【正文】 過對二次優(yōu)化后的模型的靜力學(xué)分析、動力學(xué)分析進(jìn)行驗證。并從實際的生產(chǎn)加工、安裝問題對手爪的相關(guān)具體結(jié)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行討論。 手指結(jié)構(gòu)的二次優(yōu)化以及分析前面經(jīng)過對手指的初步優(yōu)化，通過相應(yīng)的動力學(xué)分析、靜力學(xué)分析、運動學(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)計經(jīng)驗以及理論知識，進(jìn)一步對前面設(shè)計的欠驅(qū)動手爪進(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)計中的不必要的材料浪費和結(jié)構(gòu)上的冗余，不僅使得結(jié)構(gòu)更加簡單，更降低了手爪整體的重量，使欠驅(qū)動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 Ansys 軟件對二次優(yōu)化后的食指進(jìn)行動力學(xué)分析、靜力學(xué)分析，圖 43 是對應(yīng)的動力學(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( 論文)27圖 43 二次優(yōu)化后的動力學(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( 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)?，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 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)?，最大等效?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( 論文)29由于連桿 8 在結(jié)構(gòu)上的對稱性和相似性，這里只對連桿 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)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 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)力圖哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計( 論文)30圖 411 連接桿 d 的靜力學(xué)分析從圖中可以看出，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 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)動手爪整體的加工和安裝等問題，這里將對手指以外的其他結(jié)構(gòu)的加工以及安裝的細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計，首先欠驅(qū)動機(jī)器人手爪整體建模如圖 413。 圖 413 欠驅(qū)動手爪總體裝配圖 主手掌圖 414 是主手掌模型，用于連接食指、中指、無名指、小拇指、滑軌以及電機(jī)等。主手掌總長 ，總寬 68mm，厚度為 1mm。哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計( 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，為了實現(xiàn)多關(guān)節(jié)欠驅(qū)動手指在抓取物體時各個關(guān)節(jié)先后接觸，在相鄰的兩個關(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 號鋼，模型見圖 418。 圖 418 連接塊 圖 419 滑動導(dǎo)軌(3)滑動導(dǎo)軌考慮到滑軌的制作簡單和安裝方便，采用如圖 419 簡單可行的滑軌設(shè)計，滑軌導(dǎo)程為 32mm，45 號鋼材料。哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計( 論文)32(4)螺母基于上面的滑軌設(shè)計，不得不對先前的螺母設(shè)計更改如圖 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)計了配套的電機(jī)座，見圖 421。 圖 420 螺母 圖 421 電機(jī)座 連接方式設(shè)計 關(guān)節(jié)之間的連接 考慮關(guān)節(jié)之間的配合對于抓取運動的性能影響，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 號鋼材料。 附件與手掌的連接 為了實現(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 號鋼。 主手掌和副手掌的連接 由于主手掌和副手掌之間要實現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動，即附加在大拇指整體上的轉(zhuǎn)動自由度，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( 論文)33一個強(qiáng)度可靠的連接方式，這里參考合頁的設(shè)計來連接主手掌和副手掌，采用不銹鋼的材料，模型見圖 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 號鋼。圖 422 合頁 整體抓取仿真最后的欠驅(qū)動手爪 Adams 仿真抓取球形和圓柱形物體分別見圖 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)的工程實踐經(jīng)驗對前面設(shè)計的欠驅(qū)動手爪進(jìn)行了二次優(yōu)化，并通過對二次優(yōu)化后的模型的靜力學(xué)分析、動力學(xué)分析進(jìn)行驗證，從分析結(jié)果來看，二次優(yōu)化后的模型不僅能夠滿足設(shè)計要求，還大大簡化了結(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、安裝等實際問題出發(fā)，對哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計( 論文)34手爪的相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計進(jìn)行了討論和設(shè)計。最后通過對二次優(yōu)化后的欠驅(qū)動手爪整體的仿真，驗證了本設(shè)計的抓取可靠和穩(wěn)定。哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計( 論文)35結(jié) 論工業(yè)自動化中，傳統(tǒng)的機(jī)器人末端夾持器存在著靈活性差，抓取精度低，穩(wěn)定性、可靠性和通用性差，沒有可靠的輸出力等缺點。針對手指的自由度和驅(qū)動、重量和靈活性之間的矛盾，提出了欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)，具有形狀自適應(yīng)的欠驅(qū)動機(jī)器人手爪是一種新型的多用途手爪。這種手爪的特點是驅(qū)動元件數(shù)少于手指關(guān)節(jié)的自由度數(shù)，整個手爪的驅(qū)動元件的數(shù)量少，降低了結(jié)構(gòu)和操作的復(fù)雜性，具有控制方便，抓取范圍廣泛等優(yōu)點。本文設(shè)計的具有形狀自適應(yīng)性的機(jī)器人手爪是仿照人的手指外形、結(jié)構(gòu)和功能的機(jī)械手，它可以根據(jù)抓取物體形狀被動或主動調(diào)整手爪姿態(tài)，從而獲得最優(yōu)抓取。從仿生學(xué)、人機(jī)工程學(xué)角度出發(fā)，該機(jī)器人手爪結(jié)構(gòu)緊湊，效率高，可以滿足服務(wù)或工業(yè)機(jī)器人在不同場合下的多種應(yīng)用。本文的主要結(jié)論如下：(1)本文采用人手仿生學(xué)和欠驅(qū)動自適應(yīng)原理設(shè)計了與成年人手形狀相似大小相仿的單根手指 3 自由度的五指機(jī)器人手，食指、中指、無名指、小拇指均為 3關(guān)節(jié)手指，大拇指為 2 關(guān)節(jié)手指，一共有 15 個自由度，由 6 個電機(jī)驅(qū)動。(2)采用連桿傳動，其優(yōu)點是剛度好、出力大、負(fù)載能力強(qiáng)、加工制造容易、易獲得較高的精度，構(gòu)件之間的接觸可以依靠幾何封閉來實現(xiàn)，能夠較好實現(xiàn)多種運動規(guī)律和運動軌跡的要求，具有形狀自適應(yīng)性。(3)根據(jù)虛功原理建立了 3 關(guān)節(jié)欠驅(qū)動手指的準(zhǔn)靜力學(xué)模型，并借助于 Ansys和 Adams 軟件，實現(xiàn)對手指的靜力學(xué)分析、運動學(xué)分析、動力學(xué)分析、仿真和優(yōu)化設(shè)計，再結(jié)合工程實踐中的經(jīng)驗設(shè)計對手指進(jìn)行二次優(yōu)化，實現(xiàn)了對于球形、圓柱形以及不規(guī)則形狀的物體可靠的包絡(luò)抓取。 當(dāng)然，本文也存在著諸多的不足之處，比如未能考慮欠驅(qū)動機(jī)器人手爪的硬件接口設(shè)計、未能完成控制系統(tǒng)的設(shè)計等。這些不足之處也正是本文在未來工作當(dāng)中所要努力解決的問題。哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(論文)36參考文獻(xiàn)[1] 卜奪奪 . 仿人機(jī)器人欠驅(qū)動靈巧手研究[D]. 杭州電子科技大學(xué), 2022.[2] 駱敏舟 , 梅濤, 盧朝洪, 等. 多關(guān)節(jié)欠驅(qū)動機(jī)器人手爪包絡(luò)抓取穩(wěn)定性分析與仿真[J]. 光學(xué) 精密工程, 2022, 12(5): 510.[3] Laliberte T, Birglen L, Gosselin C. 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