复合驱动双指柔性机械手的设计与控制研究

复合驱动双指柔性机械手的设计与控制研究

葛从杰

南京晶捷生物科技有限公司 江苏省南京市 211899

摘要：在前人对机械臂的研究基础上，通过模拟人体的手指关节，利用三根手指的夹紧技术，设计了一种具有弹性的双指机器人，通过对物体进行包络，实现对不同物体的共同抓取。它包括弹性机械手、传动件和位置补偿装置，能适应圆柱、锥形、矩形类等工件的自适应抓取。就此，本文对复合驱动双指柔性机械手的设计与控制进行研究。

关键词：复合驱动；双指柔性机械手；设计

引言：

工业机器人被广泛地用于工业生产、加工、物料搬运等行业，而机械臂是其终端的重要执行元件。在实际操作中，由于不同的操作环境，机械手通常会针对不同的工件，分别进行设计，以达到不同的工件夹持，但由于常规的刚性机械手对不同形状零件的夹具通用性较差，导致了设计上的浪费。此外，常规的刚性机器人在使用环境改变后，或更换夹具的特性，都会对机器人进行更换和调整，这既浪费了大量的人力和时间。因而，在实践中，机器人急需一种具有较好的通用性和可调整夹持力的柔性机器人。

1柔性机械手原理方案

1.1不同特征类型目标元件的包络性能分析与研究

柔性机器人的运动主要是由各关节来完成，为了解决挠性机器人在工件上的夹持力问题，它主要是利用提升机器人对各种特殊形状的夹持体的包络性进行分析。

判定柔性机器人是否具备柔性抓取力的两个主要特征：

(1)机器人对各种特征外形的物体是否有某种抓握能力。

(2)控制机器人对靶材的握持力。

1.2双指柔性机械手的原理实现与分析

基于前两节对被卡对象进行的分析，结合所得到的手指原理，在此基础上增加了机器人的驱动，从而实现了柔性机器人的构建。

首先，选择了柔性机器人的驱动模式，根据实际情况的不同，机器人的控制系统要尽量简化，同时还要兼顾机器人的抓取力和保持机器人的抓取精度，而液压传动虽然可以实现机器人的夹持力，但由于液压系统的体积太大，不太适用于实际操作，而电动夹具虽然能够满足对夹具的要求，但对夹持力的控制却很难实现。因此，必须要有一种既能保证控制精度又能准确地夹持的传动方式，这是一种较为理想的传动形式。

1.3柔性机械手微偏夹取状态产生的原因分析

因此，对机器人的微偏夹持姿势的研究就显得非常重要，本文以圆柱形物体为对象。在理想状态下，机器人的 BC和 CD之间的直线与圆筒的外型面相切， C和圆筒形的接触点之间的距离是等长的， C和圆筒体的连线是横向的，但从实践中也可以看到，夹持位点的大小与 EF点的间距有关。当两个 EF的拉伸量相同时，可以认为柔性机器人对圆筒的夹紧是最理想的，否则会出现偏差夹紧状态。

实际上，由于两根手指上的空气压力不均匀，或由于两个气缸之间的压力差异，使得左边E'F的伸长和右边的 EF的长度不一致，就会发生很小的偏差。因此，对机器人臂的微偏夹取状态进行研究，有助于采用一种防止微偏夹取现象的方法，也可以采用某种方法，使两个气缸之间形成预定的压力差，从而实现夹紧过程中的姿态位移。

图1 柔性机械手对圆柱形零件夹取的数学模型

2复合驱动双指柔性机械手的设计与控制案例

2.1柔性机械手尺寸参数优化及弹簧选型

通过对挠性机械手的抓取目标的综合分析，选择了圆筒件和矩形件作为抓取的主体。对其它形状不规则零件的适应性进行了优化。本文建立了挠性机器人在抓取矩形类零件时的数学模型，指出其 AB段的长度对所夹持的矩形件的宽度有很大的影响。因此，在预设柔性机器人的性能参数时，所选择的夹具尺寸应为30毫米至240毫米，因此，在此， AB段的长度即为 L。分段应为 L—IS15mm，因此，在设计时，应先将 Ls-68 mm的数值设定为，这样可以将53 mm- L反向。68毫米， L=55毫米。

所夹持的物体都是曲线结构，当夹持圆筒状零件时， BC段夹爪和 CD段夹爪之间形成一对圆的包络关系，而两节指节的拟合曲线则与被夹持物体即圆柱体之间的切向关系。而在夹紧椭圆件时， BC段夹爪和 CD段夹爪之间的椭圆形之间存在着一条包络，而两个指节之间的曲线则与被抓住的物体——椭圆形物体有切向的关系。在手指和手指关节的交界点 C，就是这个点的中心。因此，若预先设定的 BC末端与 CD区段和曲线区段相切，而两个接触点与 C点的距离相等。由于力平衡的原理， F= F，所以两股作用力都是在被夹紧的圆心上。在这个时候，他就能找到一个比较明确的坐标。

在这一基础上，以夹紧柱体为实例，推导出圆柱体的中心点与挠性机器人 。因此，在预先设定的夹紧区域时，可以根据组合方程推导出大致的位置。众所周知，53毫米< L<68 mm，换算成51 mm< L<62 mm, l=55 mm，如此，>

2.2柔性机械手理论模型仿真分析

2.2.1 Adams软件介绍

Adams是美国机械动力公司研制的一款能够预测系统性能，运动范围，碰撞监测，峰值负载，以及有限单元的输入负载的计算。该软件不仅能及时、高效地进行虚拟机械系统的静力学、运动学、动力学等方面的研究。同时也能分析和开发虚拟原型。该软件在运行时采用了交互的图形环境以及内部零件库、约束库、力库，利用拉格朗日方程建立了一个具有一定参量的机械结构体系，其解算器采用了多刚体动力学的拉格朗日方程。

之所以选择 Adams作为这款柔性机械手的模拟分析软件，一是因为在 UG上进行了柔性机械手的建模，可以更好的实现三维模型的精度，而 Adams的仿真分析则更加的直观，数据的种类也更加丰富，可以根据虚拟机器人的静态、运动学和动力学，将相应的位移、速度、加速度、反作用力等信息进行输出。

2.2.2双指柔性机械手Adams仿真模型的建立

根据前文计算出的挠性机器人的结构尺寸，在 UG中绘制出3D图形，根据机器人的组装方式，将机器人的各个部件组装起来，然后将机器人的3D模型保存为PRASOLIDx-T格式，然后将模型输入 Adams软件中。建立了两个挠性机械臂的圆柱件和矩形件的夹具仿真模型。在此基础上，将 Adams软件中的各部件的尺寸和位置参数引入到 Adams软件中，并确定各部件之间的运动关系、力学关系以及传动模式。如果在导入期间出现了失败的连接，则需要将这些限制和驱动程序添加到 Adams软件中。

2.3柔性机械手控制系统搭建

PC机的建立主要是由 PC机的软件接口，使用 C语言实现了更好的人机互动，并能迅速地调整下位机的参数。在 Windows环境中， MFC程序接口可以分为：状态选项、功能互动、实时监视、通信设置、波特速率等。

区域：指的是自动和手工之间的区域。当选择了自动操作时，将控制功能交给了下位机和机械手，由操作产生的数据进行反馈。

功能交互区：用于步进电动机和汽缸的调试，当输入脉冲数目时，将柔性机械手或位移位置移至预定位置，以确认其位置是否正确，并由功能交互区域人工控制。

实时监控区：指的是对柔性机器人的反馈，也就是抓取状态。和马达的位移。而且，在实时的监视器中，还可以显示和追踪到一些信号的反馈。通信设置区域：主要是为了和下位机之间的通信，例如波特显示区，关节角度的信息，就是在预设脉冲运动的时候，推杆的距离等，都会被显示出来。另外，在抓取物体时，压力传感器所获得的压力值，也就是接触压强的数值，由下位机通过串口通信将其传输至信息显示区。

结束语：

本文对挠性机械臂在夹紧圆筒和长方形物体时，进行了静态和运动学的分析，并着重讨论了机械臂微偏包络抓取筒的非理想状态下的抓取过程。在此基础上，利用 Adams软件对柔性机器人进行了静态建模，并对其进行了静态仿真，并对其进行了运动学分析。同时，针对挠性机械臂的驱动和夹持力的要求，选用适当的液压缸和步进电机，实现了机械手的手指气动回路。在此基础上，利用 PC端作为机器人的操作接口，利用 Arduino语言编程实现了下位机的控制。该系统具有机械手和手动两种抓具功能。

参考文献：

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[2]邵旭辉. 复合驱动双指柔性机械手设计与研究[D]. 浙江:浙江工业大学,2021.

[3]李凯. 聚合物螺旋卷绕型人工肌肉的驱动特性研究及应用[D]. 黑龙江:哈尔滨工业大学,2018.