欠驱动多指手的设计及抓取力分析与实验研究

论文摘要

随着生活水平的提高，人们对工作环境和舒适度提出了更高的要求，在此背景下，农业机器人研究的升温，也诞生了一些果蔬采摘末端执行器，但其中大部分末端执行器抓取力控制不精确。本文把欠驱动机构和力测量应用到机械手中，设计了一种新的末端执行器——带有力测量的欠驱动多指手。主要进行了欠驱动多指手结构设计、抓取力分析和稳定性分析，制作样机；利用力传感器辅助多指手完成抓取实验，并且验证抓取力分析的准确性，可实现对脆弱果蔬的无伤抓取。主要研究内容和结果如下：采用Solidworks软件对欠驱动多指手进行三维建模，分析与设计手指、手掌、驱动与传动等部分。借鉴人手抓取经验完成欠驱动多指手的预抓取规划，对欠驱动多指手尺寸参数进行最优化。详细分析欠驱动多指手精确捏取模式和包络抓取模式下的抓取力。首先，精确捏取模式下用力矩平衡法，描述末端指节接触力与驱动力之间关系；其次，在螺旋理论的基础上，详细分析了机械手抓取力与驱动力之间的关系。最后结合研制的样机在两种抓取模式下进行力计算，为下一步研究奠定了理论基础。分别从目标与指节间接触点位置变化，指节间力分布均匀性，考虑弹簧影响，指节尺寸大小和电机驱动力五个方面对欠驱动多指手的抓取力进行了分析。最后，用Matlab软件模拟机械手抓取过程的接触轨迹和静态平衡曲面，若两者存在交点则抓取稳定。设计了测量接触力和驱动力的试验装置。首先，手指在不同姿态下对第二指节、第三指节和连接板加载标准压力在待测应变片上进行静态标定；其次，在标定的基础上，对直径为50-130mm的石榴和不锈钢球进行抓取试验，测得相应指节和连接板的应变，并且将其应变转化为抓取力和驱动力的信息。最后，采集和处理力信息，使欠驱动多指手自动检测物体间的接触情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 果蔬采摘末端执行器研究形状
• 1.2.2 具有传感器反馈的机械手
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 欠驱动多指手设计
• 2.1 欠驱动多指手整体结构设计
• 2.2 手指结构设计
• 2.2.1 手指方向调整
• 2.2.2 转向机构设计
• 2.2.3 精确捏取机构
• 2.3 手掌结构设计
• 2.4 驱动与传动系统设计
• 2.5 欠驱动多指手抓取规划
• 2.6 欠驱动多指手尺寸分析
• 2.7 小结
• 第三章 不同模式下抓取力分析
• 3.1 精确捏取力分析
• 3.2 包络抓取力分析
• 3.2.1 手指静态模型
• 3.2.2 抓取力表达式
• 3.3 抓取力实例计算
• 3.3.1 精确捏取实例计算
• 3.3.2 包络抓取实例计算
• 3.4 小结
• 第四章 手指参数仿真和稳定性分析
• 4.1 手指参数仿真
• 4.1.1 接触点对抓取力的变化
• 4.1.2 指间力分布情况
• 4.1.3 考虑弹簧的情况
• 4.1.4 指节长度对抓取力的影响
• 4.1.5 电机驱动力对抓取力的影响
• 4.2 稳定性分析
• 4.3 小结
• 第五章 实验研究
• 5.1 实验系统的建立
• 5.1.1 测试电路及其温度补偿
• 5.1.2 应变仪
• 5.2 手指指节和连接板的标定
• 5.2.1 初始位置指节的标定
• 5.2.2 抓取直径 80mm 各个指节的标定
• 5.2.3 抓取直径 120mm 各个指节的标定
• 5.2.4 连接板标定
• 5.3 抓取实验
• 5.3.1 抓取石榴实验
• 5.3.2 抓取不锈钢球实验
• 5.3.3 理论曲线与抓取实验曲线对比
• 5.4 数据处理
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间获得成果