仿人靈巧手的結(jié)構(gòu)設(shè)計畢業(yè)論文(已改無錯字)
2022-08-30 10:43:54 本頁面
【正文】 布局更接近于人手，我仿照真人的手掌形狀設(shè)計了一個機械手掌，這個手掌比真人手掌的表面積要大些，為的是更適合手指的安裝與連接和驅(qū)動系統(tǒng)以及控制電板的合理布局。最終我設(shè)計了如圖 35所示的手掌模型。 圖 35 在制作手掌的過程中，我遇到了一系列的問題。首先就是選材問題，手掌的功能就 是裝載，所以需要有一定的容積，考慮到控制面板的大小還有舵機以及電源的放置，手掌的材料要有一定的硬度，并且很容易成型，最終我選擇了有一定厚度的鋁塑板。其次，手掌的外部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，它的一端要用來連接手指，另一端還要有一定的表面積來支撐整個手在平面上的穩(wěn)定佇立。最后我采用了比較簡單的矩形模塊，使得以上問題有所改善。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 手指基關(guān)節(jié)的機構(gòu)設(shè)計與制作 一般情況下的手指基關(guān)節(jié)都是比較復(fù)雜的，它需要兩個微直線驅(qū)動器驅(qū)動，每個驅(qū)動器具有直線位置傳感器 (直線電位計 )、電機位置傳感器 (霍爾傳感器 )和光電極限位置傳感器 。這樣做出的手指和人的手指更加相似，運動機能也更加智能化。但是由于成本考慮以及課題設(shè)計的要求，我采用很普通的關(guān)節(jié)連接件作為手指的基關(guān)節(jié)，這樣即能達到課題設(shè)計的要求，又減輕了成本。 運動過程簡述為： 機器手抓握時 5手指處于張開狀態(tài)， 5個手指靠 5個舵機驅(qū)動實現(xiàn)抓握。當(dāng)決策與控制系統(tǒng)判斷出有抓緊需要時，發(fā)出指令讓機器手實現(xiàn)抓握動作。抓握動作時動作參數(shù)設(shè)置有：抓握準(zhǔn)備、抓握、保持、放開、恢復(fù)原來放松狀態(tài)。它是利用電能轉(zhuǎn)化為兩根相互牽制拉扯手指的鋼絲繩的伸縮機械能使手指在一個平面內(nèi)運行；利用電能驅(qū)動連桿轉(zhuǎn)化為機械能，使 得手指可以相互運動，與前者結(jié)合實現(xiàn)各手指間的三維運動。機器手由 5個可彎曲的手指機構(gòu)和一個手掌機構(gòu)連接而成。每個手指均為一個自由度，分別由一個電機驅(qū)動；拇指與食指、食指與中指、中指與無名指、無名指與小指之間有耦合機構(gòu)，分別由一個電機驅(qū)動。拇指為兩截運動串級耦合組成，其余四指為三節(jié)串級耦合組成。四個手指區(qū)別在于類人手長短不同，可以對非規(guī)則物體實現(xiàn)握、拿、捏、夾等動作。電源可以外接。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 靈巧手坐標(biāo)系的建立 采用 D— H方法 [2]建立靈巧手的坐標(biāo)系．其基本原則為 ，為每一個關(guān)節(jié)指定一個本地的參考坐標(biāo)系， z軸為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)方向， z軸方向指向 z。一。與 z。之間的公垂線，對于與 z軸相交的相鄰兩關(guān)節(jié)， z軸定義為兩條軸線構(gòu)成的平面的垂線．據(jù)此建立仿人靈巧手的坐標(biāo)系如圖 41所示． 圖 41 靈巧手坐標(biāo)系 圖中只標(biāo)注了拇指、食指以及小指的坐標(biāo)系，中指及無名指的坐標(biāo)系與食指完全相同．參考坐標(biāo)系為手掌坐標(biāo)系．手掌坐標(biāo)系建立在手腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處．除小指外每個手指具有 4個關(guān)節(jié)，從指根到指尖依次標(biāo)注為關(guān)節(jié) 1至關(guān)節(jié) 4，小指具有 5個關(guān)節(jié)，同其他手指一樣依次標(biāo)注為關(guān)節(jié) 1至關(guān)節(jié) 5． 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 靈巧手正運動學(xué)解 以食指為例建立的 DH參數(shù)表如表 41． 關(guān)節(jié)數(shù) i? id /1?ia (176。 ) /1?ia (176。 ) 1 1? 0 11 90 2 2? 0 50 0 3 3? 0 30 0 4 4? 0 25 0 表 41 食指 DH參數(shù)表 每個關(guān)節(jié)的變換矩陣 Ai定義為 (其中下標(biāo) i代表關(guān)節(jié)數(shù)， c代表 COS， S代表sin)． Ai=rot(z， θ i )Trans(0， 0， di)Trans(ai， 0， 0)rot(x， α i) = ??????????????10000ciiiiiiiiiiiiiiiiidcssscccscsscs???????????????? 食指的正運動學(xué)解是相鄰關(guān)節(jié)之間的 6個變化矩陣的乘積． ??????????????1000432140zzzzyyyyxxxxpaonpaonpaonAAAAT 式中： 43213214321321 )()( ?????????????? scscscccssccc x ????? 。 43213214321321 )()( ?????????????? ccscsccssscccco x ?????? 。 1?sax ? 。 1121232133213 ????????? caccasscacccap x ???? 。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 43213214321321 )()( ?????????????? scssccscsssccsn y ????? 。 43213214321321 )()( ?????????????? ccssscssssscso y ?????? 。 1?cay ?? 。 1121232133213 ????????? sacsasssaccsap y ???? 。 4323243232 )()( ?????????? sccsscsccsb z ????? 。 4323243232 )()( ?????????? cccssssccso z ?????? 。 0?za 。 22323323 ????? sascacsap z ??? 。 矢量 n， o， a， p表示食指末端的位姿． 類似地求得其它 4指的正運動學(xué)方程，并將其表達在手掌坐標(biāo)系中．有 ????????????????1000...104pa l m fzfzfzfzfyfyfyfyfxfxfxfxfnfffpaonpaonpaonAAAT 式中： f=0， 1， ?， 4，分別表示靈巧手的 4個手指， f0A 為手指及關(guān)節(jié)對于手掌坐標(biāo)系的變換．分別將各手指的 D— H參數(shù)代人求得各手指的變換矩陣，由上式即可求得手指任何關(guān)節(jié)的空間位姿． 將表 1中靈巧手指的數(shù)據(jù)在 Matlab下仿真，得到食指末端的運 動空間如圖 42所示． 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 圖 42 食指末端工作空間 仿人靈巧手動力學(xué)模型 NewtonEuler方程采用多個方程組成的聯(lián)立方程式組來刻畫由多個剛體組成的機器人系統(tǒng)。 Newton— Euler方法建立方程比較容易，進行動力學(xué)計算時，與 Lagrange方法導(dǎo)出的模型相比，計算量要少得多 [3]。 Newton— Euler方程導(dǎo)出的方程可以寫為如下的遞推形式 [4]。 ???????????????????????iciiiiiiiciiciiiiiiciiiFrfpnRNnIINfRFfamF~~~~~~~~~~~~~~~~~*1111??? 式中： 0~~ 11 ?? ?? nn fn ， i=0,1,...,n. i? 為系 i角速度； i? 為系 i角加速度； ai原點Oi加速度； aci為桿 i質(zhì)心加速度。 NewtonEuler逆動力學(xué)遞推算法的框圖如圖 43。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 圖 43 NewtonEuler遞推算法框圖 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 下面應(yīng)用虛擬樣機技術(shù)來驗證所得到的手指各指節(jié)的運動耦合關(guān)系和確定手指在抓持物體時的自適應(yīng)能力。 首先應(yīng)用三維實體造型軟件 solidworks 對所設(shè)計的手指進行實體 造型 (如圖22所示 )， 然后導(dǎo)入到機械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件 ADAMS中，再按各構(gòu)件之間的約束關(guān)系定義運動副等，即得到了手指的虛擬樣機模型，如圖 51a 所示。給
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