大載荷四指仿人靈巧手強(qiáng)力抓取能力優(yōu)化與承載能力分析.pdf

1、在機(jī)器人研究領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)多任務(wù)而研究開(kāi)發(fā)的機(jī)器人仿人靈巧手已經(jīng)越來(lái)越受人關(guān)注，成為機(jī)器人領(lǐng)域中一個(gè)重要的研究方向。在仿人靈巧手研究領(lǐng)域，專家學(xué)者已經(jīng)對(duì)靈巧手的結(jié)構(gòu)、靈巧手的靈巧操作及穩(wěn)定性、抓持接觸力等問(wèn)題做了大量的研究。靈巧手可以完成與人手相似的各種操作任務(wù)，除靈巧操作外，靈巧手進(jìn)行強(qiáng)力抓取操作時(shí)，由于靈巧手結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及構(gòu)件尺寸較小，靈巧手的承載能力問(wèn)題，即靈巧手抓取一定重量的物體時(shí)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度是否滿足要求的問(wèn)題是一直被人們忽略

2、的一個(gè)問(wèn)題。本課題來(lái)源于國(guó)家“863”項(xiàng)目課題“有表情智能仿人全身機(jī)器人系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)技術(shù)驗(yàn)證”(項(xiàng)目號(hào)：2006AA04Z201)的一部分，目的在于通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有自行研制出的靈巧手進(jìn)行抓持能力的研究，驗(yàn)證其在抓取一定重量物體時(shí)的承載能力問(wèn)題。
　　按照“最輕自身重量、最小結(jié)構(gòu)尺寸、最大負(fù)載能力”的設(shè)計(jì)原則，此靈巧手與人手比例為1：1大小，采用腱傳動(dòng)的設(shè)計(jì)思想。本文首先對(duì)靈巧手結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)介。在此基礎(chǔ)之上對(duì)手指的

3、運(yùn)動(dòng)學(xué)及逆運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了分析，之后通過(guò)對(duì)單手指與物體的接觸模型的靜力學(xué)分析，得出了手指與物體之間接觸力與關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩以及作用于物體上的外載荷之間的關(guān)系。為靈巧手的控制奠定了基礎(chǔ)。
　　為實(shí)現(xiàn)靈巧手的大載荷抓取，首先應(yīng)保證抓取的穩(wěn)定性，通過(guò)對(duì)穩(wěn)定性抓取理論—力封閉與形封閉的研究，證實(shí)了強(qiáng)力抓取在理論上能夠滿足抓取穩(wěn)定性的要求。在ADAMS中完成了靈巧手的抓取仿真，得到了靈巧手穩(wěn)定抓取時(shí)的接觸力曲線。在靈巧手抓取過(guò)程中，關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩要在

4、電機(jī)的額定輸出力矩范圍內(nèi)。并且能夠用較小的能量消耗，即用較小的關(guān)節(jié)力矩抓取一定質(zhì)量的物體。因此建立了靈巧手的強(qiáng)力抓取優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，通過(guò)優(yōu)化的方法得到了在抓取一定重量物體時(shí)，在各關(guān)節(jié)力矩滿足額定力矩的前提下，使總的關(guān)節(jié)力矩最小的優(yōu)化結(jié)果。因此在電機(jī)額定驅(qū)動(dòng)力矩一定的情況下，提高了靈巧手的抓取能力。
　　在仿人手關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩能夠滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力，仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚍€(wěn)定抓取物體時(shí)，這時(shí)并沒(méi)有考慮靈巧手手指結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度是否滿足要求的問(wèn)題。因靈