新型多指灵巧手的结构设计及系统仿真研究

摘要

传统的多指灵巧手的尺寸固定不变，导致工作空间有限，无法适应不同尺寸和不同形状的物体抓取。针对灵巧手的尺寸与工作空间之间的矛盾，本文提出了一种新型欠驱动多指灵巧手结构。　　灵巧手采用三指-三关节的结构。三个手指包括一个固定手指和两个活动手指，活动手指可以在手掌上自由转动；三个关节由一个移动副和两个转动副组成，移动副能起到伸长手指的作用。此结构解决了灵巧手的尺寸和抓取空间不能兼顾的矛盾，保持灵巧性的同时还能自适应抓取。　　利用Solidworks建立灵巧手的三维模型，模拟灵巧手抓握不同物体时的构型；针对一类小尺寸物体提出了一种基于指尖摩擦力的抓取方法。接下来采用D-H矩阵法来求解灵巧手的正向和逆向运动学公式，运用雅克比矩阵分析灵巧手的速度，为轨迹规划奠定理论基础。采用三次非均匀有理B样条基于最短路程的优化原则下对灵巧手进行轨迹规划，并与三次多项式和三次B样条的轨迹规划方法进行对比分析，来验证三次非均匀有理B样条的有效性和可靠性。　　最后用拉格朗日法建立灵巧手的动力学方程，将灵巧手的三维模型导入到ADAMS中，并构建传动绳的模型，进行动力学仿真，分析在工作状态下的关节力矩。将MATLAB绘制出的理论力矩曲线与ADAMS仿真出的力矩曲线比较，误差在合理范围之内，验证了动力学理论分析的正确性。

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摘 要

Abstract

Content

1 绪 论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 结构的研制情况

1.2.2 灵巧手控制系统的研究成果

1.2.3 轨迹规划研究现状

1.2.4 灵巧手动力学的研究成果

1.3 灵巧手的发展趋势

1.4 课题研究内容

2 灵巧手的结构设计

2.1 核心元素

2.1.1 手指的数目

2.1.2 关节数和运动副类型

2.1.3 指节长度

2.1.4 手指的抓取方式和抓取力

2.1.5 驱动方式

2.1.6 传动方式

2.1.7 添加传感器

2.2 灵巧手的结构

2.2.1 可旋转手指的设计

2.2.2 近指节的移动副设计

2.2.3 灵巧手的具体结构以及工作原理

2.2.4 抓取模拟

2.3 特殊物体的指尖转动抓取

2.4 本章小结

3 灵巧手的运动学

3.1 D-H矩阵

3.2 单指位姿方程的正向解

3.3 单指位姿方程的逆向解

3.4 速度分析

3.5 本章小结

4 灵巧手的轨迹规划

4.1 轨迹规划问题的描述

4.2 轨迹规划方法

4.2.1 三次多项式样条

4.2.2 三次B样条和三次非均匀有理B样条

4.3 轨迹优化

4.4 灵巧手的工作空间分析

4.4.1 手指在空间上的仿真

4.4.2 固定手指与活动手指在空间中的关系

4.5 本章小结

5 灵巧手的系统仿真

5.1 动力学方程

5.2 基于ADAMS的单指动力学仿真

5.2.1 模型的导入

5.2.2 钢绳的建模

5.2.3 动力学仿真

5.3 仿真数据的对比分析

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 工作展望

参考文献

致 谢

攻读硕士期间从事科学研究及发表