基于并联机构的多指灵巧手设计与分析
发布时间：2020-07-13 21:17
【摘要】：多指灵巧手是一种机器人末端执行器,它模仿人手的外形结构,拥有多手指、多关节、多自由度,具有近似于人手的功能,能对不同形状的物体进行多种抓取和操作任务,在现代化工业生产中有广阔的运用前景。目前大部分灵巧手采用的是串联机构,串联机构结构简单,易于控制,但存在着抓取精度低、稳定性差等缺点,而并联机构在这些方面有着天然的优势,具有高灵活性、高精确度和高工作适应性等特点。因此,本文基于人手的运动能力,设计出两种满足人手运动类型的多指灵巧手,并以此为目标做了以下工作:首先,基于旋量理论和虚拟链法进行构型综合,提出一种三自由度手指机构和一种四自由度手指机构,为了解决并联机构相互干涉的问题,对手指进行了限位机构的设计,参考人手的尺寸和目前灵巧手的尺寸,对两种手指机构进行了设计与建模。然后,通过理论计算对这两种手指机构展开了运动学分析,包括并联机构的正解和反解、速度、加速度、工作空间等,并与串联手指机构的工作性能进行了对比分析,验证并联手指机构的可靠性。接着,为两种手指机构设计出相适应的手掌,并将两者进行组合,形成两种并联多指灵巧手的构型,这两种灵巧手的运动能力可以通过分析其等价的并联机构来获得,通过对灵巧手抓取前和抓取后的运动能力分析,验证了设计的合理性。最后,本文运用遗传算法对并联多指灵巧手进行了尺寸优化设计,通过Solidworks软件对并联多指灵巧手进行整体以及部分受力分析,利用ADAMS软件对并联多指灵巧手进行了仿真分析,研究结果验证了理论计算的正确性。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP241;TH112
【图文】：
，制了邋Ｏｋａｄａ灵巧手的运动灵活性，因此它只能重复地做出比较容易的电机带来的负载也影响了它的性能［２１］。逡逑１９８０年，美国斯坦福大学对多指灵巧手进行了系统化研宄，对多须具有的基本特征进行了明确定义［２２］。多指灵巧手的灵巧性体现在以方面，多指灵巧手能够抓取不同形状的物体，另一方面，多指灵巧手能下对物体进行操作。斯坦福大学的研宄同时指出，为了具有灵巧性，多少要拥有３个独立的手指，而且灵巧手的每个手指都要具有３个或以由度。在此研究基础上，斯坦福大学研制了邋Ｓｔａｎｆｏｒｄ／ＪＰＬ手［２３ｈ如图１－人手不同的是，Ｓｔａｎｆｏｒｄ／ＪＰＬ手没有手掌，整个机器人只有３个独立的这３个手指的结构完全相同，每个手指拥有３自由度，尽管与人手Ｓｔａｎｆｏｒｄ／ＪＰＬ手仍然能对物体进行灵巧操作。与Ｏｋａｄａ手相比，Ｓｔａｎｆｏｒ灵活性有很大的提高，可以适应任意形状的物体，除了各类柱形、球形能抓持各种多面体［２４］。Ｓｔａｎｆｏｒｄ／ＪＰＬ手是个冗余驱动的机构，一共采用机进行驱动，通过Ｎ＋１型腱绳进行传动，其控制方案更为完善，也具的控制系统。由于没有传统的手掌结构，Ｓｔａｎｆｏｒｄ／ＪＰＬ手不能完成一些握受限于电机的发展，它的占用空间与负载也很大。逡逑
Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｔａｎｆｏｒｄ／ＪＰＬ邋ｍｕｌｔｉ－ｆｉｎｇｅｒｅｄ邋ｄｅｘｔｅｒｏｕｓ邋ｈａｎｄ逡逑，日本成功设计出了邋Ｈｉｔａｃｈｉ灵巧手［２７］，它具有４个手灵巧手的驱动方式也非常创新，它通过形状记忆合金指灵巧手的速度和负载有了很大提升。但形状记忆合金无有的寿命与疲劳问题，当金属发生疲劳时，其物理属性确性，进一步影响多指灵巧手的运动性能，这一缺点的工业应用［２８］。逡逑０年代，计算机技术、微电机技术、传感器技术的飞速
强大的感知能力，在智能化和集成化程度上也遥遥领先与同时代的其他多指灵巧逡逑手，在多指灵巧手的研究史上具有里程碑式的意义。逡逑１９９８年，意大利热内亚大学成功研制了邋ＤＩＳＴ灵巧手如图１－３所示。Ｄ１ＳＴ逡逑灵巧手具有４个手指和１个手掌，拇指和其他３个手指相对布置，每个手指的结逡逑构完全相同，每个手指有４个自由度，整手一共有１６个自由度。Ｄ１ＳＴ灵巧手最大逡逑的特点在于其连杆机构的构型，这个机构是欠驱动机构，通过５个电机进行驱动，逡逑同时采用腱绳进行传动，每个关节处都有扭簧，当近指节触碰到物体时，随着驱动逡逑电机的运转，近指节与手掌连接的扭簧会慢慢达到极限位置，然后依次带动中指节逡逑和远指节进行运动，最终使得中指节和远指节与物体接触，从而实现对物体的握取。逡逑由于ＤＩＳＴ灵巧手采用连杆设计，使得其总重量只有ｌＫｇ，大大降低了多指灵巧手逡逑的负载
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP241;TH112
【图文】：
，制了邋Ｏｋａｄａ灵巧手的运动灵活性，因此它只能重复地做出比较容易的电机带来的负载也影响了它的性能［２１］。逡逑１９８０年，美国斯坦福大学对多指灵巧手进行了系统化研宄，对多须具有的基本特征进行了明确定义［２２］。多指灵巧手的灵巧性体现在以方面，多指灵巧手能够抓取不同形状的物体，另一方面，多指灵巧手能下对物体进行操作。斯坦福大学的研宄同时指出，为了具有灵巧性，多少要拥有３个独立的手指，而且灵巧手的每个手指都要具有３个或以由度。在此研究基础上，斯坦福大学研制了邋Ｓｔａｎｆｏｒｄ／ＪＰＬ手［２３ｈ如图１－人手不同的是，Ｓｔａｎｆｏｒｄ／ＪＰＬ手没有手掌，整个机器人只有３个独立的这３个手指的结构完全相同，每个手指拥有３自由度，尽管与人手Ｓｔａｎｆｏｒｄ／ＪＰＬ手仍然能对物体进行灵巧操作。与Ｏｋａｄａ手相比，Ｓｔａｎｆｏｒ灵活性有很大的提高，可以适应任意形状的物体，除了各类柱形、球形能抓持各种多面体［２４］。Ｓｔａｎｆｏｒｄ／ＪＰＬ手是个冗余驱动的机构，一共采用机进行驱动，通过Ｎ＋１型腱绳进行传动，其控制方案更为完善，也具的控制系统。由于没有传统的手掌结构，Ｓｔａｎｆｏｒｄ／ＪＰＬ手不能完成一些握受限于电机的发展，它的占用空间与负载也很大。逡逑
Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｔａｎｆｏｒｄ／ＪＰＬ邋ｍｕｌｔｉ－ｆｉｎｇｅｒｅｄ邋ｄｅｘｔｅｒｏｕｓ邋ｈａｎｄ逡逑，日本成功设计出了邋Ｈｉｔａｃｈｉ灵巧手［２７］，它具有４个手灵巧手的驱动方式也非常创新，它通过形状记忆合金指灵巧手的速度和负载有了很大提升。但形状记忆合金无有的寿命与疲劳问题，当金属发生疲劳时，其物理属性确性，进一步影响多指灵巧手的运动性能，这一缺点的工业应用［２８］。逡逑０年代，计算机技术、微电机技术、传感器技术的飞速
强大的感知能力，在智能化和集成化程度上也遥遥领先与同时代的其他多指灵巧逡逑手，在多指灵巧手的研究史上具有里程碑式的意义。逡逑１９９８年，意大利热内亚大学成功研制了邋ＤＩＳＴ灵巧手如图１－３所示。Ｄ１ＳＴ逡逑灵巧手具有４个手指和１个手掌，拇指和其他３个手指相对布置，每个手指的结逡逑构完全相同，每个手指有４个自由度，整手一共有１６个自由度。Ｄ１ＳＴ灵巧手最大逡逑的特点在于其连杆机构的构型，这个机构是欠驱动机构，通过５个电机进行驱动，逡逑同时采用腱绳进行传动，每个关节处都有扭簧，当近指节触碰到物体时，随着驱动逡逑电机的运转，近指节与手掌连接的扭簧会慢慢达到极限位置，然后依次带动中指节逡逑和远指节进行运动，最终使得中指节和远指节与物体接触，从而实现对物体的握取。逡逑由于ＤＩＳＴ灵巧手采用连杆设计，使得其总重量只有ｌＫｇ，大大降低了多指灵巧手逡逑的负载
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 朱玉乐;郭冰菁;;人工肌肉驱动的多指灵巧手运动学计算与分析[J];机械设计与制造;2013年11期
2 周荣荻;王海;;多指灵巧手关节空间的轨迹规划研究[J];数字技术与应用;2012年07期
3 王s
本文编号：2753989
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