一种欠驱动机械手设计及抓取规划研究

摘要

机械手作为智能机器人与周围环境交互的一个主要接口，其重要性不言而喻。对于工作在非结构环境中的放射源智能处置机器人，能否成功抓取并处理放射源物体才是任务是否成功的关键。全驱动机械手驱动单元多，控制复杂且难于对其进行辐射防护；而欠驱动机械手由于其优良的物体包络性，导致其丧失手指运动的灵活性，不能完成精确抓取。为了解决上述矛盾，本文设计了一种特殊机构，使机械手能够兼具物体包络性和手指灵活性，并开展了机械手优化、设计等相关研究。
　　本文首先建立机械手抓取模型和物体模型，提出所要优化设计的结构参数。针对抓取质量多个影响因素，分别提出抓取稳定性指标、抓取位置敏感度指标、传递比指标和各项同性指标，进而综合上述指标提出无量纲综合评价指标用于评价机械手的抓取质量。基于MATLAB机器人工具箱和本文提出的机械手优化设计算法，本文建立仿真环境并进行机械手机构参数化仿真，为机械手结构设计提供理论基础。
　　基于上述结构参数优化结果并结合本课题对机械手的设计要求，本文对机械手进行结构设计。首先分析机械手的功能需求，确定其基本配置；进而基于模块化设计思想，设计手指模块、电机驱动模块等结构功能块。为了弥补手指欠驱动特性导致的手指灵活性缺失，本文创新提出一种基于记忆合金的关节锁紧机构用以提高机械手抓取能力；最后对关键零部件进行计算和选型。
　　基于机械手本身的结构特性和抓取任务的要求，本文针对六种常规物体进行抓取规划；并且为了增加机械手的抓取适用场合，本文针对一类常规捏取规划不能成功捏取的小尺寸抓取目标，进行一种指尖滚动捏取规划。之后基于Elmo驱动器模块，对机械手驱动电路进行硬件设计。
　　最后基于BeckHoff控制器和EtherCAT总线通讯，搭建本课题欠驱动机械手抓取实验平台。将机械手安装在UR机械臂上，设计实验探究指节输出力和机械手最大抓取力，并证明了关节锁紧机构和抓取规划方法的实用性；最后，通过抓取不同尺寸、形状和质量的物体，验证机械手抓取灵活性和抓取形状自适应性。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 欠驱动机械手研究现状及分析

1.3 本文的主要研究内容

第2章 欠驱动机械手模型建立与指节长度优化

2.1 引言

2.2 欠驱动机械手抓取场景的建立

2.3 机械手抓取仿真模型的建立

2.4 归一化无量纲综合评价指标的制定

2.5 MATLAB环境下的优化仿真

2.6 本章小结

第3章 欠驱动机械手结构设计

3.1 引言

3.2 欠驱动机械手功能需求分析

3.3 欠驱动机械手结构设计方案

3.4 关键零部件的计算与选型

3.5 本章小结

第4章 欠驱动机械手抓取规划及驱动电路设计

4.1 引言

4.2 欠驱动与全驱动机械手抓取规划的区别

4.3 欠驱动机械手抓取规划研究

4.4 欠驱动机械手驱动电路设计

4.5 本章小结

第5章 欠驱动机械手实验研究

5.1 引言

5.2 抓取实验平台的搭建

5.3 机械手抓取力实验

5.4 关节锁紧机构实验

5.5 抓取规划验证实验

5.6 欠驱动机械手形状适应性抓取实验

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢