一種柔性機(jī)械手設(shè)計(jì)分析

1、一種柔性機(jī)械手設(shè)計(jì)分析 摘要：針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械手多為恒定力矩，抓取易碎物品，容易造成損壞、抓不牢摔壞，該機(jī)械手柔性關(guān)節(jié)用拉簧連接，用平帶拉伸傳動(dòng)，起減震，緩沖效果，機(jī)械手彎曲時(shí)，手指骨節(jié)靈敏、緩慢彎曲，使機(jī)械手手指緩慢彎曲，到達(dá)柔性特征，該機(jī)械構(gòu)造使之具有軟屬性，外表附加一層軟硅膠，進(jìn)步機(jī)械手的感知度、仿生才能、靈敏性、柔性、軟抓取效果。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；柔性；軟抓取；Matlab構(gòu)造設(shè)計(jì)0引言隨著時(shí)代科技的開展，機(jī)器人技術(shù)是高科技人工智能應(yīng)用領(lǐng)域不可缺失的組成部分【1】，其中機(jī)械手也是重要的組成部分，所以機(jī)械手的屬性，直接影響機(jī)器人【2】。針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械手多為恒定力矩，當(dāng)抓取易碎物品，容易造成損壞，

2、因抓握不牢而把物品摔壞，或者抓取物品時(shí)無法得知抓取詳細(xì)力度，沒有更精準(zhǔn)地抓取。本文介紹柔性機(jī)械手通過機(jī)械構(gòu)造、外加傳感器、硅膠改良機(jī)械手的柔性性能。該機(jī)械手使用拉簧連接手指骨節(jié)，有效緩沖手指彎曲的拉力，并非像傳統(tǒng)機(jī)械手通過電機(jī)或者舵機(jī)調(diào)節(jié)機(jī)械手關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，而是采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)拉伸平帶，使手指漸漸彎曲直至抓取到物體，增加了機(jī)械手的柔性。柔性機(jī)械手具有載重高、低耗能、快速直接驅(qū)動(dòng)、減震等優(yōu)點(diǎn)【3】，可以直接驅(qū)動(dòng)抓取物體，因其柔性特征，使抓取物體時(shí)到達(dá)減震效果，防止抓取力度過大損壞物體。1柔性機(jī)械 械構(gòu)造設(shè)計(jì)該柔性機(jī)械手采用三維建模軟件Solidworks建立模型，如圖1所示，該柔性機(jī)械手初步

3、樣機(jī)采用PLA材料3D打印各零部件，組裝建立模型如圖2所示。柔性關(guān)節(jié)是連接機(jī)械手手指骨節(jié)的重要部分，其作用是減震、緩沖拉力，本機(jī)械手的柔性關(guān)節(jié)的重點(diǎn)是用拉簧作為連接手指骨節(jié)。每個(gè)關(guān)節(jié)都有1組拉簧連接2個(gè)手指骨節(jié)，使用銷釘、螺絲還有固定裝置固定拉簧。機(jī)械手彎曲時(shí)，每個(gè)手指骨節(jié)有一定角度彎曲，此時(shí)因?yàn)槔删哂袕椥裕彌_了機(jī)械手手指彎曲的拉力，使手指骨節(jié)靈敏、緩慢彎曲，從而到達(dá)其軟抓取。柔性機(jī)械手由直流電機(jī)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，通過環(huán)形壓扣構(gòu)造使直流電機(jī)與平帶嚴(yán)密相連，用STM32芯片作為控制核心，通過L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，直流電機(jī)拉伸平帶，平帶收縮，由于平帶槽位于手指內(nèi)側(cè)，平帶收縮把力傳到手

4、指上，手指內(nèi)側(cè)受力大，外側(cè)受力小，如圖3所示。內(nèi)側(cè)F1拉力大于外側(cè)拉力F2，手指會(huì)向內(nèi)側(cè)彎曲，加上拉簧減震，緩沖拉力的作用，使手指向內(nèi)側(cè)緩慢、平順彎曲，到達(dá)軟抓取效果，增加機(jī)械手的柔性。2柔性機(jī)械手的傳動(dòng)系統(tǒng)為了進(jìn)步柔性機(jī)械手的抓取效率，動(dòng)力源起著關(guān)鍵作用，為了給柔性機(jī)械手提供足夠動(dòng)力、扭矩及功率，選擇適宜的額定直流電機(jī)，是至關(guān)重要的，也能有效減低設(shè)計(jì)制作本錢。該裝置如圖4所示是一種環(huán)形壓扣構(gòu)造，環(huán)形外圍開條狀缺口，兩邊攻螺紋孔，環(huán)形扣和電機(jī)軸之間開槽。環(huán)形扣安裝在電機(jī)軸上，平帶通過條狀缺口嵌入環(huán)形扣與電機(jī)軸的槽間，最后扭緊螺絲固定平帶，使得電機(jī)與平帶嚴(yán)密相連。柔性機(jī)械手的傳動(dòng)構(gòu)造由3大部分組

5、成，分別是動(dòng)力源、固定平帶與電機(jī)位置裝置、平帶與拉簧傳動(dòng)裝置。柔性機(jī)械手的傳動(dòng)動(dòng)力來源與JGB37-520直流減速電機(jī)，通過環(huán)形壓扣構(gòu)造固定平帶，電機(jī)帶動(dòng)平帶，平帶拉伸，帶動(dòng)手指運(yùn)動(dòng)。又由于柔性機(jī)械手的關(guān)節(jié)由拉簧組成，關(guān)節(jié)柔軟，平帶收縮會(huì)使柔性機(jī)械手手指漸漸模擬人手一樣彎曲包裹物體。3Matlab優(yōu)化柔性機(jī)械手柔性機(jī)械手包括機(jī)械手手指和關(guān)節(jié)，所以研究柔性機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)，需要研究機(jī)械手關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)以及機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)。需要確立機(jī)械手的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)與機(jī)械手手指的運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。確立獨(dú)立參數(shù)的的驅(qū)動(dòng)個(gè)數(shù)，接下來對(duì)機(jī)械手手指機(jī)構(gòu)進(jìn)展位置正反解分析、速度分析，從而得到雅克比矩陣，最后討論一些特殊的位置、零點(diǎn)，得出優(yōu)化

6、機(jī)械手的要點(diǎn)。用笛卡兒坐標(biāo)描繪機(jī)械手手指空間坐標(biāo)，表示出機(jī)械手手指關(guān)節(jié)位置，從而確定關(guān)節(jié)和手指的空間位置，再用運(yùn)動(dòng)方程求解【4】。具有封閉式鏈構(gòu)造的機(jī)械手，決定機(jī)械手的末端位置、速度和加速度性能的主要連桿間的相對(duì)轉(zhuǎn)角中，有些是被間接驅(qū)動(dòng)，有些關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)由于構(gòu)造上的原因會(huì)產(chǎn)生附加運(yùn)動(dòng)，因此求解的時(shí)候應(yīng)該分析運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，直接找出決定末端位置、速度和加速度性能的關(guān)節(jié)角，別離這些數(shù)據(jù)，組成等價(jià)的開鏈機(jī)構(gòu)，然后進(jìn)展求解。我們通過末端點(diǎn)的位置求出能實(shí)現(xiàn)末端位置或者一系列關(guān)節(jié)輸入角的過程稱為位置反解過程。可以用幾何法求解位置反解。通過末端點(diǎn)的位置求出能實(shí)現(xiàn)末端位置或者一系列關(guān)節(jié)輸入角，驗(yàn)證機(jī)械手所需的機(jī)械參數(shù)，得到機(jī)械手抓取的位置范圍以及其他關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍。在機(jī)械手應(yīng)用上有一個(gè)重要的因素就是機(jī)械手運(yùn)動(dòng)中到達(dá)的空間位置，這對(duì)于應(yīng)用上有一定的實(shí)際意義，因此機(jī)械手的設(shè)計(jì)和研究應(yīng)用階段都應(yīng)該分析機(jī)械手的可達(dá)空間。4完畢語針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械手多為恒定力矩，抓取易碎物品時(shí)容易造成損壞、因抓不牢而摔壞物品的問題，本文利用MAT#8259;LAB軟件對(duì)柔性機(jī)械手的構(gòu)造進(jìn)展運(yùn)動(dòng)學(xué)分析仿真，獲得柔性機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)學(xué)中適宜的機(jī)械參數(shù)及運(yùn)動(dòng)過程中相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)研究曲線，能在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)得到機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)情況，同時(shí)本文利用設(shè)計(jì)的機(jī)械構(gòu)造，柔性關(guān)節(jié)用拉簧連接，用平帶拉伸傳動(dòng)，起減震，緩沖效果，外表附加一層軟硅膠，