotic hand after quadratic optimization can steadily grasp things that are spherical、cylinderical and irregular shape through simulation. . . . III / 46Keywords:Keywords:underactuated, human-like five-fingered robotic hand, Static analysis，kinematic analysis，dynamic analysis，simu

10、lation，optimized designing . . . IV / 46目目 錄錄摘摘 要要IABSTRACTABSTRACTII第第 1 1 章章 緒緒 論論1.1 課題來源和背景 11.2 研究目的和意義 11.3 國外的研究現(xiàn)狀與分析 21.4 主要研究容 3第第 2 2 章章 機(jī)器人仿人手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計機(jī)器人仿人手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 引言 52.2 仿生學(xué)在手爪設(shè)計上的應(yīng)用 52.2.1 仿生學(xué)概述 52.2.2 人手的生理結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 62.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 72.4 食指設(shè)計 82.4.1 食指結(jié)構(gòu)設(shè)計 82.4.2 食指尺寸設(shè)計 82.5 拇指設(shè)計 92.6 手指的模塊化設(shè)計

11、102.7 手掌設(shè)計 102.8 驅(qū)動與傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計 112.8.1 驅(qū)動源 112.8.2 傳動方式 122.9 本章小結(jié) 12第第 3 3 章章 機(jī)器人手爪的抓取仿真與分析機(jī)器人手爪的抓取仿真與分析3.1 引言 1333.2 包絡(luò)抓取的實(shí)現(xiàn) 1333.3 機(jī)器人手爪抓取的靜力學(xué)分析與優(yōu)化 1443.4 機(jī)器人手爪抓取的運(yùn)動學(xué)分析 2113.5 機(jī)器人手爪抓取的動力學(xué)分析 266 . . . V / 463.6 欠驅(qū)動手爪整體抓取仿真 293.7 本章小結(jié) 300第第 4 4 章章 欠驅(qū)動手指的二次優(yōu)化與其他結(jié)構(gòu)設(shè)計欠驅(qū)動手指的二次優(yōu)化與其他結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1 引言 3114.2 手指結(jié)構(gòu)的二

12、次優(yōu)化以與分析 3114.3 其他結(jié)構(gòu) 3554.3.1 主手掌 3564.3.2 副手掌 3664.3.3 附件 3664.4 連接方式設(shè)計 384.4.1 關(guān)節(jié)之間的連接 384.4.2 附件與手掌的連接.384.4.3 主手掌和副手掌的連接 384.5 整體抓取仿真 384.6 本章小結(jié) 400結(jié)結(jié) 論論411參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)422致致 444 . . . 0 / 46第第 1 1 章章 緒緒 論論1.1 課題來源和背景本課題來源于863計劃國家重點(diǎn)項(xiàng)目。通常，工業(yè)自動化中使用的機(jī)器人由大臂和簡單的夾持器組成，此類機(jī)器人對于要現(xiàn)符合大圍運(yùn)動作業(yè)是有效的，但卻不能實(shí)現(xiàn)諸如裝配之類的要求對負(fù)

13、荷進(jìn)行精細(xì)調(diào)整的作業(yè)。出現(xiàn)這種情況的主要原因是傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的末端夾持裝置存在著靈活性差，抓取精度低，穩(wěn)定性、可靠性和通用性差，沒有精確的力控制等缺點(diǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到在柔性生產(chǎn)線上進(jìn)行各種靈活和精細(xì)操作的要求1。機(jī)器人末端夾持器主要分為兩大類：一類是多用途手爪，其中以多指靈巧手為主；另一類是滿足特定任務(wù)的專用夾持器。多指靈巧手形狀適應(yīng)能力強(qiáng)，但是采用了大量的串聯(lián)關(guān)節(jié)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制困難、負(fù)載能力差、可靠性低等缺點(diǎn)。而專用夾持器雖然結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、負(fù)載能力強(qiáng)、可靠性高，但是僅對少量特定形狀的物體適用2。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，很多具有精確抓取和操作功能的靈巧手相繼問世，如Utah/MIT 手、N

14、ASA 手、DLR 手、Stanford/JPL手等。另一類結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，功能相對簡單的機(jī)械手也相繼研制出來，如Southampton 手、TBM 手、OTTOBOCK 手。近年來針對手指的自由度和驅(qū)動，重量和靈活性之間的矛盾，國外提出欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)，具有形狀自適應(yīng)的欠驅(qū)動機(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)動元件數(shù)少于手指關(guān)節(jié)的自由度數(shù)。每個手指只有一個驅(qū)動源，整個手爪的驅(qū)動元件的數(shù)量少，降低了結(jié)構(gòu)和操作的復(fù)雜性，具有控制方便，抓取圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)2。1.2 研究目的和意義本文設(shè)計的具有形狀自適應(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，它可以根據(jù)抓取物體形狀被動或主

15、動調(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)器人在不同場合下的多種應(yīng)用。欠驅(qū)動機(jī)械手具有簡化控制、減輕重量、降低能耗與降低制作成本等優(yōu)點(diǎn)。研究欠驅(qū)動手指機(jī)構(gòu)與其分析與設(shè)計理論，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、抓持力大、操作簡單 . . . 1 / 46的新型欠驅(qū)動機(jī)器人手指，在工業(yè)機(jī)器人、擬人機(jī)器人、人體假肢與航天機(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。1.3 國外的研究現(xiàn)狀與分析機(jī)器人手爪作為機(jī)器人與環(huán)境相互作用的最后環(huán)節(jié)和執(zhí)行部件，對提高機(jī)器人智能化水平和作業(yè)水平有著重要的作用。抓取和操作的靈活性、精確性和適應(yīng)性是衡

16、量手爪設(shè)計水平的一個重要的標(biāo)志。近幾十年來，國外已經(jīng)研制出各類型的機(jī)器人手爪。這些手爪分為專用和通用兩類。專用手爪制造簡單，易于控制，抓取力較大，但只針對特定對象而設(shè)計，缺乏通用性；通用手爪中研究比較多的是多指靈巧手，這類靈巧手的每個關(guān)節(jié)一般可以獨(dú)立控制，但是由于采用大量的串聯(lián)關(guān)節(jié)，使手爪的可靠性受到影響4。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，附加一個手指位置旋轉(zhuǎn)自由度，該手爪共有10個自由度，只用兩個電機(jī)驅(qū)動，一個電機(jī)負(fù)責(zé)三個手指的開合；另一個負(fù)責(zé)調(diào)整手指方向，使其能采取

17、不同的抓取姿勢抓取物體，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)動的方式完成包絡(luò)抓取2，4。其結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。圖 1-1 SARAH 手爪模型圖國從事機(jī)器人手爪研究的主要有清華大學(xué)、理工大學(xué)和工業(yè)大學(xué)以與國防科技大學(xué)等單位。工業(yè)大學(xué)的史士旺等人在2004年，采用欠驅(qū)動自適應(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)計的機(jī)器人手結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，適應(yīng)性強(qiáng)，五個手指的重量約為500g。整個機(jī)器人手共有3個電機(jī)，分別驅(qū)動拇指、食指和中指。無名指和小指沒有驅(qū)動器，它們是由中指通過同步帶來驅(qū)動的。它既可以用 . . . 2 / 46于仿人機(jī)器人末端操作器，也可以應(yīng)

18、用于殘疾人假手5。其結(jié)構(gòu)如圖1-2和圖1-3所示。圖1-2 拇指結(jié)構(gòu) 圖1-3 其它四指結(jié)構(gòu)從國外研究發(fā)展趨勢來看，早期研究多采用兩指欠驅(qū)動手爪，但是這種結(jié)構(gòu)的欠驅(qū)動手爪在包絡(luò)抓取過程中，會出現(xiàn)接觸點(diǎn)脫離的現(xiàn)象，這也正是由于欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)的特殊性引起的，其根本原因在于欠驅(qū)動本身，在某個時刻完成抓取行為達(dá)到平衡位置以后，由于手指的每個關(guān)節(jié)仍然具有局部運(yùn)動自由度的可能，使得抓取物體時存在多種可能的抓取構(gòu)型，當(dāng)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(diǎn)，從仿生學(xué)的角度，現(xiàn)如今的欠驅(qū)動手爪多采用三關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，并且從兩個手指到三個手指，發(fā)展

19、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。1.4 主要研究容(1)機(jī)器人手爪機(jī)械本體設(shè)計根據(jù)研究指標(biāo)，本文選擇對三關(guān)節(jié)欠驅(qū)動手指進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，手爪采用仿人五指的總體結(jié)構(gòu)，主要機(jī)構(gòu)是形狀自適應(yīng)欠驅(qū)動手指。形狀自適應(yīng)欠驅(qū)動手指由倆個四邊形和一個三角形連桿機(jī)構(gòu)組成。(2)靜力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化根據(jù)虛功原理，建立靜力學(xué)方程，進(jìn)行靜力學(xué)分析。每個手指的設(shè)計變量眾多，而且約束條件也很多，故選擇使用 matlab 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理算法的設(shè)計，從眾多的尺寸數(shù)據(jù)中選擇比較合理的一組數(shù)據(jù)，使得手爪在抓取物體時，手指的抓取力分布比較合理，本文采用優(yōu)化算法來確定手指機(jī)構(gòu)尺寸。 . . . 3 / 46

20、(3)機(jī)器人手爪運(yùn)動學(xué)分析首先使用 Solidworks 軟件對優(yōu)化后的機(jī)械結(jié)構(gòu)建立模型，再利用Solidworks 和 Adams 的無縫連接插件，將 3D 模型導(dǎo)入到 Adams，對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，主要研究機(jī)構(gòu)的位置和姿態(tài)情況，求解機(jī)構(gòu)的位移、速度與加速度信息、應(yīng)力和應(yīng)變分析，在滿足要求的負(fù)載的條件下，進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)器人手爪結(jié)構(gòu)。(4)機(jī)器人手爪動力學(xué)分析關(guān)于欠驅(qū)動機(jī)器人手爪的動力學(xué)分析，不管是在國還是在國外，這方面都還是個欠缺，本文將通過 Adams 軟件對模型建立動力學(xué)仿真，用來確定時變載荷對整個結(jié)構(gòu)或部件的影響，同時還要考慮阻尼與慣性效應(yīng)的作用。 . . . 4 / 46第第

21、2 2 章章 機(jī)器人仿人手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計機(jī)器人仿人手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 引言機(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。本章主要對機(jī)器人手爪的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，在充分考慮實(shí)現(xiàn)較多抓取模式的前提下，設(shè)計了一種基于欠驅(qū)動手指結(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)。2.2 仿生學(xué)在手爪設(shè)計上的應(yīng)用2.2.1 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，人們通過對自然的觀察，已經(jīng)認(rèn)識到自然界的生物對于新技術(shù)的開辟具有重要的啟發(fā)性，

22、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)科的理論知識以與相關(guān)技術(shù)模型對生物系統(tǒng)開展了深入的研究。生物學(xué)家和工程師們的積極合作，大大推動了仿生學(xué)在各個領(lǐng)域的發(fā)展，同時也不斷從生物界獲得寶貴的知識實(shí)現(xiàn)了對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。圖 2-1 仿生飛行器 圖 2-2 仿生魚簡言之，仿生學(xué)就是模仿生物對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)以與產(chǎn)生的機(jī)理，并把它進(jìn)行模式化設(shè)計推

23、廣運(yùn)用，然后運(yùn)用這些原理去設(shè)計制 . . . 5 / 46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階段：首先是對生物原型的研究。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化，運(yùn)用對技術(shù)有利的方面而消除與生產(chǎn)技術(shù)無關(guān)的因素，得到一個簡化的生物原型；第二階段是對生物模型進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，并使其在的聯(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

24、能的學(xué)科。從仿生學(xué)的角度考慮機(jī)器人手爪的設(shè)計，很自然的就能想到我們?nèi)祟愖约旱氖?，機(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)計機(jī)器人手爪時的重要參照對象。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)這個目標(biāo)，如圖 2-3 和圖 2-4 所示。圖 2-3 NASA 手 圖 2-4 DLR 手2.2.2 人手的生理結(jié)構(gòu)特點(diǎn)醫(yī)學(xué)上，通過對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關(guān)節(jié)外，其余 4 個手指均具有 3 個關(guān)節(jié)。5 個手指分別

25、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)，但近似屈曲關(guān)節(jié)，主要作屈伸運(yùn)動，拇指掌指關(guān)節(jié)的屈曲圍為 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)動是側(cè)擺和屈曲，此外還可以作有限度的被動旋轉(zhuǎn)活動，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 0-9010。 . . . 6 / 46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 圍，手掌寬度

26、在 80mm-90mm，手掌長度在 100mm-110mm，而且每個手指的各關(guān)節(jié)長度由手掌向外依次變短10。2.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計仿人機(jī)器人手爪的設(shè)計主要包括整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、手指結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動與傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計、手掌結(jié)構(gòu)設(shè)計，本設(shè)計并不包括控制系統(tǒng)的設(shè)計。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)動副聯(lián)結(jié)以產(chǎn)生確定的相對運(yùn)動。常見的運(yùn)動副有移動副、轉(zhuǎn)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(yīng)的自由度數(shù)為 1、1、1 和 3.由于欠驅(qū)動機(jī)器人手爪中各運(yùn)動副的運(yùn)動變量都要借助于驅(qū)動器來實(shí)現(xiàn)，一方面對于多于一個自由度的運(yùn)動副控制起來很不方便；

27、另一方面，無論是轉(zhuǎn)動的驅(qū)動器或移動的驅(qū)動器又大多為一個自由度，所以在機(jī)器人手爪中所采用的運(yùn)動副類型，大多數(shù)只有轉(zhuǎn)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(chǎn)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?qū)崿F(xiàn)抓取穩(wěn)定。因此，二個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，無法完成對目標(biāo)物體的微細(xì)或者復(fù)雜的操作，因?yàn)樵谘刂鴥蓚€接觸點(diǎn)連線的軸線方向上目標(biāo)物體是存在著轉(zhuǎn)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(shí)際出發(fā)二個手指的手爪結(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)

28、現(xiàn)穩(wěn)定抓取，考慮到人手有 5 個手指，并且能夠?qū)崿F(xiàn)很多復(fù)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(xué)的思想設(shè)計了五個手指的機(jī)器人手爪，以獲得較好的抓取穩(wěn)定性和靈巧性。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(wù)。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(guān)節(jié)自由度加上 1 個拇指機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)自由度，整個手爪

29、具有 15 個自由度。2.4 食指設(shè)計 . . . 7 / 462.4.1 食指結(jié)構(gòu)設(shè)計在前面我們對比討論了全驅(qū)動和欠驅(qū)動結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，經(jīng)過對比分析我們選擇了欠驅(qū)動結(jié)構(gòu)的手指。采用欠驅(qū)動結(jié)構(gòu)可以使手指具有出力大、負(fù)載能力強(qiáng)、靈活性好、尺寸小等特點(diǎn)，對多種形狀的物體具有適應(yīng)性，擴(kuò)大了抓取圍，而且在保持多個自由度的前提下，可以將驅(qū)動元件數(shù)量減少到最少，簡化了驅(qū)動和控制結(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)動手指的自適應(yīng)能力會比兩個關(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

30、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)計主要參考人類手指，采用具有三個自由度的三個關(guān)節(jié)欠驅(qū)動手指機(jī)構(gòu)。根據(jù)機(jī)構(gòu)的自由度公式可以得出具有個關(guān)節(jié)的手指的自由度為：n (2-1)32LHdofmPP式中：活動構(gòu)件數(shù)；m低副數(shù)量；LP高副的數(shù)量，這里沒有高副，所以。HP0HP 這里三角形看成是剛性結(jié)構(gòu)。由計算可以看出：對于三關(guān)節(jié)手指來說，而每個手指由一個電機(jī)驅(qū)動，即只有一個動力源，所以每個手指存在 23dof 個欠驅(qū)動度。2.4.2 食指尺寸設(shè)計手指的尺寸設(shè)計主要包括關(guān)節(jié)尺寸和包絡(luò)機(jī)構(gòu)尺寸。手指關(guān)節(jié)的長度和寬度采用近似人手關(guān)節(jié)尺寸的設(shè)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(guān)節(jié)包

31、絡(luò)機(jī)構(gòu)的連桿尺寸。在設(shè)計關(guān)節(jié)尺寸之前，擬定抓取物體的圍為直徑 40-60mm，抓取圍大致是從乒乓球到普通飲料水瓶的大小。食指設(shè)計參數(shù)與結(jié)構(gòu)見圖 2-5，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，結(jié)合參考文獻(xiàn)11，初步設(shè)計食指的各個尺寸參數(shù)如表 2-1。初步設(shè)計的食指模型見圖2-6。 . . . 8 / 46圖 2-5 食指設(shè)計參數(shù)與結(jié)構(gòu)表 2-1 食指尺寸參數(shù)初步計算符號lmn1a1b1c2a2b2c12數(shù)值3025231028.32010232059121圖 2-6 食指初步建模圖2.5 拇指設(shè)計本文設(shè)計的是兩個關(guān)節(jié)的拇指，再加上拇指整體的轉(zhuǎn)動的自由度，所

32、以拇指也具有三個自由度。拇指的結(jié)構(gòu)和尺寸將會在對食指首先進(jìn)行設(shè)計和分析優(yōu)化后再做具體設(shè)計。 . . . 9 / 462.6 手指的模塊化設(shè)計本設(shè)計中的欠驅(qū)動機(jī)器人手爪的食指、中指、無名指、小指采用模塊化設(shè)計思想，均為一樣的尺寸和結(jié)構(gòu)，只是在手掌的布置不同。所謂的模塊化設(shè)計就是使用模塊的概念對產(chǎn)品或系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計和組織生產(chǎn)，模塊是模塊化產(chǎn)品的基本元素，是一種實(shí)體的概念，它是一組同時具有一樣功能和一樣結(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

33、利于縮短產(chǎn)品的設(shè)計、制造和供貨周期。2.7 手掌設(shè)計就目前已經(jīng)研制出來的機(jī)器人手爪來看，可以發(fā)現(xiàn)，有些機(jī)器人手爪具有手掌，有的卻沒有。一般來說，專用的夾持器大都沒有手掌，而仿人機(jī)器人手爪大多是有手掌的。但是，目前大多數(shù)設(shè)計出來的手掌都是與人手不同的，其區(qū)別表現(xiàn)在：人的手掌是由 5 個手指的掌骨通過肌肉皮膚連接起來的，其形狀可以在一定圍變動，比如握直長的鋼管時手掌中的食指、中指、無名指和小指的掌骨基本處于同一平面，而在抓取乒乓球等這樣的球狀物體的時候，上述四指的掌骨則構(gòu)成曲面；而目前設(shè)計出來的大多數(shù)的手掌都是剛性結(jié)構(gòu)，不能像人手一樣靈活發(fā)生形狀的改變，適應(yīng)性、靈活性自然沒有人手好。前文提到的 O

34、kada 手爪是沒有手掌的，而 UtahMIT、NASA、和 HITDLR 具有剛性結(jié)構(gòu)的手掌13-14。在本文中設(shè)計的手爪是帶有手掌的，但同樣是不能改變構(gòu)型的剛性結(jié)構(gòu)的手掌。本設(shè)計中的機(jī)器人手爪的手腕部分是沒有自由度的，只起到連接手臂和手爪的作用,所設(shè)計的機(jī)器人手爪的整體結(jié)構(gòu)如圖 2-7 所示。圖 2-7 手掌建模圖 . . . 10 / 462.8 驅(qū)動與傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計2.8.1 驅(qū)動源驅(qū)動源的形式主要有電機(jī)驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、形狀記憶合金和其他新型驅(qū)動等。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)動源和傳動方式。為了選擇出合適的驅(qū)動源，需要綜合考慮抓取力、手爪的尺寸大小和質(zhì)量

35、、操作方便性和成本等。目前機(jī)器人手爪常見的驅(qū)動源主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、和電機(jī)驅(qū)動，與其它新型的驅(qū)動能源15。液壓驅(qū)動：可以獲得較大的操作力，能驅(qū)動較大的負(fù)載，但是需要一種液壓動力裝置將電能轉(zhuǎn)換成液壓能，因此會導(dǎo)致驅(qū)動裝置體積大、成本高和易受污染。氣壓驅(qū)動：在所有的驅(qū)動方式中，氣壓驅(qū)動相對簡單，在工業(yè)上應(yīng)用很廣泛。其主要優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、易于編程、重量輕和成本低，但是精度不高，驅(qū)動裝置復(fù)雜。記憶合金驅(qū)動：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：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。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)

36、。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動是連續(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)是將脈沖信號轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動，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：如壓電瓷驅(qū)動、啟動肌肉驅(qū)動和可伸縮聚合體驅(qū)動等，這些新型的驅(qū)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(qū)動方式的比較分析，電機(jī)驅(qū)動方式在負(fù)載小、操作力不大時，相對于液壓和氣壓驅(qū)動有較大的優(yōu)越性，故本文采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式。但若選擇電機(jī)作為驅(qū)動元件，目前的電機(jī)轉(zhuǎn)速一般都較高，要得到對手

37、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)計中，5 個手指的驅(qū)動電機(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)成螺紋傳動副， . . . 11 / 46從而將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動控制手指的開合，同時電機(jī)的轉(zhuǎn)速也可以控制在適合手指抓取的圍。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)金順金順 16GA-05016GA-050 微型直流減速電機(jī)微型直流減速電機(jī)(DC24.0V(DC2

38、4.0V 16000RPM)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)電流起動電壓i()RPM()mA()g cm()RPM()mA()kg cm()mA( )V1：36044.475432033.323019.84502.52.8.2 傳動方式目前，傳動方式主要有鍵、繩索與滑輪、鋼絲、連桿傳動和齒輪傳動等。鍵傳動的運(yùn)用理論已經(jīng)比較成熟，包括建的柔性補(bǔ)償?shù)?，但同時存在連接復(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)動和動力傳送，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

39、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，會使運(yùn)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(jī)構(gòu)傳動的優(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)動規(guī)律和運(yùn)動軌跡的要求，缺點(diǎn)是設(shè)計復(fù)雜10。雖然氣動人工肌肉(PMA)具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊的特點(diǎn)，但是與其配合使用的繩索滑輪的傳動方式具有力和運(yùn)動傳遞的剛性不足的固有特點(diǎn)，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(shè)計要求19-20。通過對比分析，顯然平面連桿機(jī)構(gòu)的傳動方式比較適合我們的設(shè)計。2.9 本章

40、小結(jié)通過對人手仿生學(xué)研究，在詳細(xì)分析機(jī)器人手爪結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對欠驅(qū)動機(jī)器人手爪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，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)動與傳動方式等。設(shè)計出的機(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)對物體的包絡(luò)抓取。 . . . 12 / 46第第 3 3 章章 機(jī)器人手爪的抓取仿真與分析機(jī)器人手爪的抓取仿真與分析3.1 引言在第 2 章中，我們設(shè)計了能夠?qū)崿F(xiàn)對物體進(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)動學(xué)分析、動力學(xué)分析、優(yōu)化設(shè)計等幾個方面詳細(xì)探討手爪在抓取物體時的特性。3.2 包絡(luò)抓取的實(shí)現(xiàn)包絡(luò)抓取就是手指的各個關(guān)節(jié)依次

41、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)動而實(shí)現(xiàn)抓取操作的過程。這里，為了保證手指的各個關(guān)節(jié)能夠相對于物體依次動作，在第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)之間以與第二關(guān)節(jié)和第三關(guān)節(jié)之間分別添加了兩個扭簧和，且。1k2k12kka 抓取初始狀態(tài) b 抓取中間狀態(tài) 1 c 抓取中間狀態(tài) 2 d 抓取中間狀態(tài) 3 e 抓取中間狀態(tài) 4 f 抓取結(jié)束狀態(tài) 圖 3-1 抓取的實(shí)現(xiàn)過程圖 3-1 演示的是通過 Adams 軟件仿真手指包絡(luò)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(jī)的轉(zhuǎn)動，手指的第一關(guān)節(jié)接觸到物體并被限制運(yùn)動，如 b 所示，第二、第三關(guān)

42、節(jié)繼續(xù)在推力作用下運(yùn)動，在 d 中，第二關(guān)節(jié)也與物體接觸并被限制運(yùn)動，此后第三關(guān)節(jié)繼續(xù)運(yùn)動，最后在 f 中三個關(guān)節(jié)均與物體接觸，完成包絡(luò)抓取過程。 . . . 13 / 463.3 機(jī)器人手爪抓取的靜力學(xué)分析與優(yōu)化圖 3-2 三關(guān)節(jié)欠驅(qū)動手指包絡(luò)抓取的靜力學(xué)模型文獻(xiàn)2對兩關(guān)節(jié)欠驅(qū)動手指包絡(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

43、統(tǒng)保持靜力平衡的充要條件。根據(jù)虛功原理： (3-1)TTT wF v式中:手指關(guān)節(jié)力矩向量；TT角速度向量；w接觸力向量，各力的方向與手指關(guān)節(jié)垂直，摩擦力不計；TF各關(guān)節(jié)與物體接觸點(diǎn)處速度沿垂直于指節(jié)方向的投影組成的向量。v進(jìn)一步可以得到: , , , (3-2)012TTTT23w123FFFF123vvvv根據(jù)剛體平面運(yùn)動可以推導(dǎo)出： (3-3) (3-4) (3-5) (3-6) (3-7)式中: 手指各關(guān)節(jié)接觸點(diǎn)到相應(yīng)的關(guān)節(jié)處的距離， =1，2，3。ili進(jìn)一步推導(dǎo)可以得到： (3-8) (3-9) (3-10) (3-11) . . . 14 / 46為了確定和的關(guān)系，在圖 3-2

44、中，手指三個關(guān)節(jié)均和物體相互接觸，根w據(jù)三心定理得桿和桿的速度瞬心為 和的延長線的交點(diǎn)，桿和的速1a1cl1b3o2a2c度瞬心為和的延長線的交點(diǎn)，圖中，是 和的延長線的交角，是m2b4o1l1b2和的延長線的交角。由角速度關(guān)系得：m2b (3-12)式中:、和的長度。1h2h1 3o o24o o (3-13) (3-14) (3-15) (3-16) (3-17)從而得到輸出力和輸入扭矩的關(guān)系： (3-18)這里，由于組成手指的連桿機(jī)構(gòu)尺寸較小，這里主要針對三關(guān)節(jié)手指里的剛性板和(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 1 2重量減輕 40%。優(yōu)化后的食指

45、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。對于優(yōu)化后的食指，根據(jù)靜力學(xué)相關(guān)知識，借助 Ansys 軟件，首先將初步設(shè)計的食指模型無縫插入到 Ansys 中進(jìn)行整體的剛體動力學(xué)仿真，根據(jù)動力學(xué)仿真的結(jié)果，選取某一個對機(jī)構(gòu)影響大的時刻，將該時刻模型的位移、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)了對機(jī)構(gòu)的每一部分的靜力學(xué)分析，初步優(yōu)化后的動力學(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lmn1a1b1c2a2b2c12數(shù)值30252315352515232020121 . . . 1

46、5 / 46圖 3-3 初步優(yōu)化后的食指模型圖 3-4 初步動力學(xué)仿真 Ansys 模型(1)變形圖 (2)等效應(yīng)變圖 (3)等效應(yīng)力圖圖 3-5 連桿 a1的靜力學(xué)分析從圖中可以看出，連桿 a1 的最大的變形量為 2.0513e-8mm，最大等效應(yīng)變?yōu)?.7394e-9，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。 . . . 16 / 46(1)變形圖 (2)等效應(yīng)變圖 (3)等效應(yīng)力圖圖 3-6 遠(yuǎn)指節(jié)的靜力學(xué)分析從圖中可以看出，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)

47、度條件考慮，該結(jié)構(gòu)是安全的。(1)變形圖 (2)等效應(yīng)變圖 (3)等效應(yīng)力圖圖 3-7 近指節(jié)的靜力學(xué)分析從圖中可以看出，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。(1)變形圖 (2)等效應(yīng)變圖 (3)等效應(yīng)力圖圖 3-8 中指節(jié)的靜力學(xué)分析 . . . 17 / 46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-4Mpa，從強(qiáng)度條件考慮，該結(jié)構(gòu)是安全可靠的。(1)變形圖 (2)等效應(yīng)變圖 (3)

48、等效應(yīng)力圖圖 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。(1)變形圖 (2)等效應(yīng)變圖 (3)等效應(yīng)力圖圖 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。 . . . 18 / 46(1)變形圖 (2)等效應(yīng)變圖 (3)等效應(yīng)力圖圖 3-11 連桿 b2的靜力學(xué)分

49、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)?.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。(1)變形圖 (2)等效應(yīng)變圖 (3)等效應(yīng)力圖圖 3-12 傳動桿 d 的靜力學(xué)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(yīng)變?yōu)?2.7187e-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。(1)變形圖 (2)等效應(yīng)變圖 (3)等效應(yīng)力圖圖 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

50、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)不僅簡單而且減輕了手指的重量，同時還能夠滿足需要的強(qiáng)度條件，未出現(xiàn)危險點(diǎn)，所以該設(shè)計和優(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)計派生到拇指上，從而可以大大縮短設(shè)計周期。拇指設(shè)計參數(shù)與結(jié)構(gòu)見圖 3- . . . 19 / 4614，根據(jù)仿生學(xué)和統(tǒng)計學(xué)的理論以與食指設(shè)計的經(jīng)驗(yàn)，拇指設(shè)計的相關(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)計參數(shù)與結(jié)構(gòu)表 3-2 拇指設(shè)計的相關(guān)參數(shù)參數(shù)

51、qrabc數(shù)值3028153525121圖 3-15 拇指建模手指設(shè)計、傳動方式、驅(qū)動源等確定后，手爪的整體裝配圖模型見圖 3-16。 . . . 20 / 463-16 欠驅(qū)動機(jī)器人手爪的總裝配圖3.4 機(jī)器人手爪抓取的運(yùn)動學(xué)分析這里通過 Adams 軟件對優(yōu)化后的手爪進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析和動力學(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)動學(xué)分析、動力學(xué)分析的 Adams 模型 . . . 21 / 46圖 3-18 第一關(guān)節(jié)角位移圖 3-19 第一關(guān)節(jié)的角速度與傅立葉變換圖 3-20 第一關(guān)節(jié)角加速度與傅立葉變換通過圖 3-18、圖 3-19、圖 3-20

52、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，但從傅立葉轉(zhuǎn)換后的圖形中可以看出其波動是穩(wěn)定的。圖 3-21 第二關(guān)節(jié)的角位移圖 3-22 第二關(guān)節(jié)的角速度與傅立葉變換圖 3-23 第二關(guān)節(jié)的角加速度與傅立葉變換通過圖 3-21、圖 3-22、圖 3-23 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物體的限制不斷波動，但從傅立葉轉(zhuǎn)換后的圖形中可以看出其波動是穩(wěn)定的。圖 3-24 第三關(guān)節(jié)角位移圖 3-25 第三關(guān)節(jié)角速度與傅立葉變換圖 3-26 第三關(guān)節(jié)角加速度與傅立葉變換通過圖 3-24

53、、圖 3-25、圖 3-26 可以發(fā)現(xiàn)第三關(guān)節(jié)在 70s 左右和物體接觸，角位移為 105左右，質(zhì)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(zhuǎn)換后的圖形中可以看出其波動是穩(wěn)定的。 . . . 22 / 46圖 3-27 扭簧 1 的角位移從圖 3-27 可以看出，介于關(guān)節(jié) 1 和關(guān)節(jié) 2 之間的扭簧在 18s 左右開始出現(xiàn)角位移，這與關(guān)節(jié) 1 開始和物體相接觸的時間是相互對應(yīng)的，最后的角位移約為80。從圖 3-28 可以看出，介于關(guān)節(jié) 2 和關(guān)節(jié) 3 之間的扭簧在 61s 左右開始出現(xiàn)明顯的角位移，這與關(guān)節(jié) 2 開始和物體相接觸的時間是相互對應(yīng)的，之前由于連桿的傳動力的作用會出現(xiàn)一定

54、較小的波動，最后的角位移約為 30。圖 3-28 扭簧 2 的角位移3.5 機(jī)器人手爪抓取的動力學(xué)分析圖 3-29 第一關(guān)節(jié)與物體的接觸力圖 3-30 第一關(guān)節(jié)與物體的接觸力矩從圖 3-29 和圖 3-30 可以看出，第一關(guān)節(jié)與物體在 18s 左右開始出現(xiàn)接觸力，這也正是與第一關(guān)節(jié)和物體在 18s 開始接觸相互對應(yīng)的，接觸力最大值大概為4.3N，比較第一關(guān)節(jié)與物體的接觸力和第一關(guān)節(jié)與物體的接觸力矩兩個圖像可以發(fā)現(xiàn)，兩者具有很大的相似性，因?yàn)樵诮佑|力的基礎(chǔ)上乘以相應(yīng)的力臂即可得到力矩，因此二者表現(xiàn)出相應(yīng)的相似性是和理論基礎(chǔ)相符的。圖 3-31 第二關(guān)節(jié)與物體的接觸力 . . . 23 / 46圖

55、 3-32 第二關(guān)節(jié)與物體的接觸力矩從圖 3-31 和圖 3-32 可以看出，第二關(guān)節(jié)與物體在 61s 左右開始出現(xiàn)接觸力，這也正是與第二關(guān)節(jié)和物體在 61s 開始接觸相互對應(yīng)的，接觸力最大值大概為1.0N，比較第二關(guān)節(jié)與物體的接觸力和第二關(guān)節(jié)與物體的接觸力矩兩個圖像可以發(fā)現(xiàn)，兩者具有很大的相似性，因?yàn)樵诮佑|力的基礎(chǔ)上乘以相應(yīng)的力臂即可得到力矩，因此二者而表現(xiàn)出相應(yīng)的相似性是和理論基礎(chǔ)相符的。圖 3-33 第三關(guān)節(jié)與物體的接觸力圖 3-34 第三關(guān)節(jié)與物體的接觸力矩從圖 3-33 和圖 3-34 可以看出，第三關(guān)節(jié)與物體在 70s 左右開始出現(xiàn)接觸力，這也正是與第三關(guān)節(jié)和物體在 70s 開始接

56、觸相互對應(yīng)的，接觸力最大值大概為1.4N，比較第三關(guān)節(jié)與物體的接觸力和第三關(guān)節(jié)與物體的接觸力矩兩個圖像可以發(fā)現(xiàn)，兩者具有很大的相似性，因?yàn)樵诮佑|力的基礎(chǔ)上乘以相應(yīng)的力臂即可得到力矩，因此二者而表現(xiàn)出相應(yīng)的相似性是和理論基礎(chǔ)相符的。從圖 3-35 可以看出，介于關(guān)節(jié) 1 和關(guān)節(jié) 2 之間的扭簧在 18s 左右開始出現(xiàn)明顯的扭矩變化，這與扭簧 1 開始出現(xiàn)角位移的時間是相互對應(yīng)的，扭矩最大值約為 15N*mm。圖 3-35 扭簧 1 的扭矩圖 3-36 扭簧 2 的扭矩 . . . 24 / 46從圖 3-36 可以看出，介于關(guān)節(jié) 2 和關(guān)節(jié) 3 之間的扭簧在 61s 左右開始出現(xiàn)明顯的扭矩變化，

57、這與扭簧 2 開始出現(xiàn)角位移的時間是相互對應(yīng)的，扭矩最大值約為 10.1N*mm。3.6 欠驅(qū)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 3-37。(1)抓取初始狀態(tài) (2)第一關(guān)節(jié)與物體接觸(3)第二關(guān)節(jié)與物體接觸 (4)抓取穩(wěn)定狀態(tài)圖 3-37 欠驅(qū)動手爪總裝配體的仿真抓取3.7 本章小結(jié)在本章中，我們對前面初步設(shè)計的食指結(jié)構(gòu)，根據(jù)虛功原理建立了準(zhǔn)靜力學(xué)模型，通過 Ansys 軟件首先對模型進(jìn)行動力學(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)計的可靠性。同時，經(jīng)過 Ansys 的優(yōu)化功能對模型進(jìn)行了初步的優(yōu)化設(shè)計。再借助于 Adams 軟件對單根手指模型進(jìn)行了動力學(xué)仿真，得

58、到運(yùn)動 . . . 25 / 46學(xué)分析的結(jié)果，最后再對手爪整體進(jìn)行了抓取仿真，從仿真的結(jié)果來看，該設(shè)計是可靠可行的。 . . . 26 / 46第第 4 4 章章 欠驅(qū)動手指的二次優(yōu)化欠驅(qū)動手指的二次優(yōu)化與其他結(jié)構(gòu)設(shè)計與其他結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1 引言在第 3 章中運(yùn)用 Ansys 的優(yōu)化功能對手指結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的優(yōu)化設(shè)計，這里將會結(jié)合相關(guān)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對其進(jìn)行二次優(yōu)化，并通過對二次優(yōu)化后的模型的靜力學(xué)分析、動力學(xué)分析進(jìn)行驗(yàn)證。并從實(shí)際的生產(chǎn)加工、安裝問題對手爪的相關(guān)具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行討論。4.2 手指結(jié)構(gòu)的二次優(yōu)化以與分析前面經(jīng)過對手指的初步優(yōu)化，通過相應(yīng)的動力學(xué)分析、靜力學(xué)分析、運(yùn)動學(xué)分析，綜合

59、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)計經(jīng)驗(yàn)以與理論知識，進(jìn)一步對前面設(shè)計的欠驅(qū)動手爪進(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，對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)更加簡單，更降低了手爪整體的重量，使欠驅(qū)動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 軟件對二次優(yōu)化后的食指進(jìn)行動力學(xué)分析、靜力學(xué)分析，圖 4-3 是對應(yīng)的動力學(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 . . . 27 /

60、 46圖 4-3 二次優(yōu)化后的動力學(xué)分析模型(1)變形圖 (2)等效應(yīng)變圖 (3)等效應(yīng)力圖圖 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 6.1382e-3Mpa，從強(qiáng)度條件考慮，該結(jié)構(gòu)是安全可靠的。(1)變形圖 (2)等效應(yīng)變圖 (3)等效應(yīng)力圖圖 4-5 連桿 2 的靜力學(xué)分析 . . . 28 / 46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。(1