基于厚板折纸结构的可展式夹持器的设计、建模与优化
发布时间：2021-01-14 09:53
随着科技的发展,各种机器人的应用规模越来越大,所工作的环境越来越复杂,机器人所抓持的对象也越来越多样化,传统的夹持装置在一些特定的场合已经不能满足工作任务的要求。例如在对较大体积目标进行抓取时,要求夹持器具有较大的夹持范围,较大的抓取力,较大的刚性和较高的抓取稳定性等,这使得针对大型目标抓取的机械手末端夹持器的设计极具挑战性,此外,大夹持范围导致夹持器尺寸较大,这就要求夹持器具有折叠展开功能以方便储藏和运输,而大的抓取力和高稳定性则要求夹持器具备较好的结构刚度。折纸结构具有折展机构展开折叠的特点,并且相比于折展机构,学者们可以在纸张上自由地进行折痕排列的设计,从而能够产生大量的结构构型。针对传统夹持装置存在的主要问题,基于折纸机构的折叠原理设计了一种可展式夹持器,并对其进行了性能分析及优化,主要内容如下:针对传统折纸结构在夹持器设计应用中面板厚度不可忽略,导致夹持器在折展过程中折板之间产生的物理干涉问题,提出利用滚动接触铰链所产生相对转动和偏移的运动原理,以此来解决厚板折纸在折叠过程中各个折板之间的干涉问题,使厚板折纸结构在折叠过程中具有与零厚度折纸结构相同的运动学特性。为了将铰链应用...
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
刚性夹持器
第一章绪论3性，可完成多种空间任务，但是串联关节的大量使用，会导致一系列的问题如控制困难、结构复杂、可靠性低、负载能力差、重量大等问题；Miyata等人利用超声波马达驱动凸轮机构[14]，设计了一种具有两个弯曲自由度应用于核磁共振摄影的夹持器，如图1.2(b)所示，具有结构简单，易制造和装配的优点，但其夹持力不足且定位精度不高；意大利CHEN等设计了一个新式钳口夹持器[15]，如图1.2(c)所示，可以实现旋转动作进行重新定位，具有操作灵活的特点。此夹持器同时具有传统机械手结构简单和灵巧机械手多自由度的特点，在对被夹持物体进行夹持动作时能够在短时间内进行扭转运动使得夹持器能够提供足够的夹持力对物体进行抓取；Kim和Song提出一种单自由度夹持器来夹持目标物[16]，如图1.2(d)所示，使用混合式变刚度驱动器控制夹持力，此夹持器无需力传感器也能完成对易碎目标物的夹持操作。(a)Sarah机械手(b)核磁共振摄影夹持器(c)新式钳口夹持器(d)单自由度夹持器图1.2刚性夹持器在软体夹持器方面，2011年哈佛大学的GeorgeM.Whitesides等人研制了一种新型软体机械手[17]，结构如图1.3所示。软体机械手的制作材料为硅胶，具有6各夹持端，通过外部的软管往气腔内输入气体产生变形，以此实现对不同形状和易损易碎物体的紧密包络从而达到抓取的目的，该软体机械手驱动方式简单，柔顺性、适应性较好，抓取位置紧密从而使被夹持物不易掉落；希腊DIMEAS等人[18]根据采摘草莓时手指的采摘动作以及手指弯曲运动过程设计了一个采摘草莓的夹持器，通过添加精准的控制使得夹持器在采摘草莓时保证果实的完整性，图1.4为该夹持器采摘草莓的实验图；如图1.5所示，罗德岛大学的KevinC.Galloway[19]研发了一种应用于水下机器人的软体机械手爪?
4集，传统刚性机械手由于刚性较高，在对海洋生物进行抓取时极易造成损伤，而Kevin团队使用较为柔软的硅胶材料进行抓手的制作，并且在深海中使用软体机械手进行了动植物标本的无损采集；2017年，YuukiTorigoe等人制作了如图1.6所示的三指软体机械手[20][21][22]，该机械手通过3D打印技术制作而成，与传统软体机械手分次浇筑制作方式的不同，该机械手整体采用软体硅胶材料进行3D打印制作，机械手弯曲过程的角度通过手指内部所放置的弯曲传感器进行测量，并通过对实物的抓取实验验证了该软体机械手具有较好的抓取效果。图1.3六指硅胶软体机械手图1.4基于模糊控制的草莓采摘夹持器图1.5水下机器人的软体机械手图1.63D打印的三指软体机械手在微夹持器方面，重庆大学王代华研制了一种带有位移和力反馈的微夹持器[23]，放大倍率16左右，可实现的最大位移量为160μm左右，如图1.7所示，并辨识了压电驱动电压与力、位移的关系的数学模型，并对微夹持器操作系统进行了实验，发现实验效果较好；中国台湾中央大学冯耀云、陈士瑞等[24]，利用银镍复合材料设计的一种电热微夹持器，如图1.8所示，该夹持器以直流电通过夹持器硅片上的电阻结构产生的热能驱动，在施加电流为0.26A，最大功耗为0.4W的情况下，微夹持器的测量位移为311μm。能够夹取直径为1.3mm的聚苯乙烯球；韩国J.H.Kyung等人结合柔性铰链设计与制造了一种采用形状记忆合金驱动的微夹持器[25]，如图1.9所示。该微夹持器通过对制作而成的形状记忆合金丝进行通电加热后产生的微小位移作为微夹持器的驱动力来源。形状记忆合金具有形变量较大的特点，但是存在响应速度慢，并且形变过程呈阶跃性的变化以及使用寿命较短的缺点；丹麦KristianMφlhave等人研制了一种采用电热进行驱动的微夹持器
【参考文献】：
期刊论文
[1]剪叉式过约束双环桁架可展天线机构的构型设计与自由度分析[J]. 韩博,韩媛媛,许允斗,姚建涛,赵永生. 机器人. 2019(03)
[2]概述机器人技术的进步[J]. 王天然. Engineering. 2018(04)
[3]工业机器人在智能制造中的角色[J]. 戴家鹏. Engineering. 2018(04)
[4]基于厚板折纸理论的微创手术钳[J]. 杨名远,马家耀,李建民,陈焱,王树新. 机械工程学报. 2018(17)
[5]折纸及其折痕设计研究综述[J]. 李笑,李明. 力学学报. 2018(03)
[6]基于四杆曲柄滑块机构的可展机构设计[J]. 孔凡臣,孙建伟,张邦成,张炜. 长春工业大学学报. 2018(01)
[7]软体机器人结构机理与驱动材料研究综述[J]. 李铁风,李国瑞,梁艺鸣,程听雨,杨栩旭,黄志龙. 力学学报. 2016(04)
[8]高平行度双稳态夹持机构设计与分析[J]. 胡锋,邱丽芳,周杰,杨德斌. 工程科学学报. 2015(04)
[9]具有变胞功能的电动装载机构构态进化拓扑结构分析与基因建模[J]. 潘宇晨,蔡敢为,王红州,高德中,戴建生. 机械工程学报. 2014(01)
[10]剪叉式升降台可靠性试验方法[J]. 石晓宇,于缤峰. 起重运输机械. 2013(05)
硕士论文
[1]气动塑形夹持器的设计与研究[D]. 林浩鹏.南京理工大学 2017
[2]采用柔性滚动接触铰链的Bennett机构及其在折纸机器人中的应用[D]. 郭晓磊.天津大学 2017
[3]折纸型变胞机构的结构分析方法及其应用研究[D]. 许栋铭.哈尔滨工业大学 2015
[4]结构功能型机构的综合设计与分析[D]. 李驰.北京邮电大学 2013
[5]可展开平面天线支撑机构构型综合与设计[D]. 王岩.哈尔滨工业大学 2011
[6]IRB2400/10型机器人末端夹持器的设计及参数优化[D]. 远国勤.吉林大学 2007
本文编号：2976689
【文章来源】：江西理工大学江西省
【文章页数】：79 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
刚性夹持器
第一章绪论3性，可完成多种空间任务，但是串联关节的大量使用，会导致一系列的问题如控制困难、结构复杂、可靠性低、负载能力差、重量大等问题；Miyata等人利用超声波马达驱动凸轮机构[14]，设计了一种具有两个弯曲自由度应用于核磁共振摄影的夹持器，如图1.2(b)所示，具有结构简单，易制造和装配的优点，但其夹持力不足且定位精度不高；意大利CHEN等设计了一个新式钳口夹持器[15]，如图1.2(c)所示，可以实现旋转动作进行重新定位，具有操作灵活的特点。此夹持器同时具有传统机械手结构简单和灵巧机械手多自由度的特点，在对被夹持物体进行夹持动作时能够在短时间内进行扭转运动使得夹持器能够提供足够的夹持力对物体进行抓取；Kim和Song提出一种单自由度夹持器来夹持目标物[16]，如图1.2(d)所示，使用混合式变刚度驱动器控制夹持力，此夹持器无需力传感器也能完成对易碎目标物的夹持操作。(a)Sarah机械手(b)核磁共振摄影夹持器(c)新式钳口夹持器(d)单自由度夹持器图1.2刚性夹持器在软体夹持器方面，2011年哈佛大学的GeorgeM.Whitesides等人研制了一种新型软体机械手[17]，结构如图1.3所示。软体机械手的制作材料为硅胶，具有6各夹持端，通过外部的软管往气腔内输入气体产生变形，以此实现对不同形状和易损易碎物体的紧密包络从而达到抓取的目的，该软体机械手驱动方式简单，柔顺性、适应性较好，抓取位置紧密从而使被夹持物不易掉落；希腊DIMEAS等人[18]根据采摘草莓时手指的采摘动作以及手指弯曲运动过程设计了一个采摘草莓的夹持器，通过添加精准的控制使得夹持器在采摘草莓时保证果实的完整性，图1.4为该夹持器采摘草莓的实验图；如图1.5所示，罗德岛大学的KevinC.Galloway[19]研发了一种应用于水下机器人的软体机械手爪?
4集，传统刚性机械手由于刚性较高，在对海洋生物进行抓取时极易造成损伤，而Kevin团队使用较为柔软的硅胶材料进行抓手的制作，并且在深海中使用软体机械手进行了动植物标本的无损采集；2017年，YuukiTorigoe等人制作了如图1.6所示的三指软体机械手[20][21][22]，该机械手通过3D打印技术制作而成，与传统软体机械手分次浇筑制作方式的不同，该机械手整体采用软体硅胶材料进行3D打印制作，机械手弯曲过程的角度通过手指内部所放置的弯曲传感器进行测量，并通过对实物的抓取实验验证了该软体机械手具有较好的抓取效果。图1.3六指硅胶软体机械手图1.4基于模糊控制的草莓采摘夹持器图1.5水下机器人的软体机械手图1.63D打印的三指软体机械手在微夹持器方面，重庆大学王代华研制了一种带有位移和力反馈的微夹持器[23]，放大倍率16左右，可实现的最大位移量为160μm左右，如图1.7所示，并辨识了压电驱动电压与力、位移的关系的数学模型，并对微夹持器操作系统进行了实验，发现实验效果较好；中国台湾中央大学冯耀云、陈士瑞等[24]，利用银镍复合材料设计的一种电热微夹持器，如图1.8所示，该夹持器以直流电通过夹持器硅片上的电阻结构产生的热能驱动，在施加电流为0.26A，最大功耗为0.4W的情况下，微夹持器的测量位移为311μm。能够夹取直径为1.3mm的聚苯乙烯球；韩国J.H.Kyung等人结合柔性铰链设计与制造了一种采用形状记忆合金驱动的微夹持器[25]，如图1.9所示。该微夹持器通过对制作而成的形状记忆合金丝进行通电加热后产生的微小位移作为微夹持器的驱动力来源。形状记忆合金具有形变量较大的特点，但是存在响应速度慢，并且形变过程呈阶跃性的变化以及使用寿命较短的缺点；丹麦KristianMφlhave等人研制了一种采用电热进行驱动的微夹持器
【参考文献】：
期刊论文
[1]剪叉式过约束双环桁架可展天线机构的构型设计与自由度分析[J]. 韩博,韩媛媛,许允斗,姚建涛,赵永生. 机器人. 2019(03)
[2]概述机器人技术的进步[J]. 王天然. Engineering. 2018(04)
[3]工业机器人在智能制造中的角色[J]. 戴家鹏. Engineering. 2018(04)
[4]基于厚板折纸理论的微创手术钳[J]. 杨名远,马家耀,李建民,陈焱,王树新. 机械工程学报. 2018(17)
[5]折纸及其折痕设计研究综述[J]. 李笑,李明. 力学学报. 2018(03)
[6]基于四杆曲柄滑块机构的可展机构设计[J]. 孔凡臣,孙建伟,张邦成,张炜. 长春工业大学学报. 2018(01)
[7]软体机器人结构机理与驱动材料研究综述[J]. 李铁风,李国瑞,梁艺鸣,程听雨,杨栩旭,黄志龙. 力学学报. 2016(04)
[8]高平行度双稳态夹持机构设计与分析[J]. 胡锋,邱丽芳,周杰,杨德斌. 工程科学学报. 2015(04)
[9]具有变胞功能的电动装载机构构态进化拓扑结构分析与基因建模[J]. 潘宇晨,蔡敢为,王红州,高德中,戴建生. 机械工程学报. 2014(01)
[10]剪叉式升降台可靠性试验方法[J]. 石晓宇,于缤峰. 起重运输机械. 2013(05)
硕士论文
[1]气动塑形夹持器的设计与研究[D]. 林浩鹏.南京理工大学 2017
[2]采用柔性滚动接触铰链的Bennett机构及其在折纸机器人中的应用[D]. 郭晓磊.天津大学 2017
[3]折纸型变胞机构的结构分析方法及其应用研究[D]. 许栋铭.哈尔滨工业大学 2015
[4]结构功能型机构的综合设计与分析[D]. 李驰.北京邮电大学 2013
[5]可展开平面天线支撑机构构型综合与设计[D]. 王岩.哈尔滨工业大学 2011
[6]IRB2400/10型机器人末端夹持器的设计及参数优化[D]. 远国勤.吉林大学 2007
本文编号：2976689
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