形狀自適應欠驅動機器人手爪畢業(yè)論文

1、 . . . 畢畢業(yè)業(yè)設設計計（論論文文）題 目 形狀自適應欠驅動機器人手爪的設計與分析專 業(yè) 機械設計制造與其自動化學 號 學 生 指 導 教 師答 辯 日 期 . . . / 46摘摘 要要隨著科學技術的發(fā)展，工業(yè)機器人領域的自動化程度越來越高，機器人在工業(yè)自動化中的應用也愈加普遍。目前，傳統(tǒng)工業(yè)機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，無法達到FMS生產線上對于靈活和精細操作的要求。為此，本文根據(jù)國外的新型欠驅動機構的研究現(xiàn)狀，結合本課題的具體要求，對具有形狀自適應的欠驅動機器人手爪進行了設計與分析。首先，根據(jù)國外研究現(xiàn)狀的分析與綜述

2、，結合本課題具體要求，采用人手仿生學和欠驅動理論設計了與成年人手形狀相似大小相仿的單根手指 3 自由度的五指機器人手，由 6 個電機驅動。其次，采用多連桿傳動，剛度好、出力大、負載能力強。手指結構簡單，重量輕，具有形狀自適應性。再次，根據(jù)虛功原理，借助于 Ansys 和 Adams 軟件，實現(xiàn)對手指的靜力學分析、運動學分析、動力學分析、仿真和優(yōu)化設計，再結合工程實踐中的經驗設計對手指進行二次優(yōu)化。最后，通過仿真，二次優(yōu)化后的欠驅動機器人手能夠實現(xiàn)對于球形、圓柱形以與不規(guī)則形狀的物體可靠的包絡抓取。關鍵詞：仿人機器人手；欠驅動；靜力學分析；運動學分析；動力學分析；仿真優(yōu)化設計 . . . I /

3、 46各位如果需要此設計的全套容（包各位如果需要此設計的全套容（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 , ,代做免費代做免費講解。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 機器人仿人手爪的結構設計機器人仿人手爪的結構設計2.1 引言 52.2 仿生學在手爪設計上的應用 52.2.1 仿生學概述 52.2.2 人手的生理結構特點 62.3 整體結構設計 72.4 食指設計 82.4.1 食指結構設計 82.4.2 食指尺寸設計 82.5 拇指設計 92.6 手指的模塊化設計

11、102.7 手掌設計 102.8 驅動與傳動機構的設計 112.8.1 驅動源 112.8.2 傳動方式 122.9 本章小結 12第第 3 3 章章 機器人手爪的抓取仿真與分析機器人手爪的抓取仿真與分析3.1 引言 1333.2 包絡抓取的實現(xiàn) 1333.3 機器人手爪抓取的靜力學分析與優(yōu)化 1443.4 機器人手爪抓取的運動學分析 2113.5 機器人手爪抓取的動力學分析 266 . . . V / 463.6 欠驅動手爪整體抓取仿真 293.7 本章小結 300第第 4 4 章章 欠驅動手指的二次優(yōu)化與其他結構設計欠驅動手指的二次優(yōu)化與其他結構設計4.1 引言 3114.2 手指結構的二

12、次優(yōu)化以與分析 3114.3 其他結構 3554.3.1 主手掌 3564.3.2 副手掌 3664.3.3 附件 3664.4 連接方式設計 384.4.1 關節(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 400結結 論論411參考文獻參考文獻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計劃國家重點項目。通常，工業(yè)自動化中使用的機器人由大臂和簡單的夾持器組成，此類機器人對于要現(xiàn)符合大圍運動作業(yè)是有效的，但卻不能實現(xiàn)諸如裝配之類的要求對負

13、荷進行精細調整的作業(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，遠遠達不到在柔性生產線上進行各種靈活和精細操作的要求1。機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的專用夾持器。多指靈巧手形狀適應能力強，但是采用了大量的串聯(lián)關節(jié)導致結構復雜、控制困難、負載能力差、可靠性低等缺點。而專用夾持器雖然結構簡單、控制方便、負載能力強、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。另一類結構簡單，重量輕，功能相對簡單的機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動，重量和靈活性之間的矛盾，國外提出欠驅動機構，具有形狀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，抓取圍廣泛等優(yōu)點2。1.2 研究目的和意義本文設計的具有形狀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，它可以根據(jù)抓取物體形狀被動或主

15、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。欠驅動機械手具有簡化控制、減輕重量、降低能耗與降低制作成本等優(yōu)點。研究欠驅動手指機構與其分析與設計理論，實現(xiàn)結構緊湊、抓持力大、操作簡單 . . . 1 / 46的新型欠驅動機器人手指，在工業(yè)機器人、擬人機器人、人體假肢與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。1.3 國外的研究現(xiàn)狀與分析機器人手爪作為機器人與環(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、精確性和適應性是衡

16、量手爪設計水平的一個重要的標志。近幾十年來，國外已經研制出各類型的機器人手爪。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節(jié)一般可以獨立控制，但是由于采用大量的串聯(lián)關節(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

17、不同的抓取姿勢抓取物體，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2，4。其結構如圖1-1所示。圖 1-1 SARAH 手爪模型圖國從事機器人手爪研究的主要有清華大學、理工大學和工業(yè)大學以與國防科技大學等單位。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 . . . 2 / 46于仿人機器人末端操作器，也可以應

18、用于殘疾人假手5。其結構如圖1-2和圖1-3所示。圖1-2 拇指結構 圖1-3 其它四指結構從國外研究發(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

19、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。1.4 主要研究容(1)機器人手爪機械本體設計根據(jù)研究指標，本文選擇對三關節(jié)欠驅動手指進行機械結構設計，手爪采用仿人五指的總體結構，主要機構是形狀自適應欠驅動手指。形狀自適應欠驅動手指由倆個四邊形和一個三角形連桿機構組成。(2)靜力學分析與結構優(yōu)化根據(jù)虛功原理，建立靜力學方程，進行靜力學分析。每個手指的設計變量眾多，而且約束條件也很多，故選擇使用 matlab 軟件進行數(shù)據(jù)處理算法的設計，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構尺寸。 . . . 3 / 46

20、(3)機器人手爪運動學分析首先使用 Solidworks 軟件對優(yōu)化后的機械結構建立模型，再利用Solidworks 和 Adams 的無縫連接插件，將 3D 模型導入到 Adams，對機械結構進行運動學分析，主要研究機構的位置和姿態(tài)情況，求解機構的位移、速度與加速度信息、應力和應變分析，在滿足要求的負載的條件下，進一步優(yōu)化機器人手爪結構。(4)機器人手爪動力學分析關于欠驅動機器人手爪的動力學分析，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仿真，用來確定時變載荷對整個結構或部件的影響，同時還要考慮阻尼與慣性效應的作用。 . . . 4 / 46第第

21、2 2 章章 機器人仿人手爪的結構設計機器人仿人手爪的結構設計2.1 引言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。2.2 仿生學在手爪設計上的應用2.2.1 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，已經認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，

22、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與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。圖 2-1 仿生飛行器 圖 2-2 仿生魚簡言之，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)的特殊本領以與產生的機理，并把它進行模式化設計推

23、廣運用，然后運用這些原理去設計制 . . . 5 / 46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

24、能的學科。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實現(xiàn)這個目標，如圖 2-3 和圖 2-4 所示。圖 2-3 NASA 手 圖 2-4 DLR 手2.2.2 人手的生理結構特點醫(yī)學上，通過對人手的生理解剖研究，已經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

25、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)，但近似屈曲關節(jié)，主要作屈伸運動，拇指掌指關節(jié)的屈曲圍為 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 0-9010。 . . . 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節(jié)長度由手掌向外依次變短10。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構設計、手指結構設計、驅動與傳動機構設計、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；

27、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

28、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

29、具有 15 個自由度。2.4 食指設計 . . . 7 / 462.4.1 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

30、越容易出現(xiàn)接觸點脫離，越不容易穩(wěn)定。前文中已經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：n (2-1)32LHdofmPP式中：活動構件數(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 23dof 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

31、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。食指設計參數(shù)與結構見圖 2-5，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，結合參考文獻11，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。 . . . 8 / 46圖 2-5 食指設計參數(shù)與結構表 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

32、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。 . . . 9 / 462.6 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，均為一樣的尺寸和結構，只是在手掌的布置不同。所謂的模塊化設計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，它是一組同時具有一樣功能和一樣結合要素，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

33、利于縮短產品的設計、制造和供貨周期。2.7 手掌設計就目前已經研制出來的機器人手爪來看，可以發(fā)現(xiàn)，有些機器人手爪具有手掌，有的卻沒有。一般來說，專用的夾持器大都沒有手掌，而仿人機器人手爪大多是有手掌的。但是，目前大多數(shù)設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成曲面；而目前設計出來的大多數(shù)的手掌都是剛性結構，不能像人手一樣靈活發(fā)生形狀的改變，適應性、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 具有剛性結構的手掌13-14。在本文中設計的手爪是帶有手掌的，但同樣是不能改變構型的剛性結構的手掌。本設計中的機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,所設計的機器人手爪的整體結構如圖 2-7 所示。圖 2-7 手掌建模圖 . . . 10 / 462.8 驅動與傳動機構的設計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

35、、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，與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

36、。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：如壓電瓷驅動、啟動肌肉驅動和可伸縮聚合體驅動等，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

37、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副， . . . 11 / 46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 微型直流減速電機金順金順 16GA-05016GA-050 微型直流減速電機微型直流減速電機(DC24.0V(DC2

38、4.0V 16000RPM)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( )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。鍵傳動的運用理論已經比較成熟，包括建的柔性補償?shù)龋瑫r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

39、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，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

40、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、驅動與傳動方式等。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)對物體的包絡抓取。 . . . 12 / 46第第 3 3 章章 機器人手爪的抓取仿真與分析機器人手爪的抓取仿真與分析3.1 引言在第 2 章中，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。3.2 包絡抓取的實現(xiàn)包絡抓取就是手指的各個關節(jié)依次

41、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)之間以與第二關節(jié)和第三關節(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 抓取結束狀態(tài) 圖 3-1 抓取的實現(xiàn)過程圖 3-1 演示的是通過 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

42、節(jié)繼續(xù)在推力作用下運動，在 d 中，第二關節(jié)也與物體接觸并被限制運動，此后第三關節(jié)繼續(xù)運動，最后在 f 中三個關節(jié)均與物體接觸，完成包絡抓取過程。 . . . 13 / 463.3 機器人手爪抓取的靜力學分析與優(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

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節(jié)垂直，摩擦力不計；TF各關節(jié)與物體接觸點處速度沿垂直于指節(jié)方向的投影組成的向量。v進一步可以得到: , , , (3-2)012TTTT23w123FFFF123vvvv根據(jù)剛體平面運動可以推導出： (3-3) (3-4) (3-5) (3-6) (3-7)式中: 手指各關節(jié)接觸點到相應的關節(jié)處的距離， =1，2，3。ili進一步推導可以得到： (3-8) (3-9) (3-10) (3-11) . . . 14 / 46為了確定和的關系，在圖 3-2

44、中，手指三個關節(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，桿和的速1a1cl1b3o2a2c度瞬心為和的延長線的交點，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系： (3-18)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)手指里的剛性板和(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 1 2重量減輕 40%。優(yōu)化后的食指

45、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參數(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 初步動力學仿真 Ansys 模型(1)變形圖 (2)等效應變圖 (3)等效應力圖圖 3-5 連桿 a1的靜力學分析從圖中可以看出，連桿 a1 的最大的變形量為 2.0513e-8mm，最大等效應變?yōu)?.7394e-9，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。 . . . 16 / 46(1)變形圖 (2)等效應變圖 (3)等效應力圖圖 3-6 遠指節(jié)的靜力學分析從圖中可以看出，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

47、度條件考慮，該結構是安全的。(1)變形圖 (2)等效應變圖 (3)等效應力圖圖 3-7 近指節(jié)的靜力學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。(1)變形圖 (2)等效應變圖 (3)等效應力圖圖 3-8 中指節(jié)的靜力學分析 . . . 17 / 46從圖中可以看出，中指節(jié)的最大的變形量為 2.6878e-8mm，最大等效應變?yōu)?.8534e-9，最大等效應力為 7.7034e-4Mpa，從強度條件考慮，該結構是安全可靠的。(1)變形圖 (2)等效應變圖 (3)

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

49、析從圖中可以看出，連桿 b2 的最大的變形量為 6.7398e-9mm，最大等效應變?yōu)?.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。(1)變形圖 (2)等效應變圖 (3)等效應力圖圖 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)?2.7187e-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。(1)變形圖 (2)等效應變圖 (3)等效應力圖圖 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

50、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)與結構見圖 3- . . . 19 / 4614，根據(jù)仿生學和統(tǒng)計學的理論以與食指設計的經驗，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)與結構表 3-2 拇指設計的相關參數(shù)參數(shù)

51、qrabc數(shù)值3028153525121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。 . . . 20 / 463-16 欠驅動機器人手爪的總裝配圖3.4 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 . . . 21 / 46圖 3-18 第一關節(jié)角位移圖 3-19 第一關節(jié)的角速度與傅立葉變換圖 3-20 第一關節(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 3-21 第二關節(jié)的角位移圖 3-22 第二關節(jié)的角速度與傅立葉變換圖 3-23 第二關節(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 3-24 第三關節(jié)角位移圖 3-25 第三關節(jié)角速度與傅立葉變換圖 3-26 第三關節(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)第三關節(jié)在 70s 左右和物體接觸，角位移為 105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。 . . . 22 / 46圖 3-27 扭簧 1 的角位移從圖 3-27 可以看出，介于關節(jié) 1 和關節(jié) 2 之間的扭簧在 18s 左右開始出現(xiàn)角位移，這與關節(jié) 1 開始和物體相接觸的時間是相互對應的，最后的角位移約為80。從圖 3-28 可以看出，介于關節(jié) 2 和關節(jié) 3 之間的扭簧在 61s 左右開始出現(xiàn)明顯的角位移，這與關節(jié) 2 開始和物體相接觸的時間是相互對應的，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 機器人手爪抓取的動力學分析圖 3-29 第一關節(jié)與物體的接觸力圖 3-30 第一關節(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，這也正是與第一關節(jié)和物體在 18s 開始接觸相互對應的，接觸力最大值大概為4.3N，比較第一關節(jié)與物體的接觸力和第一關節(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，因為在接觸力的基礎上乘以相應的力臂即可得到力矩，因此二者表現(xiàn)出相應的相似性是和理論基礎相符的。圖 3-31 第二關節(jié)與物體的接觸力 . . . 23 / 46圖

55、 3-32 第二關節(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，這也正是與第二關節(jié)和物體在 61s 開始接觸相互對應的，接觸力最大值大概為1.0N，比較第二關節(jié)與物體的接觸力和第二關節(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，因為在接觸力的基礎上乘以相應的力臂即可得到力矩，因此二者而表現(xiàn)出相應的相似性是和理論基礎相符的。圖 3-33 第三關節(jié)與物體的接觸力圖 3-34 第三關節(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，這也正是與第三關節(jié)和物體在 70s 開始接

56、觸相互對應的，接觸力最大值大概為1.4N，比較第三關節(jié)與物體的接觸力和第三關節(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，因為在接觸力的基礎上乘以相應的力臂即可得到力矩，因此二者而表現(xiàn)出相應的相似性是和理論基礎相符的。從圖 3-35 可以看出，介于關節(jié) 1 和關節(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，介于關節(jié) 2 和關節(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的，扭矩最大值約為 10.1N*mm。3.6 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 3-37。(1)抓取初始狀態(tài) (2)第一關節(jié)與物體接觸(3)第二關節(jié)與物體接觸 (4)抓取穩(wěn)定狀態(tài)圖 3-37 欠驅動手爪總裝配體的仿真抓取3.7 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

58、到運動 . . . 25 / 46學分析的結果，最后再對手爪整體進行了抓取仿真，從仿真的結果來看，該設計是可靠可行的。 . . . 26 / 46第第 4 4 章章 欠驅動手指的二次優(yōu)化欠驅動手指的二次優(yōu)化與其他結構設計與其他結構設計4.1 引言在第 3 章中運用 Ansys 的優(yōu)化功能對手指結構進行了初步的優(yōu)化設計，這里將會結合相關的工程實踐經驗對其進行二次優(yōu)化，并通過對二次優(yōu)化后的模型的靜力學分析、動力學分析進行驗證。并從實際的生產加工、安裝問題對手爪的相關具體結構的設計進行討論。4.2 手指結構的二次優(yōu)化以與分析前面經過對手指的初步優(yōu)化，通過相應的動力學分析、靜力學分析、運動學分析，綜合

59、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驗以與理論知識，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，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 . . . 27 /

60、 46圖 4-3 二次優(yōu)化后的動力學分析模型(1)變形圖 (2)等效應變圖 (3)等效應力圖圖 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 6.1382e-3Mpa，從強度條件考慮，該結構是安全可靠的。(1)變形圖 (2)等效應變圖 (3)等效應力圖圖 4-5 連桿 2 的靜力學分析 . . . 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。(1