（机械电子工程专业论文）变抓取力欠驱动机械手控制系统研究.pdf

哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 摘要 为解决传统机械手只能应用于特定任务的问题，使机器人末端执行机构 适应多种复杂任务，能够进行柔性抓取。本课题进行了变抓取力欠驱动机械 手的机械结构设计与控制系统研究。变抓取力欠驱动机械手是智能机器人的 关键技术，有着广阔的应用前景。 本文所研究的变抓取力欠驱动机械手是直流伺服电机驱动的三指机械 手，手指是由四连杆机构和平行限位机构组成，带有可调整机械手抓取位姿 的转动机构，可实现对物体的柔性包络抓取。整个系统设计完成了控制系统、 传感系统、传动系统设计。控制系统的设计要求根据传感器信号判断系统状 态，对传动系统发出指令，实现实时控制。控制系统还要能够检测滑动，感 知目标方位，进行异常中断处理。 传动系统采用直流伺服电机作为动力源，微型丝杠作为运动形式转换部 件。对于轴间的联接以及过负载的处理本文采用微型滚珠式扭力限制器。力 觉传感器采用p v d f 压电薄膜力觉传感器，滑觉传感器采用振动滑觉传感器， 接近觉传感器则是超声波接近觉传感器。完成了各传感器发送接收、功率放 大、控制接口等相关电路设计以及传感器的标定。 关键词：欠驱动机械手；控制系统；接近觉传感器；滚珠式扭力限制器 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t t r a d i t i o n a lm a n i p u l a t o rc a l lo n l ya p p l i e di ns i m p l es p e c i a lt a s k i no r d e rt o m a k et h em a n i p u l a t o ra d a p tt oav a r i e t yo fc o m p l e xt a s k s ，t h em e c h a n i c a l s t r u c t u r ea n dt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h eu n d e r a c t u a t e dm a n i p u l a t o ra r ed e s i g n e d u n d e r a c t u a t e dm a n i p u l a t o ri st h ek e yt e c h n o l o g yo fi n t e l l i g e n tr o b o t ；i th a sb r o a d a p p l m a u o np r o s p e c t s -一、 u n d e r a c t u a t e dm a n i p u l a t o ri sp o w e r e db ym a g n e t i cs t e p p i n gm o t o r i th a s t h r e ef i n g e r s t h ef i n g e rc o n s i s t sf o u rb a rl i n k a g e sa n dp a r a l l e ls p a c i n gb o d i e s w i t ha d j u s t a b l em a n i p u l a t o rc r a w lp o s t u r er o t a t i o n ，t h eo b j e c tc a nb ec a p t u r e d f l e x i b l y t h ee n t i r es y s t e md e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h es e n s o rs y s t e m ， t r a n s m i s s i o ns y s t e mi sc o m p l e t e d t h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e ms h o u l df u l f i l l t h er e q u i r e m e n t st h a tt h em a n i p u l a t o rc a nj u d g et h es t a t eo ft h es y s t e mo nt h e s i g n a l so ft h es e n s o r s i s s u e st h ei n s t r u c t i o nt ot h et r a n s m i s s i o ns y s t e m ，r e a l i z e s t h er e a l t i m ec o n t r 0 1 t h ec o n t r o ls y s t e ms h o u l da l s od e t e c tt h es l i p p i n g ，f i n do u t t h ep o s i t i o no ft h eo b je c t ，a n dh a n d l et h ea b n o r m a li n t e r r u p t s t e p p e rm o t o rd r i v es y s t e mi su s e da sap o w e rs o u r c e t h em i c r o l e a ds c r e w t r a n s f o r m st h ec i r c u l a rm o t i o ni n t ol i n em o t i o n t h eb a l l - t o r q u ef o r c el i m i t e ri s u s e da st h ec o n n e c t i o no ft h es h a f t ；w h e nt h el o a di so v e rt h ea b i l i t y , t h e b a l l - t o r q u ef o r c el i m i t e rw i l lh a n d l ei t o p t i c a lf i b e rf o r c es e n s o ri su s e da sf o r c e s e n s o r v i b r a t i o ns l i d i n g - d e t e c t i o ns e n s o ri su s e da sas l i d i n gd e t e c t o r t h e u l t r a s o n i cs e n s o ri su s e da sap o s i t i o ns e n s o r c o m p l e t e dt h es e n s o rr e c e i v e r , p o w e ra m p l i f i e r , a n d c o n t r o li n t e r f a c ec i r c u i t d e s i g n a n dr e l a t e ds e n s o r c a l i b r a t i o n t h r o u g ht h em e c h a n i c a l e l e c t r o n i c a l l yt e s tp r o v e st h a tt h eu n d e r a c t u a t e d m a n i p u l a t o rw o r kw e l l k e y w o r d s ：u n d e r a c t u a t e dm a n i p u l a t o r ；c o n t r o ls y s t e m ；p o s i t i o n s e n s o r ； b a l l - t o r q u ef o r c el i m i t e r i l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性l 声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的 指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、 数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对 应。除文中己注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 日期：枷弓年月 曰 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的目的和意义 在当今信息时代，融合了微电子，计算机科学，现代控制理论，图象处 理，人工智能等尖端科学技术的机器人技术在生产和生活中发挥了越来越重 要的作用。 最初的工业机器人主要用于完成特定的动作，执行机构相对简单。随着 机器人应用于各行各业，特别是航空航天，服务业等领域，对于机器人的末 端执行机构提出了越来越高的要求。主要体现在以下几个方面： 首先是对复杂环境的适应能力。在当前的各种应用环境中，由于任务的 不确定性。需要机械手能够牢固抓取各种形状，各种密度的物体。其次是抓 取的可靠性和稳定性。在服务性行业中，对末端执行机构的稳定性与安全性 提出了更高的要求。未来服务机器人大量进入人类社会，对机器人的成本要 求严格。这就需要机器人设计按照模块化的原则进行设计与制造。机械手 也应该做到模块化，互换性好，高度可靠。一个好的末端执行机构还应该满 足结构简单、控制方便、负载能力强，寿命长，便于大量生产。 为满足社会需要，工程师进行了不懈的探索。从最初的应用于焊接、喷 漆、装配的机械手所采用的单自由度夹持器结构到应用于航天领域的多关节 多手指的灵巧机械手。科学家对末端执行机构的结构设计和性能提出了许多 新思想，新方法。应该强调指出的是夹持器和灵巧机械手只是机械手的两种 形态，有着各自的应用领域，优点和缺点。 在高精度，高强度，低成本，单一功能的工业应用领域，单自由度夹持 器有着旺盛的生命力。灵巧机械手拥有适应能力强，可完成多种抓取任务的 优点。但是由于采用了大量的串联关节，导致成本昂贵结构、复杂、控制困 难、负载能力差、可靠性低等缺点”。 本项研究的目的是研制一种控制结构简单可靠、适应复杂环境的夹持机 构，即能够与被抓物体柔性接触，自动适应被抓物体的表面形状，进而实现 无损且可靠地抓取的智能机械手。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 1 2 国内外智能机械手的发展概况 为实现敏捷制造，便于执行多种任务，保证在各种复杂环境下的高精度 和高可靠性的抓取，科技人员不断探索新的机械结构，不断采用新的电子信 息技术，积极地运用新的控制理论成果，在智能机械手方面不断取得新的进 展。 现代传感器技术的发展为提高机械手的智能性奠定了坚实的技术基础。 高性能新材料的运用大大提高了传感器的精度，并且出现了满足特殊运用的 各种结构和表面特性的传感器，广泛应用于机械手的感知系统中。在控制策 略方面，除了传统的p i d 控制，还有人工智能控制，自适应控制，变机构控 制，鲁棒控制，模糊控制，神经网络控制，群控理论等扭。 机械手的驱动机构分为电机驱动与液压驱动。液压系统的优点是体积小， 重量轻，惯性小，产生的力矩大。静态与动态精度高，响应时间短。而电机 驱动技术理论成熟，应用方便，成本低廉，随着微型步进电机的不断发展， 控制性能大大改善。 1 2 1 国内机器人多指机械手的研究发展状况 在国内，对灵巧手的研究从2 0 世纪8 0 年代后期丌始。北京航空航天大 学机器人研究所先后研制开发了b h 1 、b h - 2 、b h 3 三种型号的3 指9 自由 度机器人灵巧手。如图1 1 所示的b h 3 手是一种仿s t a n f o r c y j p l 手。这种 手每个手指的自由度只有3 个，在抓取物体时，抓取点( 指尖位置) 一旦确 定后，其抓取姿态就唯一确定。因此，实际上手指没有冗余关节，也就没有 抓取的柔性，无法像人手一样进行灵巧的抓取和操作。 现在研制的b h 4 型灵巧手为拟人型4 指1 6 自由度手，其自由度接近人 手呻1 。b h 4 型灵巧手划分为手指、手掌和机械接口三个模块。手指设计为4 个自由度结构，其关节由包括直流伺服电机、行星减速器和光码盘在内的电 机单元驱动。光码盘用于测量电机轴相对转角，关节轴绝对转角由电位计测 量。机械接口用于确定手与臂的连接，改变机械接口可以使灵巧手适应不同 的机械臂。其关节由包括直流伺服电机、行星减速器和光码盘在内的电机单 元驱动。 2 ! 篁垒鋈三堡奎兰至圭兰篁丝兰 一 图12 哈工大与德国字航中心台作研制的机械手 在欠驱动机械手爪方面国内的哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、清 华大学和中科院合肥智能机械研究所等开展了的研究，其中清华大学设计了 变抓取力的欠驱动拟人机器人手i t t 1 “。其食指采用了新颖的变抓力手指机 构，可实现稳定抓取。其拇指采用了新型的欠驱动手指机构，可用较少驱动 器获得较多的自由度。t h 一1 手的电机、驱动与控制系统等完全嵌入手掌，在 外观与尺寸上均与人手相似，可完成常见的伸展、握拳和以适当的力稳定抓 哈尔滨工程大学硕士学位论文 取不同尺寸物体等拟人动作，具有质量小、驱动元件少、控制简单、结构紧 凑、适应性强等特点。 中科院合肥智能所研制了基于锥齿轮差动的欠驱动手爪。它集成了 s a r a h 手爪的灵巧手指机构，采用两级锥齿轮差动方式，机构简洁高效， 结构紧凑，维护方便并且对手指方向调整机构做了进一步的改进，采用步 进电机的调节方式实现连续调整，具备更多的抓取模式；研制了基于p v d f 压电材料的接触力传感器和接近觉传感器安装于手指关节指面和术关节，检 测手指的抓持力大小和物体的位置，便于抓取控制1 。欠驱动手爪在每个手 指上都集成两套机构：形状自适应手指机构和平行精确抓取机构。其形状自 适应机构主要实现以欠驱动方式完成包络抓取。 1 2 2 国外机器人多指机械手的发展现状 美国国家航空航天局研制的r o b o n a u t 手如图1 3 所示是灵巧机械手的典 型代表。这种机械手不仅能满足空间作业的需要，还能适应太空舱外的恶劣 环境”。 图13n a s a 的r o b o n a u t 手 如上图所示，每只r o b o n a u t 手有一共十四个自由度。它包括安置马达 和驱动电路的前臂，一个二个自由度的手腕，和一个五个手指十二个自由度 的手。前臂，直径四英寸大约八英寸长，安置所有十四个马达，1 2 个不同电 路板，和所有与手的接线。手本身被划分为二个部分：一个灵巧的操作手， 另一个是抓取手给操作手提供一个稳定的抓耿。这是工具使用的一个根本特 点。这个灵巧手包括二个3 自由度手指并且一个3 个自由程度对应拇指。 这个爪的集合包括二部分，1 个自由度手指( 圆环和小指) 和一个手掌。所 4 哈尔溟工程大学硕士学位论文 有手指都安装在手掌上。螺旋联接的手腕的翻滚和扭转超出人手在一副被加 压的手套里。手和手腕零件按符合最大e v a 乘员组要求被复制。零件由不同 的材料制成，规定公差在太空这种恶劣环境中的极端温度变化经历之下完成 操作。无刷子马达被使用，以保证在真空的长寿命。所有零件被设计成使用 空叫润滑剂。 机械爪安装在一个支撑槽上，电机和齿轮减速器安装在能往复运动的机 体上是爪能打丌和闭合。手爪安装在能伸缩的框架上，机架安装在滑动的骨 架上能做旋转运动。传统设计使用不便，安装、拆除、更换其他术端操作器 都需要拆下驱动机构。机架上带矩形十字凹槽的部件使机架具有与平行四边 形相似的联接，当处于抓取状态时受力沿着她们垂直的一侧。当垂直侧保持 平行时，水平侧在悬臂梁的作用下产生弯曲。在垂直面的手爪和滑架因此成 一线。其结构图如图1 4 所示。 图14 机械手手臂结构 阴影机器人开发出了堪称灵巧手的经典之作的s h a d o w 灵巧手，如图 1 5 所示。 s h a d o w 灵巧手大小与人类的手相近，它有2 4 个关节其中2 0 个具有 驱动能力。同人手的方式一样四个手指的末端关节通过相应的中间关节被动 的控制。因此中司关节的运动角度通常耍比术端关节的运动角度大。因此手 ! 篁垒鋈；! ；堡奎兰堡圭耋堡篓三 一 q 噫 图1 5s h a d o w 灵巧手 指关节几乎和人手指一样运动。为了赋予拇指相应的灵巧度并使拇指与其他 手指相反( 这对有灵巧抓取很重要一) ，运用了5 个独立的可控关节，它们中 的两个组合成拇指的掌指关节，其他两个组合成拇指的腕掌关节”1 。s h a d o w 灵巧手抓取性能优异，能较好地适应未来工作环境的需要。 图16s h a d o w 灵巧手抓取实验 在欠驱动机械手方面，加拿大m dr o b o t i c s 公司与l a v a l 大学合作为 国际空问站研制的s a r a h ( s e l f - a d a p t i n gr o b o t i ca u x i l i a r yh a n d ) 手是目i i ， 运用最为成功的欠驱动机械手。如图17 所示。 泼手爪是一个具有1 0 个自由度的三指手爪，但是仅采用两个电机驱动， 通过机械限位和术端弹簧实现无动力关节对被抓取形状的自适应。每个手指 有三节，而仅用一个驱动件，具有出力大、适应性强的特点，既可以实现大 力抓取，也可以用指尖捏取细小物体。手指之间的相对方向同样也可以通过 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 差动齿轮机构用一个电机来调节。手指上还安装了触觉传感器和电位器角度 传感器，以实现手爪的精密控制。当进行抓取作业时，手指将逐渐将被抓物 体包裹，并最终达到静平衡。为了使空间机器人具有更大的活动范围和物体 处理能力，m dr o b o t i c s 公司还研制了卡锁式可更换夹持器与能源数据接口 央具。空间机器人两臂的末端分别安装两个卡锁式夹持器，而在空间站上机 器人的活动范围内布满能源数据接口，使机器人可以随时获得能源，并进行 数据通讯。这种卡锁式夹持器具有捕获机构、锁紧机构、电气接口，可以方 便地与能源数据接口夹具对接，实现可靠的机械、电气连接。当各种工具上 安装了能源数据接口后，机器人就可以方便地使用这些工具，代替宇航员进 行。 图1 7s a r a h 欠驱动机械手 1 3 系统工作原理 机械手的控制系统分为两个部分。机械手的空间定位和抓取控制。本课 题的研究对象是机械手的抓取控制，是整个控制系统的子系统。 整个系统分为三大模块，传感器及信号处理模块，微机控制模块，传动 模块。传感器及信号处理模块包括两种传感器，滑觉传感器和电位器角度传 感器。滑觉传感器用于判断抓取是否牢固，角度传感器用于系统归位，用于 判断机械手是否处于最张开状态。信号处理电路包括采集，滤波，放大等功 能电路。微机控制模块包括单片机及其外围电路电机驱动模块，与传感器 哈尔滨工程人学硕十学位论文 的接口模块。传动模块包括步进电机，微型丝杠，手指关节。 系统工作过程如下，当机械手接近工作对象时。机械手抓取控制系统开 始运作，系统自检。机械手回复零位，即最大张口位置。机械手开始抓取动 作，控制系统驱动电机正转。一旦接触物体，传感器电路不断采集信号。系 统根据信号判断是否有滑动，抓取是否牢固。一旦有滑动，步进电机正转， 继续抓紧，施加压力，直到稳定为止。这时系统开始进行下一步的操作。当 任务执行完成，主控系统发出释放信号，机械手松开。机械手抓取控制系统 驱动电机反转，直到零位为止，抓取过程结束。 1 4 论文主要完成工作 ( 1 ) 新型欠驱动机构分析与设计 研究、分析已有的欠驱动机构，提出满足本研究需要的新型驱动机构； 分析机构运动学、静力学与动力学特性，并以柔顺抓取为目标进行结构优化； 多关节驱动机构与驱动机构设计。欠驱动手爪的设计，设计手指机构、手掌 和安装方式、手指驱动机构、机架的设计。利用p r o e 软件实现机械手的虚 拟装配，并进行干涉检验验证结构设计正确性。 ( 2 ) 传感器及信号处理电路的设计 研究将触觉传感器应用到欠驱动抓耿机构中的方法和技术途径，并通过 理论分析和实验研究设计出手爪上用的触觉传感器。设计出能检测手爪关节 张开角度的电位计传感器电路。设计了采集，滤波，放大，隔离等功能电路。 ( 3 ) 传动系统设计 步进电机选型，选择微型丝杠型号。设计电机与丝杠安装结构，进行电 气线路布局。 ( 4 ) 控制系统设计， 选择所使用的单片机型号，完成外围电路设计。完成信号处理接口，电 机驱动接口的设计。制做电路板，验证硬件设计。完成控制系统软件设计。 8 哈尔滨r 丁程人学硕十学位论文 第2 章欠驱动机械手工作原理与分析 2 1 欠驱动机械手工作原理 欠驱动机械手是指动力源数量少于驱动关节数量的机械手。为实现对机 械手的准确控制，某些无驱动的关节被设计成被动的弹性元件或加装一些机 械限位装置。这些被动驱动器是可以被准确控制的，不仅结构简单，体积小， 而且能大大减少驱动器的数量。 本课题所研究的机械手是由三个手指，手掌，手指旋转机构，机架，驱动 系统组成。手指通过传动连杆与丝杠联接，旋转机构能够改变手指方位。 欠驱动机械手手爪的三个手指呈1 2 0 度均布，指尖能向其结构中心闭合， 适合于抓取块状物体。四个电机其中有三个用于手指的抓取，一个用于控制 两指的旋转运动，手指术端关节装有弹簧，即是所谓的形状自适应机构，依 靠被动柔顺方式，实现对物体形状的自适应抓取”。 考虑到在抓取物体时，被抓的物体的位置不一定在三指的中心。所以会 出现一个手指已经碰到物体，而另外的手指还没有接触到物体的现象。为了 实现有的手指接触到物体而停止运动，有的手指仍然能够继续运动直到抓紧 物体，就需要滑觉传感器来检测是否接触并反馈回控制系统。 图2 1 显示了手爪的抓取过程。指相对球体的初始位置如图2 1 a 所示。 手指丌始运动，当指节3 碰触到球体后停止运动，如图2 1 b 所示。由于四连 杆机构的特性和平行机构两端弹簧的作用，液压缸的活塞杆继续推动驱动杆， 使指节2 和术指节继续运动，当指节2 碰触到球体后也停止运动，如图2 1 c 。 通过第二套四杆机构，末指节继续运动，直到碰触到球体为止，整个手指运 动停止，这时手爪和球体的位置关系如图2 1 d 所示。 为了进一步了解这种机械手的抓取特性，下面对其进行运动与静力分析。 运动学分析是为了确定结构参数在运动过程中的关系，各关节在运动过 程中的几何关系。 在建立机械手的运动学模型时，将单个手指分拆为两个四杆机构，并建 立矢量方程。得到欠驱动机械手的运动模型，再分为平行抓取与包络抓取进 行分析，并对各抓取过程中各关节的运动情况进行了详细分析。机械手静力 学分析是为了研究输入力与输出运动的确定关系，以实现精确的力控制。 9 坚尘鳖三堡奎兰堡圭兰竺鎏圣 一 漫j t ( b )( c ) ( d ) 图2 1 机械手的抓取过程 在进行静力学分析时，首先通过力矩平衡原理建立力的关系。然后根掘 虚功原理建立系统的静力学模型。该模型具有多参数，多变量，接触力计算 相当复杂，为便于分析并保证准确的基础上进行了相应的简化。 2 2 运动学分析 欠驱动水下机械手爪的每个手指都是由两套四连杆机构构成的。首先分 析一下四连杆机构。图2 2 所示为一个4 连杆机构。 心 弋“叭一 图2 2 四连杆机构原理 各杆件所构成的矢量封闭方程为+ i = i + ，写成分量形式为 f r o s a , + c o s 岛+ 。0 3 鼻一2 0 ( 2 1 ) l is i n q f 2s i n 0 2 一s i n 岛= 0 从式( 2 - 1 ) 中消去b 得： 涵一 穗簿 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 ( 1 1 4 一厶c o s 8 3 - l ic o s 0 0 2 + ( f 1s i n t 9 1 一毛s i n 0 3 ) 2 = 蟹 ( 2 - 2 ) p ，= 一a r c s t n 三乇三三丢 丢鬻 c 2 - 3 ) 聃矽= a r c t a n 半 对式( 2 2 ) 两边进行微分并整理得到关节1 与关节3 之问的角速度关系： 反：磐皇生型坚堂弘( 2 - 4 )。 z 3 f 4s i n t 9 3 - i - ，ls i n ( t 9 1 一幺) 】1 当手爪用指端平行抓取物体时如图2 3 所示： a 初始位置b 夹取位置 图2 3 平行抓取 在指端接触物体前，由于平行抓取机构和弹簧的作用下，角鼠和t 9 3 增大， 岛和包减小，且增减与角y 和a 的大小有关。 啥尔滨t 程大学硕士学位论文 y ：a r c c o s 竺：! 垒二墨2 ：二! ：( 2 一5 )y=rccs 二一l - ) ) 2 a ( b 一名) 幺= 3 z r 2 一y 一缈 ( 2 6 ) 式中： 同理： 殷= 矽j - a r c s i n 笔蒜舞 协7 ， 么：a r c t a n 上堕唑亟 “ b s i n 鼠 岛= 万一岛一 口。：一a r c si n 查二二鲨乒毛竺圣三童二三燮 2 a 2 、走2 + 一2 b 2 kc o s 岛 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 式中：妒2 ：a r c t a n 与警( 6 0 0 幺 ， ， i |均1 1 ，- ， 7 功砷 。 | ( a ) 么 、 、盏謇 、 f 、 、。，“ f j 、y 省x ? | 7 、h7 ， ：j：_ 7 ，、： 。， i 、 ， 7。 i 二 卜i ：，7 一一一一一丽蔬：一一、1 、。、： ：，一，一7。 ( b ) 图3 1 直流伺服电机特性 2 3 t ：l r i 七i 奠 赋井蠡 旷iil旷【i；l肛j11il，ll 僦带8 _ 罐譬 哈尔滨工程大学硕士学位论文 直流伺服电机的传递函数可以从电动机特性曲线中导出，比较复杂的传 递函数还要考虑绕组的时延和电枢电感的影响。电机的转矩转速特性很受激 励方式的影响。直流伺服电机能由小尺寸底座产生大功率输出。 322 直流伺服电机的选择 选择电机型号时需要考虑机械手的工作负荷，为简化分析取抓取极限重 量6 k g 。每个手指所承受的重量为2k g 末端手指为5 5 m m ，所受力为 l0 7 8 n 。根据第二章所介绍的静力学平衡原理，折算到电机轴上的力矩 为1 0 2 n 。具体计算过程从略。此时微型丝杆输出力f 为1 0 2 n 。电机的扭 矩l 可按式计算。 m r = c v ( 3 2 ) 其中口为电机转动角速度，r 为效率，v 是螺母移动速度。 计算出电机扭矩后，再考虑机械手的空间尺寸选择苏卅【钧和科技所代理 的瑞士m a x o n 品牌r e 系列产品。确定所采用电机的直径为1 6 r n m ，长为 6 2 m m 该产品的样图如图32 所示。 图32 直流伺服电机 实践证明该电机较好的满足了实际需求。 材料采用磁钢。 具有超长的寿命。 低噪音，无磨损。 即使在低压下也可以得到高转速，无齿槽效应。 散热好，过载能力强。 3 4 微型丝杠 微型丝杠是将圆周运动转化为直线运动的重要环节。微型丝杠按滚道法 2 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 向截面形状可以分为单圆弧和双圆弧两种类型。按微型循环方式可以分为内 循浮动式，内循环固定式，外循环插管式”“。按预紧方式可以分为双螺母垫 片式，双螺母螺纹式，双螺母齿差式，单螺母变位式，单螺母大球式。 本课题所采用的是微型丝杠的滚道法向截面是单圆弧，循环方式是内循 环浮动式，预紧方式为单螺母变位式。单圆弧截面的结构特点是滚道型面的 磨削较容易，能获得较高的精度。接触角a 随初始间隙和轴向力大小而变化。 采用内循环浮动式每一循环只有一圈钢球，返回通道短，摩擦损失小， 效率高，流畅性较好，刚性好，使用可靠，寿命长。适用于各种高精度，高 灵敏度的进给定位系统。单螺母变位式用于中小载荷，且对预加载荷有要求 的精密定位传动系统。微型丝杠副是由螺杆、螺母、微型滚珠、密封件等零 件组成的高精度机械传动部件，由于微型丝杠副的螺杆与螺母之间有微型滚 珠在做滚动运动所以能得到较高的运动效率，与滑动丝杠相比，驱动扭矩在 三分之一以下。因此，不仅能把回转运动转变为直线运动，也能容易地将直 线运动变为回转运动川”。图3 3 反映出了微型丝杠中传动效率与摩擦系数、导 程角的关系。从图3 3 可以看出，滚珠螺杆在传动过程中能够有效的减小运 动摩擦，提高系统的工作效率。当摩擦系数小于0 0 0 5 时，微型滚珠丝杠的 效率达到9 0 ，大大高于其它形式圆周运动转换部件。 正 效 塞 ( ) 反 效 益 ( 呦 导程角( 度)导程角( 度) 图3 3 丝杠正效率、反效率与影响因素 微型丝杠工作时的驱动力矩与转化的推力的计算。 该推力的计算公式为式3 3 ，计算时n 取正效率： 2 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r = 2 r t r l t i ( 3 - 3 ) 微型丝杠的导程精度分为1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，7 ，1 0 ，七个等级，本项目采 用的为精度等级2 。最大轴向间隙为0 0 5 m m 。 综合以上所述，根据相应参数选择德国h i p p 微型丝杠，公称直径为 6 r a m ，内循环浮动式，单螺母变位预紧，导程精度为2 级。型号具体参数计 算及稳定性校核，极限速度校核，温度变形计算，丝杠副变形与刚度计算， 预紧转矩计算，由于篇幅有限不再展开。该产品实物图如下图34 所示。 图3 4 微型丝杠 为使微型丝杠正常工作，工作时必须润滑。采用润滑脂进行润滑，润滑 脂的给脂量一般为螺母内空间容积的三分之一，选用g b 7 3 2 4 + 9 4 2 # 锂基润滑 脂。微型丝杠工作时必须有防尘装置，如果污物进入，将使丝杠迅速磨损。 如防尘圈，折皱保护罩，丝杠护套等。 35 微型滚珠式扭力限制器 步进电机与微型丝杠的连接是通过微型式扭力限制器来实现。步进电机 输出轴与微型丝杠的连接装鼍不仅要传递扭矩，而且还要实现安全卸荷的作 用。 机械手在抓取过程当中经常碰到过重物体，或发生其他意外情况，导致 电机始终运转，造成设备损坏。微型滚珠式扭力限制器较好的满足了这方面 的要求。微型滚珠式扭力限制器的结构是由主动齿轮、从动盘、外套筒、弹 簧、调节螺母组成。主动齿轮活套在轴上，外套筒用花键与从动盘联接，同 时又用键与轴相连”。在主动齿轮与从动盘的端面内，各沿直径为d m 的圆周 2 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 上制有数量相等的微型承窝( 一般为4 8 个) ，承窝中装入微型滚珠大半后， 进行敛1 2 1 ，以免微型滚珠脱出。滚珠接触示意图如3 5 所示： 转 图3 5 滚珠接触示意图 正常工作时由于弹簧的推力使两盘的微型滚珠交错压紧，如图3 5 示。 主动齿轮传过来的转矩通过微型滚珠、从动盘、外套筒而传给从动轴。当转 矩超过许用值时，弹簧被过大的轴向分力压缩，使从动盘向右移动，原来交 错压紧的微型滚珠因被放松而互相滑过。此时，主动齿轮空转，从动轴即停 止转动；当载荷恢复正常时，又可重新传递扭矩。弹簧压力的大小可用螺母 来调节。 这种扭力限制器由于微型滚珠表面会受到较严重的冲击与磨损，故一般 只用于传递较小转矩的装置。 电动机的输出轴的直径为5 毫米，微型丝杠的轴的直径为8 毫米，传递 扭矩极限为2 0 0 n m ，根掘这些参数选用南京工诺科技有限公司生产的微型 扭力限制器。该产品的型号为0 2 0 4 0 2 g n x z q 。 它的性能如下： 内置精密微型机构，当运行扭矩超过设定允许扭矩值时，主被动侧之 间迅速脱开，反应时间极短，安全可靠，脱丌扭矩可调。 侧面的法兰可安装同步带轮、链轮、齿轮、v 型带轮等诸多配套机构。 最大打滑力矩设定值可达7 0 0 0 n m 。 过载瞬间可输出2 4 v 直流电信号，可用于报警，亦可瞬间关闭机器。 精密型的扭矩限制器，可安装于伺服电机、微型丝杠等精密场合。 体积小，重量轻，传递扭矩大。 2 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 结构简单紧凑，无空转扭矩。 运转噪音低，散热效果好。 安装维护简单方便。 该微型式扭力限制器的最大打滑力矩可以设定为抓取力矩极限值，但过 载时限制器输出的是2 4 伏直流信号，需要进行处理才能为控制系统处理。微 型扭力限制器安装时应注意保证安装基准面的非剐性和垂直度。 该离合器的使用条件如下： ( 1 ) 工作温度为一2 0 0 c 到5 0 0 c 之间； ( 2 ) 空气相对湿度不大于9 0 ； ( 3 ) 无水、油、蒸汽直接滴入、穿过； ( 4 ) 工作环境介质中无金属腐蚀及导电尘埃。 36 重要部件结构设计 欠驱动机械手有三个手指，每个手指有三个关节，整个手指由两套串联 四连杆机构和平行精确抓取机构组成。在手指指节的三个关节处分别通过机 械限位来限制手指各关节的运动角度。当欠驱动机械手进行抓取时，一个手 指固定不动，另外两个手指可以相对进行6 0 。的转动。在靠近物体时，从刚 开始接触物体到最后央紧，通过调整手指的相对位置柬实现对物体的包络抓 取。每个手指的末端装有弹性单元，可以进行自适应调整。 手指模型如图3 6 所示。 嗥 图3 6 手指模型 2 8 啥尔滨工程大学硕士学位论文 机械手在抓取过程中，有一个手指不动，两个手指可以做相对的转动。 这种运动通过转动机构来实现，转动机构是曲柄滑块机构与滑块连杆机构组 成。其结构图如图37 所示： 图3 7 转动机构 三个手指安装存手掌匕的效果罔如罔3 8 所示 泌 图3 8 手指手掌 机械手的整体效果图如图3 9 所示： ：耋至薹三堡垒兰些圭兰些兰三 一 黛 图39 机械手总装图 3 7 本章小结 本章进行了传动方案的设计与具体实现。根据系统工作条件，确定了电 机的基本参数，选择电机型号。选择微型丝杠。对微型丝杠的性能参数进行 校核。选择微型扭力限制器。并对各部件的安装精度，使用条件，注意事项 进行了详细的说明。使用p r o e 进行了重要传动部件的结构设计。 斡缝 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第4 章传感系统设计 4 1 力党传感器 力觉传感器是机械手感知系统的关键部件。力觉传感器所检测到的信号 为控制系统下一步的决策提供了依据，是实现机械手软抓取的基础。 4 1 1p v d f 压电薄膜 某些介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现 象，同时在它的两个相对表面( 极化面) 上产生符号相反的电荷；当外力去 掉后，又重新恢复不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随 着改变；这种现象称为正压电效应简称压电效应。相反，在这些材料的极化 方向施加电场，它们就会产生变形。这种现象成为逆压电效应，具有压电效 应的电介质称为压电材料。 压电传感器是利用压电材料的压电效应实现能量的转换，即当压电材料 受到外力作用时，其表面将产生电荷，将机械能转变成电能。因此，利用压 电材料可以制成力敏元件。p v d f ( 聚偏氟乙烯) 就是一种具有压电效应的 新型高分子聚合物型传感材料。 p v d f 压电膜具有较高的化学稳定性、低吸湿性、高热稳定性、高抗紫 外线辐射能力、高耐冲击和耐疲劳能力，其化学稳定性比陶瓷高1 0 倍，在 8 0 以下可长期使用。p v d f 压电膜质地柔软、重量轻，与水的声阻抗相近， 匹配状念好，应用灵敏度高；p v d f 压电膜在厚度方向的伸缩振动的谐频率 很高，可以得到较宽的平坦响应，频响宽度远优于普通压电陶瓷换能器；电 容值高，可以采用低输入阻抗的仪器作低频接收。 p v d f 压电膜具有以下优点。 ( 1 ) 工艺性好。 ( 2 ) 能制成大面积的敏感元件。 ( 3 ) 频带响应宽( 0 5 0 0 m h z ) 。 ( 4 ) 声阻抗接近于人体组织和水，所以可用于医疗诊断的敏感装置结构。 ( 5 ) 具有高冲击强度( 可使用于冲击波的传感器中) 。 ( 6 ) 耐腐蚀性( 可在活性介质中使用) 。 3 1 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 ( 7 ) 相对介电常数低，压电常数值西3 高( 约比其它压电材料高一个量 级以上) 、热信号灵敏度) 值高。 ( 8 ) 与压电陶瓷相比有更低的导热性，并能制得更薄的薄膜。 ( 9 ) 柔软坚韧( p v d f 的柔顺系数约为p z t 的3 0 倍) 、重量轻( 比重只 有p z t 的1 4 左右) ，能制成所需的各种较复杂的形状( 锥形、穹 顶形等) ，可使用在需要具有特殊定向的元件中。基于以上任务要 求，对于接触力传感器有如下 总的来说，p v d f 压电薄膜比石英、p z t 等具有压电常数大、频响宽、 机械强度好、耐冲击、质轻、柔韧、声阻抗易匹配、易加工成大面积、价格 便宜、不易受水和一般化学品的污染等特点。它不仅在许多领域中可替代压 电陶瓷材料使用，而且还可以应用在压电陶瓷材料不能使用的场合 4 1 2 力觉传感器工作原理 欠驱动机械手总体尺寸小，这就需要传感器结构简单，尺寸小，保证传感 器能够贴于手指指面而不增加机械手负担。传感器需要接触不同形状，表面 性能各异的材料，因此传感器表面需要具有柔性，保证接触面的充分接触及适 应不规则的表面。机械手内部空间有限，应做到引线少，处理电路简单，保证 在机械手有限的空间内可以安装数据采集及处理系统。 p v d f 压电力觉传感器是由p v d f 敏感单元、电荷放大装置、数掘采集和 处理系统。p v d f 敏感单元分为三层：表层和底层采用硅橡胶作为接触保护层 和基底缓冲层，以使传感器具有柔性：中间层是p v d f 压电薄膜，薄膜厚2 0 0 9 m ， 均匀切割成面积3c m x 3c m 的单元。封装时，先取一片1r n n l 厚的硅橡胶片 作为基底，然后用硅橡胶贴上接好电极的p v d f 敏感片，最后在上面再粘上一 层1m n l 厚的硅橡胶表皮。结构图如下图所示。 橡胶皮 图4 1 力觉传感器结构图 3 2 极 v d f 哈尔滨工程大学硕十学何论文 p v d f 压电薄膜受压后产生的电荷不能直接测量，必须经电荷放大装置将 电荷信号转换成电压信号才能进行采集。电荷放大器有两个作用：把压电式传 感器的高输出阻抗变换为低阻抗输出：放大压电式传感器输出微弱信号。由于 机器人手爪要求传感器后续处理电路尺寸小，以便装于机械手有限空间内。而 通常商品电荷放大器比较昂贵且体积大，因此，设计一个简单的满足机器人手 爪使用要求的电荷放大器很关键。图是电荷放大器的原理图。采用l f 3 5 6 作 为电荷放大芯片，o p 0 7 作为反向加法电路的主芯片。 g n d 一5 vo p 0 7u 2 图4 2 电荷放大器 在信号进入a d 转换前，应使传感器的输出与a d 转换的电压范围相匹 配。p v d f 敏感材料受压、或在受压状态下压力消失时，产生的电荷灵敏度大 小相等、方向相反，所以，传感器信号生成时，“+ ”、“一”极性的电荷信号都 可能产生，经过电荷放大、反向加法器后输出的信号最大将达到运算放大器 正电源电压附近。 3 3 哈尔滨工程大学硕十学位论文 传感器系统采样框图如下图所示。9 个p v d f 传感器通过多路模拟开关 连接至电荷放大器，经a d 转换送入计算机处理。双向模拟开关在每次采样 完毕后闭合一次，使放大器复位，以保证每次读数均有一致的起始点。多路模 拟开关由计算机控制，完成9 个传感器间的采样切换。数据采集系统软件为数 据采集程序和数据动态显示程序。采集程序分为屏幕实时显示方式和将数 据写入文件后再分析两种方式。数据采集软件可以同时显示多组通道， 可将多个传感器的数据进行实时的对比。 双向模拟开关 图4 3 传感器系统采样框图 4 1 3 实验分析与数据处理 当有力作用在橡胶皮上时，将机械能转化为电能。压电方程为： d = d f + s 。e ( 4 1 ) s = s e f + d r e ( 4 2 ) 式中：d 一压电常数矩阵，d = 【d i j ，i = 1 ，2 ，3 ，j = 1 ，2 6 d 一电位移矢量 丁一单位面积的作用力 s 一是单位长度的伸缩量 e 一电场强度 萨一恒电场下的柔性常数矩阵 7 一恒应力时的介电常数矩阵 3 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p v d f 拉伸极化后具有4 m m 点群的对称性【。，1 。常选取x 轴为拉伸方向， z - 轴垂直于膜面平行于极化方向，y 轴垂直于x 轴和z 轴，压电常数矩阵为： 图5 2 所示为p v d f 制作的片状薄膜，尺寸为h x a x b = 5 0 9 m x 3 0 m m x 3 2 m m ，当仅考虑z 方向受均匀的力时，即f 3 o ，e = 0 。 图4 4p v d f 膜应变示意图 因此，式( 5 1 ) 可简化为： d 3 = 以l 互+ 或2 e + 吃3 e + d , s f 4 + d , s f 5 ( 4 4 ) 在具体应用中可以认为d 1 5 = 0 ，互= 0 ，f = 1 ，2 ，4 ，5 。式( 5 4 ) 可进 一步简化为： d 3 = 吃，e ( 4 5 ) 同理( 5 2 ) 也可简化为： 由方程( 5 - 5 ) 、( 5 - 6 ) 得： 3 5 ( 4 6 ) 3禾 1，j o o o 丸o oo 丸o 3 o 0 以 o o 奴 o 0 以 ，。l = d 哈尔滨工程大学硕士学何论文 热= e 当e = 0 时： d 3 ：譬墨 , 3 3 3 e 1 岛3 = 了 已j ， 式中：乓一p v d f 压电材料的弹性模量 将式( 5 8 ) 代入式( 5 7 ) 得： 到。 根据高斯定律，电场内介质的任意表面的自由电荷为： b 口 q ( t ) = q ( t o ) + e p d 3 ，s 疵d y 当口、b 很小时，式( 5 1 0 ) 可表示为： q ( f ) = q ( ) + 吃3 s 3 a b ( 4 7 ) ( 4 。8 ) ( 4 9 ) ( 4 1 0 ) ( 4 1 1 ) 方程( 5 1 1 ) 中q ( f 0 ) 为介质初始贮能，一般情况下，认为q ( t o ) = o ，得 q ( f ) = 易以，s 3 a b ( 4 1 2 ) 由( 5 - 1 2 ) 可知p v