机械产品创意设计灵巧手.doc

如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流机械产品创意设计灵巧手【精品文档】第 10 页评分：_ SHANGHAI UNIVERSITY课程论文COURSE PAPER学 院 机电工程与自动化学院专 业 机械工程 学 号 学生姓名 课程 机械产品创意设计研讨课程名：机械产品创意设计研讨HW2：产品创新设计建议书机器人灵巧手的设计负责的部分：1张奇学号15122119电子邮件980616505电话15897943693负责的部分：2张明远学号15122222电子邮件1430673858电话18800201692负责的部分：3牛军学号15122123电子邮件2694626141电话18800202153负责的部分：4易乾川学号15122363电子邮件1103272729电话18800201238负责的部分：5严俊钦学号15122133电子邮件382969350电话189640531761、背景随着制造工艺和传感器及控制技术的发展，作为智能制造应用领域中机器人与环境相互作用的重要环节，其末端执行部件已逐渐由原来的简单夹持器向多任务智能多指灵巧手过渡。智能灵巧手具有多个多关节手指，能够和人手一样具有很高的灵巧性和适应性，执行不同的抓取和操作任务。因此，智能灵巧手可以使工业机器人在非结构环境中与目标物近距离安全接触，具备对未知目标进行智能操作的能力。同样，智能仿人型灵巧手对于服务型机器人在特殊环境诸如危险品检测、设备检修、水下作业、空间站物品搬运及装配、残障辅助等领域具有重要应用价值。 灵巧手作业能力的不断提高,其代价是增加了系统的复杂性和研究难度。目前灵巧手的研究和技术进步主要集中在结构设计、传感系统、运动学和动力学、控制及抓取规划等几方面。灵巧手技术的发展大概经历了以下四个阶段：(1)早期阶段。 多指手最先是从假肢开始的。将这些手分为装饰型、被动型、身体驱动型和外部动力型4种。 (2)初期阶段。 从20世纪70年代开始,国际上开始进行机器人多指灵巧手的系统化研究。1974年日本研制成功的Okada手, 各个手指在结构上细长而单薄,难以实现校大的抓取力和操作力。它们是初期灵巧手的典型代表。(3)中期阶段。 Utah/MIT手,是一种仿人的手,其大小、形状、功能都与人手相似,只比人手少一个手指。大体上能够像人手一样对物体进行抓持和操作,并能够通过手指表面安装的触觉传感器对物体进行初步的特征获取,以实现控制握力的大小。 美国斯坦福大学研制的Stanford/JPL手, 这种手的自由度较少,易于设计、制造和控制。所以,目前对这种手的研究比较多,也出现了许多与其相类似的手。这些成果奠定了灵巧手的理论基石和技术基础。(4)跨世纪阶段。 利用相关领域的成果,这些灵巧手具有很高的集成化和智能化水平,标志着灵巧手的研究已经进入了一个成熟的发展阶段。 国防科技大学从20世纪80年代后期开始就开展了多指灵巧手爪的研究,在手爪机构、传感器系统、控制系统、协调规划方法、控制方法,以及应用性实验研究等方面做了很多工作,基本建成了深入研究灵巧手爪问题及进行进一步实用化研究所必须的试验环境,为未来的手爪机构研究奠定了良好的基础。 机器人技术的不断发展，客观上就要求对机器人末端执行机构不断改进完善，以使机器人最大限度地发挥功效。机器人灵巧手作为人类活动肢体的有效延伸，以其能够完成灵活,精细的抓取操作，从20世纪后半期开始，作为机器人领域的热门研究方向之一，被各国的科技人员所研究。相对于简单的末端操作器，机器人灵巧手具有通用性强，感知能力丰富，能够实现满足几何封闭和力封闭的精确，稳固抓取等优点。2、灵巧手的电机控制及结构设计2.2.1手指材料的确定及其力学性能手指的结构复杂，传统的机械加工很难加工出如此复杂的形状。要缩短产品开发周期、降低开发成本、提高开发质量。快速成型: （1）成型全过程的快速性，适合现代激烈的产品市场。（2）可以制造任意复杂形状的三维实体。（3）用 CAD 模型直接驱动，实现设计与制造高度一体化，其直观性和易改性为产品的完美设计提供了优良的设计环。 （4）成型过程无需专用夹具、模具、刀具，既节省了费用，又缩短了制作周期。（5）技术的高度集成性，既是现代科学技术发展的必然产物，也是对它们的综合应用，带有鲜明的高新技术 特征。以上特点决定了 RP 技术主要适合于新产品开发，快速单件及小批量零件制造。复杂形状零件的制造，模具与模型设计与制造，也适合于难加工材料的制造。外形设计检查，装配检验和快速反求工程等2.2.2手指结构的初步设计及各关节参数：通过对人手的解剖学、运动学、以及动力学分析， 从而对仿人灵巧手进行结构设计。仿人灵巧 手的机械整体结构运用机电一体化设计思想，最大限 度地实现了手及手指的集成化、模块化。从而完成各个手指关节的运动，实现抓取 操作。手指的长度参照正常人手尺寸，设计 尺寸为人手的1. 5 倍;整手自由度的分配为:手指数目 确定为3个，拇指为4 个自由度。拇指的设计结构拇指是灵巧手中最灵活的手指，通过对人手结构 的分析可知，人手的拇指有3 个关节分为近节、中节和 远节指骨共有5 个自由度，近指骨包括于掌中可作屈 伸、收展以及旋转运动，因此在设计拇指过程中根据实 际需要减小控制难度对拇指的结构与运动自由度加以 取舍。拇指的设计结构如图 所示。拇指结构图 其中设计尺寸是人手拇指的1. 5 倍，近指关节采 用一个“十”字形轴来传递两个方向上的运动和力，在 抓取物体时拇指可以用正面来接触物体表面使触觉传 感器更好地反馈接触面上产生的信号。2.2.3模块化手指的结构设计模块化手指的结构设计 除拇指外其余2个手指采用相同的结构，每个手 指有3 个关节， 2 个自由度其中近指关节与中指关节 分别采用一对电动机驱动，远指关节与中指关 节之间是运动耦合结构，灵巧手指的运动学结构是基于人手手指简化。2.2.4手指结构的初步设计及各关节参数初步定手指总长 100mm，指宽 20mm2.3.1 灵巧手的电机控制世界各国已研制的多指灵巧手依照驱动器的位置分为两类：内置型和外置型。内置型多指灵巧手的手部关节的转动是由安装在手指或手掌内的电机驱动，一般一个关节就是一个自由度。外置型多指灵巧手的驱动器全部被放置在灵巧手之外。 瑞典皇家工学院的KTHand，由两个3自由度的手指和一个4自由度的手指组成的三指灵巧手，其手指的驱动方式采用欠驱动方式，即每根手指由一个电机独立控制，有的关节是被动的。内置型灵巧手均采用直流电机或交流电机配备减速齿轮箱作为驱动源。这种灵巧手的最大优势在于：由于采用独立的手部结构，灵巧手可以安装在各种类型的机器人手臂上。但它也存在着不足，其中尺寸上的限制尤为突出。2.3.2外置型多指灵巧手1.关节气动驱动，具有刚柔性的特点。2.FPA直接驱动。3.FPA容易小型化。4.传感系统易于配置2.3.3电机与传感器选型 超声电机:超声电机(ultrasoniemotor,缩写USM )是利用压电材料的逆压效应，使弹性体(定子)在超声频段产生微观机械振动(振动领率在20kHz以上),通过定子和转子(或动子)之间的摩擦作用,将定子的微观振动转换成转子(或动子)的宏观的单方向转动(或直线运动)。从原理性超声电机至今,它已在照相机、手表、机器人、汽车、航空航天、精密定位仪及微型机械等领域得到成功的应用。超声电机具有低速大扭矩、体积小、重量轻、快速响应和自锁力矩大等特点,结合线驱动方式,将其应用在灵巧手中,可以方便实现结构简单的关节独立的内置型5指灵巧手。2.3.4 力敏电阻(FSR)力敏电阻(FSR)是一个聚合物基底的厚膜器件，能检测作用于它的各种力，或用来检测力的作用位置。FSR 呈现接触电阻现象。作用在极片上的压力越大，则输出的导电性越好。与压力膜片相反，FSR 能连续检测出施加在其上的力，且不受音频及谐彼的影响。2.4电机的控制灵巧手控制器是灵巧手控制系统的核心部分,它完成全部关节运动控制算法和控制量的给定, 实现灵巧手各关节协调运动,因此要求控制器运算能力要强,实时性好。2.4.1超声波电机驱动电路2.4.2单片机控制程序流程单片机的控制流程：设定一个抓取物体所需的压力，通过FSR传感器判断是否抓取到物体。当给启动命令时，电机正转；当手指某关节的输出电压超过某值时，电机停转；当给出复位命令时，电机复位。3、灵巧手的建模分析（附原理图/三维图/二维图等）灵巧手的建模:首先测量灵巧手实体的物理尺寸，之后还需对实体进行简化，简化过程包括两个方面，一个是造型的 简化，一个是尺寸的简化。既要求模型能足够简单，便于 后续的分析处理，同时也要确实反映关节、连杆的关系。 以便得到正确的分析结果。在建模时，首先根据DH坐标系统要求，将整个灵巧手简化成一系列连杆。由多套并列的连杆组成，分别是灵巧 手的多个手指，每个手指由三个连杆组成，对应三个关节，连杆与连杆之间由转动关节连接。灵巧手三维图二维图其次就是关节的简化。由于UG（这是一个交互式CAD/CAM(计算机辅助设计与计算机辅助制造)系统）可以直接定义关节和驱动的类型及参数，因此建模时不必对关节和拉动关节 。灵巧手手指建模 的钢绳进行详细建模，同时可以省略对驱动电机的建模， 而只需在定义关节时，在连杆的末端配合钻孔，便于连杆 相连，同时在uG下定义关节时，加上旋转副即可。另外在连杆连接时，加上了垫片，在模型分析过程中垫片并不起作用，但是垫片却在控制过程中，标识了关节角度的正方向。上两图为原理图4、灵巧手的结构分析及运动1. 灵巧手一般结构一般由个机械结构完全相同的手指，个手掌和1个可以旋转°的手腕 构成灵巧手。指关节如同人手的食指、中指、无名指、小拇指皆为个关节，如图4-1所示 图 412. 灵巧手单手指一般结构拇指 1、2 关节轴线互相垂直，模拟人手掌指关节，可以实现下指节的侧摆和屈曲，关节 3、4 相耦合形成一个自由度，关节 2、3、4 的轴线互相平行。拇指结构图如图 4-2所示,拇指关节结构示意图如图 4-3所示。 图 42 拇指结构图 图 43 拇指关节结构示意图根据图4-4运动副自由度计算规则，我们可以得到，单个手指由3个转动副和1个旋转副构成，因此一个手指的自由度为4.图 44 自由度计算规则3. 灵巧手抓取分析灵巧手抓取物体时，要使作用在物体上的合力为零，必须在手指与物体的接触点施加作用力来平衡外力。灵巧手的静力学分析是为了确定抓持作业中手指上的接触力与驱动手指的关节驱动力矩。选取一个灵巧手向上抓取圆柱的案例进行分析，抓取模样如图4-5所示，对该模型进行受力分析，得到受力简图如图4-6所示，然后根据几何关系以及力的平衡条件，合力矩定理。经过计算可以得到每个指节的受力大小以及手掌与物体之间的接触力，详细计算过程见参考文献1图 4-5 抓取示意图图 4-6 灵巧手受力简图4. 灵巧手运动学简要分析灵巧手运动学的研究目的是解析其关节变量与末端执行器位置之间的关系，通常方法是把灵巧手相对于固定参考系的运动作为时间函数进行分析研究。正运动学是在给定组成运动副的相邻连杆的相对位置情况下，确定灵巧手末端执行器的位姿。亲口说运动学逆解问题是指在给定灵巧手末端执行器的位置和姿态的情况下，解出运动到该位姿时各关节转动的角度，即给出T，求出角度。在求解过程中需要用到D-H坐标系，雅各比矩阵等知识。5、灵巧手的发展前景灵巧手的未来发展趋势：目前灵巧手的发展,5指、多自由(15)、多感知(位置、力/力矩)等已被广泛地实现,灵巧手具备了人手的基本模样,能够实现人手的某些抓握操作,但在传感、灵活性、集成度、小型化、可靠性、实际应用等方面还需要进一步的提高。 机器人灵巧手的发展趋势主要有以下几个方面: (1)仿人手的目标人手经过几千年的进化,已经成为小巧、灵活、敏感的操作工具。灵巧手发展的趋势之一是向人手靠近,在外形尺寸、手指数目、自由度的分配、感觉、抓握功能等方面。这一趋势不仅仅是灵巧手技术水平的展示方式,更重要的是从灵巧手的实际应用出发。当灵巧手在结构、尺寸、感知等方面达到人手的程度,两者具有11的对应关系,那么它将真正地是人手的延伸,通过遥操作,能够很方便地用我们的手去控制远处的灵巧手完成抓取。同时,灵巧手的仿人化将为灵巧手用于残疾人假手提供条件。(2)智能作业 传统控制理论,包括经典反馈控制和现代控制,在灵巧手的实际控制、抓取操作中遇到不少困难:首先,由于灵巧手系统(手本体及被操作物体等)存在的非线性、变结构、多因素以及各种不确定性、不完全性等,一般无法获得精确地灵巧手系统模型,影响了传统控制系统的控制效果;其次,在对灵巧手系统进行研究时,必须提出并遵循的假设条件,比如抓取操作中手指与物体的接触模型等,而这些条件往往与实际情况并不完全吻合。提高灵巧手的智能控制水平,较少人为的干预使灵巧手完成预定的操作任务。(3)工业化应用 由于受到成本、生产制造工艺、可靠性、系统性等因素的影响,当前灵巧手的应用只限于实验室,还没有广泛地运用到工业实际中。面向产业化应用,在元器件选购、工艺安排、可靠性、软件、系统性等方面综合考虑,为灵巧手的产品转化提供必要的基础和方便。同时,灵巧手的广泛应用也有利于灵巧手技术的进一步深入发展。参考文献1吉爱红.仿生机器人的研究进展.机器人,2005,27(3):1125-1128.2许宏岩,付宜利.仿生机器人的研究.机器人,2004,26(3):526-529.3陈柏峰.机器人灵巧手动作库的构建,2005，02，01.4侯明鑫.仿人灵巧手的EtherCAT通讯系统及阻抗控制研究D.哈尔滨工业大学,2015.5韩运峥.空间五指灵巧手控制系统设计D.南京航空航天大学,2016.6陈玉.夏发银.三指灵巧手静力学分析与抓取仿真研究J.湖北工程学院学报,2016,36(3):75-80.7卢新刚.三指灵巧手的三维建模和运动学分析D.山东科技大学,2015.6、机械产品开发流程以及涉及的软硬件系统使用CAD软件-Autodesk Inventor Professional 2014未经作者允许不得私自转载或者用于商业用途