一种柔性机械手设计分析

1、一种柔性机械手设计分析摘要：针对传统机械手多为恒定力矩，抓取易碎物品，容易造成损坏、抓不牢摔坏，该机械手柔性关节用拉簧连接，用平带拉伸传动，起减震，缓冲效果，机械手弯曲时，手指骨节灵活、缓慢弯曲，使机械手手指缓慢弯曲，达到柔性特征，该机械结构使之具有软属性，表面附加一层软硅胶，提高机械手的感知度、仿生能力、灵活性、柔性、软抓取效果。关键词：机械手；柔性；软抓取；Matlab结构设计0引言随着时代科技的发展，机器人技术是高科技人工智能应用领域不可缺失的组成部分1，其中机械手也是重要的组成部分，所以机械手的属性，直接影响机器人2。针对传统机械手多为恒定力矩，当抓取易碎物品，容易造成损坏，因抓握不牢

2、而把物品摔坏，或者抓取物品时无法得知抓取具体力度，没有更精准地抓取。本文介绍柔性机械手通过机械结构、外加传感器、硅胶改进机械手的柔性性能。该机械手使用拉簧连接手指骨节，有效缓冲手指弯曲的拉力，并非像传统机械手通过电机或者舵机调节机械手关节转动一定角度，而是采用直流电机驱动拉伸平带，使手指慢慢弯曲直至抓取到物体，增加了机械手的柔性。柔性机械手具有载重高、低耗能、快速直接驱动、减震等优点3，可以直接驱动抓取物体，因其柔性特征，使抓取物体时达到减震效果，避免抓取力度过大损坏物体。1柔性机械手机械结构设计1.1柔性机械手的组成该柔性机械手采用三维建模软件Solidworks建立模型，如图1所示，该柔性

3、机械手初步样机采用PLA材料3D打印各零部件，组装建立模型如图2所示。1.2柔性关节设计柔性关节是连接机械手手指骨节的重要部分，其作用是减震、缓冲拉力，本机械手的柔性关节的重点是用拉簧作为连接手指骨节。每个关节都有1组拉簧连接2个手指骨节，使用销钉、螺丝还有固定装置固定拉簧。机械手弯曲时，每个手指骨节有一定角度弯曲，此时因为拉簧具有弹性，缓冲了机械手手指弯曲的拉力，使手指骨节灵活、缓慢弯曲，从而达到其软抓取。1.3柔性机械手的工作原理柔性机械手由直流电机提供动力驱动，通过环形压扣结构使直流电机与平带紧密相连，用STM32芯片作为控制核心，通过L298N电机驱动模块驱动直流电机，直流电机拉伸平带

4、，平带收缩，由于平带槽位于手指内侧，平带收缩把力传到手指上，手指内侧受力大，外侧受力小，如图3所示。内侧F1拉力大于外侧拉力F2，手指会向内侧弯曲，加上拉簧减震，缓冲拉力的作用，使手指向内侧缓慢、平顺弯曲，达到软抓取效果，增加机械手的柔性。2柔性机械手的传动系统2.1直流电机的选取为了提高柔性机械手的抓取效率，动力源起着关键作用，为了给柔性机械手提供足够动力、扭矩及功率，选择合适的额定直流电机，是至关重要的，也能有效减低设计制作成本。2.2柔性机械手电机与平带装置该装置如图4所示是一种环形压扣结构，环形外围开条状缺口，两边攻螺纹孔，环形扣和电机轴之间开槽。环形扣安装在电机轴上，平带通过条状缺口

5、嵌入环形扣与电机轴的槽间，最后扭紧螺丝固定平带，使得电机与平带紧密相连。2.3柔性机械手传动结构柔性机械手的传动结构由3大部分组成，分别是动力源、固定平带与电机位置装置、平带与拉簧传动装置。柔性机械手的传动动力来源与JGB37-520直流减速电机，通过环形压扣结构固定平带，电机带动平带，平带拉伸，带动手指运动。又由于柔性机械手的关节由拉簧组成，关节柔软，平带收缩会使柔性机械手手指慢慢模仿人手一样弯曲包裹物体。3Matlab优化柔性机械手柔性机械手包括机械手手指和关节，所以研究柔性机械手的运动学，需要研究机械手关节的运动以及机械手的运动。需要确立机械手的关节运动与机械手手指的运动的关系。确立独立

6、参数的的驱动个数，接下来对机械手手指机构进行位置正反解分析、速度分析，从而得到雅克比矩阵，最后讨论一些特殊的位置、零点，得出优化机械手的要点。用笛卡儿坐标描述机械手手指空间坐标，表示出机械手手指关节位置，从而确定关节和手指的空间位置，再用运动方程求解4。3.1柔性机械手手指的位置正解分析具有封闭式链结构的机械手，决定机械手的末端位置、速度和加速度性能的主要连杆间的相对转角中，有些是被间接驱动，有些关节运动由于结构上的原因会产生附加运动，因此求解的时候应该分析运动特点，直接找出决定末端位置、速度和加速度性能的关节角，分离这些数据，组成等价的开链机构，然后进行求解。3.2柔性机械手手指的位置反解分

7、析我们通过末端点的位置求出能实现末端位置或者一系列关节输入角的过程称为位置反解过程。可以用几何法求解位置反解。通过末端点的位置求出能实现末端位置或者一系列关节输入角，验证机械手所需的机械参数，得到机械手抓取的位置范围以及其他关节的活动范围。3.3柔性机械手手指的运动空间分析与仿真在机械手应用上有一个重要的因素就是机械手运动中达到的空间位置，这对于应用上有一定的实际意义，因此机械手的设计和研究应用阶段都应该分析机械手的可达空间。4结束语针对传统机械手多为恒定力矩，抓取易碎物品时容易造成损坏、因抓不牢而摔坏物品的问题，本文利用MATLAB软件对柔性机械手的结构进行运动学分析仿真，获得柔性机械手在运动学中合适的机械参数及运动过程中相应的动力学研究曲线8-10，能在预设范围内得到机械手的运动情况，同时本文利用设计的机械结构，柔性关节用拉簧连接，用平带拉伸传动，起减震，缓冲效果，表面附加一层软硅胶，达到柔性功能，使机械手利用机械结构具有软抓取功能，提高了研发的