形状自适应欠驱动机器人手爪毕业论文.doc
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1、毕毕业业设设计计(论论文文) 题 目 形状自适应欠驱动机器人 手爪的设计与分析 专 业 机械设计制造及其自动化 学 号 学 生 指 导 教 师 答 辩 日 期 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 摘摘 要要 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,
2、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
3、分析;动力学分析;仿真 优化设计 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) I 各位如果需要此设计的全套内容各位如果需要此设计的全套内容 (包括二维图纸、中英文翻译、完整版(包括二维图纸、中英文翻译、完整版 论文、程序、答辩论文、程序、答辩 PPT)可加)可加 QQ695939903,如果需要代做也请加上,如果需要代做也请加上 述述 QQ,代做免费讲解。代做免费讲解。 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) II Abstract With the development of science and technology ,the degree of automation in the field o
4、f industrial robots become higher and higher and the application of robot in ind- ustrial automation has become more and more widespread .At present ,the clamping device of traditional industrial robot has such disadvantages like inflexibility ,low gra- sping accuracy ,poor stability、reliability、ver
5、satility and there is no reliable output force .The requirements of flexible and accurate operation can not be achieved in the production line of FMS because of these drawbacks. in this paper ,a new shape self- adaptive underactuated robotic hand is designed and analysed according to the domestic an
6、d abroad research status combined with the specific requirements of this project. Firstly ,according to the analysis and outline of domestic and abroad research sta- tus with the consideration of the requirements of this project ,a human-like five-fingered robotic hand which has three degree-of-free
7、dom on each finger is designed based on bionics of human hand and underactuated theory and its driven by six motors . Secondly ,multi-bar transmission is adopted with the advantage of better stiffness、larger output force and higher load capacity .With a light weight and shape self-adapt- ation , the
8、 underactuated finger has a simple structure . Thirdly , static analysis、kinematic analysis、dynamic analysis、simulation and optimized designing are achieved according to virtual power theory with the help of Ansys and Adams software and quadratic optimization is developed based on the exp- eriences
9、in engineering practice . Lastly , the underactuated robotic hand after quadratic optimization can steadily grasp things that are spherical、cylinderical and irregular shape through simulation. Keywords: underactuated, human-like five-fingered robotic hand, Static analysis, kinematic analysis,dynamic
10、 analysis,simulation,optimized designing 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) III 目目 录录 摘摘 要要I ABSTRACT.II 第第 1 章章 绪绪 论论 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 第第 2 章章 机器人仿人手爪的结构设计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
11、 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 第第 3 章章 机器人手爪的抓取仿真与分析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 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) IV 3.6 欠驱动手爪整体抓取仿真29 3.7 本章小结.300 第第 4 章章 欠驱动手指的二次优化及其他结构设计欠驱动
12、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 结结 论论411 参考文献参考文献422 致致 谢谢444 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 0 第第 1 章章 绪绪 论论 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
13、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
14、,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
15、 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 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 1 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
16、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MD ROBOTIC公司和Laval 大学合作研制出SARAH 手爪(Self
17、- Adapting Robotic Auxiliary Hand)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络抓取2,4。其 结构如图1-1所示。 图 1-1 SARAH 手爪模型图 国内从事机器人手爪研究的主要有清华大学、北京理工大学和哈尔滨工业大 学以及国防科技大学等单位。 哈尔滨工业大学的史士旺等人在2004年,采用欠驱动自适应原理研制了与成 年人手大小相仿的五指机器人手,所设
18、计的机器人手结构简单,重量轻,适应性 强,五个手指的重量约为500g。整个机器人手共有3个电机,分别驱动拇指、食 指和中指。无名指和小指没有驱动器,它们是由中指通过同步带来驱动的。它既 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 2 可以用于仿人机器人末端操作器,也可以应用于残疾人假手5。其结构如图1-2和 图1-3所示。 图1-2 拇指结构 图1-3 其它四指结构 从国内外研究发展趋势来看,早期研究多采用两指欠驱动手爪,但是这种结 构的欠驱动手爪在包络抓取过程中,会出现接触点脱离的现象,这也正是由于欠 驱动机构的特殊性引起的,其根本原因在于欠驱动本身,在某个时刻完成抓取行 为达到平衡位置以后,由于手
19、指的每个关节仍然具有局部运动自由度的可能,使 得抓取物体时存在多种可能的抓取构型,当手指对物体的约束不能抵抗外施加在 物体上的力旋量扰动时,物体的初始姿态会发生改变,影响了抓取的稳定性。为 了克服这点,从仿生学的角度,现如今的欠驱动手爪多采用三关节结构,并且从 两个手指到三个手指,发展到今天的仿人五指机器人手爪,大大提高了物体抓取 的稳定性。 1.4 主要研究内容 (1)机器人手爪机械本体设计 根据研究指标,本文选择对三关节欠驱动手指进行机械结构设计,手爪采用 仿人五指的总体结构,主要机构是形状自适应欠驱动手指。 形状自适应欠驱动手指由俩个四边形和一个三角形连杆机构组成。 (2)静力学分析及结
20、构优化 根据虚功原理,建立静力学方程,进行静力学分析。每个手指的设计变量众 多,而且约束条件也很多,故选择使用 matlab 软件进行数据处理算法的设计,从 众多的尺寸数据中选择比较合理的一组数据,使得手爪在抓取物体时,手指的抓 取力分布比较合理,本文采用优化算法来确定手指机构尺寸。 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 3 (3)机器人手爪运动学分析 首先使用 Solidworks 软件对优化后的机械结构建立模型,再利用 Solidworks 和 Adams 的无缝连接插件,将 3D 模型导入到 Adams,对机械结构进行运动学分 析,主要研究机构的位置和姿态情况,求解机构的位移、速度及加速度
21、信息、应 力和应变分析,在满足要求的负载的条件下,进一步优化机器人手爪结构。 (4)机器人手爪动力学分析 关于欠驱动机器人手爪的动力学分析,不管是在国内还是在国外,这方面都 还是个欠缺,本文将通过 Adams 软件对模型建立动力学仿真,用来确定时变载 荷对整个结构或部件的影响,同时还要考虑阻尼及惯性效应的作用。 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 4 第第 2 章章 机器人仿人手爪的结构设计机器人仿人手爪的结构设计 2.1 引言 机器人仿人手爪的研究目的是为了拓展机器人末端操作手爪的工作能力,使 其能够进行复杂多样的操作任务。就目前的形势来看,虽然很多研究者已经开发 出了很多样机,但真正能够实
22、现预期功能的机器人手爪却为数不多。本章主要对 机器人手爪的机械结构进行设计,在充分考虑实现较多抓取模式的前提下,设计 了一种基于欠驱动手指结构的机器人手爪,并且具有形状自适应性较好、尺寸小 等特点。 2.2 仿生学在手爪设计上的应用 2.2.1 仿生学概述 随着科学技术的发展,从 20 世纪以来,人们通过对自然的观察,已经认识 到自然界的生物对于新技术的开辟具有重要的启发性,并且吸引了越来越多的学 者的兴趣。研究人员运用化学、物理学、数学等学科的理论知识以及相关技术模 型对生物系统开展了深入的研究。生物学家和工程师们的积极合作,大大推动了 仿生学在各个领域的发展,同时也不断从生物界获得宝贵的知
23、识实现了对旧的或 者没有的工程设备的改善或者创造。典型的仿生学运用如图 2-1 和图 2-2 所示。 图 2-1 仿生飞行器 图 2-2 仿生鱼 简言之,仿生学就是模仿生物对人类有用的的特殊本领,利用生物的结构和 功能来研究新技术新产品的科学。它是生物学、物理学、化学、数学和工程技术 相互渗透而结合的新型的多边缘学科。其首要的任务是研究生物系统的特殊本领 以及产生的机理,并把它进行模式化设计推广运用,然后运用这些原理去设计制 哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文) 5 造新的工程设备。仿生学的主要研究方法是构建出模型,然后进行相关的模拟仿 真,并进一步分析使之得到优化10。大致的研究过程有以下三个
24、阶段: 首先是对生物原型的研究。根据生产实际需要提出的具体问题进行分析建模, 并将研究所得的资料予以简化,运用对技术有利的方面而消除与生产技术无关的 因素,得到一个简化的生物原型;第二阶段是对生物模型进行数学分析,并使其 内在的联系抽象化,用数学语言来描述生物原型;最后根据数学模型制造出可在 工程技术上实现的物理模型10。 自然界的生物所具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越的多,仿生学 就是要在工程上实现并有效的应用生物功能的学科。 从仿生学的角度考虑机器人手爪的设计,很自然的就能想到我们人类自己的 手,机器人技术发展至今,人手早已成为机器人研究人员在开发设计机器人手爪 时的重要参照对象。
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