【導(dǎo)讀】業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用也愈加普遍。目前，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的末端夾持裝置存在著靈。法達(dá)到FMS生產(chǎn)線(xiàn)上對(duì)于靈活和精細(xì)操作的要求。為此，本文根據(jù)國(guó)內(nèi)外的新型。器人手爪進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析。五指機(jī)器人手，由6個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其次，采用多連桿傳動(dòng)，剛度好、出力大、負(fù)載能力強(qiáng)。手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重。量輕，具有形狀自適應(yīng)性。對(duì)手指進(jìn)行二次優(yōu)化。以及不規(guī)則形狀的物體可靠的包絡(luò)抓取。程序、答辯PPT）可加QQ695939903，

　　

【正文】 圖 326 第三關(guān)節(jié)角加速度及傅立葉變換 通過(guò)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。左右，質(zhì)心角速度和角加速度由于物體的限制不斷波動(dòng)，但從傅立葉轉(zhuǎn)換后的圖形中可以看出其波動(dòng)是穩(wěn)定的。 圖 327 扭簧 1 的角位移 從圖 327 可以看出，介于關(guān)節(jié) 1 和關(guān)節(jié) 2 之間的扭簧在 18s 左右開(kāi)始出現(xiàn)角位移，這與關(guān)節(jié) 1 開(kāi)始和物體相接觸的時(shí)間是相互對(duì)應(yīng)的，最后的角位移約為 80176。 從圖 328 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(kāi)始出現(xiàn)明顯的角位移，這與關(guān)節(jié) 2 開(kāi)始和物體相接觸的時(shí)間是相互對(duì)應(yīng)的，之前由于連桿的傳動(dòng)力的作用會(huì)出現(xiàn)一定較小的波動(dòng)，最后的角位移約為 30176。 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(kāi)始出現(xiàn)接觸力，這也正是與第一關(guān)節(jié)和物體在 18s 開(kāi)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 331 第二關(guān)節(jié)與物體的接觸力 圖 332 第二關(guān)節(jié)與物體的接觸力矩 從圖 331 和圖 332 可以看出，第二關(guān)節(jié)與物體在 61s 左右開(kāi)始出現(xiàn)接觸力，這也正是與第二關(guān)節(jié)和物體在 61s 開(kāi)始接觸相互對(duì)應(yīng)的，接觸力最大值大概為，比較第二關(guān)節(jié)與物體的接觸力和第二關(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，因此二者而表現(xiàn)出相 應(yīng)的相似性是和理論基礎(chǔ)相符的。 圖 333 第三關(guān)節(jié)與物體的接觸力 圖 334 第三關(guān)節(jié)與物體的接觸力矩 從圖 333 和圖 334 可以看出，第三關(guān)節(jié)與物體在 70s 左右開(kāi)始出現(xiàn)接觸力，這也正是與第三關(guān)節(jié)和物體在 70s 開(kāi)始接觸相互對(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。 從圖 335 可以看出，介于關(guān)節(jié) 1 和關(guān)節(jié) 2 之間的扭簧在 18s 左右開(kāi)始出現(xiàn)明顯的扭矩變化，這與扭簧 1 開(kāi)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 15N*mm。 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(kāi)始出現(xiàn)明顯的扭矩變化，這與扭簧 2 開(kāi)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。 欠驅(qū)動(dòng)手爪整體抓取仿真 最后，手爪總裝配體的仿真抓取過(guò)程見(jiàn)圖 337。 (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(guò) 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。同時(shí)，經(jīng)過(guò) Ansys 的優(yōu)化功能對(duì)模型進(jìn)行了初步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。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(lái) 看，該設(shè)計(jì)是可靠可行的。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 26 第 4 章 欠驅(qū)動(dòng)手指的二次優(yōu)化及其他結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 引言 在第 3 章中運(yùn)用 Ansys 的優(yōu)化功能對(duì)手指結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，這里將會(huì)結(jié)合相關(guān)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行二次優(yōu)化，并通過(guò)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。并從實(shí)際的生產(chǎn)加工、安裝問(wèn)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。 手指結(jié)構(gòu)的二次優(yōu)化以及分析 前面經(jīng)過(guò)對(duì)手指的初步優(yōu)化，通過(guò)相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)分析、靜力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，綜合分析了手爪的結(jié)構(gòu)可靠性和抓取穩(wěn)定性，這里結(jié)合相關(guān)的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及理論知識(shí)，進(jìn)一步對(duì)前面設(shè)計(jì)的欠驅(qū) 動(dòng)手爪進(jìn)行優(yōu)化。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(jiǎn)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。 圖 41 二次優(yōu)化后的食指 參照前面的方法，通過(guò) Ansys 軟件對(duì)二次優(yōu)化后的食指進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析、靜力學(xué)分析，圖 43 是對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)分析模型，圖 44 到圖 412 是相應(yīng)的靜力學(xué)分析結(jié)果。 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 45 連桿 2 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 ) 28 從圖中可以看出，連桿 2 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。 (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)椋畲蟮刃?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 47 連桿 4 的靜力學(xué)分析 從圖中可以看出，連桿 4 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(chēng)性和相似性，這里只對(duì)連桿 5 進(jìn)行了靜力學(xué)分析。從圖中可以看出，連桿 5 的最大的變形量為 ，最大等效應(yīng)變?yōu)?，最大等效應(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 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 410 連桿 10 的靜力學(xué)分析 從圖中可以看出，連桿 10 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 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)?，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 412 螺母的靜力學(xué)分析 從圖中可以看出，螺母的最大的變形量為 ，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。 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(wèn)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。 圖 413 欠驅(qū)動(dòng)手爪總體裝配圖 主手掌 圖 414 是主手掌模型，用于連接食指、中指、無(wú)名指、小拇指、滑軌以及電機(jī)等。主手掌總長(zhǎng) ，總寬 68mm，厚度為 1mm。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 31 圖 414 主手掌 圖 415 副手掌 副手掌 圖 415 是副手掌模型，用于連接大拇指、滑軌以及電機(jī)等。 附件 (1)扭簧 前文中提到過(guò)，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。圖 416 是介于關(guān)節(jié) 1 和關(guān)節(jié) 2 之間的雙扭簧 1，扭轉(zhuǎn)剛度是 ，初始角度為 58176。，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。 圖 416 雙扭簧 1 圖 417 雙扭簧 2 (2)連接塊 連接塊的作用在于連接手指的第一關(guān)節(jié)和手掌，確定手指在手掌中的位置，材料為 45 號(hào)鋼，模型見(jiàn)圖 418。 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(jiǎn)單和安裝方便，采用如 圖 419 簡(jiǎn)單可行的滑軌設(shè)計(jì)，滑軌導(dǎo)程為 32mm， 45 號(hào)鋼材料。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 32 (4)螺母 基于上面的滑軌設(shè)計(jì)，不得不對(duì)先前的螺母設(shè)計(jì)更改如圖 420，螺紋孔直徑為與電機(jī)輸出軸導(dǎo)螺桿相配合的 M3。 (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(jiàn)圖 421。 圖 420 螺母 圖 421 電機(jī)座 連接方式設(shè)計(jì) 關(guān)節(jié)之間的連接 考慮關(guān)節(jié)之間的配合對(duì)于抓取運(yùn)動(dòng)的性能影響，本文采用鉚釘連接的方式，參照 GB 8671986，選用了 5 種規(guī)格的鉚釘： 25， 2x6， 2x9， 2x12， 2x14，均為20 號(hào)鋼材料。 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。 主手掌和副手掌的連接 由于主手掌和副手掌之間要實(shí)現(xiàn)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，即附加在大拇指整體上的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，而主手掌和副手掌之間由于承載著大量的結(jié)構(gòu)和手指的作用，所以要選擇哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 33 一個(gè)強(qiáng)度可靠的連接方式，這里參考合頁(yè)的設(shè)計(jì)來(lái)連接主手掌和副手掌，采用不銹鋼的材料，模型見(jiàn)圖 422。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。 圖 422 合頁(yè) 整體抓取仿真 最后的欠驅(qū)動(dòng)手爪 Adams 仿真抓取球形和圓柱形物體分別見(jiàn)圖 423 和圖424。 (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(guò)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(lái)看，二次優(yōu)化后的模型不僅能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，還大大簡(jiǎn)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。然后從生產(chǎn)加工、安裝等實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，對(duì)哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 34 手爪的相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論和設(shè)計(jì)。最后通過(guò)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。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)