【文章內(nèi)容簡介】 析，不管是在國內(nèi)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(xué)仿真，用來確定時變載荷對整個結(jié)構(gòu)或部件的影響，同時還要考慮 阻尼 及 慣性 效應(yīng)的作用。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 5 第 2 章 機(jī)器人仿人手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計 引言 機(jī)器人仿人手爪的研究目的是為了拓展機(jī)器人末端操作手爪的工作能力，使其能夠進(jìn)行復(fù)雜多樣的操作任務(wù)。就目前的形勢來看，雖然很多研究者已經(jīng)開發(fā)出了很多樣機(jī)，但真正能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能的機(jī)器人手爪卻為數(shù)不多。本章主要對機(jī)器人手爪的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，在充分考慮實(shí)現(xiàn)較多抓取模式的前提下，設(shè)計了一種基于欠驅(qū)動手指結(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)。 仿生學(xué)在手爪設(shè)計上的應(yīng)用 仿生學(xué)概述 隨著科學(xué)技術(shù)的 發(fā)展，從 20 世紀(jì)以來，人們通過對自然的觀察，已經(jīng)認(rèn)識到自然界的生物對于新技術(shù)的開辟具有重要的啟發(fā)性，并且吸引了越來越多的學(xué)者的興趣。研究人員運(yùn)用化學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科的理論知識以及相關(guān)技術(shù)模型對生物系統(tǒng)開展了深入的研究。生物學(xué)家和工程師們的積極合作，大大推動了仿生學(xué)在各個領(lǐng)域的發(fā)展，同時也不斷從生物界獲得寶貴的知識實(shí)現(xiàn)了對舊的或者沒有的工程設(shè)備的改善或者創(chuàng)造。典型的仿生學(xué)運(yùn)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(xué)就是模仿生物對人類有用的的特殊本領(lǐng)，利用生物的結(jié)構(gòu)和功能來研究新技術(shù)新產(chǎn)品的科學(xué)。它是生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)相互滲透而結(jié)合的新型的多邊緣學(xué)科。其首要的任務(wù)是研究生物系統(tǒng)的特殊本領(lǐng)以及產(chǎn)生的機(jī)理，并把它進(jìn)行模式化設(shè)計推廣運(yùn)用，然后運(yùn)用這些原理去設(shè)計制哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 6 造新的工程設(shè)備。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]。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(chǎn)實(shí)際需要提出的具體問題進(jìn)行分析建模，并將研究所得的資料予以簡化，運(yùn)用對技 術(shù)有利的方面而消除與生產(chǎn)技術(shù)無關(guān)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(jìn)行數(shù)學(xué)分析，并使其內(nèi)在的聯(lián)系抽象化，用數(shù)學(xué)語言來描述生物原型；最后根據(jù)數(shù)學(xué)模型制造出可在工程技術(shù)上實(shí)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(jī)械都優(yōu)越的多，仿生學(xué)就是要在工程上實(shí)現(xiàn)并有效的應(yīng)用生物功能的學(xué)科。 從仿生學(xué)的角度考慮機(jī)器人手爪的設(shè)計，很自然的就能想到我們?nèi)祟愖约旱氖?，機(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)計機(jī)器人手爪時的重要參照對象。為了使機(jī)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(zhì)的物體具有豐富的操作功能，越來越多的機(jī)器人研究學(xué)者利用仿生學(xué)的思想已經(jīng)實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，如圖 23 和圖 24 所示。 圖 23 NASA手 圖 24 DLR 手 人手的生理結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 醫(yī)學(xué)上，通過對人手的生理解剖研究，已經(jīng)獲得了人手的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動機(jī)理的詳細(xì)信息。根據(jù)人手的骨骼結(jié)構(gòu)，可以知道除了拇指有兩個關(guān)節(jié)外，其余 4 個手指均具有 3 個關(guān)節(jié)。 5 個手指分別通過掌骨和腕骨相連。人手拇指掌指關(guān)節(jié)為雙軸向關(guān)節(jié)，但近似屈曲關(guān)節(jié)，主要作屈伸運(yùn)動 ，拇指掌指關(guān)節(jié)的屈曲范圍為 0176。20176。，后伸為 5176。，拇指指間關(guān)節(jié)為屈曲關(guān)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(guān)節(jié)的主要運(yùn)動是側(cè)擺和屈曲，此外還可以作有限度的被動旋轉(zhuǎn)活動，四指的掌指關(guān)節(jié)可屈伸 0176。90176。，近側(cè)指間關(guān)節(jié)可屈伸0176。100176。，遠(yuǎn)側(cè)指間關(guān)節(jié)可屈曲 0176。90176。[10]。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)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(nèi)，手掌 寬度在 80mm90mm，手掌長度在100mm110mm，而且每個手指的各關(guān)節(jié)長度由手掌向外依次變短 [10]。 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 仿人機(jī)器人手爪的設(shè)計主要包括整體結(jié)構(gòu)設(shè)計、手指結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動及傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計、手掌結(jié)構(gòu)設(shè)計，本設(shè)計并不包括控制系統(tǒng)的設(shè)計。 機(jī)器人手爪作為機(jī)器人終端執(zhí)行部件，與其它機(jī)構(gòu)一樣由若干構(gòu)件組成，各構(gòu)件之間通過相關(guān)運(yùn)動副聯(lián)結(jié)以產(chǎn)生確定的相對運(yùn)動。常見的運(yùn)動副有移動副、轉(zhuǎn)動副、螺旋副和球面副，它們的約束數(shù)分別為 5 和 3，相應(yīng)的自由度數(shù)為 1 和 變量都要借助于驅(qū)動器來實(shí)現(xiàn)，一方面對于多于一個自由度的運(yùn)動副控制起來很不方便；另一方面，無論是轉(zhuǎn)動的驅(qū)動器或移動的驅(qū)動器又大多為一個自由度，所以在機(jī)器人手爪中所采用的運(yùn)動副類型，大多數(shù)只有轉(zhuǎn)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(chǎn)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?qū)崿F(xiàn)抓取穩(wěn)定。因此，二個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，無法完成對目標(biāo)物體的微細(xì)或者復(fù)雜的操作，因為在沿著兩個接觸點(diǎn)連線的軸線方向上 目標(biāo)物體是存在著轉(zhuǎn)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(shí)際出發(fā)二個手指的手爪結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)力封閉而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抓取，考慮到人手有 5 個手指，并且能夠?qū)崿F(xiàn)很多復(fù)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(xué)的思想設(shè)計了五個手指的機(jī)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(guān)節(jié)數(shù)，參照人手，食指、中指、無名指、小指均為三關(guān)節(jié)手指，拇指是二關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。 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(nèi)側(cè)接觸的包絡(luò) 抓取和手指末關(guān)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(wù)。 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(guān)節(jié)自由度加上 1 個拇指機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)自由度，整個手爪具有 15 個自由度。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 8 食指設(shè)計 食指結(jié)構(gòu)設(shè)計 在前面我們對比討論了全驅(qū)動和欠驅(qū)動結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，經(jīng)過對比分析我們選擇了欠驅(qū)動結(jié)構(gòu)的手指。采用欠驅(qū)動結(jié)構(gòu)可以使手指具有出力大、負(fù)載能力強(qiáng)、靈活性好、尺寸小等特點(diǎn)，對多種形狀的物體具有適應(yīng)性，擴(kuò)大了抓取范圍，而且在保持多個自由度的前 提下，可以將驅(qū)動元件數(shù)量減少到最少，簡化了驅(qū)動和控制結(jié)構(gòu)，大大減小了手指的尺寸和重量。相關(guān)文獻(xiàn)指出：手指對物體的形狀適應(yīng)能力和關(guān)節(jié)數(shù)成正比，采用三關(guān)節(jié)的欠驅(qū)動手指的自適應(yīng)能力會比兩個關(guān)節(jié)或單關(guān)節(jié)的更好一些。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。抓取構(gòu)形越多越容易出現(xiàn)接觸點(diǎn)脫離，越不容易穩(wěn)定。前文中已經(jīng)提到本設(shè)計主要參考人類手指，采用具有三個自由度的三個關(guān)節(jié)欠驅(qū)動手指機(jī)構(gòu)。 根據(jù)機(jī)構(gòu)的自由度公式可以得出具有 n 個關(guān)節(jié)的手指的自由 度為： 32LHdof m P P? ? ? (21) 式中： m —— 活動構(gòu)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(jié)構(gòu)。由計算可以看出：對于三關(guān)節(jié)手指來說， 3dof? ，而每個手指由一個電機(jī)驅(qū)動，即只有一個動力源，所以每個手指存在 2 個欠驅(qū)動度。 食指尺寸設(shè)計 手指的尺寸設(shè)計主要包括關(guān)節(jié)尺寸和包絡(luò)機(jī)構(gòu)尺寸。手指關(guān)節(jié)的長度和寬度采用近似人手關(guān)節(jié)尺寸的設(shè)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(guān)節(jié)包絡(luò)機(jī)構(gòu)的連桿尺寸。 在設(shè)計關(guān)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(shè)計參數(shù)及結(jié)構(gòu)見圖 25，根據(jù)前面的人手仿生學(xué)的學(xué)習(xí)和參考文獻(xiàn) [12]中關(guān)于人體手指各關(guān)節(jié)的平均尺寸的統(tǒng)計，結(jié)合參考文獻(xiàn) [11]，初步 設(shè)計食指的各個尺寸參數(shù)如表 21。初步設(shè)計的食指模型見圖 26。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 圖 25 食指設(shè)計參數(shù)及結(jié)構(gòu) 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(shè)計 本文設(shè)計的是兩個關(guān)節(jié)的拇指，再加上拇指整體的轉(zhuǎn)動的自由度，所以拇指也具有三個自由度。拇指的結(jié)構(gòu)和尺寸將會在對食指首先進(jìn)行設(shè)計和分析優(yōu)化后再做具 體設(shè)計。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 10 手指的模塊化設(shè)計 本設(shè)計中的欠驅(qū)動機(jī)器人手爪的食指、中指、無名指、小指采用模塊化設(shè)計思想，均為相同的尺寸和結(jié)構(gòu)，只是在手掌的布置不同。所謂的模塊化設(shè)計就是使用模塊的概念對產(chǎn)品或系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計和組織生產(chǎn)，模塊是模塊化產(chǎn)品的基本元素，是一種實(shí)體的概念，它是一組同時具有相同功能和相同結(jié)合要素，具有不同性能或用途甚至不同結(jié)構(gòu)特征但能互換的單元 [10]。 模塊化后的機(jī)械產(chǎn)品主要具有以下幾個特點(diǎn)： ，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(shè)計、制造和供貨周期。 手掌設(shè)計 就目前已經(jīng)研制出來的機(jī)器人手爪來看，可以發(fā)現(xiàn)，有些機(jī)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(jī)器人手爪大多是有手掌的。但是，目前大多數(shù)設(shè)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(nèi)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(nèi)，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(gòu)成曲面；而目前設(shè)計出來的大多數(shù)的手掌都是剛性結(jié)構(gòu)，不能 像人手一樣靈活發(fā)生形狀的改變，適應(yīng)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(jié)構(gòu)的手掌 [1314]。在本文中設(shè)計的手爪是帶有手掌的，但同樣是不能改變構(gòu)型的剛性結(jié)構(gòu)的手掌。本設(shè)計中的機(jī)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(shè)計的機(jī)器人手爪的整體結(jié)構(gòu)如圖 27 所示。 圖 27 手掌建模圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 11 驅(qū)動及傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計 驅(qū)動源 驅(qū)動源的形式主要有電機(jī)驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、形狀記憶合金和其他新型驅(qū)動等。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)動源和傳動方式。 為了選擇出合適的驅(qū)動源，需要綜合考慮抓取力、手爪的尺寸大小和質(zhì)量、操作方便性和成本等。目前機(jī)器人手爪常見的驅(qū)動源主要有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、和電機(jī)驅(qū)動，及其它新型的驅(qū)動能源 [15]。 液壓驅(qū)動：可以獲得較大的操作力，能驅(qū)動較大的負(fù)載，但是需要一種液壓動力裝置將電能轉(zhuǎn)換成液壓能，因此會導(dǎo)致驅(qū)動裝置體積大、成本高和易受污染。 氣壓驅(qū)動：在所有的驅(qū)動方式中，氣壓驅(qū)動相對簡單，在工業(yè)上應(yīng)用很廣泛。其主要優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、易于編程、重量輕和成本低，但是精度不高，驅(qū) 動裝置復(fù)雜。 記憶合金驅(qū)動：具有速度快、帶負(fù)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是存在疲勞和壽命問題。 電機(jī)驅(qū)動：噪音小、反應(yīng)迅速、控制方便、可靠性高和成本合理，易于實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動。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)。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動是連續(xù)且平滑的，本身沒有位置控制能力，因此要實(shí)現(xiàn)精確的位置，必須加入某種形式的位置反饋，構(gòu)成閉環(huán)伺服系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)是將脈沖信號轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動，通過調(diào)整脈沖頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)速作用，控制發(fā)出脈沖個數(shù)以達(dá)到控制角位移量來實(shí)現(xiàn)定位作用 [15]。 其它新型驅(qū)動：如壓電陶瓷驅(qū)動、啟 動肌肉驅(qū)動和可伸縮聚合體驅(qū)動等，這些新型的驅(qū)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(qū)動方式的比較分析，電機(jī)驅(qū)動方式在負(fù)載小、操作力不大時，相對于液壓和氣壓驅(qū)動有較大的優(yōu)越性，故本文采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動方式。但若選擇電機(jī)作為驅(qū)動元件，目前的電機(jī)轉(zhuǎn)速一般都較高，要得到對手指的理想輸出速度，就要在電機(jī)輸出端配裝減速機(jī)構(gòu)。通過查找相關(guān)電機(jī)資料，本設(shè)計中， 5 個手指的驅(qū)動電機(jī)均采用金順 16GA050 微型直流減速電機(jī)，這款電機(jī)的典型應(yīng)用就是運(yùn)用在機(jī)器人等微型機(jī)械中。該 電機(jī)的特點(diǎn)是其輸出軸是一根導(dǎo)螺桿，導(dǎo)螺桿的長度可以按要求向廠家定做，導(dǎo)螺桿上可以直接配合螺母以構(gòu)成螺紋傳動副，從哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 12 而將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動控制手指的開合，同時電機(jī)的轉(zhuǎn)速也可以控制在適合手指抓取的范圍內(nèi)。其性能參數(shù)見表 22。 表 22 金順 16GA050 微型直流減速電機(jī) 金順 16GA050 微型直流減速電機(jī) ( 16000RPM) 減速比 空載 轉(zhuǎn)速 空載電流