一种欠驱动手指的静力学及稳定性分析.pdf
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1、Jul2023JOURNALOFMACHINEDESIGN2023年7 月No.7Vol.40第40 卷第7 期机计设械一种欠驱动手指的静力学及稳定性分析”李嘉恒,侯瑞阳,刘新,宋洪侠(大连理工大学机械工程学院,辽宁大连116024)摘要:欠驱动机械手具有驱动方式简单、可自适应被抓取物体形状的优点。近年来,对欠驱动机械手的研究多偏重于在已知结构参数条件下进行特定参数的分析及优化,缺乏欠驱动机械手关键参数设计的相关研究。文中以一种二指节欠驱动机械手为例,分析其运动形式,利用几何关系建立静力学模型,通过求解静力学平衡方程得到指节受力与几何参数之间的关系,转化静力学问题为求解极值问题,采用MATLA
2、B软件分析函数并得出图像与极值。通过对函数的分析求解得出最优力学性能的机械手几何参数。选取一组最优解分析当其水平夹取对称存在外接圆的物体时的稳定性,分析“滑移”产生的原因及其所导致的结构。最终得出3 个抓取结果,为设计该类欠驱动机械手提供参考关键词:欠驱动;静力学分析;稳定性分析;参数优化;MATLAB中图分类号:TH112文献标识码:A文章编号:1 0 0 1-2 3 5 4(2 0 2 3)0 7-0 0 0 8-0 7Statics and stability analysis on under-actuated manipulatorLI Jiaheng,HOU Ruiyang,LIU
3、 Xin,SONG Hongxia(School of Mechanical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024)Abstract:Under-actuated manipulators have the advantages of simple driving mode and self-adapting to the shape of thegrasped objects.In recent years,the research on under-actuated manipulators mostly foc
4、uses on the analysis and optimization of spe-cific parameters when the structural parameters are given.There is a lack of research on the design of key parameters of under-actu-ated manipulators.In this article,with the two-knuckle under-actuated manipulator as an example,efforts are made to explore
5、 itsmotion form,adopt the geometric relationship to set up the static model,obtain the relationship between the knuckle force and geo-metric parameters by solving the static balance equation,transform the static problem into a solution to the extreme-value problem,as well as use the MATLAB software
6、to analyze the function and work out the image and extreme value.The geometric parameters ofthe optimal mechanical properties are solved by the analysis on the function.A set of optimal solutions is selected to explore stabilitywhen the symmetrical circumscribed object is clamped horizontally,and an
7、alyze the cause of“slip and the resulting structure.Fi-nally,three grasping results are obtained,which provide reference for designing the under-actuated manipulator of this kind.Key words:under-actuated;static analysis;stability analysis;parameter optimization;MATLAB欠驱动机构在机械手中的应用已经不再新鲜,Thi-erry等 率先
8、提出了最基本的欠驱动机械手机构并为其奠定基础;李秦川等2 简要介绍了欠驱动机械手的概念并对国内外的欠驱动机械手研究现状进行了综述;金波等3 通过虚功原理构建了该欠驱动机械结构指节作用力与输入扭矩之间的模型,并使用遗传算法分析了该模型中参数的最优化取值。刘玉梅等4 使用平衡方程*收稿日期:2 0 2 1-0 6-2 1;修订日期:2 0 2 3-0 1-1 7分析了3 种抓取位置的静力学,并使用ADAMS软件进行仿真验证;梁达尧等5 提出了一种齿轮欠驱动机械手机构,通过使用分析能量的方式建立了手指抓取物体过程模型,得出并分析了“弹射”现象;李霞丽等6 使用SolidWorks软件着重分析了单指变
9、形欠驱动机构抓取时各关节的力与输入之间的关系;马涛等7 基于虚功原理建立了一种欠驱动机构指尖抓取的力学模型;乔尚岭2023年7 月9李嘉恒,等:种久驱动手指的静及稳定性分析等8 提出了一种新型的欠驱动机构并建立了静力学模型,分析了其准静态平衡位型;鲍佳蕾等9 根据已有的欠驱动模型进行了静力学计算以验证机构的合理性。李涛等1 0 分析了三关节欠驱动机械手指精确提取和包络抓取时的力学性能。近年来,关于欠驱动机械手的研究多偏重于已知结构参数求对于特定参数的分析及优化。此外,欠驱动机械手的多指节接触物体的抓取平衡并不是在接触瞬间建立的,由于其欠驱动特性,各指节上的力存在耦合关系,指节上的力会存在相互拮
10、抗的作用,平衡将在各指节作用力的拮抗与被抓取物体的“滑移”下产生。之前的研究多选取静力学平衡建立之后作为模型的分析节点。文中通过对一种欠驱动机械手机构进行静力学建模,分析在一类抓取方式下抓取一类物体的抓握稳定性,得出最优结构参数,并给出最优抓握稳定性下的手指间夹角。此外,重点分析了机械手抓取静力学平衡建立过程中的“滑移”现象,为设计该类欠驱动机械手提供参考。1木模型建立两指节欠驱动机械手机构与抓取示意图如图1 所示,该机构是采用最小阻力原理的变胞机构,可以将该机构看作2 条不同的运动链。参数图如图2 所示,2杆为原动件,做绕固定铰支座的旋转运动。各杆之间不发生相对运动时可看作1 号运动链;当1
11、 杆接触到物体时,物体和1 杆之间产生相互作用力,2,3,4杆间产生相对运动时可以看作另一条运动链。弹簧在此机构中的作用是在1 杆未接触物体且未产生相互作用力时提供一个相对较大的阻力,阻碍各结构体之间的相对运动。根据最小阻力原理,当驱动2 杆时,该机构会按照1 号运动链的运动方式进行运动,即整体绕固定铰支座进行运动,接触到物体后,1 杆停止运动,原动件2 杆与3 杆、4号刚体之间组成类曲柄摇杆机构,驱动4号刚体旋转,直至接触到物体,抓取完成。442(a)开始(b)1号杆接触(c)全部包络图1抓握过程图BLdLd,dd,2号杆长度;d23号杆长度;d;4号刚体与3 号链接杆的长度;4号刚体本身的
12、夹角;12号杆与3 号杆间的夹角;23号杆与4号刚体间的夹角;L,La 一辅助线长度;,,一辅助线夹角;k2一力2 的作用力臂;i,f2一作用在杆上的外力大小;L一1 号杆长度;h一力的作用力臂;02一4号杆与1 号杆延长线夹角图2参数图该机构的设计方法有很多种,文中只分析了其中1种,即根据末端指节受力四边形参数进行设计,各参数及其表示意义如图2 中标记1.1静力学几何参数确定确定机构的几何参数,根据余弦定理及正弦定理可快速求出,先确定上方,与,2,k2,d,的关系式为:Ld=d.2+k2-2d,kzcosTsinarcsinsin2aTsin2=+d+2d,acos2d二arcsinT2式中
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