【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 取工作，所以末端結(jié)構(gòu)應(yīng)該與其他兩個(gè)關(guān)節(jié)有所不同，手指內(nèi)部還必須考慮氣動(dòng)人工肌肉安裝位置，人工肌肉可以采取小型人工肌肉，便于安裝在曲柄滑塊上，考慮到氣動(dòng)人工肌肉縱向十分柔軟，不具有導(dǎo)向性，還必須在曲柄滑塊中間設(shè)置導(dǎo)向裝置。我們以一個(gè)手指關(guān)節(jié)為研究對(duì)象，對(duì)手指關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建模，手指的關(guān)節(jié)如圖 24 所示。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 10 頁(yè) 圖 24 手指的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu) 2 1 手指的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) A:關(guān)節(jié)機(jī)制 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 11 頁(yè) 氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器能夠完成其它任何機(jī)械無(wú)法替代的模擬人體肌肉的直線的運(yùn)動(dòng)。因此 ,有必要將直線運(yùn)動(dòng)推廣到回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域。在本文中 ,選擇了一個(gè)簡(jiǎn)單的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成所需的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器的主彈性力使曲柄沿垂直軸平移。這導(dǎo)致連桿旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度θ如圖 25 所示。 圖 25 手指關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖 B：系統(tǒng)分析 本節(jié)的目的是為了確定總輸出力，位移與氣動(dòng)肌肉的驅(qū) 動(dòng)力的關(guān)系： 1)位置分析 : 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 12 頁(yè) 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 13 頁(yè) 當(dāng)肌肉氣壓加載， 氣動(dòng)肌肉壓縮長(zhǎng)度 X,連桿 L 旋轉(zhuǎn)角θ計(jì)算方式如下 : 連桿和曲柄半徑分別為 L1 和 L2,L0 是初始位置曲柄和驅(qū)動(dòng)器之間的距離。 2)受力分析 : ）（ ??? ???? c osc os20 LLFF)s i ns i nc os(c osc os2 ????? ????? LLF202122202)c osLxLLLxLar）（（?????? ??212021222)(c osLLxLLL ??????? 2c o s1s i n ??202122202)c osLxLLLxL）（（???????南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 14 頁(yè) 氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器 壓縮引起的彈性力可以有氣動(dòng)肌肉的壓縮量和輸出力關(guān)系性能曲線獲得。 為了確定手指關(guān)節(jié)各部分的尺寸，我們根據(jù)手指的長(zhǎng)度，我們可以設(shè)定連桿長(zhǎng)度（ L1）為 18mm,手指 初始位置曲柄和驅(qū)動(dòng)器之間的距離（ L0） 為 13mm，曲柄 根據(jù) 實(shí)際情況取 15mm， 10mm， 6mm，分別比較他們的偏轉(zhuǎn)角 度和輸出力(F0L/FL2)的大小 。 表 21 不同長(zhǎng)度曲柄下的轉(zhuǎn)角和輸出力 曲柄 長(zhǎng)度 L2(mm） 偏轉(zhuǎn) 角度 θ（ 0） 輸出 力大小 6 0~ 10 0~ 15 0~ 可以根據(jù)以上公式，可以計(jì)算 曲柄不同長(zhǎng)度時(shí)的連桿的角度和最大受力 ，比較偏轉(zhuǎn)角度和輸出力，我們這里選擇手指曲柄為 10mm 最符合要求。如表 21所示 表 22 手指關(guān)節(jié)尺寸 變量 單位 數(shù)值 曲柄長(zhǎng)度（ L2) mm 10 連桿 (L1) mm 18 極限位置距離（ L0） mm 13 氣動(dòng)肌肉的位移范圍（ X) mm 0~10 通過(guò)上面數(shù)據(jù)帶入 θ 求解公式可得公式，手指的偏轉(zhuǎn)角度的范圍為 滿足設(shè)計(jì)要求，力的大小可以根據(jù)上面的 F0 公式進(jìn)行計(jì)算。 ?? 2c o s1s i n ??南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 15 頁(yè) . 手指關(guān)節(jié)的建模 因?yàn)槭种赣腥齻€(gè)關(guān)節(jié)，每一個(gè)關(guān)節(jié)又有許多零件，三個(gè)手指關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)原理和結(jié)構(gòu)一樣，所以這里以滑塊簡(jiǎn)要的介紹手指建模過(guò)程。 solidworks，在菜單欄中找到草圖繪制，然后選擇草圖繪制的基準(zhǔn)面，一般選擇前視基準(zhǔn)面（ XY 為基準(zhǔn)面）。如圖 26 所示 圖 26 基準(zhǔn)面的建立 27 所示的草圖，用鼠標(biāo)選中剛剛繪制的長(zhǎng)方形，然后在實(shí)體特征中選擇實(shí)體拉伸，輸入拉伸的距離，最后點(diǎn)擊確定，得到一個(gè)長(zhǎng)方體。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 16 頁(yè) 圖 27 繪制長(zhǎng)方形過(guò)程 ，和剛剛的長(zhǎng)方體類似，一般都是先繪制零件草圖，然后對(duì)草圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，拉伸，偏置，鏡像等 7 處理，得到設(shè)計(jì)要求的三維圖，如圖 28 所示，零件滑塊已經(jīng)建立完成 。 圖 28 關(guān)節(jié)滑塊圖 靈巧手指的裝配和三維模型的導(dǎo)出 由于其他手指零件的繪制過(guò)程基本 類似，當(dāng)零件建立結(jié)束后，首先要進(jìn)行零件圖的裝配，首先新建裝配體，然后點(diǎn)擊開(kāi)始裝配，瀏覽指向零件圖的位置，并且選擇其中一個(gè)零件作為基準(zhǔn)件，單擊插入新的零部件，瀏覽所要裝配的零部件，選擇兩個(gè)零部件的配合形式，然后其他零件以此類推，最終建立一個(gè)三維實(shí)體手指圖，本裝配的過(guò)程涉及到配合，目前常見(jiàn)的配合有重合、同軸心、平行、相切、距離、垂直等，本裝配主要涉及到同軸心、平行和接觸，手指裝配完成，檢查沒(méi)有問(wèn)題后，便可以將裝配圖轉(zhuǎn)化為 ADAMS 格式輸出。在SolidWorks 中把手指的裝配圖另存為 ParaSolid 格式（文件 已 .x_t 結(jié)尾的）。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 17 頁(yè) 圖 28 手指裝配圖 第三章 多關(guān)節(jié)手指的動(dòng)力學(xué)仿真分析 仿真軟件 ADAMS 和 MATLAB 簡(jiǎn)介 (1) ADMAS 簡(jiǎn)介 ADAMS 作為世界上使用最廣泛的多體動(dòng)力學(xué)（ MBD）軟件， ADAMS 可以幫助工程師研究運(yùn)動(dòng)部件，在機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)中載荷和力如何分布。產(chǎn)品制造南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 18 頁(yè) 商往往很難理解真正的系統(tǒng)性能，直到在設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)束時(shí)。機(jī)械，電力等子系統(tǒng)對(duì)他們的系統(tǒng)工程過(guò)程中的具體要求進(jìn)行驗(yàn)證，但整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試和驗(yàn)證來(lái)得晚，導(dǎo)致返工，而且是風(fēng)險(xiǎn)更大，比那些提前設(shè)計(jì)變更的成本更大。 ADAMS 作為世界上最有名的和廣泛使用的多體動(dòng)力學(xué)（ MBD）軟件， ADAMS提高工程效率，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本，使早期的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)驗(yàn)證。工程師可以評(píng)估和管理學(xué)科，包括運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)和控制之間復(fù)雜的相互作用，以便更好地優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能，安全性和舒適。憑著強(qiáng)大的分析能力和高性能計(jì)算的優(yōu)勢(shì)， ADAMS 可以大規(guī)模地優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題。利用多體動(dòng)力學(xué)解決方案技術(shù)， ADMAS通過(guò)非線性動(dòng)力學(xué)，用很少的時(shí)間有限元來(lái)分析解決方案。載荷和力通過(guò)ADAMS 模擬計(jì)算，提供他們?cè)谡麄€(gè)全范圍運(yùn)動(dòng)和操作環(huán)境如何變優(yōu)化為最佳狀態(tài)，提高 有限元分析的準(zhǔn)確性。 (2) MATLAB 簡(jiǎn)介 MATLAB 擁有算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)分析、和模型建立的數(shù)值計(jì)算方法。MATLAB 的數(shù)學(xué)函數(shù)內(nèi)部有處理器優(yōu)化庫(kù)，這樣就可以使向量運(yùn)算和矩陣運(yùn)算快速地運(yùn)行。 MATLAB 內(nèi)置的各種工具可以實(shí)現(xiàn)高效的算法開(kāi)發(fā)，包括： 1. MATLAB 命令行窗口：能夠以交互的方式輸入數(shù)據(jù)，執(zhí)行命令和程序，以及顯示結(jié)果 2. MATLAB 編輯器：不僅可以設(shè)置程序斷點(diǎn)及逐步調(diào)試各行代碼，而且擁有編輯和調(diào)試功能 3. 代碼分析器：自動(dòng)檢查代碼是否有問(wèn)題，并提出修改建議，以最大限度地發(fā)揮性能以及可維護(hù)性 4. MATLAB 事件探查器：衡量 MATLAB 程序的性能，并確定需要修改加以改進(jìn)的代碼范圍 其他工具可以對(duì)代碼和數(shù)據(jù)文件進(jìn)行比較，并提供顯示文件相關(guān)性、注釋提示和代碼涵蓋范圍的報(bào)告。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 19 頁(yè) 動(dòng)力學(xué)仿真過(guò)程介紹 ADAMS 參數(shù)設(shè)置過(guò)程 1） 在 ADAMS 中的 import 選擇文件類型 parasolid（ .x_t），指向保存的文件，在文件類型中中選擇 ASCII,因?yàn)楸４娴奈募墙M件，所以選 model name，在后面的空格里單擊右鍵，選 model，再選 create，默認(rèn)名字，點(diǎn)擊 OK。如圖31 所示： 圖 31 導(dǎo)入?yún)?shù)設(shè)置過(guò)程 2） 在菜單欄點(diǎn)擊 connectors 按鈕，設(shè)置相關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副，并將手指底部與大地鎖定。如圖 32 所示 3）單擊菜單欄里的 motions，然后單擊選擇按鈕 translationnal joint motion，點(diǎn)擊前面設(shè)置的滑動(dòng)副，然后填寫(xiě)移動(dòng)速度為 1*time，點(diǎn)擊 ok，其他兩個(gè)滑動(dòng)副設(shè)置過(guò)程相同，如圖 33 所示。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 20 頁(yè) 圖 32 運(yùn)動(dòng)副設(shè)置圖 圖 33 驅(qū)動(dòng)設(shè)置過(guò)程 4）單擊菜單欄里的 simulation，選擇 simulation controls，把 end time 設(shè)置為 ,其中 steps 設(shè)置為 500，點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕，觀察圖形的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，如果沒(méi)有錯(cuò)誤就可以開(kāi)始輸入輸出參數(shù)的設(shè)置了。圖 34 是手指在 Adams 的仿真參數(shù)設(shè)置過(guò)程，圖 35 為仿真結(jié)果的顯示。 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 21 頁(yè) 圖 34 仿真過(guò)程參數(shù)設(shè)置 圖 35 仿真效果圖 模擬手指受理情況，在手指末端施加 的里，這個(gè)力是隨著手指移動(dòng)南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 22 頁(yè) 的，這個(gè)時(shí)候給三個(gè)關(guān)節(jié)施加驅(qū)動(dòng)，讓手指開(kāi)始彎曲，觀察手指的運(yùn)動(dòng)，并且查看手指三個(gè)滑動(dòng)副的受力情況，分析受力曲線，如圖 36 所示，是手指的三個(gè)驅(qū)動(dòng)器受力情況。由圖可知，當(dāng)手指一開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于此時(shí)驅(qū)動(dòng)器在初始位置，滑塊和中間連桿的夾角很小，此時(shí)必需很大的驅(qū)動(dòng)力才能推動(dòng)手指運(yùn)動(dòng)，但是在實(shí)際情況下，手指一般都是彎曲過(guò)后才會(huì)有負(fù)載，所以真實(shí)情況下手指開(kāi)始并不需要多大驅(qū)動(dòng)力，只需要考慮手指彎曲后的情況即可，如圖可知，手指彎曲后的驅(qū)動(dòng)力接近于一個(gè)常量， joint10 是在手指連接手掌的關(guān)節(jié)，所以一開(kāi)始的力比其他兩個(gè)關(guān)節(jié)的力要大。 圖 36 手指受負(fù)載時(shí)三個(gè)驅(qū)動(dòng)受到的力 其中 Joint10：下指節(jié) 。 Joint11：中指節(jié) 。 Joint12：上指節(jié) 圖 37 手指末端角速度變化曲線 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 23 頁(yè) 圖 38 手指末端角加速度變化曲線 圖 39 手指末端位移變化曲線 圖 310 三個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩圖 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 24 頁(yè) 5）輸入輸出參數(shù)的選擇過(guò)程是非常重要的，由于手指有三個(gè)關(guān)節(jié)，因此必須有三個(gè)參數(shù)的輸入，我們這里把手指的滑動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)置為輸入?yún)?shù)，多關(guān)節(jié)手指關(guān)節(jié)的指端角速度為輸出參數(shù)。 單擊菜單欄中建立按鈕，打開(kāi) System Elements 選項(xiàng)，打開(kāi) State Variable，點(diǎn)擊 New 選項(xiàng)，創(chuàng)建狀態(tài)變量對(duì)話框。將名稱改成 . （ MODEL_1 為文件名， speed為變量名）。單擊 OK按鈕后創(chuàng)建狀態(tài)變量 speed1d作為輸入變量。其他三個(gè)驅(qū)動(dòng)設(shè)置為 speed2， speed3，如圖 311 所示 圖 311 創(chuàng)建輸入狀態(tài)變量 將狀態(tài)變量與模型關(guān)聯(lián) 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 25 頁(yè) 在手指右側(cè)的 motion 菜單中選擇 joint motion 選項(xiàng)，右擊選擇 modifly選 項(xiàng) ， 打 開(kāi) 編 輯 對(duì) 話 框 ， 在 函 數(shù) 輸 入 框 中 輸 入VARVAL(.)*time ，其中 VARVAL（）是一個(gè) ADAMS 函數(shù)，它返回變量 . 的值。通過(guò) Varval 把狀態(tài)變量 speed1 與速度關(guān)聯(lián)起來(lái)，速度等于自于狀態(tài)變量 speed1 的數(shù)值。如圖 312 所示 圖 312 將狀態(tài)變量與模型關(guān)聯(lián) 指定狀態(tài)變量 speed1 為輸入變量 單擊菜單欄的建立按鈕，選擇窗口中的 Controls Toolkit，點(diǎn)擊 Plant Input 創(chuàng)建輸入變量，彈出控制輸入對(duì)話框，將狀態(tài)輸入名稱 輸入框改成 ., 點(diǎn)擊變量名稱輸入框中，可以使用右鍵鼠標(biāo)快速輸入狀態(tài)變量 .， .,.，單擊 OK 按鈕。如圖 313 所示 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 26 頁(yè) 313 指定狀態(tài)變量 speed1 為輸入變量 創(chuàng)建輸出變量 單擊菜單欄中建立按鈕，打開(kāi) System Elements 選項(xiàng)，打開(kāi) State Variable，點(diǎn)擊 New 選項(xiàng)，跳出狀態(tài)變量窗口。 將名稱輸入框修改成 Angle，在 F(time,… )后面點(diǎn)擊 按鈕，然后選擇 WX 函數(shù)，后面的參數(shù)填寫(xiě)(MARKER_55,MARKER_45,MARKER_45），點(diǎn)擊應(yīng)用按鈕創(chuàng)建狀態(tài)變量 Angle作為輸出變量，其中 WX（）函數(shù)返回繞 X 軸旋轉(zhuǎn)的角速度，這里代表手指末端的角速度。手指末端位移的設(shè)置與上面角速度設(shè)置類似，如圖 314 所示 圖 314 創(chuàng)