面向强力抓取的1:1比例仿人四指灵巧手研究

摘要

灵巧手抓取较重的对象，特别是以包络的方式进行抓取时，手指各指节与物体的接触信息不明确，并且抓取同一物体时不同的抓取点所需的抓取力也不相同。灵巧手自由度越多、机构越复杂，刚度就会越差，承载能力就越弱。因此对于灵巧手的研究大多关注其操作的灵巧性，而没有进行强力抓取的研究，因此没有考虑其承载能力的问题。
　　本课题是面向强力抓取的仿人四指灵巧手设计与分析，考虑其抓取能力，将驱动电机集成在手臂上，驱动电机尺寸不受到手指或者手掌尺寸的限制，大大增加了灵巧手的驱动能力。在驱动能力满足的前提下，考虑灵巧手手指的结构，手指基关节采用两个电机驱动锥齿轮以差动的形式实现俯仰和侧偏两个自由度，在运动与人手相似的同时可以提供2倍的抓取力。手指中端关节和末端关节参照人手运动特点，将其设计为“∞”字钢丝耦合机构，实现1:1精确传动。设计关节力矩传感器检测关节力矩，再结合关节位置传感器，可以得到手指的接触力信息。
　　对灵巧手进行运动学分析和动力学分析，为后续灵巧手的抓取仿真奠定理论基础，在 ADAMS中给定手指各关节运动角度，进行单手指动力学仿真，与动力学推导进行对比。再对灵巧手抓取5kg圆柱进行静力学分析，抓取方式为包络，用优化算法得到稳定抓取时手指的关节转角，指节与圆柱的接触点和接触力信息，再根据力矩平衡得到各关节的驱动力矩，根据计算所得的驱动力矩，选择合适的驱动电机。在 ADAMS中给灵巧手各关节施加驱动力矩，进行强力抓取仿真，灵巧手可以稳定抓取物体证明所选电机的合理性，基于力/位混合控制进行 ADAMS-SIMULINK联合抓取仿真，得到稳定抓取时各个关节的转角、接触点位置和接触力信息。
　　根据联合仿真得到的接触信息，施加到有限元模型，利用有限元软件分析灵巧手抓取5kg物体时，满足强度和刚度要求，在此基础上，在满足电机驱动能力的前提下，得到灵巧手最大可抓取7.5kg的物体。对灵巧手进行模态分析和谐响应分析，得到灵巧手的固有频率，据此选择灵巧手的最佳工作频率。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究目的和意义

1.2 仿人多指灵巧手国内外研究现状

1.3 分析与总结

1.4 课题的主要研究内容

第2章 仿人四指灵巧手设计

2.1 引言

2.2 人手解剖结构与手指力量分析

2.3 总体设计方案

2.4 灵巧手关键部件结构设计

2.5 传感器选择与设计

2.6 本章小结

第3章 灵巧手运动学与力学分析

3.1 引言

3.2 运动学分析

3.3 整手运动学分析

3.4 抓取圆柱的静力学分析

3.5 动力学分析

3.6 本章小结

第4章 灵巧手强力抓取仿真

4.1 引言

4.2 强力抓取仿真

4.3 抓取控制方案

4.4 强力抓取联合仿真

4.5 本章小结

第5章 灵巧手抓取能力分析

5.1 引言

5.2 钢丝绳弯曲承载能力分析

5.3 有限元模型的建立

5.4 基于ANSYS的灵巧手静力学分析

5.5 灵巧手模态分析与谐响应分析

5.6 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