基于虚拟样机的液压全驱多指手的设计与仿真研究

论文摘要

多指灵巧手作为工业机器人与外界进行作用的最后执行元件，其抓取和操作的研究已经成为当今机器人领域中一个重要的研究主题。目前由于驱动方式和动力装置的限制，造成多指手的端面负载能力有限，只能抓起很小、很轻的物体，多指手的应用还停留在实验室研究开发阶段；因此，选择合适的驱动方式对多指手的工业实用性能和操作可行性具有决定性意义。为了解决手指在体积、负载、驱动和控制之间的矛盾，本课题以机器人多指手为研究对象，在对国内外多指手研究现状分析基础上，从机构学入手，采用串联四连杆机构的设计方案，通过液压全驱动进行控制。通过对其关键技术的研究，旨在解决多指手体积与负载能力之间的矛盾，并对为提供稳定精准抓取而采取的控制方案进行探究。论文首先在对驱动系统对比分析以及传动方式研究基础上，将基于连杆的可变四边形机构和液压驱动器集成在手指上，提出了基于液压全驱动的多指手设计方案与机械结构模型；然后对多指手单指机构进行了运动学建模分析，推导出手指关节角与液压缸行程的运动学关系，并利用MATLAB计算出指端包络空间。其次，根据抓取操作的特点设计了手指机构的液压驱动系统，详细阐述了多指手抓取过程中的液压原理，并根据设计要求选择了相应的液压元器件。为简化分析，根据抓取控制策略将手指机构整体液压系统划分基于位置控制与力控制的两个简化子系统，建立了相应的数学模型；在获得液压参数基础上，对各子系统的液压动态特性进行了仿真分析。为改善手指机构液压系统控制性能，引入PID控制器进行校正调节。最后，利用虚拟样机仿真技术在动力学仿真软件ADAMS中搭建了多种手的仿真机械模型并进行了抓取仿真试验。通过仿真验证理论设计计算的正确性，并由分析结果探讨了基于液压全驱动的多指手研制的可行性与有效性。以上研究内容不仅对机器人多指手的理论研究具有一定的指导作用，同时还为未来多指手的样机开发和工业应用奠定基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 多指手驱动系统的国内外研究概况
• 1.3 多指手传动系统研究概况
• 1.3.1 腱传动
• 1.3.2 齿轮传动
• 1.3.3 连杆传动
• 1.4 本论文研究意义与研究内容
• 1.4.1 研究目的与意义
• 1.4.2 本论文研究内容与技术路线
• 第二章 多指手方案设计与机构运动学分析
• 2.1 多指手机械结构设计
• 2.1.1 手指传动方式及关节驱动设计
• 2.1.2 手指机构构型
• 2.1.3 手指结构
• 2.1.4 手指布局型式
• 2.2 手指机构运动学分析
• 2.2.1 手指机构正向运动学
• 2.2.2 手指机构逆向运动学
• 2.2.3 液压缸行程与机构关节角之间的关系
• 2.3 手指机构静力学分析
• 2.3.1 多指手接触力模型
• 2.3.2 手指机构各连杆静力分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于电液比例控制的多指手液压系统设计
• 3.1 多指手液压系统工况分析
• 3.2 多指手液压系统工作原理
• 3.2.1 指根部位侧摆动作回路
• 3.2.2 指中部位屈曲运动回路
• 3.2.3 指端部位抓取操作回路
• 3.3 液压系统元器件的选择
• 3.4 本章小结
• 第四章 多指手电液比例控制系统建模与仿真
• 4.1 液压系统元件基本数学模型
• 4.1.1 比例放大器数学模型
• 4.1.2 比例电磁铁的数学模型
• 4.1.3 阀控非对称液压缸的动力学模型
• 4.2 手指机构基于电液比例控制系统建模
• 4.2.1 指中位置控制系统
• 4.2.2 指根位置控制系统
• 4.2.3 指端驱动力控制系统
• 4.3 手指机构液控系统特性仿真分析
• 4.3.1 系统中各参数的估定
• 4.3.2 手指机构位置控制系统仿真分析
• 4.3.3 手指机构力控制系统仿真分析
• 4.3.4 基于 PID 控制器的液压控制系统仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 多指手机械系统建模与仿真分析
• 5.1 液压全驱多指手在 ADAMS 中的实现
• 5.2 手指机构运动学仿真
• 5.2.1 单指机构各液压缸运动曲线输出
• 5.2.2 单指机构指端轨迹分析
• 5.2.3 多指手抓取工作空间分析
• 5.2.4 手指机构运动过程中受力分析
• 5.3 手指机构动力学仿真
• 5.3.1 液压缸驱动力作用下抓取力模拟
• 5.3.2 接触载荷作用下液压缸压力模拟
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 论文不足与展望
• 参考文献
• 附录 A 论文中的分析程序
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢