形状自适应欠驱动机器人手爪毕业论文Word文档下载推荐.doc
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静力学分析；
运动学分析；
动力学分析；
仿真
优化设计
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Abstract
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,thedegreeofautomationinthefieldofindustrialrobotsbecomehigherandhigherandtheapplicationofrobotinind-ustrialautomationhasbecomemoreandmorewidespread.Atpresent,theclampingdeviceoftraditionalindustrialrobothassuchdisadvantageslikeinflexibility,lowgra-spingaccuracy,poorstability、reliability、versatilityandthereisnoreliableoutputforce.TherequirementsofflexibleandaccurateoperationcannotbeachievedintheproductionlineofFMSbecauseofthesedrawbacks.inthispaper,anewshapeself-adaptiveunderactuatedrobotichandisdesignedandanalysedaccordingtothedomesticandabroadresearchstatuscombinedwiththespecificrequirementsofthisproject.
Firstly,accordingtotheanalysisandoutlineofdomesticandabroadresearchsta-tuswiththeconsiderationoftherequirementsofthisproject,ahuman-likefive-fingeredrobotichandwhichhasthreedegree-of-freedomoneachfingerisdesignedbasedonbionicsofhumanhandandunderactuatedtheoryandit'
sdrivenbysixmotors.
Secondly,multi-bartransmissionisadoptedwiththeadvantageofbetterstiffness、largeroutputforceandhigherloadcapacity.Withalightweightandshapeself-adapt-ation,theunderactuatedfingerhasasimplestructure.
Thirdly,staticanalysis、kinematicanalysis、dynamicanalysis、simulationandoptimizeddesigningareachievedaccordingtovirtualpowertheorywiththehelpofAnsysandAdamssoftwareandquadraticoptimizationisdevelopedbasedontheexp-eriencesinengineeringpractice.
Lastly,theunderactuatedrobotichandafterquadraticoptimizationcansteadilygraspthingsthatarespherical、cylindericalandirregularshapethroughsimulation.
Keywords:
underactuated,human-likefive-fingeredrobotichand,Staticanalysis，
kinematicanalysis，dynamicanalysis，simulation，optimizeddesigning
目录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章绪论
1.1课题来源和背景 1
1.2研究目的和意义 1
1.3国内外的研究现状及分析 2
1.4主要研究内容 3
第2章机器人仿人手爪的结构设计
2.1引言 5
2.2仿生学在手爪设计上的应用 5
2.2.1仿生学概述 5
2.2.2人手的生理结构特点 6
2.3整体结构设计 7
2.4食指设计 8
2.4.1食指结构设计 8
2.4.2食指尺寸设计 8
2.5拇指设计 9
2.6手指的模块化设计 10
2.7手掌设计 10
2.8驱动及传动机构的设计 11
2.8.1驱动源 11
2.8.2传动方式 12
2.9本章小结 12
第3章机器人手爪的抓取仿真与分析
3.1引言 133
3.2包络抓取的实现 133
3.3机器人手爪抓取的静力学分析及优化 144
3.4机器人手爪抓取的运动学分析 211
3.5机器人手爪抓取的动力学分析 266
3.6欠驱动手爪整体抓取仿真 29
3.7本章小结 300
第4章欠驱动手指的二次优化及其他结构设计
4.1引言 311
4.2手指结构的二次优化以及分析 311
4.3其他结构 355
4.3.1主手掌 356
4.3.2副手掌 366
4.3.3附件 366
4.4连接方式设计 38
4.4.1关节之间的连接 38
4.4.2附件与手掌的连接 38
4.4.3主手掌和副手掌的连接 38
4.5整体抓取仿真 38
4.6本章小结 400
结论 411
参考文献 422
致谢 444
第1章绪论
1.1课题来源和背景
本课题来源于863计划国家重点项目。
通常，工业自动化中使用的机器人由大臂和简单的夹持器组成，此类机器人对于要求实现符合大范围运动作业是有效的，但却不能实现诸如装配之类的要求对负荷进行精细调整的作业。
出现这种情况的主要原因是传统工业机器人的末端夹持装置存在着灵活性差，抓取精度低，稳定性、可靠性和通用性差，没有精确的力控制等缺点，远远达不到在柔性生产线上进行各种灵活和精细操作的要求[1]。
机器人末端夹持器主要分为两大类：
一类是多用途手爪，其中以多指灵巧手为主；
另一类是满足特定任务的专用夹持器。
多指灵巧手形状适应能力强，但是采用了大量的串联关节导致结构复杂、控制困难、负载能力差、可靠性低等缺点。
而专用夹持器虽然结构简单、控制方便、负载能力强、可靠性高，但是仅对少量特定形状的物体适用[2]。
随着微电子技术的发展，很多具有精确抓取和操作功能的灵巧手相继问世，如Utah/MIT手、NASA手、DLR手、Stanford/JPL手等。
另一类结构简单，重量轻，功能相对简单的机械手也相继研制出来，如Southampton手、TBM手、OTTOBOCK手。
近年来针对手指的自由度和驱动，重量和灵活性之间的矛盾，国内外提出欠驱动机构，具有形状自适应的欠驱动机器人手爪是一种新型的多用途手爪。
这种手爪的特点是驱动元件数少于手指关节的自由度数。
每个手指只有一个驱动源，整个手爪的驱动元件的数量少，降低了结构和操作的复杂性，具有控制方便，抓取范围广泛等优点[2]。
1.2研究目的和意义
本文设计的具有形状自适应性的机器人手爪是仿照人的手指外形、结构和功能的机械手，它可以根据抓取物体形状被动或主动调整手爪姿态，从而获得最优抓取姿态。
从仿生学、人机工程学角度出发，该机器人手爪结构紧凑，效率高，可以满足服务或工业机器人在不同场合下的多种应用。
欠驱动机械手具有简化控制、减轻重量、降低能耗及降低制作成本等优点。
研究欠驱动手指机构及其分析与设计理论，实现结构紧凑、抓持力大、操作简单的新型欠驱动机器人手指，在工业机器人、拟人机器人、人体假肢及航天机器人等领域都具有广泛的应用前景，因此具有重要的研究意义。
1.3国内外的研究现状及分析
机器人手爪作为机器人与环境相互作用的最后环节和执行部件，对提高机器人智能化水平和作业水平有着重要的作用。
抓取和操作的灵活性、精确性和适应性是衡量手爪设计水平的一个重要的标志。
近几十年来，国内外已经研制出各类型的机器人手爪。
这些手爪分为专用和通用两类。
专用手爪制造简单，易于控制，抓取力较大，但只针对特定对象而设计，缺乏通用性；
通用手爪中研究比较多的是多指灵巧手，这类灵巧手的每个关节一般可以独立控制，但是由于采用大量的串联关节，使手爪的可靠性受到影响[4]。
加拿大MDROBOTIC公司和Laval大学合作研制出SARAH手爪（Self-AdaptingRoboticAuxiliaryHand）[7-9]，附加一个手指位置旋转自由度，该手爪共有10个自由度，只用两个电机驱动，一个电机负责三个手指的开合；
另一个负责调整手指方向，使其能采取不同的抓取姿势抓取物体，SARAH手爪既可以用末关节指面捏取的方式完成精确捏取，又可以用欠驱动的方式完成包络抓取[2，4]。
其结构如图1-1所示。
图1-1SARAH手爪模型图
国内从事机器人手爪研究的主要有清华大学、北京理工大学和哈尔滨工业大学以及国防科技大学等单位。
哈尔滨工业大学的史士旺等人在2004年，采用欠驱动自适应原理研制了与成年人手大小相仿的五指机器人手，所设计的机器人手结构简单，重量轻，适应性强，五个手指的重量约为500g。
整个机器人手共有3个电机，分别驱动拇指、食指和中指。
无名指和小指没有驱动器，它们是由中指通过同步带来驱动的。
它既可以用于仿人机器人末端操作器，也可以应用于残疾人假手[5]。
其结构如图1-2和图1-3所示。
图1-2拇指结构图1-3其它四指结构
从国内外研究发展趋势来看，早期研究多采用两指欠驱动手爪，但是这种结构的欠驱动手爪在包络抓取过程中，会出现接触点脱离的现象，这也正是由于欠驱动机构的特殊性引起的，其根本原因在于欠驱动本身，在某个时刻完成抓取行为达到平衡位置以后，由于手指的每个关节仍然具有局部运动自由度的可能，使得抓取物体时存在多种可能的抓取构型，当手指对物体的约束不能抵抗外施加在物体上的力旋量扰动时，物体的初始姿态会发生改变，影响了抓取的稳定性。
为了克服这点，从仿生学的角度，现如今的欠驱动手爪多采用三关节结构，并且从两个手指到三个手指，发展到今天的仿人五指机器人手爪，大大提高了物体抓取的稳定性。
1.4主要研究内容
（1）机器人手爪机械本体设计
根据研究指标，本文选择对三关节欠驱动手指进行机械结构设计，手爪采用仿人五指的总体结构，主要机构是形状自适应欠驱动手指。
形状自适应欠驱动手指由俩个四边形和一个三角形连杆机构组成。
（2）静力学分析及结构优化
根据虚功原理，建立静力学方程，进行静力学分析。
每个手指的设计变量众多，而且约束条件也很多，故选择使用matlab软件进行数据处理算法的设计，从众多的尺寸数据中选择比较合理的一组数据，使得手爪在抓取物体时，手指的抓取力分布比较合理，本文采用优化算法来确定手指机构尺寸。
（3）机器人手爪运动学分析
首先使用Solidworks软件对优化后的机械结构建立模型，再利用Solidworks和Adams的无缝连接插件，将3D模型导入到Adams，对机械结构进行运动学分析，主要研究机构的位置和姿态情况，求解机构的位移、速度及加速度信息、应力和应变分析，在满足要求的负载的条件下，进一步优化机器人手爪结构。
（4）机器人手爪动力学分析
关于欠驱动机器人手爪的动力学分析，不管是在国内还是在国外，这方面都还是个欠缺，本文将通过Adams软件对模型建立动力学仿真，用来确定时变载荷对整个结构或部件的影响，同时还要考虑阻尼及惯性效应的作用。
第2章机器人仿人手爪的结构设计
2.1引言
机器人仿人手爪的研究目的是为了拓展机器人末端操作手爪的工作能力，使其能够进行复杂多样的操作任务。
就目前的形势来看，虽然很多研究者已经开发出了很多样机，但真正能够实现预期功能的机器人手爪却为数不多。
本章主要对机器人手爪的机械结构进行设计，在充分考虑实现较多抓取模式的前提下，设计了一种基于欠驱动手指结构的机器人手爪，并且具有形状自适应性较好、尺寸小等特点。
2.2仿生学在手爪设计上的应用
2.2.1仿生学概述
随着科学技术的发展，从20世纪以来，人们通过对自然的观察，已经认识到自然界的生物对于新技术的开辟具有重要的启发性，并且吸引了越来越多的学者的兴趣。
研究人员运用化学、物理学、数学等学科的理论知识以及相关技术模型对生物系统开展了深入的研究。
生物学家和工程师们的积极合作，大大推动了仿生学在各个领域的发展，同时也不断从生物界获得宝贵的知识实现了对旧的或者没有的工程设备的改善或者创造。
典型的仿生学运用如图2-1和图2-2所示。
图2-1仿生飞行器图2-2仿生鱼
简言之，仿生学就是模仿生物对人类有用的的特殊本领，利用生物的结构和功能来研究新技术新产品的科学。
它是生物学、物理学、化学、数学和工程技术相互渗透而结合的新型的多边缘学科。
其首要的任务是研究生物系统的特殊本领以及产生的机理，并把它进行模式化设计推广运用，然后运用这些原理去设计制造新的工程设备。
仿生学的主要研究方法是构建出模型，然后进行相关的模拟仿真，并进一步分析使之得到优化[10]。
大致的研究过程有以下三个阶段：
首先是对生物原型的研究。
根据生产实际需要提出的具体问题进行分析建模，并将研究所得的资料予以简化，运用对技术有利的方面而消除与生产技术无关的因素，得到一个简化的生物原型；
第二阶段是对生物模型进行数学分析，并使其内在的联系抽象化，用数学语言来描述生物原型；
最后根据数学模型制造出可在工程技术上实现的物理模型[10]。
自然界的生物所具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越的多，仿生学就是要在工程上实现并有效的应用生物功能的学科。
从仿生学的角度考虑机器人手爪的设计，很自然的就能想到我们人类自己的手，机器人技术发展至今，人手早已成为机器人研究人员在开发设计机器人手爪时的重要参照对象。
为了使机器人的终端执行工具能够像人类的手一样对不同形状和不同性质的物体具有丰富的操作功能，越来越多的机器人研究学者利用仿生学的思想已经实现这个目标，如图2-3和图2-4所示。
图2-3NASA手图2-4DLR手
2.2.2人手的生理结构特点
医学上，通过对人手的生理解剖研究，已经获得了人手的结构和运动机理的详细信息。
根据人手的骨骼结构，可以知道除了拇指有两个关节外，其余4个手指均具有3个关节。
5个手指分别通过掌骨和腕骨相连。
人手拇指掌指关节为双轴向关节，但近似屈曲关节，主要作屈伸运动，拇指掌指关节的屈曲范围为0°
-20°
，后伸为5°
，拇指指间关节为屈曲关节，可屈伸0°
-90°
，拇指外展范围为0°
-40°
；
食指、中指、无名指、小指的掌指关节的主要运动是侧摆和屈曲，此外还可以作有限度的被动旋转活动，四指的掌指关节可屈伸0°
，近侧指间关节可屈伸0°
-100°
，远侧指间关节可屈曲0°
[10]。
此外，通过大量的测量统计，得到成年人手的尺寸一般如下：
手指长度大致为50mm-90mm，其中长度从小到大依次为拇指、小指、食指、无名指和中指，手指宽度大致在15mm-20mm范围内，手掌宽度在80mm-90mm，手掌长度在100mm-110mm，而且每个手指的各关节长度由手掌向外依次变短[10]。
2.3整体结构设计
仿人机器人手爪的设计主要包括整体结构设计、手指结构设计、驱动及传动机构设计、手掌结构设计，本设计并不包括控制系统的设计。
机器人手爪作为机器人终端执行部件，与其它机构一样由若干构件组成，各构件之间通过相关运动副联结以产生确定的相对运动。
常见的运动副有移动副、转动副、螺旋副和球面副，它们的约束数分别为5、5、5和3，相应的自由度数为1、1、1和3.由于欠驱动机器人手爪中各运动副的运动变量都要借助于驱动器来实现，一方面对于多于一个自由度的运动副控制起来很不方便；
另一方面，无论是转动的驱动器或移动的驱动器又大多为一个自由度，所以在机器人手爪中所采用的运动副类型，大多数只有转动副、移动副和螺旋副三种。
根据力的平衡原理，抓取物体时至少有2个相对的力或力偶作用于物体上或者说物体上必须产生大小相等方向相反的两个力或力偶作用于手上时才能够实现抓取稳定。
因此，二个手指在理论上可以完成抓取任务，但是可操作性和抓取稳定性都很差，无法完成对目标物体的微细或者复杂的操作，因为在沿着两个接触点连线的轴线方向上目标物体是存在着转动的趋势的，这种不稳定性可能会给系统安全带来隐患，所以从实际出发二个手指的手爪结构并不理想。
手指数大于2的手爪理论上都可以通过规划实现力封闭而实现稳定抓取，考虑到人手有5个手指，并且能够实现很多复杂的操作，多于5个手指就显得没有多大意义，这里根据人手仿生学的思想设计了五个手指的机器人手爪，以获得较好的抓取稳定性和灵巧性。
至于手指的关节数，参照人手，食指、中指、无名指、小指均为三关节手指，拇指是二关节结构。
通过分析人手对不同形状的物体的抓取方式，可以将人手的抓取方式分为：
手指内侧接触的包络抓取和手指末关节接触的捏取，而且所有的抓取都可以通过三个手指就能够完成，其余两个手指作为辅助手指协助完成抓取任务。
手指安装到手掌上后，每个手指分别具有3个自由度，其中需要指出的是拇指具有两个关节自由度加上1个拇指机构的旋转自由度，整个手爪具有15个自由度。
2.4食指设计
2.4.1食指结构设计
在前面我们对比讨论了全驱动和欠驱动结构的特点，经过对比分析我们选择了欠驱动结构的手指。
采用欠驱动结构可以使手指具有出力大、负载能力强、灵活性好、尺寸小等特点，对多种形状的物体具有适应性，扩大了抓取范围，而且在保持多个自由度的前提下，可以将驱动元件数量减少到最少，简化了驱动和控制结构，大大减小了手指的尺寸和重量。
相关文献指出：
手指对物体的形状适应能力和关节数成正比，采用三关节的欠驱动手指的自适应能力会比两个关节或单关节的更好一些。
而作为衡量抓取稳定性的重要指标的抓取构形数是和关节数成指数变化的关系。
抓取构形越多越容易出现接触点脱离，越不容易稳定。
前文中已经提到本设计主要参考人类手指，采用具有三个自由度的三个关节欠驱动手指机构。
根据机构的自由度公式可以得出具有个关节的手指的自由度为：
（2-1）
式中：
——活动构件数；
——低副数量；
——高副的数量，这里没有高副，所以。
这里三角形看成是刚性结构。
由计算可以看出：
对于三关节手指来说，，而每个手指由一个电机驱动，即只有一个动力源，所以每个手指存在2个欠驱动度。
2.4.2食指尺寸设计
手指的尺寸设计主要包括关节尺寸和包络机构尺寸。
手指关节的长度和宽度采用近似人手关节尺寸的设计。
接下来从抓取稳定性的角度出发定性地研究手指关节包络机构的连杆尺寸。
在设计关节尺寸之前，拟定抓取物体的范围为直径40-60mm，抓取范围大致是从乒乓球到普通饮料水瓶的大小。
食指设计参数及结构见图2-5，根据前面的人手仿生学的学习和参考文献[12]中关于人体手指各关节的平均尺寸的统计，结合参考文献[11]，初步设计食指的各个尺寸参数如表2-1。
初步设计的食指模型见图2-6。
图2-5食指设计参数及结构
表2-1食指尺寸参数初步计算
符号
数值
30
25
23
10
28.3
20
59°
121°
图2-6食指初步建模图
2.5拇指设计
本文设计的是两个关节的拇指，再加上拇指整体的转动的自由度，所以拇指也具有三个自由度。
拇指的结构和尺寸将会在对食指首先进行设计和分析优化后再做具体设计。
2.6手指的模块化设计
本设计中的欠驱动机器人手爪的食指、中指、无名指、小指采用模块化设计思想，均为相同的尺寸和结构，只是在手掌的布置不同。
所谓的模块化设计就是使用模块的概念对产品或系统进行规划设计和组织生产，模块是模块化产品的基本元素，是一种实体的概念，它是一组同时具有相同功能和相同结合要素，具有不同性能或用途甚至不同结构特征但能互换的单元[10]。
模块化后的机械产品主要具有以下几个特点：
1.互换性强，便于维修。
2.质量高、成本低，能解决多品种、小批量和大批量加工之间的矛盾。
3.有利于缩短产品的设计、制造和供货周期。
2.7手掌设计
就目前已经研制出来的机器人手爪来看，可以发现，有些机器人手爪具有手掌，有的却没有。
一般来说，专用的夹持器大都没有手掌，而仿人机器人手爪大多是有手掌的。
但是，目前大多数设计出来的手掌都是与人
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