仿人指绳驱机械手结构设计与运动学仿真分析.pdf
《仿人指绳驱机械手结构设计与运动学仿真分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《仿人指绳驱机械手结构设计与运动学仿真分析.pdf(3页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第5期(总第2 4 0 期)2023年10 月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING A U T O M A T I O NNo.5Oct.文章编号:16 7 2-6 4 13(2 0 2 3)0 5-0 0 6 8-0 2仿人指绳驱机械手结构设计与运动学仿真分析赵建豪,全伟才,冯家琪,刘(湖南科技大学海洋矿产资源探采装备与安全技术国家地方联合工程实验室,湖南湘潭4 112 0 1)摘要:机械手在水下资源开发与科考活动中发挥着重要作用,针对刚性连杆机械手抓取方式单一和抓取柔顺性差的问题,设计了一种仿人指绳驱机械手。基于D-H参数法构建了手指运动学模型,完成正运动学求解;通
2、过蒙特卡洛法生成手部的工作空间,对三种抓取模式下手指的运动轨迹进行仿真分析。研究结果表明,机械手具有良好的自适应抓取能力。关键词:仿人指绳驱机械手;运动学;仿真中图分类号:TP241:T P3 9 1.9J博,唐炫铭文献标识码:A0引言机械手是水下机器人作业的重要执行机构,主要应用于水下设备的检查维护、样品采集等方面。水下刚性机械手能够对物体进行稳定夹持操作,但自适应能力差,作业过程中易对抓取物表面造成损伤;在柔性物体的适应性抓取方面,高自由度的多指手适用度更高。根据传动方式不同,多指手可以分为齿轮传动、连杆传动、腱传动等。其中,腱传动多指手腱绳排布灵活,空间占比小,具有自适应性柔性抓取的优势
3、,成为近些年水下机械手的研究热点。国内外学者对绳驱机械手的研究多面向陆地或太空领域的设备安装与维护,然而水下环境复杂多变,在水下柔性宏生物抓取方面对机械手的抓取适应性要求更高。“Ocean one执行器简化手指关节处结构,单个驱动电机即能完成三根手指对目标的自适应性稳定抓取,但指尖捏取等精细操作方面存在不足。Mura等3 在同一套驱动装置上研制出四指夹钳式和类人形五指机械手两种末端执行器,分别应用于高负载抓取和精细作业。刘辰辰等4 调整手指关节刚度使各关节顺序转动,实现了最大范围的包络抓取,但无法对细小物体进行定姿态抓取。樊绍巍5 考虑到手指构型对抓取操作的影响,对二指以及多指抓取运动学进行分
4、析,以提高多指手精确操作的能力。目前的水下绳驱机械手在抓取方式和柔顺性方面还需做进一步的改进,本文仿照人类手指结构研发一款仿人指绳驱机械手,通过更改手指关节的旋转顺序实现多种抓取方式。1手部结构及腱绳布置手部整体结构如图1所示,机械手共三根相同的手指,其中同侧两根手指弯曲方向向内偏移15,手指各指节尺寸约为人手的1.5倍。本文采用了“N十1”型的腱绳驱动方式(N为关节数目),如图2 所示,伸展腱绳9 位于手指背部,依次穿过各指节;中指节弯曲腱绳7 与近指节弯曲腱绳10 则位于手指内侧,约束中米湖南省教育厅资助科研项目(19B184)收稿日期:2 0 2 3-0 2-14;修订日期:2 0 2
5、3-0 6-2 1作者简介:赵建豪(1994-),男,河南周口人,在读硕士研究生,研究方向为水下绳驱机械手。指节2 与近指节6 转动;此外,在远指节1与中指节2之间布置有耦合腱绳3,中指节2 转动时,远指关节和近指关节转角比例近似于1:1。手指关节处设计为纯滚动运动形式,图2 中手指关节接触面为等径的半圆体,通过连接件4 紧密贴合,并在关节处设置约束带防止接触面相对滑动。同时在指节各处灵活插人不锈钢销钉8,便于驱动腱绳路径布置。1一同侧左指;2 一中指;3 一同侧右指;4 一掌板图1手部整体结构-237-5-678-9-10-111一远指节;2 一中指节;3 一耦合腱绳;4 一连接件;5一柱销
6、;6一近指节7 一中指节弯曲腱绳;8 一销钉;9 一伸展腱绳;10一近指节弯曲腱绳;11一指根图2 单手指结构及腱绳布置1232023年第5期2运动学分析单手指运动学模型如图3 所示,将单根手指视为串联的六连杆机构,根据D-H参数法建立单手指各个指节的坐标系。Oiy为定参考系,各连杆的长度为ai-1,连杆偏距为di,连杆扭转角为i-1,关节转角为;,指节间的相对转角为i,末端位置在定参考系中的位置坐标为(pa,y,p)。单手指D-H连杆参数如表1所示。X坐标系间的齐次变换矩阵为:c;一S;0ai-1c;Ti-1=S;001000180160160140u/z120806010004050200
7、/mm050(a)三手指三维工作空间3抓取运动学仿真为验证模型合理性,对机械手进行了三种抓取状态下的运动学仿真7。建立三根手指的仿真模型,初始状态时,各关节旋转角度均为0,手指处于伸展状态。包络抓取时,近指关节由0 旋转至最大角110远指关节与中指关节同步旋转至90,三根手指同时向内弯曲与目标物接触形成包络空间,如图5(a)所赵建豪,等:仿人指绳驱机械手结构设计与运动学仿真分析(C123456S123456T=00其中:s;=sind:;c;=cos;S;=sin(0:十6,);cg=cos(0:+,),i,j=1,2,3,4,5,6,7;p,=20c1+40c12+20c123+28C123
8、4+20c12345+38C123456;p,=20s1+40S12+20S123+2851234+20S12345+385123456;p=0,。人6yy602y图3单手指运动学模型C;0ai-1S;01201000-200100X/mm69一S1234560C123456001001表1单手指D-H连杆参数表关节ai-i(mm)d;(mm)10220340420528620738将;作为变量,利用蒙特卡洛法在其取值范围内随机取组,求得三手指工作空间。机械手工作空间及平面内的投影如图4 所示,机械手能够对直径390mm以内的物体进行抓取操作。-平面内三指(1)外侧工作空间部分区域相互重叠,最
9、外侧区域内机械手能够实现对小型物体的指尖捏取等精细操作。180160-100-500/50100150 x/mm(b)单手指x-z平面工作空间图4 机械手工作空间及平面内的投影示;指尖捏取时,仅近指关节旋转,此时手指末端在-平面内的投影重合,如图5(b)所示;定姿态抓取时,根据抓取物形状调节远指关节与中指关节旋转角度(如3 0),随后驱使近指关节旋转,末端轨迹曲线曲率位于前两种抓取模式之间,如图5(c)所示。根据指尖运动轨迹可以看出,手指在弯曲抓取过程中运动平稳,各参数变化平滑无突变,能够实现多种抓取模式。(2)i-i()0:()00000000000000180160m/z-15050050
10、150 x/mm(c)三手指x-z平面工作空间投影关节范围010,55020,55030,45040,450,450,45-80-40y/mm(d)三手指y-2平面工作空间投影04080100502-50-100-150200L2001000y/mm-100-200-200100 x/mm(a)包络抓取4结语本文针对抓取方式与柔顺性设计了一种水下仿人指绳驱机械手。通过手指结构设计以及腱绳布置,机械手具备适应性柔顺抓取的基础功能。手部整体的工作空间和抓取的运动学仿真结果表明:机械手结构设计合理,具备对直径3 90 mm以内的物体进行抓取的150100502-50-100-150-200L1002
11、00100y/mm-100-200-200(b)指尖捏取图5不同抓取模式下指尖轨迹曲线能力,抓取方式包括包络抓取、指尖捏取和定姿态抓取等多种模式,抓取过程中各手指运动平稳,适用于水下作业环境。参考文献:1陈言壮,张奇峰,田启岩,等.水下多指手研究现状J.机器人,2 0 2 0,4 2(6):7 4 9-7 6 8.(下转第7 2 页)15010050N-50-100-150-2982801001000y/mm0100100 x/mm1000100 x/mm0-200-2001(c)定姿态抓取机械工程与自动化一致。M85指令的分频信号R0400.0触发XMOVB述了换刀过程中刀套号数据与刀具号数
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 仿人指绳驱 机械手 结构设计 运动学 仿真 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。