【正文】 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)。 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。 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。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 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。 (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)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 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。 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。 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。 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。 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。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。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。拇指設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖314，根據(jù)仿生學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)的理論以及食指 設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，拇指設(shè)計(jì)的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表32，拇指建模如圖 315 所示。 (1)變形圖 (2)等效應(yīng)變圖 (3)等效應(yīng)力圖 圖 312 傳動(dòng)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 ) 19 從圖中可以看出，傳動(dòng)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 38 中指節(jié)的靜力學(xué)分析 從圖中可以看出，中指節(jié)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。 121176。 (313) (314) (315) (316) (317) 從而得到輸出力和輸入扭矩的關(guān)系： (318) 這里，由于組成手指的連桿機(jī)構(gòu)尺寸較小，這里主要針對(duì)三關(guān)節(jié)手指里的剛性板 ○1和 ○2(見(jiàn)圖 25)在 Ansys 里進(jìn)行減輕重量的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)是將重量減輕 40%。根據(jù)虛功原理： TTT w F v? (31) 式中 : T —— 手指關(guān)節(jié)力矩向量； w —— 角速度向量； TF —— 接觸力向量，各力的方向與手指關(guān)節(jié)垂直，摩擦力不計(jì)； v —— 各關(guān)節(jié)與物體接觸點(diǎn)處速度沿垂直于指節(jié)方向的投影組成的向量。圖 32為三關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)手指的包絡(luò)抓取機(jī)構(gòu)靜力學(xué)模型。 a 抓取初始狀態(tài) b 抓取中間狀態(tài) 1 c 抓取中間狀態(tài) 2 d 抓取中間狀態(tài) 3 e 抓取中間狀態(tài) 4 f 抓取結(jié)束狀態(tài) 圖 31 抓取的實(shí)現(xiàn)過(guò)程 圖 31 演示的是通過(guò) Adams 軟件仿真手指包絡(luò)抓取一個(gè)直徑為 60mm的球形物體的過(guò)程。設(shè)計(jì)出的機(jī)器人手爪具有和成年人手的外形相似大小相仿等特點(diǎn)，而且手指的機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)物體的包絡(luò)抓取。 平面連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn)，能夠較好實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)規(guī)律和運(yùn)動(dòng)軌跡的要求，缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)復(fù)雜 [10]。 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 負(fù)載 力矩 負(fù)載 轉(zhuǎn)速 負(fù)載 電流 堵轉(zhuǎn) 扭力 堵轉(zhuǎn) 電流 起動(dòng)電壓 i ()RPM ()mA ()g cm? ()RPM ()mA ()kgcm? ()mA ()V 1： 360 75? 4320 230? ? 450? ? 傳動(dòng)方式 目前，傳動(dòng)方式主要有鍵、繩索與滑輪、鋼絲、連桿傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)等。但若選擇電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，目前的電機(jī)轉(zhuǎn)速一般都較高，要得到對(duì)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)。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)是連續(xù)且平滑的，本身沒(méi)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)。其主要優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、易于編程、重量輕和成本低，但是精度不高，驅(qū) 動(dòng)裝置復(fù)雜。 為了選擇出合適的驅(qū)動(dòng)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。在本文中設(shè)計(jì)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。 手掌設(shè)計(jì) 就目前已經(jīng)研制出來(lái)的機(jī)器人手爪來(lái)看，可以發(fā)現(xiàn)，有些機(jī)器人手爪具有手掌，有的卻沒(méi)有。所謂的模塊化設(shè)計(jì)就是使用模塊的概念對(duì)產(chǎn)品或系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)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(shí)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]。 121176。 在設(shè)計(jì)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。由計(jì)算可以看出：對(duì)于三關(guān)節(jié)手指來(lái)說(shuō)， 3dof? ，而每個(gè)手指由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，即只有一個(gè)動(dòng)力源，所以每個(gè)手指存在 2 個(gè)欠驅(qū)動(dòng)度。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。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 食指設(shè)計(jì) 食指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在前面我們對(duì)比討論了全驅(qū)動(dòng)和欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析我們選擇了欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的手指。手指數(shù)大于 2的手爪理論上都可以通過(guò)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(gè)手指，并且能夠?qū)崿F(xiàn)很多復(fù)雜的操作，多于 5 個(gè)手指就顯得沒(méi)有多大意義，這里根據(jù)人手仿生學(xué)的思想設(shè)計(jì)了五個(gè)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。 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(guò)相關(guān)運(yùn)動(dòng)副聯(lián)結(jié)以產(chǎn)生確定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。90176。90176。90176。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(dòng) ，拇指掌指關(guān)節(jié)的屈曲范圍為 0176。為了使機(jī)器人的終端執(zhí)行工具能夠像人 類(lèi)的手一樣對(duì)不同形狀和不同性質(zhì)的物體具有豐富的操作功能，越來(lái)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(gè)目標(biāo)，如圖 23 和圖 24 所示。大致的研究過(guò)程有以下三個(gè)階段： 首先是對(duì)生物原型的研究。 圖 21 仿生飛行器 圖 22 仿生魚(yú) 簡(jiǎn)言之， 仿生學(xué)就是模仿生物對(duì)人類(lèi)有用的的特殊本領(lǐng)，利用生物的結(jié)構(gòu)和功能來(lái)研究新技術(shù)新產(chǎn)品的科學(xué)。 仿生學(xué)在手爪設(shè)計(jì)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(lái)，人們通過(guò)對(duì)自然的觀察，已經(jīng)認(rèn)識(shí)到自然界的生物對(duì)于新技術(shù)的開(kāi)辟具有重要的啟發(fā)性，并且吸引了越來(lái)越多的學(xué)者的興趣。 (4)機(jī)器人手爪動(dòng)力學(xué)分析 關(guān)于欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手爪的動(dòng)力學(xué)分析，不管是在國(guó)內(nèi)還是在國(guó)外，這方面都還是個(gè)欠缺，本文將通過(guò) Adams 軟件對(duì)模型建立動(dòng)力學(xué)仿真，用來(lái)確定時(shí)變載荷對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)或部件的影響，同時(shí)還要考慮 阻尼 及 慣性 效應(yīng)的作用。 形狀自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)手指由倆個(gè)四邊形和一個(gè)三角形連桿 機(jī)構(gòu)組成。其結(jié)構(gòu)如圖 12和圖13所示。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)的史士旺等人在 2021年，采用欠驅(qū)動(dòng)自適應(yīng)原理研制了與成年人手大小相仿的五指機(jī)器人手，所設(shè)計(jì)的機(jī)器人手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，適應(yīng)性強(qiáng)，五個(gè)手指的重量約為 500g。專(zhuān)用手 爪制造簡(jiǎn)單，易于控制，抓取力較大，但只針對(duì)特定對(duì)象而設(shè)計(jì)，缺乏通用性；通用手爪中研究比較多的是多指靈巧手，這類(lèi)靈巧手的每個(gè)關(guān)節(jié)一般可以獨(dú)立控制，但是由于采用大量的串聯(lián)關(guān)節(jié)，使手爪的可靠性受到影響 [4]。 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及分析 機(jī)器人手爪作為機(jī)器人與環(huán)境相互作用的最后環(huán)節(jié)和執(zhí)行部件，對(duì)提高機(jī)器人智能化水平和作業(yè)水平有著重要的作用。 研究目的和意義 本文設(shè)計(jì)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(dòng)或主動(dòng)調(diào)整手爪姿態(tài)，從而獲得最優(yōu)抓取姿態(tài)。另一類(lèi)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，功能相對(duì)簡(jiǎn)單的機(jī)械手也相繼研制出來(lái)，如 Southampton 手、 TBM 手、OTTOBOCK 手。 機(jī)器人末端夾持器主要分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是多用途手爪，其中以多指靈巧手為主；另一類(lèi)是滿(mǎn)足特定任務(wù)的專(zhuān)用夾持器。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) III Abstract With the development of science and technology ,the degree of automation in the field of industrial robots bee higher and higher and the application of robot in ind ustrial automation has bee more and more widespread .At present ,the clamping device of traditional industrial robot has such disadvantages like inflexibility ,low gra sping accuracy ,poor stability、 reliability、 versatility and there is no reliable output force .The requirements of flexible and accurate operation can not be achieved in the production line of FMS because of these drawbacks. in this paper ,a new shape self adaptive underactuated robotic hand is designed and analysed according to the domestic and abroad research status bined with the specific requirements of this project. Firstly ,according to the analysis and outline of domestic and abroad research sta tus with the consideration of the requirements