基于人體工程學(xué)仿生機(jī)械臂設(shè)計(jì)
基于人體工程學(xué)仿生機(jī)械臂設(shè)計(jì),基于,人體,工程學(xué),仿生,機(jī)械,設(shè)計(jì)
摘 要基于仿生學(xué)原理,以均力抓取為目標(biāo),設(shè)計(jì)了一種抓取力可調(diào)的欠驅(qū)動機(jī)械手。針對不同尺寸的剛性球體和多自由度機(jī)械臂,依據(jù)參與抓取的指節(jié)數(shù)目,進(jìn)行了多指節(jié)抓取模式的分類研究,并分別建立了靜力學(xué)模型。輸入轉(zhuǎn)矩一定時,通過調(diào)節(jié)機(jī)械手近指節(jié)的初始角度,可以達(dá)到接觸力大小相等的良好效果;當(dāng)近指節(jié)初始角度不變時,通過調(diào)節(jié)輸入力矩的大小,可實(shí)現(xiàn)在均力抓取狀態(tài)下接觸力大小可調(diào)的功能。并用Pro.E實(shí)現(xiàn)對仿真機(jī)械手臂的仿真【關(guān)鍵詞】仿生學(xué)、自由度、多指節(jié)AbstractBased on the principle of bionics, an underactuated manipulator with adjustable gripping force was designed with the goal of uniform gripping. For different sizes of rigid spheres and multi-freedom robotic arms, the classification of multi-finger crawling patterns was studied based on the number of knuckles involved in the grabbing, and a static model was established. When the input torque is fixed, a good effect of equal contact force can be achieved by adjusting the initial angle of the proximal knuckle of the manipulator; when the initial angle of the proximal knuckle is constant, the magnitude of the input torque can be adjusted to achieve a uniform force grip. The function of the contact force can be adjusted in the state. And use Pro.E to simulate the simulation robot armKey words:Bionics, degrees of freedom, multiple knuckles目 錄摘 要1目 錄31 緒論11.1仿生機(jī)械的選題背景11.2仿生機(jī)械臂的研究現(xiàn)狀21.3仿真機(jī)械臂的選型61.3.1機(jī)械臂選型原則61.4.2 驅(qū)動選型62 仿真機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案82.1設(shè)計(jì)任務(wù)102.2 功能分析102.3 仿生機(jī)械臂設(shè)計(jì)原理113 機(jī)械手手指的運(yùn)動分析143.1 手指機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)143.1.1 手指機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算143.1.2 手指計(jì)算153.1.3 三自由度仿生機(jī)械手指的位置反解分析173.2 仿生機(jī)械手指的速度分析213.3 仿生機(jī)械手指的運(yùn)動空間分析與仿真224 基于人體工程學(xué)仿生機(jī)械手的建模,裝配及仿真234.1 Pro/e簡介234.2仿生機(jī)械手各部分的建模與仿真254.2.1機(jī)械手的建模254.2.2機(jī)械手的仿真31小結(jié)35致謝36參考文獻(xiàn)3741 緒論1.1仿生機(jī)械的選題背景在人類在地球上出現(xiàn)之前,各種物種在大自然中生活了數(shù)百萬年,在為生存而奮斗的長期演變中獲得適應(yīng)自然的能力。生物學(xué)研究表明,生物體在進(jìn)化過程中形成的極其精確和完善的機(jī)制使他們能夠適應(yīng)內(nèi)部和外部環(huán)境的變化。生物界有許多有效的技能。如人體的生物合成,能量轉(zhuǎn)換,信息接受與傳播,外界識別,導(dǎo)航,定向計(jì)算與綜合等,都表明許多機(jī)器具有無可比擬的優(yōu)越性。生物的小巧,靈敏度,速度,效率,可靠性和抗噪能力都非常出色。盡管人類仿生學(xué)的行為早已存在,但在20世紀(jì)40年代之前,人們并沒有有意識地將生物學(xué)作為設(shè)計(jì)思想和發(fā)明的來源??茖W(xué)家對生物的研究只停留在描述生物體的精巧結(jié)構(gòu)和完美功能上。工程師和技術(shù)人員更多地依靠他們的卓越智慧,并努力工作來制造人造發(fā)明。他們很少有意識地從生物世界中學(xué)習(xí)。然而,以下事實(shí)可以解釋:人類遇到的一些技術(shù)困難,生物圈早在數(shù)百萬年前就已經(jīng)出現(xiàn),并且在進(jìn)化過程中得到了解決,但人類還沒有從生物世界中獲得適當(dāng)?shù)膯⑹?。自?782年瓦茨發(fā)明蒸汽機(jī)以來,人們在生產(chǎn)斗爭中獲得了強(qiáng)大的動力。在工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域,能源轉(zhuǎn)換,控制和利用基本得到解決。這導(dǎo)致了第一次工業(yè)革命。各種類型的機(jī)器如雨后春筍般涌現(xiàn)。工業(yè)技術(shù)的發(fā)展極大地擴(kuò)大和加強(qiáng)了人們。身體能力使人們免于繁重的體力勞動。隨著技術(shù)的發(fā)展,人們已經(jīng)經(jīng)歷了蒸汽機(jī)后的電氣時代,并正在走向自動化時代。20世紀(jì)40年代電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為人類科學(xué)和技術(shù)的寶藏增添了寶貴的財富。它以可靠和高效的技能處理了數(shù)以萬計(jì)的人們的信息,并使海洋中的人們像海洋一樣。數(shù)字和信息的解放,計(jì)算機(jī)和自動裝置的使用可以使人們在面對復(fù)雜的生產(chǎn)過程時容易和省力,他們準(zhǔn)確地調(diào)整和控制生產(chǎn)過程以使產(chǎn)品規(guī)格準(zhǔn)確。但是,自動控制裝置按照人們制定的固定程序工作,這使其控制能力受到很大限制。自動設(shè)備缺乏對外界靈活分析和反應(yīng)的能力。如果發(fā)生意外情況,自動裝置必須停止工作甚至發(fā)生意外。這是自動設(shè)備本身的嚴(yán)重缺陷。為了克服這個缺點(diǎn),無非是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器各部分之間以及機(jī)器與環(huán)境之間的“通信”,即自動控制裝置適應(yīng)內(nèi)部和外部環(huán)境變化的能力。要解決這個問題,我們必須解決如何接受和改變工程技術(shù)。使用和控制信息問題。因此,信息的使用和控制已經(jīng)成為工業(yè)技術(shù)發(fā)展中的一個主要矛盾。如何解決這個矛盾?生物界為我們提供了有益的啟發(fā)??刂普摰幕居^點(diǎn)是動物(特別是人類)和機(jī)器(包括各種通信,控制和計(jì)算自動化設(shè)備)之間存在一定程度的通用性,也就是說,它們在控制系統(tǒng)中具有一定的共性。法。根據(jù)控制論研究,各種控制系統(tǒng)的控制過程包括信息的傳輸,轉(zhuǎn)換和處理??刂葡到y(tǒng)的正常運(yùn)行取決于信息的正常運(yùn)行。所謂的控制系統(tǒng)是指將受控對象和各種控制元件,組件和電路有機(jī)地組合在一起,從而整體上具有一定的控制功能。從信息角度看,控制系統(tǒng)是信息通道的網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)。機(jī)體與控制系統(tǒng)在生物體內(nèi)存在著很多共性,因此人們對生物自動化系統(tǒng)有著濃厚的興趣,并且利用物理學(xué),數(shù)學(xué)甚至技術(shù)模型對生物系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。因此,控制理論已經(jīng)成為生物學(xué)和工程技術(shù)聯(lián)系的理論基礎(chǔ)。成為溝通生物系統(tǒng)和技術(shù)系統(tǒng)的橋梁。1.2仿生機(jī)械臂的研究現(xiàn)狀 1962年美國就有一種類似多指靈巧手的手爪制造出來。但是真正的靈巧手是1974年日本的okada手1,如圖1.1所示。該手具有三個手指,有一個手掌,拇指有三個自由度,另兩個手指各有四個自由度。各自由度都是由電機(jī)驅(qū)動,并由鋼絲和滑輪完成運(yùn)動和動力的傳遞,屬于n驅(qū)動方式。該手的抓取重量為0.8Kg,自重0.24Kg。這種手的靈巧性比較好,但由于拇指只有三個自由度,還不是最靈巧的手。此外,在結(jié)構(gòu)上,各個手指細(xì)長而單薄,難以實(shí)現(xiàn)較大的抓取力和操作力。德國宇航中心研制的DLR手被公認(rèn)為迄今為止世界上最復(fù)雜、智能化和集成化最高的仿人機(jī)器人多指靈巧手2。如圖1.2所示,該手是一種仿人手,它是由四個完全相同手指組成,每個手指有四個關(guān)節(jié)。整個手共由1000個機(jī)械零件以及1500個電子元件和112個傳感器組成。其中,末端的兩個關(guān)節(jié)同人手類似,存在著機(jī)械禍合,使用一個驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動?;P(guān)節(jié)使用兩個驅(qū)動器,實(shí)現(xiàn)兩個方向的運(yùn)動。DLR手采用電驅(qū)動方式,使用微型直線驅(qū)動器作為驅(qū)動元件,n+1驅(qū)動方式。該直線驅(qū)動器將旋轉(zhuǎn)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)直線轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和減速機(jī)構(gòu)融為一體。所以它可將所有的驅(qū)動器集成在手指或手掌中,減小了手指的尺寸,同時使腿的傳動距離縮短,提高了動態(tài)響應(yīng)。DLR手在每個手指上集成有28個傳感器,包括類似人工皮膚的觸覺傳感器、關(guān)節(jié)力矩傳感器、位置傳感器、速度傳感器和溫度傳感器等。圖1.2DLR多指靈巧手指具代表性的多指靈巧手是1985年美國麻省理工學(xué)院和猶他大學(xué)聯(lián)合研制的Utah/M工T靈巧手3,這是一種仿人手,其大小、形狀、功能都與人手相似。Utah/MIT手采用了模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),四個手指(拇指、食指、中指和無名指)完全相同,每個手指有四個自由度,各手指都連接到手掌并且相對于手掌運(yùn)動。手指的每個關(guān)節(jié)都由腿(繩索)、滑輪進(jìn)行遠(yuǎn)距離帶動,屬于2n驅(qū)動方式,驅(qū)動元件采用的是一排氣動伺服缸,能在指尖上產(chǎn)生31N的抓取力。16個位置傳感器裝在每個關(guān)節(jié)上,32個腿拉緊傳感器裝在腕后面。目前該手多用于實(shí)驗(yàn)室的各種研究,它的主要問題是關(guān)節(jié)自由度太多,控制太復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時的在線控制,還未得到實(shí)際應(yīng)用。美國斯坦福大學(xué)研制的Stanford/JPL手(Salisbry手)4也是一種非常具有代表性的非仿人多指靈巧手。該手沒有手掌,共三個手指,每指三個關(guān)節(jié),拇指相對另兩指布置。每個手指由四個直流力矩電機(jī)驅(qū)動,通過四條繩索張力的調(diào)節(jié)來控制三個關(guān)節(jié)力矩的大小,屬于n+1驅(qū)動。關(guān)節(jié)1、2有士90的運(yùn)動范圍,末端關(guān)節(jié)3有士135的運(yùn)動范圍。這種手每個手指的自由度只有三個,在抓取物體時,抓取點(diǎn)(指尖位置)一旦確定后,其抓取姿態(tài)就唯一確定。因此,實(shí)際上手指沒有冗余關(guān)節(jié),也就沒有抓取的柔性,無法像人手一樣進(jìn)行靈巧、穩(wěn)定的抓取和操作。此外,根據(jù)欠驅(qū)動原理研制的三指10個自由度的機(jī)器人手爪具有驅(qū)動元件數(shù)量少、抓取物體范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn),在欠驅(qū)動手爪的4個主要機(jī)構(gòu)中,欠驅(qū)動手指對抓取物體具有被動柔順和形狀自適應(yīng)的特性,首先對三關(guān)節(jié)欠驅(qū)動手指機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析,提出合理的設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束條件;然后根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo),采用遺傳算法得到手指機(jī)構(gòu)的各個關(guān)節(jié)連桿尺寸和抓取物體時的特殊構(gòu)形,使得在抓取給定物體時各關(guān)節(jié)指面的接觸力達(dá)到均勻分布,得到高效的力傳遞和更加緊湊的機(jī)構(gòu)尺寸。加拿大MD ROBOTICS公司和Laval大學(xué)合作研制出SARAH手爪 (Self-AdaptingRobotic Auxiliary Hand) 5如圖1.3所示,該手爪共有10個自由度,只用兩個電機(jī)驅(qū)動,一個電機(jī)負(fù)責(zé)三個手指的開合;另一個負(fù)責(zé)調(diào)整手指方向,使其能采取不同的抓取姿勢抓取物體。SARAH手爪既可以用末關(guān)節(jié)指面捏取的方式完成各種精確捏取,如圖1.4所示,又可以用欠驅(qū)動的方式完成包絡(luò)抓取,如圖1.5所示。圖1.3欠驅(qū)動10-DOF SARAH手爪圖1.4欠驅(qū)動10-DOF SARAH手爪用末關(guān)節(jié)指面捏取圖1.5欠驅(qū)動10-DOF SARAH手爪用欠驅(qū)動的方式完成包絡(luò)抓取在國內(nèi),對靈巧手的研究是從20世紀(jì)80年代后期開始的,其中以北京航空航天大學(xué)研制的BH系列為代表,從1987年以來,北航已先后研制出BH一1、BH一2、BH一3型多指靈巧手,該型手是一種仿Stanford/JPL手,三指九自由度,每個手指由四個電機(jī)驅(qū)動,屬于n+1驅(qū)動方式。近幾年,北航開始研究BH一4型靈巧手,該手為四指十六自由度,采用模塊化設(shè)計(jì),分為手指、手掌和機(jī)械接口三個模塊,改變手掌設(shè)計(jì)一可以獲得擬人或非擬人手,機(jī)械接口用于確定手與臂的連接,改變機(jī)械接口可以使靈巧手適應(yīng)不同的機(jī)械臂。傳動元件全部由齒輪副組成,電機(jī)完全置于手指中。傳動路線短,結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。但是由于國內(nèi)對機(jī)械手研究的滯后等原因,我國目前已經(jīng)制造出來的這些多指靈巧手在結(jié)構(gòu)方面都存在許多不完善的地方。因此,有必要對多指靈巧手結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的分析,并引進(jìn)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)更為合理的多指靈巧手,為多指靈巧手的實(shí)用化和其他方面的研究提供最理想的結(jié)構(gòu)。1.3仿真機(jī)械臂的選型1.3.1機(jī)械臂選型原則多指靈巧手的開發(fā)可以幫助解決上述問題。因?yàn)樽鳛槟┒藞?zhí)行器的靈巧手相當(dāng)于可以安裝在機(jī)器人手臂上并且可以獨(dú)立執(zhí)行精細(xì)操作運(yùn)動的一組機(jī)器人,所以機(jī)器人手臂實(shí)現(xiàn)了粗略定位,并且通過使用靈巧手來實(shí)現(xiàn)精確定位手。如果使用合適的抓取方法和掌握規(guī)劃算法,理論上可以抓住任意物體,并且可以將任意運(yùn)動和力施加到物體上。這對于提高機(jī)器人的智能化操作水平具有重要意義。本課題旨在通過優(yōu)化靈巧手指和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來解決以下問題。(1)能夠適應(yīng)被操作物體形狀的變化,盡可能地抓住不同形狀的物體;(2)可以控制操作力,對不同物料的物體進(jìn)行操作;(3)可以對被抓住的物體進(jìn)行微小的姿勢調(diào)整;(4)通過上位機(jī)控制掌握運(yùn)動計(jì)劃,可以使靈巧手順利移動1.4.2 驅(qū)動選型鏈條、鋼帶這種方式同樣是把驅(qū)動器和關(guān)節(jié)分開安裝,是遠(yuǎn)程驅(qū)動的手段之一,鏈條、鋼帶與鋼絲繩相比,剛性高,可以傳遞較大的輸出,但設(shè)計(jì)上的限制也很大,在SCARA型的關(guān)節(jié)機(jī)器人中多采用了此法。 對于像靈巧手指這類不是很遠(yuǎn)距離的運(yùn)動和動力傳送,連桿機(jī)構(gòu)也是可行的方法。手指機(jī)構(gòu)的主體是開環(huán)串聯(lián)三連桿機(jī)構(gòu),在此開環(huán)機(jī)構(gòu)上添加一些零自由度的桿組,就可以構(gòu)造出閉環(huán)連桿機(jī)構(gòu),通過這些桿組可以將手指根部的動力傳送到各個關(guān)節(jié),如圖1.7圖1.6閉式鏈?zhǔn)种笝C(jī)構(gòu)桿1,桿2和桿3分別為根關(guān)節(jié),中間關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)側(cè)關(guān)節(jié),根關(guān)節(jié)固定在手掌上。圖2中的桿1,4和6被同軸驅(qū)動。電機(jī)直接驅(qū)動桿1,4和6,桿4通過四桿連桿驅(qū)動桿2。桿6通過另一平面四連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動蓮花桿8,然后通過第三四連桿機(jī)構(gòu)帶動無名指連桿3。蓮花8的作用是提高兩平面四邊形之間的傳遞性能,從而實(shí)現(xiàn)手指三個關(guān)節(jié)的獨(dú)立驅(qū)動??紤]到一般四連桿機(jī)構(gòu)的傳動的運(yùn)動在傳動過程中具有很大的變化,所以使用具有與輸入相等的輸出的平行四邊形機(jī)構(gòu)??梢钥闯?,桿件3分別由桿件2和桿件9分別引導(dǎo)的兩個分支直接平行驅(qū)動,兩個分支均與桿件1串聯(lián)連接,從而指尖的位置將會由桿決定1的構(gòu)造和由桿2上的兩個平行四邊形機(jī)構(gòu)引導(dǎo)的分支的位置是共同確定的。上述特點(diǎn)說明這是一種混合結(jié)構(gòu),它具有并聯(lián)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn),即它繼承了并聯(lián)結(jié)構(gòu)的高速,高剛性,并且具有高度的串聯(lián)結(jié)構(gòu)的柔性;并行驅(qū)動,但它是整個手指的串行結(jié)構(gòu),具有串聯(lián)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。閉鏈驅(qū)動功能:與常規(guī)驅(qū)動模式下的傳統(tǒng)繩索滑輪驅(qū)動器相比,該傳動結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)一對運(yùn)動較低,接觸面為面接觸,低對輔助元件易于潤滑。桿的幾何結(jié)構(gòu)簡單且易于制造。(2)傳動剛性小,變形小,無滯后,通過幾何約束定位,傳動可靠,工作安全。(3)桿的平行傳動能承受較大的載荷,機(jī)械損失較小,這是連桿傳動的最大優(yōu)點(diǎn)。(4)桿可以被拉或壓。電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)接頭的正反轉(zhuǎn),返回方便。因此,一旦控制力過度調(diào)節(jié),就很容易消除。(5)封閉鏈由平行四邊形機(jī)構(gòu)驅(qū)動。平行四邊形機(jī)構(gòu)的輸入等于輸出特性。因此,手指的運(yùn)動學(xué)和各種性能相當(dāng)于開環(huán)平面三自由度連桿機(jī)構(gòu),因此簡化了運(yùn)動學(xué)解和性能分析。從以上分析比較可以看出,所設(shè)計(jì)的新型平行連桿機(jī)構(gòu)傳動比傳統(tǒng)的鋼絲繩傳動有更好的優(yōu)勢,特別是針對傳統(tǒng)傳動方式傳遞剛性時固有的缺陷,這種新型傳動方式有一定的提高效率。當(dāng)然,這種傳輸方式會使靈巧手的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,必須注意結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)。在對上述驅(qū)動方法進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上,本文的驅(qū)動機(jī)構(gòu)由閉環(huán)鏈傳動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動方法驅(qū)動。2 仿真機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案產(chǎn)品開發(fā)通常需要幾個階段,如產(chǎn)品規(guī)劃,程序設(shè)計(jì),技術(shù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段,針對產(chǎn)品的主要功能提出了原理的概念,探討了解決問題的物理效和工作原理,并利用機(jī)構(gòu)運(yùn)動圖,液壓電路圖和電路圖。方案設(shè)計(jì)對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu),工藝,成本,性能,使用和維護(hù)有很大影響,是產(chǎn)品水平和競爭力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此,原理方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)有其重要的意義。工程設(shè)計(jì)的內(nèi)容復(fù)雜而復(fù)雜。如果我們孤立地,靜態(tài)地分析某一領(lǐng)域的問題,所得出的結(jié)論往往是片面的,而且是有限的。系統(tǒng)工程方法是把事物作為一個整體系統(tǒng)來研究,分析系統(tǒng)圖2.1原理方案設(shè)計(jì)步驟各部分之間的有機(jī)聯(lián)系以及系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的關(guān)系是更為全面的研究方法。在設(shè)計(jì)原理方案的過程中,常常使用系統(tǒng)工程視圖和方法來解決復(fù)雜問題。原理方案的設(shè)計(jì)是一個發(fā)散收斂過程。從功能分析開始,通過創(chuàng)新思路探索多種解決方案,然后進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)評估。經(jīng)過優(yōu)化和選擇,獲得最佳的原則計(jì)劃。圖2-1顯示了每個階段使用的步驟和主要方法。系統(tǒng)工程方法設(shè)計(jì)的產(chǎn)品原理設(shè)計(jì)與組合的功能和實(shí)現(xiàn)的分析和解決密切相關(guān)。系統(tǒng)工程使用“黑匣子方法”來研究和分析問題。對于一個復(fù)雜的未知系統(tǒng),就好像它不透明一樣,它不知道其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“黑盒子”。通過分析黑匣子的連接,輸入和輸出以及周邊環(huán)境,可以利用外部觀測來了解其功能和特點(diǎn),進(jìn)一步探索其內(nèi)部原理和結(jié)構(gòu)。2.1設(shè)計(jì)任務(wù)根據(jù)此次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù)書要求設(shè)計(jì)一個九自由度三指仿生機(jī)械手,以完成機(jī)械手對其他物體的抓取。具體要求如下:(1)九自由度三指仿真機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案;(2)九自由度機(jī)械手指的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動分析;(3)九自由度三指仿真機(jī)械手的三維設(shè)計(jì);(4)械手的裝配與仿真。2.2 功能分析由于現(xiàn)代機(jī)械中動力源主要有電動機(jī)、汽油機(jī)、柴油機(jī)、氣動馬達(dá)等,但由于機(jī)械手的工作條件和各種動力源的特點(diǎn)決定了,在現(xiàn)代機(jī)械手中的動力源多以電動機(jī)作為動力源。故在本設(shè)計(jì)中均以電動機(jī)作為動力源進(jìn)行研究探索。仿生機(jī)械手和一般夾持工具實(shí)現(xiàn)對工件的抓取類似,但需要更高的靈活度,以便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對于不同形狀的工件實(shí)現(xiàn)更為靈活可靠的抓取。2.3 仿生機(jī)械臂設(shè)計(jì)原理圖2-2為一種較好的三指機(jī)械手的原理方案,即采用步進(jìn)電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動曲柄滑塊球面副桿機(jī)構(gòu)的組合。圖2-2 單指2自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡圖本設(shè)計(jì)是要求九自由度三指仿生機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),故對圖2-2進(jìn)行修改變異后即可得到單指三自由度的機(jī)械手結(jié)構(gòu), 變異后的機(jī)械手在pro/e軟件建模如圖2-3所示。圖2-3 各種位形下手指的仿真圖變異后得到的機(jī)械手結(jié)構(gòu)在pro/e中抓取圓柱工件和球形工件的仿真如下圖2-4所示:圖2-4 抓取圓柱形和球形工件的三自由度手指三維模型上節(jié)中已說明了機(jī)械手夾持部分的原理方案,為了進(jìn)一步明確機(jī)械手的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局,下面針對機(jī)械手的整體布局和驅(qū)動方式作具體分析,由上述可知,機(jī)械手的動力源采用的是步進(jìn)電機(jī),但是步進(jìn)電機(jī)的輸出是電動機(jī)轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動,但是經(jīng)分析,機(jī)械手執(zhí)行夾持的部分要求的是桿機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動,故需將電機(jī)主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為機(jī)械手執(zhí)行部件的桿機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動。由機(jī)構(gòu)學(xué)可知,將一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動主要有以下幾種方案:(1)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動副均為低副(故又稱為低副機(jī)構(gòu))。其運(yùn)動副元素為面接觸,壓力較小,承載能力較大,潤滑好,磨損小,加工制造容易,且曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的低副是幾何封閉的,對保證工作的可靠性有利。利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)還可以很方便的達(dá)到改變運(yùn)動的傳遞方向,實(shí)現(xiàn)增力和遠(yuǎn)距離傳動的目的。但是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)也存在一些特點(diǎn),主要是電機(jī)轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動需要通過中間構(gòu)件曲柄和連桿的傳遞,故增加了傳動線路,易產(chǎn)生較大的累積誤差,并且使得機(jī)械效率降低。(2)齒輪齒條機(jī)構(gòu)齒輪齒條機(jī)構(gòu)雖然在提高機(jī)械傳動效率方面比曲柄滑塊機(jī)構(gòu)具有較大的優(yōu)勢,但是齒輪的齒面作為一個較為復(fù)雜的型面,在加工和制造過程中較為困難,且加工成本比曲柄滑塊機(jī)構(gòu)高,。齒輪齒條傳動在傳動上還存在一個不可忽視的缺點(diǎn),齒輪齒條嚙合傳動時是屬于線接觸,故相對曲柄滑塊機(jī)構(gòu),齒輪齒條嚙合傳動時的接觸應(yīng)力較大,齒面容易磨損,最終會導(dǎo)致更大的傳動誤差。(3)凸輪機(jī)構(gòu)凸輪機(jī)構(gòu)作為將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為其他運(yùn)動形式的傳動機(jī)構(gòu),在工業(yè)應(yīng)用中有其獨(dú)特的優(yōu)勢,其最大的優(yōu)點(diǎn)就是:只要適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)出了凸輪的輪廓曲線,就可以使得推桿得帶各種預(yù)期的運(yùn)動規(guī)律,而且響應(yīng)快,機(jī)構(gòu)簡單緊湊。但由于凸輪機(jī)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)形式,決定了其固有的缺點(diǎn),在凸輪機(jī)構(gòu)中,凸輪廓線和推桿間為點(diǎn)、線接觸,所以接觸應(yīng)力大,容易磨損,而且凸輪的加工制造較困難。(4)螺旋機(jī)構(gòu)螺旋機(jī)構(gòu)有螺桿、螺母和機(jī)架組成。一般情況下,它是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動。螺旋機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能獲得很大的減速比和力的增益,還可以自鎖性。但是由于螺紋的機(jī)構(gòu)形式,螺旋機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率會比較低或者是效率提高,磨損則增大,兩者不可兼得。由上述分析,綜合傳動誤差,傳動效率和經(jīng)濟(jì)成本的考慮,以下方案是采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)對機(jī)械手的執(zhí)行部分實(shí)現(xiàn)驅(qū)動,機(jī)械手單個手指的的布局如示:則由圖2-5可知,機(jī)械手的工作原理:在曲柄1的外部鏈接一個步進(jìn)電機(jī),步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將運(yùn)動傳至三角板4,由于滑塊3將運(yùn)動傳至構(gòu)件是由球面副實(shí)現(xiàn)的,所以構(gòu)件4可實(shí)現(xiàn)在豎直方向移動外,還可以實(shí)現(xiàn)三個方向的轉(zhuǎn)動。再由4構(gòu)件各個頂點(diǎn)的上下移動帶動5構(gòu)件運(yùn)動,再由桿機(jī)構(gòu)6、7、8的運(yùn)動將運(yùn)動傳至指尖機(jī)構(gòu)8,對工件實(shí)現(xiàn)夾持。而構(gòu)件4連接構(gòu)件5的運(yùn)動副為球面副,則可以實(shí)現(xiàn)對各種形狀的工件進(jìn)行自適圖2-5機(jī)械手單個手指的布局圖3 機(jī)械手手指的運(yùn)動分析機(jī)器人運(yùn)動學(xué)描述了機(jī)器人關(guān)節(jié)與組成機(jī)器人的各剛體之間的運(yùn)動關(guān)系。本章首先對手指機(jī)構(gòu)進(jìn)行自由度分析,以確定有幾個獨(dú)立參數(shù)需要驅(qū)動,然后對手指機(jī)構(gòu)進(jìn)行位置正反解分析,速度分析,得到了雅克比矩陣。最后對機(jī)構(gòu)的特殊位形和零點(diǎn)進(jìn)行了討論,得出了一些設(shè)計(jì)條件。 3.1 手指機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué) 物體在工作空間內(nèi)的位置以及機(jī)器人手的位置,都是以某個確定的坐標(biāo)系來描述的、而工作任務(wù)則是以某個中間坐標(biāo)系(如賦于手指末端的坐標(biāo)系)來規(guī)定的。由笛卡兒坐標(biāo)系來描述工作任務(wù)時,必須把上述這些規(guī)定變換為一系列能夠由手指驅(qū)動的關(guān)節(jié)位置。確定手指位置和姿態(tài)的各關(guān)節(jié)位置的解答,即運(yùn)動方程的求解。要知道工作物體和工具的位置,就要指定手指逐點(diǎn)運(yùn)動的速度。雅克比矩陣是由某個笛卡兒坐標(biāo)系規(guī)定的各單個關(guān)節(jié)速度對最后一個連桿速度的線性變換。3.1.1 手指機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算 平面機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算公式為 (3-1)其中 :機(jī)構(gòu)中活動構(gòu)件的數(shù)目; 機(jī)構(gòu)中低副的數(shù)目; 機(jī)構(gòu)中高副的數(shù)目。從圖3-1中可以看出此手指結(jié)構(gòu)有7個活動構(gòu)件,9個轉(zhuǎn)動低副,沒有高副,也不存在局部自由度和虛約束,自由度計(jì)算如下: 圖3-1 手指的機(jī)構(gòu)簡圖3.1.2 手指計(jì)算具有閉式鏈結(jié)構(gòu)的靈巧手,決定手末端位姿及速度和加速度性能的主要桿件間的相對轉(zhuǎn)角中,有些是被間接驅(qū)動的,有些關(guān)節(jié)運(yùn)動時,另一些關(guān)節(jié)會由于結(jié)構(gòu)上的原因產(chǎn)生附加運(yùn)動。所以,在求解時,必須先分析運(yùn)動特點(diǎn),找出直接決定末端位姿、速度和加速度性能的關(guān)節(jié)角,把它們分離出來,組成等價的開鏈機(jī)構(gòu),然后進(jìn)行求解6。一個nDOF的閉式鏈可有nDOF的開式鏈和一個0DOF的桿組構(gòu)成,自由度保持不變,閉式鏈的運(yùn)動學(xué)特性及工作性能由開式鏈決定。對圖3-1所示的手指結(jié)構(gòu),可以將其等價為由桿1、5、7組成的開環(huán)平面三自由度連桿結(jié)構(gòu),再作運(yùn)動學(xué)分析。建立如圖3-2所示的坐標(biāo)系,各關(guān)節(jié)輸入角為,各關(guān)節(jié)相對基坐標(biāo)系x軸的轉(zhuǎn)角為,也就是各電機(jī)輸入角,有如下關(guān)系:(3-2)利用幾何法可以得到手指末端的位置正解,手指末端點(diǎn)的位置可以通過坐標(biāo)來表示,姿態(tài)用表示,經(jīng)過投影變換有如下關(guān)系: (3-3) (3-4) (3-5) 圖3-2 平面三自由度開環(huán)連桿機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系國內(nèi)外仿生機(jī)械手指的優(yōu)化設(shè)計(jì),選定,根據(jù)不同的可以得到手指的不同的位置,代入公式(3-3)(3-4)(3-5)計(jì)算數(shù)據(jù)如下表3.1:表3.1 仿生機(jī)械手指的位置正解實(shí)例3.1.3 三自由度仿生機(jī)械手指的位置反解分析通過末端點(diǎn)的位置,求出能實(shí)現(xiàn)這一末端位置的一組或者一系列關(guān)節(jié)輸入角的過程即為位置反解的過程,而位置反解的求解可以分別用代數(shù)的方法以及幾何的方法。(a) 代數(shù)法:設(shè)末端點(diǎn)的位置,圖3-3中圖3-3 位置反解代數(shù)法分析 (3-6)利用復(fù)數(shù)向量法列出矢量位移方程 (3-7)當(dāng)手指末端點(diǎn)的位置確定后,上式有兩個未知數(shù),故可以求解。移項(xiàng),對等式兩邊同乘以各自的共軛復(fù)數(shù),有 (3-8)將上式展開,合并同類項(xiàng),有 (3-9)其中令 均已知,化簡即為 (3-10)可得有兩個解: (3-11)再利用式5)求解,即: (3-12) 即得: ( 3-13),這個可以在幾何的方法中詳細(xì)解釋,如圖3.2所示兩種位形可以滿足要求。 (b)幾何法:當(dāng)手指末端點(diǎn)的位置確定后,如圖3-4可以求出點(diǎn)位置 ,其中 (3-14)圖3-4 位置反解幾何法分析如圖3-4所示,在組成的三角形內(nèi),應(yīng)用余弦定理可以求出,其中投影關(guān)系如下: (3-15)由此可得 (3-16)值得注意的是:(1)為了保證解的存在,目標(biāo)點(diǎn)應(yīng)滿足的條件;(2)在滿足解的存在性的條件下,可能有兩個解(其中一由虛實(shí)線表示):為了求出,首先計(jì)算角度其中 (3-17) (3-18)由此得出 (3-19)其中,當(dāng)時,取“+”號;當(dāng)時,取“-”號。手指末端連桿的方位角由三個方位角之和決定: (3-20)從而確定?,F(xiàn)選擇幾何法來驗(yàn)證反解,具體過程如下:首先假定,根據(jù)設(shè)計(jì)要求還是令,選取表1其中位置的數(shù)據(jù), ,代入(3-14)式得 繼續(xù)代入(3-16)得:則或者用式(3-17) 、(3-18),得到當(dāng)時,代入式(3-19) 、(3-20)當(dāng)?shù)臅r,代入式(3-19) 、(3-20)從結(jié)果分析,有一組解即為正解分析中的位置,而另一組解為圖3.3中所示虛線的位置。也就是說,兩組解在手指末端關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角是相同的,因?yàn)檫@由公式(3-14)決定。而兩組解的手指根段關(guān)節(jié)和手指中段關(guān)節(jié)的位置態(tài),正好是關(guān)于經(jīng)過原點(diǎn)與的直線對稱,這是由于公式(3-16)決定的,但實(shí)際情況是兩組解都可能實(shí)現(xiàn),只是第一組解比第二組解更容易到達(dá),并且可以更好避免奇異位置的出現(xiàn)。3.2 仿生機(jī)械手指的速度分析式(3-3)、式(3-4)、式(3-5)對時間t求導(dǎo),就得到手指末端P的速度 (3-21)其中 , ,;令 V=,將(3-21)式改寫成矩陣形式V= (3-22) 其中 = (3-23)就是手指機(jī)構(gòu)的雅可比矩陣,它描述了機(jī)器人機(jī)構(gòu)的操作空間速度和關(guān)節(jié)空間速度的線性映射關(guān)系。在這里描述了手指末端P點(diǎn)的速度和各關(guān)節(jié)速度的映射關(guān)系。由于線速度和加速度的不同量綱,將雅可比矩陣分成子陣: (3-24)將(3-22)式寫成: (3-25) (3-26) ,速度反解為 (3-27) 當(dāng)滿秩時,為雅克比矩陣的逆矩陣,當(dāng)不滿秩時,=0,的逆矩陣不存在,此時任何一組關(guān)節(jié)運(yùn)動變量為奇異關(guān)節(jié)變量,機(jī)構(gòu)處于奇異位姿,欲使手末端沿某個笛卡兒方向以一定的速度運(yùn)動,其某個關(guān)節(jié)所需的速度將變得非常大,且接近極限不確定值,但由于關(guān)節(jié)實(shí)際運(yùn)動速度不可能無限大,所以末端勢必偏離所要求的運(yùn)動或失去某個方向的運(yùn)動而出現(xiàn)機(jī)構(gòu)自由度瞬時減少的現(xiàn)象。同位置分析一樣,若末端點(diǎn)P不考慮與物體的接觸姿態(tài),則用來描述姿態(tài)的輸出變量可以任意,此時的速度雅克比將有所變化 = (3-28)不是方陣,于是不存在逆矩陣,用其偽逆代替,有 (3-29)由線性代數(shù)的知識可知式(3-29)的解不唯一,有無窮多組解,在進(jìn)行速度規(guī)劃時應(yīng)根據(jù)要求選取適合的解。3.3 仿生機(jī)械手指的運(yùn)動空間分析與仿真目前,隨著機(jī)器人技術(shù)研究領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,機(jī)器人計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)作為機(jī)器人設(shè)計(jì)和研究的靈活方便的工具,發(fā)揮著重要的作用。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手作為一種仿人機(jī)械手,能完成較復(fù)雜的抓取動作。在機(jī)械手應(yīng)用于作業(yè)研究時,一個重要的因素就是機(jī)械手在運(yùn)動過程中能達(dá)到的空間位置,這對于作業(yè)和避障都有一定的實(shí)際意義,因此在機(jī)械手的設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究階段都應(yīng)對機(jī)械手的可達(dá)空間進(jìn)行分析。本節(jié)探討通過代數(shù)方法來求解3自由度手指的工作空間。首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求,可以得出手指運(yùn)動空間肯定分別在,方向都是在之內(nèi)。加上約束條件,約定方向只在正方向,即在范圍內(nèi);由于機(jī)構(gòu)中存在平行四邊形結(jié)構(gòu),所以約定在之間;而去除平行四邊形的奇異位置,也就是說通過程序?qū)嵌鹊呐袛啵哑叫兴倪呅蝺蓚€相鄰的桿件夾角為或者時去除,當(dāng)然在編制程序的時候是在的范圍內(nèi)把這兩個位置去除掉;再加上分析公式(3-12),其中判斷反解存在的條件是的非負(fù)性。通過以上這些約束條件,進(jìn)行MATLAB的程序仿真,仿真結(jié)果如圖3.4。圖3.4 3自由度手指工作空間分析圖4 基于人體工程學(xué)仿生機(jī)械手的建模,裝配及仿真4.1 Pro/e簡介Proe是PTC Corporation的Pro / Engineer軟件的縮寫。 Pro / E(Pro / Engineer操作軟件)是Parametric Technology Corporation(PTC)的重要產(chǎn)品。它是集成CAD / CAM / CAE功能的集成3D軟件。它在三維建模軟件領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用,被業(yè)界公認(rèn)為當(dāng)今世界機(jī)械CAD / CAE / CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)。推廣是當(dāng)今最成功的CAD / CAM軟件之一。經(jīng)過二十多年的不斷創(chuàng)新和改進(jìn),現(xiàn)已成為3D建模軟件領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者之一。它具有以下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn):參數(shù)化設(shè)計(jì)和特征功能 Pro / Engineer是一個基于參數(shù)的基于特征的實(shí)體建模系統(tǒng)。工程師使用基于特征的功能和智能特征來生成模型,例如腔體,殼體,倒角和圓角。您可以隨意繪制草圖并輕松更改模型。該功能為工程設(shè)計(jì)人員提供了以前從未有過的簡單性和靈活性。單獨(dú)的數(shù)據(jù)庫 Pro / Engineer建立在一個統(tǒng)一的基層數(shù)據(jù)庫上,不同于建立在多個數(shù)據(jù)庫上的一些傳統(tǒng)的CAD / CAM系統(tǒng)。所謂單一數(shù)據(jù)庫意味著項(xiàng)目中的數(shù)據(jù)全部來自一個庫,這樣每個獨(dú)立用戶都可以為產(chǎn)品模型工作,而不管他是哪個部門。換句話說,整個設(shè)計(jì)過程的任何變化都可以反映在整個設(shè)計(jì)過程的相關(guān)方面。一旦工程細(xì)節(jié)發(fā)生變化,NC刀具路徑將自動更新;如果對裝配圖進(jìn)行任何更改,它也會反映在整個3D模型中。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和工程設(shè)計(jì)的獨(dú)特組合使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)得以結(jié)合。這種優(yōu)勢使得設(shè)計(jì)更加優(yōu)化,成品質(zhì)量更高,產(chǎn)品銷售更好,價格更便宜。完全關(guān)聯(lián) Pro / ENGINEER的所有模塊都完全相關(guān)。這意味著產(chǎn)品開發(fā)過程的一部分所做的更改可以擴(kuò)展到整個設(shè)計(jì),并且所有工程文檔(包括裝配,設(shè)計(jì)圖和制造數(shù)據(jù))都會自動更新。完全相關(guān)性鼓勵在開發(fā)周期的任何階段進(jìn)行修改而不會有任何損失,并且可以進(jìn)行并行工程,以便后期開發(fā)中的某些功能可以提前發(fā)揮作用?;谔卣鞯膮?shù)化建模 Pro / ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的結(jié)構(gòu)元素。這些功能是一些常見的機(jī)械對象,可以通過預(yù)設(shè)輕松修改。例如:設(shè)計(jì)具有弧形,圓角,倒角等特點(diǎn),它們?yōu)楣こ倘藛T所熟悉,因此易于使用。裝配,加工,制造和其他學(xué)科在這些領(lǐng)域使用獨(dú)特的功能。通過為這些特征設(shè)置參數(shù)(不僅包括幾何尺寸,還包括非幾何屬性),然后修改參數(shù),可以輕松地進(jìn)行多次設(shè)計(jì)迭代以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。數(shù)據(jù)管理 加速上市需要在更短的時間內(nèi)開發(fā)更多產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)這種效率,必須允許來自多個學(xué)科的工程師同時開發(fā)相同的產(chǎn)品。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)專門用于管理并行項(xiàng)目中的并行工作。這使得使用Pro / ENGINEER獨(dú)特的全相關(guān)功能成為可能。裝配管理 Pro / ENGINEER的基本結(jié)構(gòu)使您能夠在保持設(shè)計(jì)意圖的同時,使用直觀的命令(如“嚙合”,“插入”,“對齊”等等)輕松組裝組件。高級功能支持大型復(fù)雜組件的構(gòu)建和管理,并且可以使用不限數(shù)量的部件。易于使用 菜單以直觀的方式顯示,提供合理的選項(xiàng)和預(yù)先選定的常用選項(xiàng),以及簡短的菜單說明和完整的在線幫助,便于學(xué)習(xí)和使用。4.2仿生機(jī)械手各部分的建模與仿真 由于此次設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用連桿驅(qū)動方式,所以對于機(jī)械手的各部分建模并不存在難點(diǎn),只需按照所給定的尺寸進(jìn)行三維模型的建立即可。由于Pro/e自身的特點(diǎn),若在組件裝配是沒有考慮后續(xù)的仿真過程的需要,只是機(jī)械的把各個組件生硬的裝配在一起,那么后續(xù)的仿真過程基本上是沒有辦法完成的。下面就開始具體說明機(jī)械手的裝配及仿真過程; 4.2.1機(jī)械手的建模 由于此次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的三個手指均具有三個自由度,所以三個手指可以采用相同的結(jié)構(gòu),從而機(jī)械手的三個手指具有三個相同的結(jié)構(gòu),只是將三個手指安裝在機(jī)械手手掌上的結(jié)構(gòu)也是相同的,只是具體位置有差異而已,所以在進(jìn)行裝配的時候就可以采用部裝,然后總裝的方式進(jìn)行。從而將機(jī)械手的整個裝配分為三部分;1. 機(jī)械手手掌的裝配首先打開Pro/e軟件,點(diǎn)擊新建圖標(biāo)創(chuàng)建一個新的裝配文shouzhang.asm,如圖4-1所示圖4-1 Pro/e裝配的新建界面點(diǎn)擊確定,然后選擇mmns_part_solid進(jìn)入Pro/e的裝配界面,如圖4-2所示:圖4-2 Pro/e裝配體的初始界面接下來可以進(jìn)行手掌的裝配,在添加組件的時候有兩種選擇,一是可以選擇Pro/e的工具欄中的“插入”選項(xiàng)再選擇“元件”菜單的下拉菜單中的“裝配”選項(xiàng)找到已建立好的三維模型將元件添加到裝配圖中,為了在后續(xù)的工程圖制作過程中滿足投影關(guān)系,在添加第一個組件的時候須選擇“缺省”的裝配約束,如本例中在添加第一個組件是應(yīng)如圖4-3所示圖4-3 Pro/e中裝入第一個組件的界面點(diǎn)擊“”即可完成第一個元件的裝配。然后進(jìn)行第二組件的裝配,前面的步驟是相同的只是在選擇裝配約束時應(yīng)按照具體的組件與組件間的約束關(guān)系來選擇約束。按照同樣的步驟裝配手掌部件的所有元件,最終手掌部件完成裝配,如下圖4-4示:圖4-4 手掌部件的裝配2. 手指的裝配在進(jìn)入裝配界面和手指第一個元件的裝配和手掌的裝配時是完全相同的,在裝完第一個元件時如圖4-5所示接下來的裝配就不能按照之前的裝配方式進(jìn)行了,原因很簡單,之前的裝配都是機(jī)構(gòu)部分機(jī)架的裝配,各個部件之間在機(jī)械手工作時都是不動的部件,只需要滿足各部件的相對位置關(guān)系即可,但是手指部分的各個部件在機(jī)械手工作是均是需要運(yùn)動的,故不可按照機(jī)架的裝配方式進(jìn)行裝配,由第二章工作原理的分析可以知道,機(jī)械手的手指是屬于連桿機(jī)構(gòu),所以各個桿件間有相對轉(zhuǎn)動所以在裝配手指部件是應(yīng)選擇能夠?qū)崿F(xiàn)相對轉(zhuǎn)動的約束進(jìn)行約束。在此,各桿件的轉(zhuǎn)動可以用“銷釘”約束進(jìn)行約束,具體的銷釘約束應(yīng)該是兩桿件相對轉(zhuǎn)動的兩根轉(zhuǎn)軸對齊約束和沿轉(zhuǎn)對軸的移動約束,這樣就可以限制除了沿軸線轉(zhuǎn)對之外的所有約束。如圖4-7完成第二個桿件的裝配圖4-6 在裝配轉(zhuǎn)動副時選擇約束方式為銷釘約束圖4-7 按定義的運(yùn)動副約束裝配轉(zhuǎn)動副其余的桿件均是按照此種方式進(jìn)行“約束”裝配。最終完成裝配的手指機(jī)構(gòu)如下圖4-8所示圖4-8 完成單個手指的裝配3.驅(qū)動部分的裝配由第二章的功能原理設(shè)計(jì)可知,該機(jī)械手的驅(qū)動部分是采用的多個球面副對機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動,故在選擇約束是就應(yīng)該選擇“球”約束對驅(qū)動部分的各個球面副約束裝配。球面副的約束方式具體的來講就是球面副的“點(diǎn)對齊”方式,所以在建模階段就需要建立基準(zhǔn)點(diǎn)。裝配的步驟和以上手指機(jī)構(gòu)的裝配方式基本一致,這里就不作過多的介紹。球面副完成裝配后如圖4-9所示圖4-9 完成驅(qū)動部分球面副的裝配至此,機(jī)械手各個部件的裝配已經(jīng)結(jié)束,最后對機(jī)械手進(jìn)行總裝,裝配方法均和前面部裝的方法類似,在此不多做贅述。但是有一點(diǎn)是需要特別注意的地方,在總裝的時候,手掌部件應(yīng)該新建一個約束“固定”來對手掌進(jìn)行約束,因?yàn)樵谇懊嬗姓f到,手掌部件在機(jī)械手工作是充當(dāng)?shù)氖菣C(jī)架的角色,所以應(yīng)該添加一個“固定”的約束來對手掌進(jìn)行固定完成總裝后的機(jī)械手如下圖4-10所示圖4-10 完成三指機(jī)械手的裝配4.2.2機(jī)械手的仿真該功能是由軟件自帶的機(jī)構(gòu)模塊實(shí)現(xiàn)的。機(jī)構(gòu)模塊(Mechanisms)主要有兩大功能:定義機(jī)構(gòu)和機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動。由此可見,該模塊主要應(yīng)用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)檢測及仿真設(shè)計(jì)。產(chǎn)品各零件之間的裝配關(guān)系,可使用仿真模塊模擬實(shí)際操作。它可快速、準(zhǔn)確地檢測零部件的干涉、物理特征,模擬使用產(chǎn)品的操作過程,直觀顯示存在問題的區(qū)域及相關(guān)的零部件,指導(dǎo)設(shè)計(jì)者直接、快速地修改模型,從而縮短修改時間,提高設(shè)計(jì)效率。由4.3.1的方式將機(jī)械手按運(yùn)動副的約束裝配成功后即可點(diǎn)擊Pro/e工具欄中應(yīng)用程序的下拉菜單“機(jī)構(gòu)”進(jìn)入機(jī)構(gòu)模塊,在進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真時首先應(yīng)該給機(jī)構(gòu)定義一個起始位置,在Pro/e機(jī)構(gòu)模塊中可以點(diǎn)擊拖動圖標(biāo)“”對機(jī)構(gòu)進(jìn)行拖動,然后點(diǎn)擊快照圖標(biāo)“”以定義機(jī)構(gòu)的起始位置,其次,在某些機(jī)構(gòu)中對于機(jī)構(gòu)的某些組件需要定義一個初始條件以確定在機(jī)構(gòu)運(yùn)動開始時這些組件處于一個特定的位置,在Pro/e的機(jī)構(gòu)模塊中同樣可以定義,具體步驟如下:點(diǎn)擊定義初始條件圖標(biāo)“”對機(jī)構(gòu)的初始位置進(jìn)行定義。最后當(dāng)然就是對機(jī)構(gòu)的原動件添加伺服電機(jī),以確定原動件的運(yùn)動方式和運(yùn)動參數(shù)。下面就按照以上給定的步驟對機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動仿真。首先,打開已裝配好的機(jī)械手組件“jixieshou-asm”文件,點(diǎn)擊應(yīng)用程序的下拉菜單中的機(jī)構(gòu)模塊進(jìn)入Pro/e的機(jī)構(gòu)模塊,點(diǎn)擊拖動圖標(biāo)“”將機(jī)械手各組件拖動到合適的位置如圖,然后點(diǎn)擊快照圖標(biāo)即可生成快照“Snapshot1”。然后點(diǎn)擊第一初始條件圖標(biāo)“”對機(jī)構(gòu)的初始條件進(jìn)行定義,在此我們對機(jī)械手的第一個指節(jié)的轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行定義,定義好后如圖4-11所示,即完成對機(jī)構(gòu)初始條件的定義。最后我們應(yīng)該為機(jī)構(gòu)定義伺服電機(jī)以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動,由第二章可以知道,機(jī)械手每個手指均具有三個自由度,總有九個自由度。于是我們應(yīng)給機(jī)械手定義九個伺服電機(jī),在此我們選擇在每個指關(guān)節(jié)處定義一個伺服電機(jī),定義伺服電機(jī)的步驟如下:點(diǎn)擊定義伺服電機(jī)圖標(biāo)“”對伺服電機(jī)進(jìn)行編輯定義,在進(jìn)入對伺服電機(jī)的定義后,在對從動圖元的定義時有兩個選項(xiàng),分別為“運(yùn)動軸”和“幾何”選項(xiàng),由于我們的伺服電機(jī)控制手指各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動,所以我們應(yīng)該選擇“運(yùn)動軸”選項(xiàng),然后選擇任意一個手指的第一個指節(jié)的運(yùn)動軸如圖4-12所示 圖4-11 初始條件的定義圖4-12 在定義伺服電機(jī)是選擇運(yùn)動軸類型在點(diǎn)擊確定之前,應(yīng)該注意電機(jī)的方向是否和機(jī)構(gòu)第一指節(jié)的運(yùn)動方向相同,具體的判斷方法為:在選擇了運(yùn)動軸后轉(zhuǎn)動軸會出現(xiàn)一根深紫色的箭頭,然后用右手定則判斷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向(大拇指的指向?yàn)樯钭仙^的指向,其余四個手指的方向就是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向),然后點(diǎn)擊輪廓按鈕,對運(yùn)動軸進(jìn)行定義設(shè)置,在此我們選擇速度選項(xiàng)規(guī)范,并定義速度的大小為6deg/sec。如圖4-13所示。圖4-14 模型樹中各個伺服電機(jī)至此,我們已完成第一個手指第一個指節(jié)伺服電機(jī)的定義。剩下的八個點(diǎn)擊即可按照同 圖4-13 對第一根軸定義輪廓樣的方法進(jìn)行定義,在定義完成后,可以打開Pro/e的模型樹查看定義的電機(jī)。如下圖4-14可知,我們已給機(jī)構(gòu)定義了九個電機(jī)。能實(shí)現(xiàn)九個旋轉(zhuǎn)自由度的伺服要求。到此,已經(jīng)完成了對伺服電機(jī)的定義,若去除機(jī)械手的驅(qū)動部分,到此即可對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析,此時我們即可點(diǎn)擊機(jī)構(gòu)分析按鈕“”對機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析,名稱改為“my finger-1”類型選擇“運(yùn)動學(xué)”機(jī)構(gòu)運(yùn)動的時間設(shè)置為15s幀頻設(shè)為50,初始配置選擇快照以確定每次運(yùn)動均是由快照“Snapshot1”開始 運(yùn)動,然后點(diǎn)擊電動機(jī)選項(xiàng)設(shè)置電動機(jī)運(yùn)動時如下圖4-15所示圖4-15 分析定義中對伺服電機(jī)定義伺服時間至此,以完成了對機(jī)構(gòu)分析的定義,現(xiàn)在即可按運(yùn)行按鈕對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真。運(yùn)行完成后點(diǎn)擊回放按鈕“”進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真回放并對仿真文件進(jìn)行保存。進(jìn)入回放界面后可以點(diǎn)擊“捕獲”按鈕對仿真的錄像進(jìn)行捕獲,如圖4-16所示即可捕獲機(jī)構(gòu)運(yùn)動的錄像。圖4-16 回放菜單的界面小結(jié)本設(shè)計(jì)將機(jī)械設(shè)計(jì)制造與自動化專業(yè)本科四年的知識整合到一起,完成特定功能的設(shè)計(jì)。它更好地體現(xiàn)了機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化專業(yè)的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合?;谌梭w工程學(xué)仿生機(jī)械臂畢業(yè)設(shè)計(jì),使我的知識豐富了許多,能力提高了許多。首先,通過對機(jī)器人數(shù)據(jù)的檢查,我對機(jī)器人整體有了更深入的了解,并對國內(nèi)外機(jī)器人的發(fā)展有了深入的了解,并對機(jī)器人的發(fā)展方向和應(yīng)用更加了解現(xiàn)代操縱器領(lǐng)域。其次,在機(jī)器人總體原理方案設(shè)計(jì)中,對機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)有一定的了解和理解,對機(jī)械產(chǎn)品原理方案的評估方法有了新的認(rèn)識和體會,并將此設(shè)計(jì)與使命相結(jié)合對機(jī)械手的驅(qū)動方式,傳動方式及其相應(yīng)的傳動結(jié)構(gòu)有深入的了解。然后,在對組織運(yùn)動的分析中,我深化了對機(jī)械原理的認(rèn)識和理解,并學(xué)習(xí)了一些高等院校研究的知識和方法。我堅(jiān)信這些知識會對我的生活產(chǎn)生巨大的影響。最后,通過Pro / e軟件的學(xué)習(xí),完成了機(jī)械手的建模,熟悉了Pro / e軟件的基本建模特點(diǎn)?;诖耍W(wǎng)絡(luò)資源用于進(jìn)一步研究Pro / e軟件的其他模塊。知識,并通過自己的不斷努力來完成機(jī)械手的運(yùn)動模擬分析。通過畢業(yè)設(shè)計(jì),我學(xué)會了如何搜索信息,提高了我的自學(xué)能力,并讓我明白沒有理由獲得獎勵。我相信這個畢業(yè)項(xiàng)目為我未來的工作提供了很大的幫助。由于我能力有限,設(shè)計(jì)上還存在不足之處,希望老師能夠及時糾正我。致謝歷時近三個月的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成。在此期間,完成了大學(xué)課程的學(xué)習(xí),使個人理論水平和實(shí)際操作能力得到了飛躍,從而加強(qiáng)了個人在設(shè)計(jì),分析,實(shí)踐操作中的能力和使專業(yè)知識得到充分鞏固和加強(qiáng)。這個畢業(yè)設(shè)計(jì)可以順利完成,我的指導(dǎo)老師給予了很多專業(yè)幫助,指導(dǎo)老師非常關(guān)心我選擇的開題報告,指出了開題的方向,幫助分析了該開題的可行性以及實(shí)踐中可能出現(xiàn)的問題和注意事項(xiàng)。在選擇課程時,我指出了我需要關(guān)注的知識范圍,并幫助我分析相應(yīng)知識困難的原理,使我的畢業(yè)設(shè)計(jì)能順利進(jìn)行。同時,我也要感謝大學(xué)四年所有教過和傳輸知識的老師,他們也幫了我很大的忙,他們的許多想法和建議都激勵著我,提前致謝!還有那些在中國工業(yè)控制網(wǎng)和中國機(jī)器人技術(shù)協(xié)會的默默貢獻(xiàn)的朋友,雖然不知道名字,在此也一并致謝!由于個人的時間,知識和能力有限,論文中會出現(xiàn)一些疏乎或錯誤是在所難免,在此歡迎各位老師提出批評和糾正并表示感謝!參考文獻(xiàn)1 付永領(lǐng), 王巖, 裴忠才. 基于CAN總線液壓噴漆機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)R. 機(jī)床與液壓. 2003, (6): 90922 丁又青, 朱新才. 一種新型型鋼翻面機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)A. 機(jī)床與液. 2003,(5): 1281293 劉劍雄, 韓建華. 物流自動化搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)電系統(tǒng)研究C. 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