本科毕业论文基于气动人工肌肉驱动的多关节机械手指动力学仿真.docx
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本科毕业论文基于气动人工肌肉驱动的多关节机械手指动力学仿真
南京工程学院
毕业设计说明书（论文）
作者：
刘卫学号：
201110815
系部：
机械工程学院
专业：
机械电子工程
题目：
基于气动人工肌肉驱动的多关节机械手指动力学仿真
指导者：
闫华副教授
评阅者：
2015年5月南京
毕业设计说明书（论文）中文摘要
由于气动人工肌肉比重小、结构紧凑，占用空间小等优点，本文提出一种曲柄滑块机构来驱动手指弯曲，让气动人工肌肉驱动滑块运动，首先设计气动肌肉手指关节结构，并用SolidWorks绘制手指的三维图，利用ADAMS和MATLAB进行动力学联合仿真，在手指端设置一定的负载，输入手指三个关节的直线驱动，观察手指末端的角速度变化和三个驱动力的变化，最后根据气动肌肉的驱动原理进行了气动肌肉灵巧手关节运动的控制研究，利用比例压力阀对气动肌肉压力进行控制，使气动肌肉横向收缩带动滑动移动，从而实现对手指关节弯曲角度的控制。
关键词：
仿人灵巧手；关节设计；气动肌肉；动力学仿真
毕业设计说明书（论文）外文摘要
Title Dynamicsimulationofmultijointroboticfingersbasedonpneumaticmuscledrivenmuscle
Abstract
Becauseofthesmallproportionofpneumaticmuscle,compactstructureandsmallspaceoccupancy,etc.Inthispaper,aslidercrankmechanismdrivethefingerbending.Theslidercrankmechanismisdrivenbyartificialmuscles,Firstly,designingpneumaticmusclefingerjointstructure,AndwiththeSolidWorksdrawingfingersentitygraph,usingADAMSandMATLABco-simulationofthedynamics,thefingertipsetcertainload,inputlineardriveofthethreejointsofthefingers,toobservethechangeoftheangularvelocityofthefingertipandthreedrivingforceofchange,finallyaccordingtothedrivingprincipleofthepneumaticmusclewasanalyzedbygasdynamicmuscledexteroushandjointmovementcontrolresearch,usingtheproportionalpressurevalveofpneumaticmusclepressurecontrol,pneumaticmuscletransverseshrinkagetodrivetheslidingmovement,inordertorealizethecontroloftheflexionanglesoffingerjoints.
Keywords:
Dexteroushand;Structuraldesign;Pneumaticmuscles;Dynamicsimulation
目录
前言1
第一章绪论2
1.1课题项目的背景2
1.2气动人工肌肉多关节手指的国内外发展现状2
1.3气动技术的介绍以及发展前景4
1.4论文研究的内容和方法6
第二章多关节手指的结构设计及建模7
2.1气动肌肉的介绍7
2.1.1气动肌肉的内部结构7
2.2气动机械手指的基本结构9
2.2.1绘图软件SoildWorks介绍9
2.2.2整体设计方案的设计9
2.2.3手指的关节设计10
2.2.4手指关节的建模13
2.3灵巧手指的装配和三维模型的导出15
第三章多关节手指的动力学仿真分析16
3.1仿真软件ADAMS和MATLAB简介16
3.2动力学仿真过程介绍18
3.2.1ADAMS参数设置过程18
3.2.2建立MATLAB控制模型27
3.3动力学仿真结果分析以及结论29
第四章气动肌肉灵巧手指的控制系统设计31
4.1气动肌肉回路原理和设计31
4.1.1气动回路器件的选择32
4.2灵巧手指的关节控制系统34
4.2.1控制系统的原理34
4.2.2控制系统的硬件选择35
4.3D/A控制界面的设计和程序的编写36
|第五章结论及总结41
参考文献42
致谢44
前言
随着机器人技术的日益成熟，工业机器人极有可能最终取代机床，成为新一代工业生产的基础。
服务机器人在近些年开始走进大众视野，并随着人工智能技术、先进制造技术和移动互联网的创新融合而飞速发展。
越来越多的服务型机器人被研发出来，开始改变人类的社会生活方式。
未来对机器人性能和稳定性要求越来越高，其中由于机器手作为机器人的末端执行器，机械手的功能直接影响着整个机器人的功能，因此机器人手指的研究成为了国内外的热门，本文我们将提出一种曲柄滑块机构来驱动手指弯曲，其中滑块机构是由人工肌肉来推动，由于气动人工肌肉比重小、结构紧凑，占用空间小等优点，关于气动人工肌肉的灵巧手指的研究越来越多。
如今，机器人的使用范围已开始向国家安全、特殊环境服役、医疗辅助、科学考察等多个领域扩展。
而一旦步入智能化阶段，机器人产业所构建的社会网络，将遍及社会生产、生活各领域，成为新一轮产业革命后的社会形态——智能社会的基础。
作为一种跨学科先进技术，机器人技术的突破需要其他技术支撑，尤以能源、材料、信息、生命科学及先进制造技术为重。
这些技术被众多学者视为新一轮产业革命的支撑技术，它们的突破必然会促发机器人产业发展的一个高峰，从而推动新一轮产业革命进程。
新型能源将有助于解决机器人的动力问题；新材料的使用有助于提升机器人的性能；信息技术的发展应用对机器人的控制系统至关重要；生命科学的发展有望使仿生学更多地运用到机器人产业，从而推动机器人“从机器到人”的转变；先进制造技术的应用则可解决结构复杂机器人的制造问题，有助于推动机器人的批量化生产和普及。
因此，气动人工肌肉机械灵巧手指正是在这种情况下出现。
本文将提出一种接近于人手尺寸和运动范围的灵巧手指，该灵巧手指采用气动人工肌肉来驱动，手指包含三个关节，能够进行多自由度的运动，具有良好的仿生性。
第一章绪论
1.1课题项目的背景
目前，机器人像人一样，需要利用它的“手”与周围发生接触。
作为机器人与周围环境交互作用的末端环节和执行机构，机器人的“手”（末端执行器）的性能提高对机器人操作水平和自动化水平的提升具有非常重要的作用。
以往的工业机器人通常只需要完成抓取/拿放这样简单的功能，因此功能单一、结构简单的单自由度专用末端执行器便可以满足日常任务要求。
但是，伴随着科学技术的提高，机械手指的应用范围不断增大，逐渐从传统的工业领域扩展到服务业、医学、以及农业领域中，其服务对象也变的更加多样化。
因为以往的机器人末端夹持器在抓取的稳定性、灵活性以及通用性等方面都存在严重不足，这在很大程度制约了机器人的应用，这种情况下，国内外的科学工作者开始研究具有多个关节和自由度的机器人多指灵巧手。
目前，国内外机器人多指灵巧手，大部分采用伺服电机驱动，这种驱动优势在于可以实现准确的控制，同时采用电机—柔索动力传递方式，这样设计的目的在于得到了较大的之间输出力的同时又保证了灵巧手具有较小的尺寸。
但是，电机—柔索传动方案使得整个灵巧结构复杂，而且柔索装置在传递动力的过程中会有摩擦、松弛、振颤等现象，不仅效率低下．而且增加了控制难度。
为了克服上述存在的问题，浙江工业大学，哈尔滨工业大学等国内院校已经进行了相关研究，本毕业设计研究一种基于气动人工肌肉驱动的多关节机械灵巧手指，并且进行动力学仿真。
1.2气动人工肌肉多关节手指的国内外发展现状
北京理工大学范伟，余麟等针对气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的设计，提出应用气动人工肌肉的五指灵巧手设计方案包括各手指的结构设计以及手指与手掌的连接设计手指采腱传动方式，灵巧手总共具有17个自由度。
手指端有滑觉传感手掌中有握紧力传感。
该灵巧手具有充分的自由度，结构紧凑、新颖并具有力知觉能力仿生性好[1]。
浙江理工大学王龙辉设计了一种多自由度的仿人手指，该手指采用气动肌肉作为驱动器。
在设计手指之前，为了得到气动人工肌肉的基础模型，首先要通过实验来获得气动肌肉的静态特征，采用两个气动肌肉来带动滑轮转动的原理，设计出灵巧手指的基本关节模型，然后设计出灵巧手的基本机构，根据气动肌肉的驱动原理，设计手指关节的气路和控制系统；其次为了进行试验分析，必须构建气动肌肉手的实时反馈系统[2]。
河南科技大学王凯通过对人下指结构的分析,基于SolidWorks三维软件设计了一种气动人工肌肉驱动的机器人灵巧手指，按照人手指结构比例进行了优化,并采用触力传感器和电位计来分别检测指尖接触力及三个关节转角．为构成闭环控制产生反馈信号,对所设计的手指进行运动学分析，确定出手指各关节的运动空间及输出力,为进一步进行灵巧手模块化设计打下了基础[3]。
北京理工大学彭光正研究并设计了气动人工肌肉驱动的多关节手。
该手有5个手指，结合人体的构造，参考人手的外形和肌肉的运动形式，设计了19个自由度多指仿人灵巧手，该手指依靠气动肌肉带动柔索伸缩，从而使手指弯曲。
通过实验数据分析可得,该手指的整体尺寸和运动空间接近人手，因此该手指拥有良好的柔顺性能[4]。
哈尔滨工业大学樊绍巍提出了一种新型的类人化五指手被研制出来，手是由一个独立的手掌和五个相同的模块化的手指构成，手指的尺寸大约是第一代HIT/DLR手的三分之一，手的大小和人类的相似包装件同结构功能件融合的设计思想不但进一步缩减的灵巧手的外形尺寸,而且使灵巧手外形更加类人化[5]。
河南科技大学朱玉乐根据气动人工肌肉驱动的HUST灵巧手的结构特点，采用标准D—H参数法建立各手指指尖相对于手掌坐标系的运动方程，分析求解多指气动灵巧手的正逆运动学问题，基于MATLAB对灵巧手的工作空间进行仿真分析，得出了各手指在手掌坐标系下的操作可达空间，并通过抓取实例验证了运动学与仿真分析的正确性，为多指灵巧手的抓取规划提供了重要依据[6]。
昆明理工大学武鹏飞对能抓取易碎物体的气动手指进行了研究,采用气动手指位置的夹持力自适应控制系统,建立了气动手指系统模型,并通过AMESim仿真分析,利用PID控制技术提高了系统的稳定性[7]。
浙江工业大学张立彬提出了一种新型气动灵巧手指。
由于该5D力传感器和非接触式角位移传感器被集成在手指中。
一体化设计手指关节本体和驱动器，减小了手指的整体尺寸；手指关节采用FPA直线驱动，直接输出驱动力矩，合理减少了松弛、颤抖等现象[8]。
KanchanaC.W和ThananchaiL.采用拟合的试验方法得到了一个符合实际实验值的模型，他们在这个中增加理想情况下的偏差因素，能够适应实际情况下产生的误差，可以更好的反应气动肌肉的基本特征[9]。
1.3气动技术的介绍以及发展前景
气动技术[14、15]是一项正在迅速发展而且热门新技术，气动技术中最重要的组成部分那就是气动元件了，气动技术是基于一个压缩气体（如压缩空气或惰性气体和热气体）作为工作介质来传递能量及信号，实现了生产过程的自动化的一项新技术，由气动元件构成的驱动系统和控制系统广泛应用于国民经济各部门的设备和自动化生产线，气动技术包括气动原理和气动控制两个方面。
气动技术发展历史，是从单个部件到控制系统，从简单的机械系统到复杂的机电一体化过程。
人类使用的空气来能量传递介质可追溯到数千年。
但气动技术的具体特性和基本原理进行系统研究是从本世纪初开始的，形成一中气压传播动力学和控制理论作为主要内容的气动系统理论学科。
目前，气动和液压驱动器是控制技术两个最普遍的应用，他们之间许多相似之处，也有很多不同点。
之所以气动技术真正成为世界广泛接受和使用，是因为各地各工业部门由于日益紧迫的生产自动化和程序合理化必需的，还因为许多气动技术具有以下优点：
（1）空气技术用空气作为工作介质，空气到处可取的，低粘性，在管道集中供气和远距离输送流动阻力小。
因此，大多数企业都有压缩空气的来源。
作为工作介质的压缩空气，有着安全性能高，取用方便和获取成本低的优点，利用这些优点，使气动技术得到了广泛应用。
压缩空气不会产生危险的电火花。
所以，它可以用易燃易爆这些潜在危险的场所。
（2）气动元件运动速度高，速度一般钢瓶为0.05〜0.68m/s，有些高达1〜3m/s，高速气缸高达15m/s。
（3）气动元件机构较为简单，成本低，易于取得，使用过的压缩空气可以直接排放到空气中，而不需要经过特殊的后置处理
（4）气动系统非常环保，系启动系统能量储存比较方便，可以作为应急能量使用。
统即使有气体泄漏，它也不会像的液压系统，造成严重的污染，与传统的电机控制相比，它不容易受电磁干扰。
（5）充气系统维护简单，操作人员也不需要特别的训练和特殊实验室设备。
（6）适应性强，现有的机器可以容易地改装来安装气动驱动缸，可以直接按照输出要求来安装。
（7）气动系统本神拥有过载保护的功能。
气动执行器可在满负荷下长期工作，过载时候自动停止工作。
当然，气动技术也有它的缺点：
（1）压缩空气的必须净化，以便出去不必要的灰尘和水。
（2）系统运行会产生嘈杂的排气
（3）空气的可压缩性使得系统效率和气动系统的稳定性产生变动，大多数情况下将会影响位置和速度控制。
（4）气动系统的反应速度相对于电路控制，有一个较大的延迟和失真低，因而不适合于高速气动控制技术和复杂的信息系统和处理，而且气动信号传输距离也是有限的。
虽然气动技术有一些缺点，但它也是一个主要的优点，所以气动技术可以越来越广泛地应用于各种工业领域。
气动元件是一个具有成本效益高的机械化和理想的自动化元件。
现在，气动技术和电子、液压技术，自动化技术一起在国民经济中的发挥作用越来越重要。
从风能驱动技术和液压技术逐步发展为气动技术，虽然它才经历了50年的发展历史，但已充分显示了其在自动化领域强大的生命力，成为了20世纪发展最快、最受关注、应用最广泛的一门科学技术，气动技术已成为各个行业不可缺少的一部分。
在其他国家，气动被称为“廉价的自动化技术。
”
气动技术经历了主要发展几个历史阶段。
到上世纪50年代初，大部分从液压元件变换或演化在大体积的组件。
20世纪60年代左右，开始构成工业控制系统，应用到系统中，与现在的气动技术没有可比性。
在20世纪70年代，由于电子技术在自动化领域已得到广泛推广，液压技术得到了大规模的应用。
20世纪80年代是集成化，小型化的时代。
90年代末和本世纪初，传统的死区气动技术的突破，气动技术开始经历了跨越式发展，精度为0.01mm组合式气动机械手已经被设计出来，5mm/s的低速平稳和5〜10m/s的高速运行气缸相继问世。
随着计算机、电子、传感器、通讯等多种技术的发展，促使了智能气动（气动比例和伺服，智能阀岛，模块化机器人）的概念产生出来。
气缸气动伺服定位技术可以实现高精度的自动定位，气动伺服定位技术可使气缸在气动机械手位置在伺服控制系统的高速运动3mm/s情况下实现任意点自动定位。
智能阀门终端技术的全自动化生产线方案解决分散和集中控制问题。
现代气动的发展趋势集成化、模块化、智能化、微型化[10]。
1.4论文研究的内容和方法
目前各种类型的机械手指被开发出来，主要是由伺服电机驱动。
虽然目前的伺服电机已经达到所需的一些性能,但是它们的主要缺陷是既大又重而且需要复杂的传输机制，极大的地限制了机械手指的使用。
事实上现有的机器手指由于驱动电机的重量和复杂的传输机制，实用性大打折扣。
在现有的机械手指结构基础上，我们打算使用新型的气动人工肌肉以及驱动原理对它进行研究，提高机器手指的性能。
本研究首先利用人工肌肉制作出直线驱动器，然后通过曲柄摇杆机构的逆向运用将直线驱动器的直线运动转换成手指关节的弯曲运动，设计制造出功能类似于人类手指的机械手指，对多关节机械手指的结构进行动力学仿真分析。
虽然ADAMS[11]拥有较强的运动学和动力学仿真能力，但是它不能够准确绘制复杂的三维实体模型。
本论文使用SolidWorks[12]三维绘图软件来建立较为复杂的机械手指三维模型。
MATLAB具有强大的数据分析能力，又可以弥补ADAMS控制能力不足，没有复杂的控制模块，所以采取ADAMS和MATLAB联合仿真的方法对手指的动力学特性进行分析优化，观察手指在驱动力的作用下运动情况。
第二章多关节手指的结构设计及建模
2.1气动肌肉的介绍
2.1.1气动肌肉的内部结构
图2-1气动肌肉的内部结构
1.管接螺母4.盘形弹簧
2.法兰5.气体密封圈
3.内部圆锥6.隔膜软管
气动肌肉的材料，管接螺纹、法兰、内部圆锥一般使用铝合金，而盘形弹簧一般用弹簧钢，气体密封圈常用腈基丁二烯橡胶（NBR），隔膜软胶管使用芳香烃类物质（CR）。
2.1.2气动肌肉的特性
1）气动肌肉的工作方式
图2-2气动肌肉
气动肌肉是一种伸缩驱动器，它是有内部伸缩装置和外部连接器组成它能够人肌肉一样工作，内部伸缩装置是由高强纤维的密封软管组成，当内部充气时，隔膜软管逐渐膨胀为球体，气动肌肉纵向扩张，横向收缩，带动负载直线运动，一开始充气时，气动人工肌肉的拉伸力非常大，随着时间推移，横向位移逐渐增大，拉伸力也随之减少。
研究表明，气动肌肉的行程大约为额定长度的24%左右，气动肌肉只能横向拉伸运动，并不能纵向压缩，所以当充气压力过大时，可能导致橡胶管外部摩擦力增加，破坏气动肌肉的性能。
2）气动肌肉长度和负载的关系
定义气动人工肌肉在无负载、无压力的情况下的长度为额定长度，这就等于接口间可见的那部分气动肌肉的长度。
当气动肌肉受外力作用预拉伸时，它的长度变长；另一方面，当气动肌肉受压时，气动肌肉收缩，它的长度减小[13]。
如图2-3所示。
图2-3长度与张力的关系
2.2气动机械手指的基本结构
2.2.1绘图软件SoildWorks介绍
SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。
良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。
该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名；从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。
至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。
2.2.2整体方案的设计
多关节手指是一种可以在二维空间运动的构件，设计和建立手指的三维手指图首先必须考虑手指的运动和驱动装置，本文采取气动人工肌肉作为手指的驱动器，气动人工肌肉只能够直线运动，要想转化为手指的弯曲，一般可以采取绳索—转动件的组合，也可以采用类似于曲柄滑块机构的关节，手指三个关节长度差别不大，一般为90~100mm左右，手指应该包括近指节，中指节和远指节，因为远指节需要进行抓取工作，所以末端结构应该与其他两个关节有所不同，手指内部还必须考虑气动人工肌肉安装位置，人工肌肉可以采取小型人工肌肉，便于安装在曲柄滑块上，考虑到气动人工肌肉纵向十分柔软，不具有导向性，还必须在曲柄滑块中间设置导向装置。
我们以一个手指关节为研究对象，对手指关节结构进行设计和建模，手指的关节如图2-4所示。
图2-4手指的关节结构
1.手指的指节4.手指末端7.气动人工肌肉2
2.滑块结构5.弹簧8.导向机构
3.手指关节连杆6.气动人工肌肉1
2.2.3手指的关节设计
A:
关节机制
气动肌肉驱动器能够完成其它任何机械无法替代的模拟人体肌肉的直线的运动。
因此,有必要将直线运动推广到回转运动以应用于机器人领域。
在本文中,选择了一个简单的曲柄滑块机构将直线运动转换成所需的回转运动。
气动肌肉驱动器的主弹性力使曲柄沿垂直轴平移。
这导致连杆旋转一个角度θ如图2-5所示。
图2-5手指关节结构示意图
B：
系统分析
本节的目的是为了确定总输出力，位移与气动肌肉的驱动力的关系：
1）位置分析:
当肌肉气压加载，气动肌肉压缩长度X,连杆L旋转角θ计算方式如下:
连杆和曲柄半径分别为L1和L2,L0是初始位置曲柄和驱动器之间的距离。
2）受力分析:
气动肌肉驱动器压缩引起的弹性力可以有气动肌肉的压缩量和输出力关系性能曲线获得。
为了确定手指关节各部分的尺寸，我们根据手指的长度，我们可以设定连杆长度（L1）为18mm,手指初始位置曲柄和驱动器之间的距离（L0）为13mm，曲柄根据实际情况取15mm，10mm，6mm，分别比较他们的偏转角度和输出力（F0L/FL2）的大小。
表2-1不同长度曲柄下的转角和输出力
曲柄长度L2（mm）
偏转角度θ（0）
输出力大小
6
0~87.5
0.090
10
0~53.5
0.112
15
0~38.1
0.146
可以根据以上公式，可以计算曲柄不同长度时的连杆的角度和最大受力，比较偏转角度和输出力，我们这里选择手指曲柄为10mm最符合要求。
如表2-1所示
表2-2手指关节尺寸
变量
单位
数值
曲柄长度（L2）
mm
10
连杆（L1）
mm
18
极限位置距离（L0）
mm
13
气动肌肉的位移范围（X）
mm
0~10
通过上面数据带入θ求解公式可得公式，手指的偏转角度的范围为
00-53.40满足设计要求，力的大小可以根据上面的F0公式进行计算。
.2.2.4手指关节的建模
因为手指有三个关节，每一个关节又有许多零件，三个手指关节的驱动原理和结构一样，所以这里以滑块简要的介绍手指建模过程。
1.打开solidworks，在菜单栏中找到草图绘制，然后选择草图绘制的基准面，一般选择前视基准面（XY为基准面）。
如图2-6所示
图2-6基准面的建立
2.
绘制如图2-7所示的草图，用鼠标选中刚刚绘制的长方形，然后在实体特征中选择实体拉伸，输入拉伸的距离，最后点击确定，得到一个长方体。
图2-7绘制长方形过程
3.其他三个零件的绘制过程，和刚刚的长方体类似，一般都是先绘制零件草图，然后对草图进行旋转，拉伸，偏置，镜像等7处理，得到设计要求的三维图，如图2-8所示，零件滑块已经建立完成。
图2-8关节滑块图
2.3灵巧手指的装配和三维模型的导出
由于其他手指零件的绘制过程基
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