【正文】 接觸相互對(duì)應(yīng)的，接觸力最大值大概為，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(gè)圖像可以哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 24 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。 (1)抓取初始狀態(tài) (2)第一關(guān)節(jié)與物體接 觸 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 25 (3)第二關(guān)節(jié)與物體接觸 (4)抓取穩(wěn)定狀態(tài) 圖 337 欠驅(qū)動(dòng)手爪總裝配體的仿真抓取 本章小結(jié) 在本章中，我們對(duì)前面初步設(shè)計(jì)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(duì)模型進(jìn)行動(dòng)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(jì)的可靠性。并從實(shí)際的生產(chǎn)加工、安裝問題對(duì)手爪的相關(guān)具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行討論。 圖 42 二次優(yōu)化后的大拇指 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 27 圖 43 二次優(yōu)化后的動(dòng)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 44 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 ，最大等效應(yīng)變?yōu)?，最大等效?yīng)力為 ，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 48 連桿 5 的靜力學(xué)分析 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 29 由于連桿 8 在結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱性和相似性，這里只對(duì)連桿 5 進(jìn)行了靜力學(xué)分析。 (1)變形圖 (2)等效應(yīng)變圖 (3)等效應(yīng)力圖 圖 411 連接桿 d 的靜力學(xué)分析 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 30 從圖中可以看出，連接桿 d 的最大的變形量為 ，最大等效應(yīng)變?yōu)椋畲蟮刃?yīng)力為 ，從強(qiáng)度條件考慮，該結(jié)構(gòu)是安全可靠的。主手掌總長 ，總寬 68mm，厚度為 1mm。圖 417 是介于關(guān)節(jié)2 和關(guān)節(jié) 3 之間的雙扭簧 2，扭轉(zhuǎn)剛度是 ，初始角度為 60176。 (5)電機(jī)座 這里根據(jù)電機(jī)的選型自行設(shè)計(jì)了配套的電機(jī)座，見圖 421。并且選擇了 GB/T 6560 1986 自攻鎖緊螺釘 M4x8N和 GB/T 六角薄螺母 M4N，材料均為 20 號(hào)鋼。最后通過對(duì)二次優(yōu)化后的欠驅(qū)動(dòng)手爪整體的仿真，驗(yàn)證了本設(shè) 計(jì)的抓取可靠和穩(wěn)定。 (1)抓取初始狀態(tài) (2)抓取中間狀態(tài) 1 (3)抓取中間狀態(tài) 2 (4)抓取穩(wěn)定狀態(tài) 圖 423 欠驅(qū)動(dòng)手爪抓取球形物體仿真 (1)抓取初始狀態(tài) (2)抓取中間狀態(tài) 1 (3)抓取中間狀態(tài) 2 (4)抓取穩(wěn)定狀態(tài) 圖 424 欠驅(qū)動(dòng)手爪抓取圓柱形物體仿真 本章小結(jié) 本章結(jié)合相關(guān)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)前面設(shè)計(jì)的欠驅(qū)動(dòng)手爪進(jìn)行了二次優(yōu)化，并通過對(duì)二次優(yōu)化后的模型的靜力學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析進(jìn)行驗(yàn)證，從分析結(jié)果來看，二次優(yōu)化后的模型不僅能夠滿足設(shè)計(jì)要求，還大大簡化了結(jié)構(gòu)，減輕了手爪的重量，進(jìn)一步保證了可靠的抓取性能。 附件與手掌的連接 為了實(shí)現(xiàn)手爪的小巧性，所以相關(guān)的結(jié)構(gòu)的尺寸也比較小，這里綜合選擇了GB/T 6560 1986 自攻鎖緊螺釘 M2x5 和 GB/T 六角薄螺母 M2N，材料均為 20 號(hào)鋼。 圖 418 連接塊 圖 419 滑動(dòng)導(dǎo)軌 (3)滑動(dòng)導(dǎo)軌 考慮到滑軌的制作簡單和安裝方便，采用如 圖 419 簡單可行的滑軌設(shè)計(jì)，滑軌導(dǎo)程為 32mm， 45 號(hào)鋼材料。 附件 (1)扭簧 前文中提到過，為了實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)手指在抓取物體時(shí)各個(gè)關(guān)節(jié)先后接觸，在相鄰的兩個(gè)關(guān)節(jié)之間加入了扭簧，扭簧材料為 65Mn。 其他結(jié)構(gòu) 考慮到欠驅(qū)動(dòng)手爪整體的加工和安裝等問題，這里將對(duì)手指以外的其他結(jié)構(gòu)的加工以及安裝的細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手爪整體建模如圖 413。 (1)變形圖 (2)等效應(yīng)變圖 (3)等效應(yīng)力圖 圖 49 連桿 9 的靜力學(xué)分析 從圖中可以看出，連桿 9 的最大的變形量為 ，最大等效應(yīng)變?yōu)?，最大等效?yīng)力為 ，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 46 連桿 3 的靜力學(xué)分析 從圖中可以看出，連桿 3 的最大的變形量為 ，最大等效應(yīng)變?yōu)?，最大等效?yīng)力為 ，從強(qiáng)度條件考慮，該結(jié)構(gòu)是可靠的。圖 41 和圖 42 是二次優(yōu)化后的食指模型和大拇指模型，對(duì)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(jì)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(dòng)手爪的抓取性能得到進(jìn)一步的優(yōu)化。再借助于 Adams 軟件對(duì)單根手指模型進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，得到運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的結(jié)果，最后再對(duì)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(jì)是可靠可行的。 圖 335 扭簧 1 的扭矩 圖 336 扭簧 2 的扭矩 從圖 336 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，這與扭簧 2 開始出現(xiàn)角位移的時(shí)間是相互對(duì)應(yīng)的，扭矩最大值約為 *mm。 圖 328 扭簧 2 的角位移 機(jī)器人手爪抓取的動(dòng)力學(xué)分析 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 23 圖 329 第一關(guān)節(jié)與物體的接觸力 圖 330 第一關(guān)節(jié)與物體的接觸力矩 從圖 329 和圖 330 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(duì)應(yīng)的，接觸力最大值大概為，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(gè)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 324 第三關(guān)節(jié)角位移 圖 325 第三關(guān)節(jié)角速度及傅立葉變換 圖 326 第三關(guān)節(jié)角加速度及傅立葉變換 通過圖 32圖 32圖 326 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 105176。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 21 圖 317 單根手指的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析的 Adams 模型 圖 318 第一關(guān)節(jié)角位移 圖 319 第一關(guān)節(jié)的角速度及傅立葉變換 圖 320 第一關(guān)節(jié)角加速度及傅立葉變換 通過圖 31圖 31圖 320 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 25176。 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(jì)派生到拇指上，從而可以大大縮短設(shè)計(jì)周期。 (1)變形圖 (2)等效應(yīng)變圖 (3)等效應(yīng)力圖 圖 311 連桿 b2的靜力學(xué)分析 從圖中可以看出，連桿 b2 的最大的變形量為 ，最大等效應(yīng)變?yōu)椋畲蟮刃?yīng)力為 ，從強(qiáng)度條件考慮，該結(jié)構(gòu)是安全可靠的。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17 (1)變形圖 (2)等效應(yīng)變圖 (3)等效應(yīng)力圖 圖 37 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 ，最大等效應(yīng)變?yōu)?，最大等效?yīng)力為 ，從強(qiáng)度條件考慮，該結(jié)構(gòu)是安全可靠的。 表 31 優(yōu)化后的食指尺寸參數(shù) 符號(hào) l m n 1a 1b 1c 2a 2b 2c 1? 2? 數(shù)值 30 25 23 15 35 25 15 23 20 20176。由角速度關(guān)系得： (312) 式中 : 1h 、 2h —— 13oo 和 24oo 的長度。分析靜力學(xué)問題的基本原理是虛功原理，它闡明力學(xué)系統(tǒng)保持靜力平衡的充要條件。本節(jié)重點(diǎn)研究三關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)手指包絡(luò)抓取模式下的靜力學(xué)性能。這里，為了保證手指的各個(gè)關(guān)節(jié)能夠相對(duì)于物體依次動(dòng)作，在第一關(guān)節(jié)和第二關(guān)節(jié)之間以及第二關(guān)節(jié)和第三關(guān)節(jié)之間分別添加了兩個(gè)扭簧 1k 和 2k ， 且 12kk? 。 本章小結(jié) 通過對(duì)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(duì)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手爪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，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(dòng)及傳動(dòng)方式等。因?yàn)楫?dāng)產(chǎn)生這種附加力矩時(shí)，會(huì)使運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)耦合，增加控制的難度，影響抓取的穩(wěn)定性 [10]。其性能參數(shù)見表 22。 根據(jù)以上幾種驅(qū)動(dòng)方式的比較分析，電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式在負(fù)載小、操作力不大時(shí)，相對(duì)于液壓和氣壓驅(qū)動(dòng)有較大的優(yōu)越性，故本文采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。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)。 氣壓驅(qū)動(dòng)：在所有的驅(qū)動(dòng)方式中，氣壓驅(qū)動(dòng)相對(duì)簡單，在工業(yè)上應(yīng)用很廣泛。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(dòng)源和傳動(dòng)方式。前文提到的 Okada 手爪是沒有手掌的，而 Utah／ MIT、 NASA、和 HIT／ DLR 具有剛性結(jié)構(gòu)的手掌 [1314]。 的設(shè)計(jì)、制造和供貨周期。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 10 手指的模塊化設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手爪的食指、中指、無名指、小指采用模塊化設(shè)計(jì)思想，均為相同的尺寸和結(jié)構(gòu)，只是在手掌的布置不同。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 9 圖 25 食指設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu) 表 21 食指尺寸參數(shù)初步計(jì)算 符號(hào) l m n 1a 1b 1c 2a 2b 2c 1? 2? 數(shù)值 30 25 23 10 20 10 23 20 59176。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)包絡(luò)機(jī)構(gòu)的連桿尺寸。 這里三角形看成是剛性結(jié)構(gòu)。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。 手指安裝到手掌上后，每個(gè)手指分別具有 3 個(gè)自由度，其中需要指出的是拇指具有兩個(gè)關(guān)節(jié)自由度加上 1 個(gè)拇指機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)自由度，整個(gè)手爪具有 15 個(gè)自由度。因此，二個(gè)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(duì)目標(biāo)物體的微細(xì)或者復(fù)雜的操作，因?yàn)樵谘刂鴥蓚€(gè)接觸點(diǎn)連線的軸線方向上 目標(biāo)物體是存在著轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢的，這種不穩(wěn)定性可能會(huì)給系統(tǒng)安全帶來隱患，所以從實(shí)際出發(fā)二個(gè)手指的手爪結(jié)構(gòu)并不理想。 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 仿人機(jī)器人手爪的設(shè)計(jì)主要包括整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、手掌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)并不包括控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。遠(yuǎn)側(cè)指間關(guān)節(jié)可屈曲 0176。；食指、中指、無名指、小指的掌指關(guān)節(jié)的主要運(yùn)動(dòng)是側(cè)擺和屈曲，此外還可以作有限度的被動(dòng)旋轉(zhuǎn)活動(dòng)，四指的掌指關(guān)節(jié)可屈伸 0176。拇指指間關(guān)節(jié)為屈曲關(guān)節(jié)，可屈伸 0176。 5 個(gè)手指分別通過掌骨和腕骨相連。 從仿生學(xué)的角度考慮機(jī)器人手爪的設(shè)計(jì)，很自然的就能想到我們?nèi)祟愖约旱氖郑瑱C(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(jì)機(jī)器人手爪時(shí)的重要參照對(duì)象。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]。典型的仿生學(xué)運(yùn)用如圖 21 和圖 22 所示。本章主要對(duì)機(jī)器人手爪的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在充分考慮實(shí)現(xiàn)較多抓取模式的前提下，設(shè)計(jì)了一種基于欠驅(qū)動(dòng)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)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 (3)機(jī)器人手爪運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 首先使用 Solidworks 軟件對(duì)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(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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、速度及加速度信息、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)。 主要研究內(nèi)容 (1)機(jī)器人手爪機(jī)械本體設(shè)計(jì) 根據(jù)研究指標(biāo)，本文選擇對(duì)三關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)手指進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(dòng)手指。它既可哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 3 以用于仿人機(jī)器人末端操作器，也可以應(yīng)用于殘疾人假手 [5]。 圖 11 SARAH 手爪模型圖 國內(nèi)從事機(jī)器人手爪研究的主要有清華大學(xué)、北京理工大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)以及國防科技大學(xué)等單位。這些手爪分為專用和通用兩類。研究欠驅(qū)動(dòng)手指機(jī)構(gòu)及其分析與設(shè)計(jì)理論，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、抓持力大、操作簡單哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文