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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摘要

随着科学技术的发展，工业机器人领域的自动化程度越来越高，机器人在工业自动化中的应用也愈加普遍。

目前，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，没有可靠的输出力控制，无法达到FMS生产线上对于灵活和精细操作的要求。

为此，本文根据国内外的新型欠驱动机构的研究现状，结合本课题的具体要求，对具有形状自适应的欠驱动机器人手爪进行了设计与分析。

首先，根据国内外研究现状的分析与综述，结合本课题具体要求，采用人手仿生学和欠驱动理论设计了与成年人手形状相似大小相仿的单根手指3自由度的五指机器人手，由6个电机驱动。

其次，采用多连杆传动，刚度好、出力大、负载能力强。

手指结构简单，重量轻，具有形状自适应性。

再次，根据虚功原理，借助于Ansys和Adams软件，实现对手指的静力学分析、运动学分析、动力学分析、仿真和优化设计，再结合工程实践中的经验设计对手指进行二次优化。

最后，通过仿真，二次优化后的欠驱动机器人手能够实现对于球形、圆柱形以及不规则形状的物体可靠的包络抓取。

关键词：

仿人机器人手；

欠驱动；

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