变掌式欠驱动机械手的研究与设计

论文摘要

作为先进机器人的末端执行器,多指灵巧手的研制成为热门。目前在灵巧机械手的研制过程中,最为重要的任务仍然是解决机械手的驱动与控制问题。传统机械手的控制策略集中了信息科学、控制学、电子学等领域的知识,使机械手的控制策略显得复杂而庞大。本文研究了一种基于欠驱动机构原理工作的机械手,该机械手仅依靠机构学领域内的相关知识解决了多自由度灵巧手的控制问题。此外,针对目前多数机械手采用的将手指直接固定在一个刚性体上的设计方法,本文设计了一种可“变形”的手掌机构,该手掌机构可实现对手指抓取初始位姿的调整,从而具有更强的自适应能力。机械手由新型三自由度差动电机驱动,具有结构简单、重量轻、出力大、控制容易、成本低廉等特点。本文首先根据欠驱动机构的原理对机械手指的工作原理和特点做了详细的分析,为欠驱动连杆机械手指的设计提供了理论依据。为了研究基于连杆机构的欠驱动手指的工作特性,本文选择三自由度的欠驱动手指对其进行运动学和静力学分析,从而确定影响欠驱动机械手性能的结构参数。其次使用三维建模工具Pro/E软件对机械手各主要零部件进行了详细的结构和功能设计,根据机械手的结构特点和功能要求,合理订制其安装顺序,并最终建立了欠驱动机械手的三维实体模型,使机械手的功能得到虚拟实现。最后使用ADAMS仿真工具建立机械手的样机模型,并对虚拟样机进行了相应的仿真分析。通过分析机械手在抓取不同尺寸和形状物体时的仿真结果,验证了多自由度欠驱动机械手设计方案的可行性,调试出机械手在抓取不同物体时各关节的状态改变情况,为实现欠驱动手的稳定抓取提供了有益的参数,也为该欠驱动机械手以后的研究打下了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 课题的背景和意义
• 1.1.2 欠驱动机构的提出
• 1.2 欠驱动机构与机械手的发展综述
• 1.3 机械手设计的主要问题
• 1.4 本文主要工作与研究方法
• 1.5 本章小结
• 第2章 机械手欠驱动手指的工作特性分析
• 2.1 引言
• 2.2 基于连杆机构的欠驱动手指的结构特点
• 2.3 欠驱动手指的工作原理
• 2.4 欠驱动手指的抓取稳定性研究
• 2.4.1 欠驱动机械手指的"弹射"现象
• 2.4.2 其它影响抓取稳定的因素
• 2.5 手指的运动学和静力学分析
• 2.5.1 机械手指的运动学分析
• 2.5.2 手指的静力学分析
• 2.6 本章小结
• 第3章 结构与功能设计
• 3.1 引言
• 3.1.1 机械手的结构功能概述
• 3.1.2 建模工具Pro/E的使用
• 3.2 三自由度机械手指的结构设计
• 3.2.1 欠驱动连杆机构的设计与包络抓取动作的实现
• 3.2.2 平行四杆机构的设计与精确抓取动作的实现
• 3.3 手掌的结构设计
• 3.3.1 可变手掌机构设计与实现
• 3.3.2 手掌机构的锁止机构
• 3.3.3 手掌的机架及装配
• 3.4 驱动与传动系统的设计
• 3.4.1 驱动系统的设计与安装
• 3.4.2 传动系统的设计
• 3.5 装配设计
• 3.6 其它需说明的几个技术要求
• 3.6.1 关于弹簧的选择说明
• 3.6.2 材料的选择
• 3.7 本章小结
• 第4章 仿真分析
• 4.1 引言
• 4.2 ADAMS软件与MECHAMSM/Pro接口
• 4.2.1 ADAMS软件
• 4.2.2 ADAMS和Pro/E的数据转换
• 4.2.3 MECHAMSM/Pro的设计流程
• 4.2.4 Pro/E、ADAMS和MECHAMSM/Pro的联合设计
• 4.3 机械手虚拟样机模型的建立
• 4.3.1 模型建立的条件
• 4.3.2 模型从Pro/E到ADAMS的转换
• 4.4 仿真设置
• 4.4.1 ADAMS系统初始条件设置
• 4.4.2 其它重要设置
• 4.5 机械手的动态仿真
• 4.5.1 空抓取时的情况
• 4.5.2 精确抓取细棒料的情况
• 4.5.3 包络抓取棒料的情况
• 4.5.4 差动的体现
• 4.5.5 添加可变手掌机构以后的精确抓取
• 4.5.6 添加可变手掌机构以后的包络抓取
• 4.6 本章小结
• 第5章 结论
• 5.1 论文工作的总结
• 5.2 论文的局限性及需要进一步研究的内容
• 参考文献
• 致谢