形状自适应欠驱动机器人手爪毕业论文

1、 . . . 毕毕业业设设计计（论论文文）题 目 形状自适应欠驱动机器人手爪的设计与分析专 业 机械设计制造与其自动化学 号 学 生 指 导 教 师答 辩 日 期 . . . / 46摘摘 要要随着科学技术的发展，工业机器人领域的自动化程度越来越高，机器人在工业自动化中的应用也愈加普遍。目前，传统工业机器人的末端夹持装置存在着灵活性差，抓取精度低，稳定性、可靠性和通用性差，没有可靠的输出力控制，无法达到FMS生产线上对于灵活和精细操作的要求。为此，本文根据国外的新型欠驱动机构的研究现状，结合本课题的具体要求，对具有形状自适应的欠驱动机器人手爪进行了设计与分析。首先，根据国外研究现状的分析与综述

2、，结合本课题具体要求，采用人手仿生学和欠驱动理论设计了与成年人手形状相似大小相仿的单根手指 3 自由度的五指机器人手，由 6 个电机驱动。其次，采用多连杆传动，刚度好、出力大、负载能力强。手指结构简单，重量轻，具有形状自适应性。再次，根据虚功原理，借助于 Ansys 和 Adams 软件，实现对手指的静力学分析、运动学分析、动力学分析、仿真和优化设计，再结合工程实践中的经验设计对手指进行二次优化。最后，通过仿真，二次优化后的欠驱动机器人手能够实现对于球形、圆柱形以与不规则形状的物体可靠的包络抓取。关键词：仿人机器人手；欠驱动；静力学分析；运动学分析；动力学分析；仿真优化设计 . . . I /

3、 46各位如果需要此设计的全套容（包各位如果需要此设计的全套容（包括二维图纸、中英文翻译、完整版论文、括二维图纸、中英文翻译、完整版论文、程序、答辩程序、答辩 PPTPPT）可加）可加 695939903695939903，如果需要代做也请加上述如果需要代做也请加上述 , ,代做免费代做免费讲解。讲解。 . . . 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 录录摘摘 要要IABSTRACTABSTRACTII第第 1 1 章章 绪绪 论论1.1 课题来源和背景 11.2 研究目的和意义 11.3 国外的研究现状与分析 21.4 主要研究容 3第第 2 2 章章 机器人仿人手爪的结构设计机器人仿人手爪的结构设计2.1 引言 52.2 仿生学在手爪设计上的应用 52.2.1 仿生学概述 52.2.2 人手的生理结构特点 62.3 整体结构设计 72.4 食指设计 82.4.1 食指结构设计 82.4.2 食指尺寸设计 82.5 拇指设计 92.6 手指的模块化设计

11、102.7 手掌设计 102.8 驱动与传动机构的设计 112.8.1 驱动源 112.8.2 传动方式 122.9 本章小结 12第第 3 3 章章 机器人手爪的抓取仿真与分析机器人手爪的抓取仿真与分析3.1 引言 1333.2 包络抓取的实现 1333.3 机器人手爪抓取的静力学分析与优化 1443.4 机器人手爪抓取的运动学分析 2113.5 机器人手爪抓取的动力学分析 266 . . . V / 463.6 欠驱动手爪整体抓取仿真 293.7 本章小结 300第第 4 4 章章 欠驱动手指的二次优化与其他结构设计欠驱动手指的二次优化与其他结构设计4.1 引言 3114.2 手指结构的二

12、次优化以与分析 3114.3 其他结构 3554.3.1 主手掌 3564.3.2 副手掌 3664.3.3 附件 3664.4 连接方式设计 384.4.1 关节之间的连接 384.4.2 附件与手掌的连接.384.4.3 主手掌和副手掌的连接 384.5 整体抓取仿真 384.6 本章小结 400结结 论论411参考文献参考文献422致致 444 . . . 0 / 46第第 1 1 章章 绪绪 论论1.1 课题来源和背景本课题来源于863计划国家重点项目。通常，工业自动化中使用的机器人由大臂和简单的夹持器组成，此类机器人对于要现符合大围运动作业是有效的，但却不能实现诸如装配之类的要求对负

13、荷进行精细调整的作业。出现这种情况的主要原因是传统工业机器人的末端夹持装置存在着灵活性差，抓取精度低，稳定性、可靠性和通用性差，没有精确的力控制等缺点，远远达不到在柔性生产线上进行各种灵活和精细操作的要求1。机器人末端夹持器主要分为两大类：一类是多用途手爪，其中以多指灵巧手为主；另一类是满足特定任务的专用夹持器。多指灵巧手形状适应能力强，但是采用了大量的串联关节导致结构复杂、控制困难、负载能力差、可靠性低等缺点。而专用夹持器虽然结构简单、控制方便、负载能力强、可靠性高，但是仅对少量特定形状的物体适用2。随着微电子技术的发展，很多具有精确抓取和操作功能的灵巧手相继问世，如Utah/MIT 手、N

14、ASA 手、DLR 手、Stanford/JPL手等。另一类结构简单，重量轻，功能相对简单的机械手也相继研制出来，如Southampton 手、TBM 手、OTTOBOCK 手。近年来针对手指的自由度和驱动，重量和灵活性之间的矛盾，国外提出欠驱动机构，具有形状自适应的欠驱动机器人手爪是一种新型的多用途手爪。这种手爪的特点是驱动元件数少于手指关节的自由度数。每个手指只有一个驱动源，整个手爪的驱动元件的数量少，降低了结构和操作的复杂性，具有控制方便，抓取围广泛等优点2。1.2 研究目的和意义本文设计的具有形状自适应性的机器人手爪是仿照人的手指外形、结构和功能的机械手，它可以根据抓取物体形状被动或主

15、动调整手爪姿态，从而获得最优抓取姿态。从仿生学、人机工程学角度出发，该机器人手爪结构紧凑，效率高，可以满足服务或工业机器人在不同场合下的多种应用。欠驱动机械手具有简化控制、减轻重量、降低能耗与降低制作成本等优点。研究欠驱动手指机构与其分析与设计理论，实现结构紧凑、抓持力大、操作简单 . . . 1 / 46的新型欠驱动机器人手指，在工业机器人、拟人机器人、人体假肢与航天机器人等领域都具有广泛的应用前景，因此具有重要的研究意义。1.3 国外的研究现状与分析机器人手爪作为机器人与环境相互作用的最后环节和执行部件，对提高机器人智能化水平和作业水平有着重要的作用。抓取和操作的灵活性、精确性和适应性是衡

16、量手爪设计水平的一个重要的标志。近几十年来，国外已经研制出各类型的机器人手爪。这些手爪分为专用和通用两类。专用手爪制造简单，易于控制，抓取力较大，但只针对特定对象而设计，缺乏通用性；通用手爪中研究比较多的是多指灵巧手，这类灵巧手的每个关节一般可以独立控制，但是由于采用大量的串联关节，使手爪的可靠性受到影响4。加拿大MD ROBOTIC公司和Laval 大学合作研制出SARAH 手爪(Self-Adapting Robotic Auxiliary Hand)7-9，附加一个手指位置旋转自由度，该手爪共有10个自由度，只用两个电机驱动，一个电机负责三个手指的开合；另一个负责调整手指方向，使其能采取

17、不同的抓取姿势抓取物体，SARAH 手爪既可以用末关节指面捏取的方式完成精确捏取，又可以用欠驱动的方式完成包络抓取2，4。其结构如图1-1所示。图 1-1 SARAH 手爪模型图国从事机器人手爪研究的主要有清华大学、理工大学和工业大学以与国防科技大学等单位。工业大学的史士旺等人在2004年，采用欠驱动自适应原理研制了与成年人手大小相仿的五指机器人手，所设计的机器人手结构简单，重量轻，适应性强，五个手指的重量约为500g。整个机器人手共有3个电机，分别驱动拇指、食指和中指。无名指和小指没有驱动器，它们是由中指通过同步带来驱动的。它既可以用 . . . 2 / 46于仿人机器人末端操作器，也可以应

18、用于残疾人假手5。其结构如图1-2和图1-3所示。图1-2 拇指结构 图1-3 其它四指结构从国外研究发展趋势来看，早期研究多采用两指欠驱动手爪，但是这种结构的欠驱动手爪在包络抓取过程中，会出现接触点脱离的现象，这也正是由于欠驱动机构的特殊性引起的，其根本原因在于欠驱动本身，在某个时刻完成抓取行为达到平衡位置以后，由于手指的每个关节仍然具有局部运动自由度的可能，使得抓取物体时存在多种可能的抓取构型，当手指对物体的约束不能抵抗外施加在物体上的力旋量扰动时，物体的初始姿态会发生改变，影响了抓取的稳定性。为了克服这点，从仿生学的角度，现如今的欠驱动手爪多采用三关节结构，并且从两个手指到三个手指，发展

19、到今天的仿人五指机器人手爪，大大提高了物体抓取的稳定性。1.4 主要研究容(1)机器人手爪机械本体设计根据研究指标，本文选择对三关节欠驱动手指进行机械结构设计，手爪采用仿人五指的总体结构，主要机构是形状自适应欠驱动手指。形状自适应欠驱动手指由俩个四边形和一个三角形连杆机构组成。(2)静力学分析与结构优化根据虚功原理，建立静力学方程，进行静力学分析。每个手指的设计变量众多，而且约束条件也很多，故选择使用 matlab 软件进行数据处理算法的设计，从众多的尺寸数据中选择比较合理的一组数据，使得手爪在抓取物体时，手指的抓取力分布比较合理，本文采用优化算法来确定手指机构尺寸。 . . . 3 / 46

20、(3)机器人手爪运动学分析首先使用 Solidworks 软件对优化后的机械结构建立模型，再利用Solidworks 和 Adams 的无缝连接插件，将 3D 模型导入到 Adams，对机械结构进行运动学分析，主要研究机构的位置和姿态情况，求解机构的位移、速度与加速度信息、应力和应变分析，在满足要求的负载的条件下，进一步优化机器人手爪结构。(4)机器人手爪动力学分析关于欠驱动机器人手爪的动力学分析，不管是在国还是在国外，这方面都还是个欠缺，本文将通过 Adams 软件对模型建立动力学仿真，用来确定时变载荷对整个结构或部件的影响，同时还要考虑阻尼与惯性效应的作用。 . . . 4 / 46第第

21、2 2 章章 机器人仿人手爪的结构设计机器人仿人手爪的结构设计2.1 引言机器人仿人手爪的研究目的是为了拓展机器人末端操作手爪的工作能力，使其能够进行复杂多样的操作任务。就目前的形势来看，虽然很多研究者已经开发出了很多样机，但真正能够实现预期功能的机器人手爪却为数不多。本章主要对机器人手爪的机械结构进行设计，在充分考虑实现较多抓取模式的前提下，设计了一种基于欠驱动手指结构的机器人手爪，并且具有形状自适应性较好、尺寸小等特点。2.2 仿生学在手爪设计上的应用2.2.1 仿生学概述随着科学技术的发展，从 20 世纪以来，人们通过对自然的观察，已经认识到自然界的生物对于新技术的开辟具有重要的启发性，

22、并且吸引了越来越多的学者的兴趣。研究人员运用化学、物理学、数学等学科的理论知识以与相关技术模型对生物系统开展了深入的研究。生物学家和工程师们的积极合作，大大推动了仿生学在各个领域的发展，同时也不断从生物界获得宝贵的知识实现了对旧的或者没有的工程设备的改善或者创造。典型的仿生学运用如图 2-1 和图 2-2 所示。图 2-1 仿生飞行器 图 2-2 仿生鱼简言之，仿生学就是模仿生物对人类有用的的特殊本领，利用生物的结构和功能来研究新技术新产品的科学。它是生物学、物理学、化学、数学和工程技术相互渗透而结合的新型的多边缘学科。其首要的任务是研究生物系统的特殊本领以与产生的机理，并把它进行模式化设计推

23、广运用，然后运用这些原理去设计制 . . . 5 / 46造新的工程设备。仿生学的主要研究方法是构建出模型，然后进行相关的模拟仿真，并进一步分析使之得到优化10。大致的研究过程有以下三个阶段：首先是对生物原型的研究。根据生产实际需要提出的具体问题进行分析建模，并将研究所得的资料予以简化，运用对技术有利的方面而消除与生产技术无关的因素，得到一个简化的生物原型；第二阶段是对生物模型进行数学分析，并使其在的联系抽象化，用数学语言来描述生物原型；最后根据数学模型制造出可在工程技术上实现的物理模型10。自然界的生物所具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越的多，仿生学就是要在工程上实现并有效的应用生物功

24、能的学科。从仿生学的角度考虑机器人手爪的设计，很自然的就能想到我们人类自己的手，机器人技术发展至今，人手早已成为机器人研究人员在开发设计机器人手爪时的重要参照对象。为了使机器人的终端执行工具能够像人类的手一样对不同形状和不同性质的物体具有丰富的操作功能，越来越多的机器人研究学者利用仿生学的思想已经实现这个目标，如图 2-3 和图 2-4 所示。图 2-3 NASA 手 图 2-4 DLR 手2.2.2 人手的生理结构特点医学上，通过对人手的生理解剖研究，已经获得了人手的结构和运动机理的详细信息。根据人手的骨骼结构，可以知道除了拇指有两个关节外，其余 4 个手指均具有 3 个关节。5 个手指分别

25、通过掌骨和腕骨相连。人手拇指掌指关节为双轴向关节，但近似屈曲关节，主要作屈伸运动，拇指掌指关节的屈曲围为 0-20，后伸为 5，拇指指间关节为屈曲关节，可屈伸 0-90，拇指外展围为0-40；食指、中指、无名指、小指的掌指关节的主要运动是侧摆和屈曲，此外还可以作有限度的被动旋转活动，四指的掌指关节可屈伸 0-90，近侧指间关节可屈伸 0-100，远侧指间关节可屈曲 0-9010。 . . . 6 / 46此外，通过大量的测量统计，得到成年人手的尺寸一般如下：手指长度大致为 50mm-90mm，其中长度从小到大依次为拇指、小指、食指、无名指和中指，手指宽度大致在 15mm-20mm 围，手掌宽度

26、在 80mm-90mm，手掌长度在 100mm-110mm，而且每个手指的各关节长度由手掌向外依次变短10。2.3 整体结构设计仿人机器人手爪的设计主要包括整体结构设计、手指结构设计、驱动与传动机构设计、手掌结构设计，本设计并不包括控制系统的设计。机器人手爪作为机器人终端执行部件，与其它机构一样由若干构件组成，各构件之间通过相关运动副联结以产生确定的相对运动。常见的运动副有移动副、转动副、螺旋副和球面副，它们的约束数分别为 5、5、5 和 3，相应的自由度数为 1、1、1 和 3.由于欠驱动机器人手爪中各运动副的运动变量都要借助于驱动器来实现，一方面对于多于一个自由度的运动副控制起来很不方便；

27、另一方面，无论是转动的驱动器或移动的驱动器又大多为一个自由度，所以在机器人手爪中所采用的运动副类型，大多数只有转动副、移动副和螺旋副三种。根据力的平衡原理，抓取物体时至少有 2 个相对的力或力偶作用于物体上或者说物体上必须产生大小相等方向相反的两个力或力偶作用于手上时才能够实现抓取稳定。因此，二个手指在理论上可以完成抓取任务，但是可操作性和抓取稳定性都很差，无法完成对目标物体的微细或者复杂的操作，因为在沿着两个接触点连线的轴线方向上目标物体是存在着转动的趋势的，这种不稳定性可能会给系统安全带来隐患，所以从实际出发二个手指的手爪结构并不理想。手指数大于 2的手爪理论上都可以通过规划实现力封闭而实

28、现稳定抓取，考虑到人手有 5 个手指，并且能够实现很多复杂的操作，多于 5 个手指就显得没有多大意义，这里根据人手仿生学的思想设计了五个手指的机器人手爪，以获得较好的抓取稳定性和灵巧性。至于手指的关节数，参照人手，食指、中指、无名指、小指均为三关节手指，拇指是二关节结构。通过分析人手对不同形状的物体的抓取方式，可以将人手的抓取方式分为：手指侧接触的包络抓取和手指末关节接触的捏取，而且所有的抓取都可以通过三个手指就能够完成，其余两个手指作为辅助手指协助完成抓取任务。手指安装到手掌上后，每个手指分别具有 3 个自由度，其中需要指出的是拇指具有两个关节自由度加上 1 个拇指机构的旋转自由度，整个手爪

29、具有 15 个自由度。2.4 食指设计 . . . 7 / 462.4.1 食指结构设计在前面我们对比讨论了全驱动和欠驱动结构的特点，经过对比分析我们选择了欠驱动结构的手指。采用欠驱动结构可以使手指具有出力大、负载能力强、灵活性好、尺寸小等特点，对多种形状的物体具有适应性，扩大了抓取围，而且在保持多个自由度的前提下，可以将驱动元件数量减少到最少，简化了驱动和控制结构，大大减小了手指的尺寸和重量。相关文献指出：手指对物体的形状适应能力和关节数成正比，采用三关节的欠驱动手指的自适应能力会比两个关节或单关节的更好一些。而作为衡量抓取稳定性的重要指标的抓取构形数是和关节数成指数变化的关系。抓取构形越多

30、越容易出现接触点脱离，越不容易稳定。前文中已经提到本设计主要参考人类手指，采用具有三个自由度的三个关节欠驱动手指机构。根据机构的自由度公式可以得出具有个关节的手指的自由度为：n (2-1)32LHdofmPP式中：活动构件数；m低副数量；LP高副的数量，这里没有高副，所以。HP0HP 这里三角形看成是刚性结构。由计算可以看出：对于三关节手指来说，而每个手指由一个电机驱动，即只有一个动力源，所以每个手指存在 23dof 个欠驱动度。2.4.2 食指尺寸设计手指的尺寸设计主要包括关节尺寸和包络机构尺寸。手指关节的长度和宽度采用近似人手关节尺寸的设计。接下来从抓取稳定性的角度出发定性地研究手指关节包

31、络机构的连杆尺寸。在设计关节尺寸之前，拟定抓取物体的围为直径 40-60mm，抓取围大致是从乒乓球到普通饮料水瓶的大小。食指设计参数与结构见图 2-5，根据前面的人手仿生学的学习和参考文献12中关于人体手指各关节的平均尺寸的统计，结合参考文献11，初步设计食指的各个尺寸参数如表 2-1。初步设计的食指模型见图2-6。 . . . 8 / 46图 2-5 食指设计参数与结构表 2-1 食指尺寸参数初步计算符号lmn1a1b1c2a2b2c12数值3025231028.32010232059121图 2-6 食指初步建模图2.5 拇指设计本文设计的是两个关节的拇指，再加上拇指整体的转动的自由度，所

32、以拇指也具有三个自由度。拇指的结构和尺寸将会在对食指首先进行设计和分析优化后再做具体设计。 . . . 9 / 462.6 手指的模块化设计本设计中的欠驱动机器人手爪的食指、中指、无名指、小指采用模块化设计思想，均为一样的尺寸和结构，只是在手掌的布置不同。所谓的模块化设计就是使用模块的概念对产品或系统进行规划设计和组织生产，模块是模块化产品的基本元素，是一种实体的概念，它是一组同时具有一样功能和一样结合要素，具有不同性能或用途甚至不同结构特征但能互换的单元10。模块化后的机械产品主要具有以下几个特点：1.互换性强，便于维修。2.质量高、成本低，能解决多品种、小批量和大批量加工之间的矛盾。3.有

33、利于缩短产品的设计、制造和供货周期。2.7 手掌设计就目前已经研制出来的机器人手爪来看，可以发现，有些机器人手爪具有手掌，有的却没有。一般来说，专用的夹持器大都没有手掌，而仿人机器人手爪大多是有手掌的。但是，目前大多数设计出来的手掌都是与人手不同的，其区别表现在：人的手掌是由 5 个手指的掌骨通过肌肉皮肤连接起来的，其形状可以在一定围变动，比如握直长的钢管时手掌中的食指、中指、无名指和小指的掌骨基本处于同一平面，而在抓取乒乓球等这样的球状物体的时候，上述四指的掌骨则构成曲面；而目前设计出来的大多数的手掌都是刚性结构，不能像人手一样灵活发生形状的改变，适应性、灵活性自然没有人手好。前文提到的 O

34、kada 手爪是没有手掌的，而 UtahMIT、NASA、和 HITDLR 具有刚性结构的手掌13-14。在本文中设计的手爪是带有手掌的，但同样是不能改变构型的刚性结构的手掌。本设计中的机器人手爪的手腕部分是没有自由度的，只起到连接手臂和手爪的作用,所设计的机器人手爪的整体结构如图 2-7 所示。图 2-7 手掌建模图 . . . 10 / 462.8 驱动与传动机构的设计2.8.1 驱动源驱动源的形式主要有电机驱动、液压驱动、气压驱动、形状记忆合金和其他新型驱动等。为了使手爪能够稳定完成操作任务，需要确定合适的驱动源和传动方式。为了选择出合适的驱动源，需要综合考虑抓取力、手爪的尺寸大小和质量

35、、操作方便性和成本等。目前机器人手爪常见的驱动源主要有液压驱动、气压驱动、和电机驱动，与其它新型的驱动能源15。液压驱动：可以获得较大的操作力，能驱动较大的负载，但是需要一种液压动力装置将电能转换成液压能，因此会导致驱动装置体积大、成本高和易受污染。气压驱动：在所有的驱动方式中，气压驱动相对简单，在工业上应用很广泛。其主要优点是操作简单、易于编程、重量轻和成本低，但是精度不高，驱动装置复杂。记忆合金驱动：具有速度快、带负载能力强等优点，但是存在疲劳和寿命问题。电机驱动：噪音小、反应迅速、控制方便、可靠性高和成本合理，易于实现精确的运动。目前在工业机器人中应用最广泛的两种电机是直流电机和步进电机

36、。直流电机的转动是连续且平滑的，本身没有位置控制能力，因此要实现精确的位置，必须加入某种形式的位置反馈，构成闭环伺服系统。步进电机是将脉冲信号转化为旋转或直线增量运动，通过调整脉冲频率实现调速作用，控制发出脉冲个数以达到控制角位移量来实现定位作用15。其它新型驱动：如压电瓷驱动、启动肌肉驱动和可伸缩聚合体驱动等，这些新型的驱动方式虽然在某些方面较传统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。根据以上几种驱动方式的比较分析，电机驱动方式在负载小、操作力不大时，相对于液压和气压驱动有较大的优越性，故本文采用步进电机驱动方式。但若选择电机作为驱动元件，目前的电机转速一般都较高，要得到对手

37、指的理想输出速度，就要在电机输出端配装减速机构。通过查找相关电机资料，本设计中，5 个手指的驱动电机均采用金顺 16GA-050 微型直流减速电机，这款电机的典型应用就是运用在机器人等微型机械中。该电机的特点是其输出轴是一根导螺杆，导螺杆的长度可以按要求向厂家定做，导螺杆上可以直接配合螺母以构成螺纹传动副， . . . 11 / 46从而将旋转运动转化成直线运动控制手指的开合，同时电机的转速也可以控制在适合手指抓取的围。其性能参数见表 2-2。表 2-2 金顺 16GA-050 微型直流减速电机金顺金顺 16GA-05016GA-050 微型直流减速电机微型直流减速电机(DC24.0V(DC2

38、4.0V 16000RPM)16000RPM)减速比空载转速空载电流负载力矩负载转速负载电流堵转扭力堵转电流起动电压i()RPM()mA()g cm()RPM()mA()kg cm()mA( )V1：36044.475432033.323019.84502.52.8.2 传动方式目前，传动方式主要有键、绳索与滑轮、钢丝、连杆传动和齿轮传动等。键传动的运用理论已经比较成熟，包括建的柔性补偿等，但同时存在连接复杂、可靠性差、控制精度低和存在迟滞等缺点16-18。使用绳索加滑轮的方法是比较有利的，它可以比较容易地实现远距离的运动和动力传送，也能满足手指的结构要求，但采用这种方式需要正确布置绳索，以尽

39、量减少产生附加力和附加力矩。因为当产生这种附加力矩时，会使运动出现耦合，增加控制的难度，影响抓取的稳定性10。平面连杆机构传动的优点是刚度好、出力大、负载能力强、加工制造容易、易获得较高的精度，构件之间的接触可以依靠几何封闭来实现，能够较好实现多种运动规律和运动轨迹的要求，缺点是设计复杂10。虽然气动人工肌肉(PMA)具有结构简单、紧凑的特点，但是与其配合使用的绳索滑轮的传动方式具有力和运动传递的刚性不足的固有特点，所以这种传动方式存在很多缺陷，可见用绳索加滑轮这种传动方式并不理想，不能很好的满足手爪的设计要求19-20。通过对比分析，显然平面连杆机构的传动方式比较适合我们的设计。2.9 本章

40、小结通过对人手仿生学研究，在详细分析机器人手爪结构的基础上，对欠驱动机器人手爪的结构进行了设计，具体包括整体结构、手指结构和尺寸、手掌的结构、驱动与传动方式等。设计出的机器人手爪具有和成年人手的外形相似大小相仿等特点，而且手指的机械结构能够实现对物体的包络抓取。 . . . 12 / 46第第 3 3 章章 机器人手爪的抓取仿真与分析机器人手爪的抓取仿真与分析3.1 引言在第 2 章中，我们设计了能够实现对物体进行包络抓取的手指结构，本章将从手爪抓取的静力学模型、仿真、运动学分析、动力学分析、优化设计等几个方面详细探讨手爪在抓取物体时的特性。3.2 包络抓取的实现包络抓取就是手指的各个关节依次

41、与被抓取物体接触，最终所有关节均与物体接触，从而达到限制物体运动而实现抓取操作的过程。这里，为了保证手指的各个关节能够相对于物体依次动作，在第一关节和第二关节之间以与第二关节和第三关节之间分别添加了两个扭簧和，且。1k2k12kka 抓取初始状态 b 抓取中间状态 1 c 抓取中间状态 2 d 抓取中间状态 3 e 抓取中间状态 4 f 抓取结束状态 图 3-1 抓取的实现过程图 3-1 演示的是通过 Adams 软件仿真手指包络抓取一个直径为 60mm 的球形物体的过程。手指的初始状态不与物体接触，如 a 所示，随着电机的转动，手指的第一关节接触到物体并被限制运动，如 b 所示，第二、第三关

42、节继续在推力作用下运动，在 d 中，第二关节也与物体接触并被限制运动，此后第三关节继续运动，最后在 f 中三个关节均与物体接触，完成包络抓取过程。 . . . 13 / 463.3 机器人手爪抓取的静力学分析与优化图 3-2 三关节欠驱动手指包络抓取的静力学模型文献2对两关节欠驱动手指包络抓取模式下的力学性能进行了研究。本节重点研究三关节欠驱动手指包络抓取模式下的静力学性能。图3-2为三关节欠驱动手指的包络抓取机构静力学模型。从图中可以看出，手指是由两套四连杆机构串联起来的。通过分析手指的静力学模型，可以得到输入扭矩和施加到物体上的力之间的关系。分析静力学问题的基本原理是虚功原理，它阐明力学系

43、统保持静力平衡的充要条件。根据虚功原理： (3-1)TTT wF v式中:手指关节力矩向量；TT角速度向量；w接触力向量，各力的方向与手指关节垂直，摩擦力不计；TF各关节与物体接触点处速度沿垂直于指节方向的投影组成的向量。v进一步可以得到: , , , (3-2)012TTTT23w123FFFF123vvvv根据刚体平面运动可以推导出： (3-3) (3-4) (3-5) (3-6) (3-7)式中: 手指各关节接触点到相应的关节处的距离， =1，2，3。ili进一步推导可以得到： (3-8) (3-9) (3-10) (3-11) . . . 14 / 46为了确定和的关系，在图 3-2

44、中，手指三个关节均和物体相互接触，根w据三心定理得杆和杆的速度瞬心为 和的延长线的交点，杆和的速1a1cl1b3o2a2c度瞬心为和的延长线的交点，图中，是 和的延长线的交角，是m2b4o1l1b2和的延长线的交角。由角速度关系得：m2b (3-12)式中:、和的长度。1h2h1 3o o24o o (3-13) (3-14) (3-15) (3-16) (3-17)从而得到输出力和输入扭矩的关系： (3-18)这里，由于组成手指的连杆机构尺寸较小，这里主要针对三关节手指里的刚性板和(见图 2-5)在 Ansys 里进行减轻重量的结构优化，优化目标函数是将 1 2重量减轻 40%。优化后的食指

45、相关参数见表 3-1，初步优化后的食指建模如图 3-3所示。对于优化后的食指，根据静力学相关知识，借助 Ansys 软件，首先将初步设计的食指模型无缝插入到 Ansys 中进行整体的刚体动力学仿真，根据动力学仿真的结果，选取某一个对机构影响大的时刻，将该时刻模型的位移、约束载荷等导出，作为后续的静力学分析的输入参数，从而实现了对机构的每一部分的静力学分析，初步优化后的动力学仿真 Ansys 模型见图 3-4，图 3-5 到图 3-13 是相应的静力学分析结果。表 3-1 优化后的食指尺寸参数符号lmn1a1b1c2a2b2c12数值30252315352515232020121 . . . 1

46、5 / 46图 3-3 初步优化后的食指模型图 3-4 初步动力学仿真 Ansys 模型(1)变形图 (2)等效应变图 (3)等效应力图图 3-5 连杆 a1的静力学分析从图中可以看出，连杆 a1 的最大的变形量为 2.0513e-8mm，最大等效应变为2.7394e-9，最大等效应力为 5.4715e-4Mpa，从强度条件考虑，该结构是安全可靠的。 . . . 16 / 46(1)变形图 (2)等效应变图 (3)等效应力图图 3-6 远指节的静力学分析从图中可以看出，远指节的最大的变形量为 1.334e-8mm，最大等效应变为2.2688e-9，最大等效应力为 4.3773e-4Mpa，从强

47、度条件考虑，该结构是安全的。(1)变形图 (2)等效应变图 (3)等效应力图图 3-7 近指节的静力学分析从图中可以看出，近指节的最大的变形量为 1.546e-8mm，最大等效应变为1.3024e-9，最大等效应力为 2.6044e-4Mpa，从强度条件考虑，该结构是安全可靠的。(1)变形图 (2)等效应变图 (3)等效应力图图 3-8 中指节的静力学分析 . . . 17 / 46从图中可以看出，中指节的最大的变形量为 2.6878e-8mm，最大等效应变为3.8534e-9，最大等效应力为 7.7034e-4Mpa，从强度条件考虑，该结构是安全可靠的。(1)变形图 (2)等效应变图 (3)

48、等效应力图图 3-9 连杆 b1的静力学分析从图中可以看出，连杆 b1 的最大的变形量为 9.1384e-9mm，最大等效应变为8.3073e-10，最大等效应力为 1.6613e-4Mpa，从强度条件考虑，该结构是可靠的。(1)变形图 (2)等效应变图 (3)等效应力图图 3-10 连杆 c1的静力学分析从图中可以看出，连杆 c1 的最大的变形量为 5.1838e-8mm，最大等效应变为8.5427e-9，最大等效应力为 1.6996e-3Mpa，从强度条件考虑，该结构是安全可靠的。 . . . 18 / 46(1)变形图 (2)等效应变图 (3)等效应力图图 3-11 连杆 b2的静力学分

49、析从图中可以看出，连杆 b2 的最大的变形量为 6.7398e-9mm，最大等效应变为1.0869e-9，最大等效应力为 2.1726e-4Mpa，从强度条件考虑，该结构是安全可靠的。(1)变形图 (2)等效应变图 (3)等效应力图图 3-12 传动杆 d 的静力学分析从图中可以看出，传动杆 d 的最大的变形量为 2.7595e-8mm，最大等效应变为 2.7187e-9，最大等效应力为 5.3869e-4Mpa，从强度条件考虑，该结构是安全可靠的。(1)变形图 (2)等效应变图 (3)等效应力图图 3-13 螺母的静力学分析从图中可以看出，螺母的最大的变形量为 5.0078e-8mm，最大等

50、效应变为9.3467e-9，最大等效应力为 1.8148e-3Mpa，从强度条件考虑，该结构是安全可靠的。比较优化前和优化后的分析不难发现，优化后的结构不仅简单而且减轻了手指的重量，同时还能够满足需要的强度条件，未出现危险点，所以该设计和优化是可靠可行的。在食指结构优化的基础上，由于拇指结构和食指结构的相似性，可以将食指的设计派生到拇指上，从而可以大大缩短设计周期。拇指设计参数与结构见图 3- . . . 19 / 4614，根据仿生学和统计学的理论以与食指设计的经验，拇指设计的相关参数见表3-2，拇指建模如图 3-15 所示。图 3-14 拇指设计参数与结构表 3-2 拇指设计的相关参数参数

51、qrabc数值3028153525121图 3-15 拇指建模手指设计、传动方式、驱动源等确定后，手爪的整体装配图模型见图 3-16。 . . . 20 / 463-16 欠驱动机器人手爪的总装配图3.4 机器人手爪抓取的运动学分析这里通过 Adams 软件对优化后的手爪进行运动学分析和动力学分析，其在Adams 里建立的分析模型见图 3-17。图 3-17 单根手指的运动学分析、动力学分析的 Adams 模型 . . . 21 / 46图 3-18 第一关节角位移图 3-19 第一关节的角速度与傅立叶变换图 3-20 第一关节角加速度与傅立叶变换通过图 3-18、图 3-19、图 3-20

52、可以发现第一关节在 18s 左右和物体接触，角位移为 25左右，质心角速度和角加速度由于物体的限制不断波动，但从傅立叶转换后的图形中可以看出其波动是稳定的。图 3-21 第二关节的角位移图 3-22 第二关节的角速度与傅立叶变换图 3-23 第二关节的角加速度与傅立叶变换通过图 3-21、图 3-22、图 3-23 可以发现第二关节在 61s 左右和物体接触，角位移为 82左右，质心角速度和角加速度由于物体的限制不断波动，但从傅立叶转换后的图形中可以看出其波动是稳定的。图 3-24 第三关节角位移图 3-25 第三关节角速度与傅立叶变换图 3-26 第三关节角加速度与傅立叶变换通过图 3-24

53、、图 3-25、图 3-26 可以发现第三关节在 70s 左右和物体接触，角位移为 105左右，质心角速度和角加速度由于物体的限制不断波动，但从傅立叶转换后的图形中可以看出其波动是稳定的。 . . . 22 / 46图 3-27 扭簧 1 的角位移从图 3-27 可以看出，介于关节 1 和关节 2 之间的扭簧在 18s 左右开始出现角位移，这与关节 1 开始和物体相接触的时间是相互对应的，最后的角位移约为80。从图 3-28 可以看出，介于关节 2 和关节 3 之间的扭簧在 61s 左右开始出现明显的角位移，这与关节 2 开始和物体相接触的时间是相互对应的，之前由于连杆的传动力的作用会出现一定

54、较小的波动，最后的角位移约为 30。图 3-28 扭簧 2 的角位移3.5 机器人手爪抓取的动力学分析图 3-29 第一关节与物体的接触力图 3-30 第一关节与物体的接触力矩从图 3-29 和图 3-30 可以看出，第一关节与物体在 18s 左右开始出现接触力，这也正是与第一关节和物体在 18s 开始接触相互对应的，接触力最大值大概为4.3N，比较第一关节与物体的接触力和第一关节与物体的接触力矩两个图像可以发现，两者具有很大的相似性，因为在接触力的基础上乘以相应的力臂即可得到力矩，因此二者表现出相应的相似性是和理论基础相符的。图 3-31 第二关节与物体的接触力 . . . 23 / 46图

55、 3-32 第二关节与物体的接触力矩从图 3-31 和图 3-32 可以看出，第二关节与物体在 61s 左右开始出现接触力，这也正是与第二关节和物体在 61s 开始接触相互对应的，接触力最大值大概为1.0N，比较第二关节与物体的接触力和第二关节与物体的接触力矩两个图像可以发现，两者具有很大的相似性，因为在接触力的基础上乘以相应的力臂即可得到力矩，因此二者而表现出相应的相似性是和理论基础相符的。图 3-33 第三关节与物体的接触力图 3-34 第三关节与物体的接触力矩从图 3-33 和图 3-34 可以看出，第三关节与物体在 70s 左右开始出现接触力，这也正是与第三关节和物体在 70s 开始接

56、触相互对应的，接触力最大值大概为1.4N，比较第三关节与物体的接触力和第三关节与物体的接触力矩两个图像可以发现，两者具有很大的相似性，因为在接触力的基础上乘以相应的力臂即可得到力矩，因此二者而表现出相应的相似性是和理论基础相符的。从图 3-35 可以看出，介于关节 1 和关节 2 之间的扭簧在 18s 左右开始出现明显的扭矩变化，这与扭簧 1 开始出现角位移的时间是相互对应的，扭矩最大值约为 15N*mm。图 3-35 扭簧 1 的扭矩图 3-36 扭簧 2 的扭矩 . . . 24 / 46从图 3-36 可以看出，介于关节 2 和关节 3 之间的扭簧在 61s 左右开始出现明显的扭矩变化，

57、这与扭簧 2 开始出现角位移的时间是相互对应的，扭矩最大值约为 10.1N*mm。3.6 欠驱动手爪整体抓取仿真最后，手爪总装配体的仿真抓取过程见图 3-37。(1)抓取初始状态 (2)第一关节与物体接触(3)第二关节与物体接触 (4)抓取稳定状态图 3-37 欠驱动手爪总装配体的仿真抓取3.7 本章小结在本章中，我们对前面初步设计的食指结构，根据虚功原理建立了准静力学模型，通过 Ansys 软件首先对模型进行动力学仿真，再进一步得到静力学分析结果，验证了手指设计的可靠性。同时，经过 Ansys 的优化功能对模型进行了初步的优化设计。再借助于 Adams 软件对单根手指模型进行了动力学仿真，得

58、到运动 . . . 25 / 46学分析的结果，最后再对手爪整体进行了抓取仿真，从仿真的结果来看，该设计是可靠可行的。 . . . 26 / 46第第 4 4 章章 欠驱动手指的二次优化欠驱动手指的二次优化与其他结构设计与其他结构设计4.1 引言在第 3 章中运用 Ansys 的优化功能对手指结构进行了初步的优化设计，这里将会结合相关的工程实践经验对其进行二次优化，并通过对二次优化后的模型的静力学分析、动力学分析进行验证。并从实际的生产加工、安装问题对手爪的相关具体结构的设计进行讨论。4.2 手指结构的二次优化以与分析前面经过对手指的初步优化，通过相应的动力学分析、静力学分析、运动学分析，综合

59、分析了手爪的结构可靠性和抓取稳定性，这里结合相关的工程设计经验以与理论知识，进一步对前面设计的欠驱动手爪进行优化。图 4-1 和图 4-2 是二次优化后的食指模型和大拇指模型，对比分析可以看出二次优化后的手指结构避免了之前设计中的不必要的材料浪费和结构上的冗余，不仅使得结构更加简单，更降低了手爪整体的重量，使欠驱动手爪的抓取性能得到进一步的优化。图 4-1 二次优化后的食指参照前面的方法，通过 Ansys 软件对二次优化后的食指进行动力学分析、静力学分析，图 4-3 是对应的动力学分析模型，图 4-4 到图 4-12 是相应的静力学分析结果。图 4-2 二次优化后的大拇指 . . . 27 /

60、 46图 4-3 二次优化后的动力学分析模型(1)变形图 (2)等效应变图 (3)等效应力图图 4-4 连杆 1 的静力学分析从图中可以看出，连杆 1 的最大的变形量为 1.8614e-6mm，最大等效应变为3.2816e-8，最大等效应力为 6.1382e-3Mpa，从强度条件考虑，该结构是安全可靠的。(1)变形图 (2)等效应变图 (3)等效应力图图 4-5 连杆 2 的静力学分析 . . . 28 / 46从图中可以看出，连杆 2 的最大的变形量为 9.3823e-6mm，最大等效应变为2.0465e-7，最大等效应力为 3.9524e-2Mpa，从强度条件考虑，该结构是安全可靠的。(1