【文章內容簡介】 析，不管是在國內還是在國外，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 及 慣性 效應的作用。 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 5 第 2 章 機器人仿人手爪的結構設計 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。 仿生學在手爪設計上的應用 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，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及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 21 和圖 22 所示。 圖 21 仿生飛行器 圖 22 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)的特殊本領以及產生的機理，并把它進行模式化設計推廣運用，然后運用這些原理去設計制哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 6 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，并使其內在的聯(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 23 和圖 24 所示。 圖 23 NASA手 圖 24 DLR 手 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)的屈曲范圍為 0176。20176。，后伸為 5176。，拇指指間關節(jié)為屈曲關節(jié)，可屈伸 0176。90176。，拇指外展范圍為 0176。40176。；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 0176。90176。，近側指間關節(jié)可屈伸0176。100176。，遠側指間關節(jié)可屈曲 0176。90176。[10]。 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 7 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 50mm90mm，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 15mm20mm范圍內，手掌 寬度在 80mm90mm，手掌長度在100mm110mm，而且每個手指的各關節(jié)長度由手掌向外依次變短 [10]。 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、驅動及傳動機構設計、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 和 3，相應的自由度數(shù)為 1 和 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；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：手指內側接觸的包絡 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，整個手爪具有 15 個自由度。 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 8 食指設計 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，擴大了抓取范圍，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 n 個關節(jié)的手指的自由 度為： 32LHdof m P P? ? ? (21) 式中： m —— 活動構件數(shù)； LP —— 低副數(shù)量； HP —— 高副的數(shù)量，這里沒有高副，所以 0HP? 。 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， 3dof? ，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 2 個欠驅動度。 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，擬定抓取物體的范圍為直徑 4060mm，抓取范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)及結構見圖 25，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 21。初步設計的食指模型見圖 26。 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 9 圖 25 食指設計參數(shù)及結構 表 21 食指尺寸參數(shù)初步計算 符號 l m n 1a 1b 1c 2a 2b 2c 1? 2? 數(shù)值 30 25 23 10 20 10 23 20 59176。 121176。 圖 26 食指初步建模圖 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。 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 10 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，均為相同的尺寸和結構，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，它是一組同時具有相同功能和相同結合要素，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： ，便于維修。 、成本低，能解決多品種、小批量和大批量加工之間的矛盾。 的設計、制造和供貨周期。 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，其形狀可以在一定范圍內變動，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內，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 Okada 手爪是沒有手掌的，而 Utah／ MIT、 NASA、和 HIT／ DLR 具有剛性結構的手掌 [1314]。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 27 所示。 圖 27 手掌建模圖 哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 11 驅動及傳動機構的設計 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、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，及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。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：如壓電陶瓷驅動、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 16GA050 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，從哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計 (論文 ) 12 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范圍內。其性能參數(shù)見表 22。 表 22 金順 16GA050 微型直流減速電機 金順 16GA050 微型直流減速電機 ( 16000RPM) 減速比 空載 轉速 空載電流