【文章內(nèi)容簡介】 取工作，所以末端結(jié)構(gòu)應該與其他兩個關節(jié)有所不同，手指內(nèi)部還必須考慮氣動人工肌肉安裝位置，人工肌肉可以采取小型人工肌肉，便于安裝在曲柄滑塊上，考慮到氣動人工肌肉縱向十分柔軟，不具有導向性，還必須在曲柄滑塊中間設置導向裝置。我們以一個手指關節(jié)為研究對象，對手指關節(jié)結(jié)構(gòu)進行設計和建模，手指的關節(jié)如圖 24 所示。 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 10 頁 圖 24 手指的關節(jié)結(jié)構(gòu) 2 1 手指的關節(jié)設計 A:關節(jié)機制 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 11 頁 氣動肌肉驅(qū)動器能夠完成其它任何機械無法替代的模擬人體肌肉的直線的運動。因此 ,有必要將直線運動推廣到回轉(zhuǎn)運動以應用于機器人領域。在本文中 ,選擇了一個簡單的曲柄滑塊機構(gòu)將直線運動轉(zhuǎn)換成所需的回轉(zhuǎn)運動。氣動肌肉驅(qū)動器的主彈性力使曲柄沿垂直軸平移。這導致連桿旋轉(zhuǎn)一個角度θ如圖 25 所示。 圖 25 手指關節(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，位移與氣動肌肉的驅(qū) 動力的關系： 1)位置分析 : 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 12 頁 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 13 頁 當肌肉氣壓加載， 氣動肌肉壓縮長度 X,連桿 L 旋轉(zhuǎn)角θ計算方式如下 : 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）（（???????南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 14 頁 氣動肌肉驅(qū)動器 壓縮引起的彈性力可以有氣動肌肉的壓縮量和輸出力關系性能曲線獲得。 為了確定手指關節(jié)各部分的尺寸，我們根據(jù)手指的長度，我們可以設定連桿長度（ L1）為 18mm,手指 初始位置曲柄和驅(qū)動器之間的距離（ L0） 為 13mm，曲柄 根據(jù) 實際情況取 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 不同長度曲柄下的轉(zhuǎn)角和輸出力 曲柄 長度 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，可以計算 曲柄不同長度時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 手指關節(jié)尺寸 變量 單位 數(shù)值 曲柄長度（ L2) mm 10 連桿 (L1) mm 18 極限位置距離（ L0） mm 13 氣動肌肉的位移范圍（ X) mm 0~10 通過上面數(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 滿足設計要求，力的大小可以根據(jù)上面的 F0 公式進行計算。 ?? 2c o s1s i n ??南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 15 頁 . 手指關節(jié)的建模 因為手指有三個關節(jié)，每一個關節(jié)又有許多零件，三個手指關節(jié)的驅(qū)動原理和結(jié)構(gòu)一樣，所以這里以滑塊簡要的介紹手指建模過程。 solidworks，在菜單欄中找到草圖繪制，然后選擇草圖繪制的基準面，一般選擇前視基準面（ XY 為基準面）。如圖 26 所示 圖 26 基準面的建立 27 所示的草圖，用鼠標選中剛剛繪制的長方形，然后在實體特征中選擇實體拉伸，輸入拉伸的距離，最后點擊確定，得到一個長方體。 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 16 頁 圖 27 繪制長方形過程 ，和剛剛的長方體類似，一般都是先繪制零件草圖，然后對草圖進行旋轉(zhuǎn)，拉伸，偏置，鏡像等 7 處理，得到設計要求的三維圖，如圖 28 所示，零件滑塊已經(jīng)建立完成 。 圖 28 關節(jié)滑塊圖 靈巧手指的裝配和三維模型的導出 由于其他手指零件的繪制過程基本 類似，當零件建立結(jié)束后，首先要進行零件圖的裝配，首先新建裝配體，然后點擊開始裝配，瀏覽指向零件圖的位置，并且選擇其中一個零件作為基準件，單擊插入新的零部件，瀏覽所要裝配的零部件，選擇兩個零部件的配合形式，然后其他零件以此類推，最終建立一個三維實體手指圖，本裝配的過程涉及到配合，目前常見的配合有重合、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，檢查沒有問題后，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）。 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 17 頁 圖 28 手指裝配圖 第三章 多關節(jié)手指的動力學仿真分析 仿真軟件 ADAMS 和 MATLAB 簡介 (1) ADMAS 簡介 ADAMS 作為世界上使用最廣泛的多體動力學（ MBD）軟件， ADAMS 可以幫助工程師研究運動部件，在機械系統(tǒng)的動力學中載荷和力如何分布。產(chǎn)品制造南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 18 頁 商往往很難理解真正的系統(tǒng)性能，直到在設計過程結(jié)束時。機械，電力等子系統(tǒng)對他們的系統(tǒng)工程過程中的具體要求進行驗證，但整個系統(tǒng)的測試和驗證來得晚，導致返工，而且是風險更大，比那些提前設計變更的成本更大。 ADAMS 作為世界上最有名的和廣泛使用的多體動力學（ MBD）軟件， ADAMS提高工程效率，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，使早期的系統(tǒng)級設計驗證。工程師可以評估和管理學科，包括運動，結(jié)構(gòu)，驅(qū)動和控制之間復雜的相互作用，以便更好地優(yōu)化產(chǎn)品設計性能，安全性和舒適。憑著強大的分析能力和高性能計算的優(yōu)勢， ADAMS 可以大規(guī)模地優(yōu)化設計問題。利用多體動力學解決方案技術， ADMAS通過非線性動力學，用很少的時間有限元來分析解決方案。載荷和力通過ADAMS 模擬計算，提供他們在整個全范圍運動和操作環(huán)境如何變優(yōu)化為最佳狀態(tài)，提高 有限元分析的準確性。 (2) MATLAB 簡介 MATLAB 擁有算法開發(fā)、數(shù)據(jù)分析、和模型建立的數(shù)值計算方法。MATLAB 的數(shù)學函數(shù)內(nèi)部有處理器優(yōu)化庫，這樣就可以使向量運算和矩陣運算快速地運行。 MATLAB 內(nèi)置的各種工具可以實現(xiàn)高效的算法開發(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：不僅可以設置程序斷點及逐步調(diào)試各行代碼，而且擁有編輯和調(diào)試功能 3. 代碼分析器：自動檢查代碼是否有問題，并提出修改建議，以最大限度地發(fā)揮性能以及可維護性 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的代碼范圍 其他工具可以對代碼和數(shù)據(jù)文件進行比較，并提供顯示文件相關性、注釋提示和代碼涵蓋范圍的報告。 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 19 頁 動力學仿真過程介紹 ADAMS 參數(shù)設置過程 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,因為保存的文件是組件，所以選 model name，在后面的空格里單擊右鍵，選 model，再選 create，默認名字，點擊 OK。如圖31 所示： 圖 31 導入?yún)?shù)設置過程 2） 在菜單欄點擊 connectors 按鈕，設置相關轉(zhuǎn)動副和移動副，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，點擊前面設置的滑動副，然后填寫移動速度為 1*time，點擊 ok，其他兩個滑動副設置過程相同，如圖 33 所示。 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 20 頁 圖 32 運動副設置圖 圖 33 驅(qū)動設置過程 4）單擊菜單欄里的 simulation，選擇 simulation controls，把 end time 設置為 ,其中 steps 設置為 500，點擊開始按鈕，觀察圖形的運動過程，如果沒有錯誤就可以開始輸入輸出參數(shù)的設置了。圖 34 是手指在 Adams 的仿真參數(shù)設置過程，圖 35 為仿真結(jié)果的顯示。 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 21 頁 圖 34 仿真過程參數(shù)設置 圖 35 仿真效果圖 模擬手指受理情況，在手指末端施加 的里，這個力是隨著手指移動南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 22 頁 的，這個時候給三個關節(jié)施加驅(qū)動，讓手指開始彎曲，觀察手指的運動，并且查看手指三個滑動副的受力情況，分析受力曲線，如圖 36 所示，是手指的三個驅(qū)動器受力情況。由圖可知，當手指一開始運動時，由于此時驅(qū)動器在初始位置，滑塊和中間連桿的夾角很小，此時必需很大的驅(qū)動力才能推動手指運動，但是在實際情況下，手指一般都是彎曲過后才會有負載，所以真實情況下手指開始并不需要多大驅(qū)動力，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)動力接近于一個常量， joint10 是在手指連接手掌的關節(jié)，所以一開始的力比其他兩個關節(jié)的力要大。 圖 36 手指受負載時三個驅(qū)動受到的力 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 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 23 頁 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 三個關節(jié)的轉(zhuǎn)矩圖 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 24 頁 5）輸入輸出參數(shù)的選擇過程是非常重要的，由于手指有三個關節(jié)，因此必須有三個參數(shù)的輸入，我們這里把手指的滑動驅(qū)動設置為輸入?yún)?shù)，多關節(jié)手指關節(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 System Elements 選項，打開 State Variable，點擊 New 選項，創(chuàng)建狀態(tài)變量對話框。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。其他三個驅(qū)動設置為 speed2， speed3，如圖 311 所示 圖 311 創(chuàng)建輸入狀態(tài)變量 將狀態(tài)變量與模型關聯(lián) 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 25 頁 在手指右側(cè)的 motion 菜單中選擇 joint motion 選項，右擊選擇 modifly選 項 ， 打 開 編 輯 對 話 框 ， 在 函 數(shù) 輸 入 框 中 輸 入VARVAL(.)*time ，其中 VARVAL（）是一個 ADAMS 函數(shù)，它返回變量 . 的值。通過 Varval 把狀態(tài)變量 speed1 與速度關聯(lián)起來，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，點擊 Plant Input 創(chuàng)建輸入變量，彈出控制輸入對話框，將狀態(tài)輸入名稱 輸入框改成 ., 點擊變量名稱輸入框中，可以使用右鍵鼠標快速輸入狀態(tài)變量 .， .,.，單擊 OK 按鈕。如圖 313 所示 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 第 26 頁 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 System Elements 選項，打開 State Variable，點擊 New 選項，跳出狀態(tài)變量窗口。 將名稱輸入框修改成 Angle，在 F(time,… )后面點擊 按鈕，然后選擇 WX 函數(shù)，后面的參數(shù)填寫(MARKER_55,MARKER_45,MARKER_45），點擊應用按鈕創(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。手指末端位移的設置與上面角速度設置類似，如圖 314 所示 圖 314 創(chuàng)