机械手 RTF 文件外文翻译

1、中文翻译机械设计的新方法.铰接式机器人手的手指法布里齐奥·洛蒂,加布里埃莱·瓦择尔DIEM,Mech.Eng部,博洛尼亚大学,意大利,fabrizio.lotti mail.ing.unibo.it. DIEM,Mech.Eng部,博洛尼亚大学,意大利,gabriele.vassura mail.ing.unibo.it.摘要本文首先讨论了简化的原因.手指的机械结构的解决方案.机器人手应该被认为是值得的设计目标。经过简短的讨论有关的机械.方案提出,到目前为止对于机器人手指,提出了不一样的设计方法。它认为手指.由弯曲刚性连接结构连接.铰链,联合手段获得的驱动.可以遵循按劳分配

2、的手指弯曲等不同的模式。根据其中之一的一个简化模型.提出结构,与初步结果模拟,这样是为了评估可行性的概念。技术范例.实施终于和应用的角度和问题做出简要讨论。.1.引言在发展的拟人机器人手,设备模仿人类的手塑造过程中,尺寸和内部流动中一方有一个趋势是增加灵巧,另一个是不断增长的需求.使其成为更简单,更实用,适用的设备。根据图【1】一双好的灵巧的双手需要通过许多方面检测试验,包括最近提出的。至于机械.方面,目前已经有很多人提出许多设计解决方案,其中有关于整体运动学.组态,驱动方案所采用的.技术解决方案和感觉统合。但是,现有的解决方案大多数过于复杂和笨重,没有真正适合的分布式和感应式的设备,最后还有

3、一个重要的因素就是:把这种机器人投入到实际规模应用花费太贵。目前的工作目标是开发和测试不同.设计理念,重点发展.,根据“标准机制”的简化结构图2,这意味着接头的铰接式结构.柔性铰链会使手指弯曲。考虑到机器人手的机械设计方面,这种方法很不理想。我们现在优先解决联合,结构,驱动和传输问题等其他基本需求,想拥有一个分布式,感官系统,并获得良好的形和兼容。接触片,不考虑与同级别这个方面优先考虑,也可以考虑好几个机器人手进行设计。根据并行工程的设计实例。规则。尤其是,要区别于传统的设计方案。我们需要在里面预留足够的可用空间,主要用于关节活动和直接驱动关节驱动。避免缺乏空间使用定位传感器,电线,并符合垫大

4、幅增加时.滑轮运用于肌腱跨越关节。滑轮帮助克服许多相关的问题。肌腱传输,但会引入严重的设计限制,因为它们的直径不能太小。他们占据手指截面。一个这种传统方法的例子勾勒如图1所示,这就可以知道,完成其他重要因素是多么困难如手指中的传感器,电线和皮肤垫。 图1 :基于滑轮手指设计( UBHand二3 在通常的做法,启发外骨骼模型,分布各地的内部连结料空心(承载肌腱传输,这样可以塑造主要面向封闭的截面,并且具有良好的刚度和重量,但是它握其他东西的能力就降低了。大多数时候只有一个.薄橡胶层可以应用于中间.指骨,只是为了增加接触摩擦,使用兼容垫可能只在指尖。这种设计方法的几个例子可以在文献中见到。有了一个

5、非同寻常的进展,模仿人类的手模型,基于骨骼模型,并给出了一种内在的刚性框架的功能区分。(“骨头”和一个外兼容层(“肉”。.执行器通常远程传输。实现引导鞘,腱,使手指的很大一部分截面用来实现其他。功能。设计理念是完全不同的,因为驱动不放在一个传感器和接线,但是铰接式结构在它的周围。据有关的技术解决方案这种生物形态。方法是更难以实施。但似乎这是一个充满希望的方式来开发新一代.机器人手。沿着这条重大的贡献方向已最近提出4,5 ;.见证了升级的机械水平的需要。到目前为止,如果涉及到其他机器人技术的演进,如遥感和控制,这些技术解决这种问题是不足够的。2。机器人手指的替代结构铰接式手指的结构可以通过使用。

6、相当经典的旋转应用于不同的关节。根据引脚和轴承的设计替代方案,根据不同的概念,可以发现,这是由自身的性质决定的。.可以识别两个主要类别的解决方案:.- 关节之间的相对运动。相邻的刚性连接的手段获得双运动(这意味着接触面这两个环节之间的连续性材料;.- 相对运动时所允许的关节,是变形结构的一个标准部分,.永久连接在这种情况下,有两个刚性连接;一个可以连接兼容的部分,由不同的材料(如橡胶或弹簧钢或简单地通过引入结构形成内连续结构(兼容机制衔接模式属于一种一流的解决方案,一个能够能够有更多的自由度,有两个基本模式:.- 双滑动接触(图2a,在其中主要是由于两个环节之间的相对旋转。两个配合面之间的滑动

7、,分别为凸、凹低摩擦层;- 滚动接触对(图2b,2C在其中。相对旋转滚动之间的结果。两个共轭概况:凸或形成凹凸对。在这两种情况下,运动对需要用韧带整合,能够创造出一种连续性的排序结构,因为这种运动在一种情况下6自己可以抵抗负载。第二类解决方案:使用兼容的零部件作为关节,旨在简化结构设计,获得挂接的结构与数量减少。零件,容易被制造和装配,廉价,但是尚未完全有效的和所需的兼容。功能。不同类型的兼容关节。定义,基于适当大小的变形。弯曲(图2d或扭转铰链。然而这种方法显示出了严重的设计问题,一直到目前为止,通过在不同的情况下,小排量。机器人。主要目标是发展关节之间无摩擦,无间隙和使用。在机器人或末端效

8、应等设计方案,致力于高精密任务7。8,9,10,11,12对于铰链设计有详细的理解和帮助 图2 :手指关节的替代设计概念尽管在设计和实施方面有许多问题,但是兼容机制的概念显示了一些有吸引力的功能:- 不是所有的韧带都是必要的,指骨可直接连接,可以使手指骨骼作为一个单件的结构,以获得理想而合适的技术,避免正面接触表面问题- 可以利用铰链的刚度去简化驱动系统,因为一个单一的。行动(如肌腱平均可以弯曲,联合拉动和铰链的刚度相反,此外,集中弹性的存在。关节沿着手指的结构可以在驱动配置下正常运行。反对这些正面的功能几个缺点,并且出现严重的设计问题。.其中有些是由于运动学性能。这些关节和旋转关节完全不同。

9、一个结构性的铰链(图3 通常.不取代这就好比喻一个旋转对旋转弹簧内,因为它的位置中心可以改变和翻转,除了旋转可能发生外。可以被定义为一个广义模型。如图3a所示,被替换铰链,其中每个由移动副的轴向刚度,连接到通过两个转动副与内部的手指链接、旋转弹簧,进一步增加问题的复杂性,非所有内部弹簧的非线性行为。可能会考虑。可以简化模型。定义为在图3b,假设铰链轴向刚度非常高,其长度只有忽略不计的变化,如图3c所示,假设即使在大位移,相对中心的位置,两个环节之间的旋转也不显着改变。这个假设可以证明只要伪刚体模型霍维尔 2 提出可应用。. 图3 :铰链Kinetostatic模型第二个熟悉的问题是关于最佳铰链

10、的设计:不同于以前的小位移的应用,机器人手指内。挠度达到需要至少有90度的旋转,这样能够达到模仿人的手指活动性。一个适当的形状和材料的选择,成为它的实际可行性的关键因素,决定刚度,抗疲劳和制造。另外,低刚度铰链可以减少弯曲所需的能源量。手指和减少从驱动器所需的力量。对方会降低系统的带宽和。增加由于铰链变形的位置误差。在一般情况下,将更加难以管理模式的系统,并获得良好的控制。然而,铰链为基础的机械结构似乎是一个非常有趣的概念,对于鼓励发展新型的为机器人.手指设计。3。符合手指结构的设计尽管有其明显的简单,实施,机器人手指的兼容机制的概念还是涉及到许多理论和实践相关的复杂性问题。最主要的设计步骤是

11、发展驱动模式的选择,该步骤由初步的kinetostatic帮助分析,可以帮助指模型、制造业的选择技术最终的设计优化和.表征。.至于驱动模式,根据开动数、弹性元素及其位置、铰链等不同的配置可以定义,正如图4所示,一些检查配置正在勾画。图3C是采用铰链模型的简化。 图4:驱动模式他们主要的不同是开动数、关节方面的元素和它们的路径,这使得实现程度不同数量、自由度(DOF和最终程度下驱动( d.o.u. ,和不同的弯曲动作(单张力负载或高强度压缩载荷。.因为我们的目标是要达到至少自由度为2,为了实现变量的方向轨迹和理想地实施对象。操作策略。一个合适的配置需要至少考虑两个双效筋,并评估比较程序。评估程序

12、比较了不同的解决方案:配置4B最先考虑。但解决的办法勾勒出图4E,后来首选4E。为了考虑到技术实现,可用的解决方案可以根据选择不同的材料和装配概念。基本上三个主要可能性已被考虑到,它们是:- 不可分割的单件设计(铰链,指骨相同的材料和肌腱 ;.- 增加肌腱的一体式结构(如模压塑料的指骨和铰链,肌腱钢弯曲 ;.- 组装的解决方案,其中指骨,铰链和筋可由三种不同的材料制成,可以部分分开制造再组装,或者使永久材料具有较高的S / E的加入。至于材料本身,必须提及高应变的作用,没有克服强度要求。这如表1所示,这方面的一些塑料物料,如聚丙烯或聚四氟乙烯,提供了非常好的机会,并强烈支持单件的概念。Tab.

13、 IE (MPa Sy (MPa聚四氟乙烯(PTFE 345 23 66,7聚甲醛2068 69 33,4尼龙(type 6 2620 81 30,9环氧树脂E玻璃(73,3 %56000 1640 29,3聚丙烯1400 34 24,3丙烯(HDPE 1400 28 20,0钢(山特维克11R15 186000 1950 10,5钛TI - 13热处理114000 1170 10,3热处理铝7075 71100 503 7,1可以想像在这个非常低的成本结构,角度和手指结构的连续性会是一个非常实际可行的解决方案,像布线分布式传感器,柔性电路板印刷。顺着手指的结构本身。另外铰链、肌腱高强度钢板弯

14、曲,可以提供更可预见性的疲劳行为、高屈曲阻力。总的来说,这是为了为引导更可控的滑动条件肌腱。一个明确的选择,可以只考虑所有确定整体设计目标和在实际重量上的设计质量。目前,一种单件材料首选的解决方案已经雏形初现并且实施,但是也应该考虑不同的可能性。在图5中提供了最新设计的手指原型,因为它涉及的器件(一后插入他们然后引导(二弯曲。它有聚四氟乙烯加工,并有三个弹性铰链,加上两个主动一个被动弯曲和变形的铰链的配置,对应于相邻链接45度角,因此,获得90度角偏移,从向上45度偏移,向下45度偏移。 图5 :最新的手指原型对于任何考虑的驱动模式和结构设计,一个初步的kinetostatic手指分析， 模型

15、 进行,为了验证其运动学动作和评估所需的负荷强度。 致动元件结构如图5,三个铰链 具有相同的设计刚度（非线性行为的联合一直估计,与K = 0,7 NMM /度） 。屈展出 相同的抗弯刚度和能同时传输。 张力和压缩载荷,而指骨弯曲之间的摩擦可以忽略不 计。在kinetostatic分析内部操作产生处以弯曲评估的。作为一个关节之间的角位 移的功能。 数值计算的一些结果已经绘制在图6,首先是手指工作区,然后是近端角位 移， （PJ）的内侧（兆焦耳）和远端（DJ）的关节在一个圆形指尖轨迹,最终记录 轴向负荷TP,TM和TD近端行事,内侧和远端弯曲，连同所需位移XP,XM两个积极弯曲。 它可以清楚地观察

16、TP负值,TM和TD,这意味着压缩载荷作用于弯屈,随之而来的问题 是弯曲曲度。一般可以减少铰链的刚度有自由的载荷强度，因此可以减少弯曲刚度 要求， 考虑到无应变的参考配置,而只有张力负载时手指弯曲， 其内部作用力向内或 抗拒接触表面，应避免手指结构在承受负载时出现向外弯曲。 Figure 6: Trajectory related displacements and forces 4。原型实现和早期结果 本文报道了制定单件的手指结构、综合弯曲的、相同的材料、铰链和指骨，几 个原型手指,不同的驱动模式,和铰链设计，在平行分析和优化工作中已建成和测试 聚四氟乙烯是目前采用的材料在手指结构,其良好的

17、机械性能（见标签一）,生产能 力,低摩擦和耐磨性。.这种材料板被数控机床在铣削，为了获得不同的手指结构与 集成弯曲，两个例子如图7所示。 图7：用不同的驱动模式的原型 手指原型测试是采用实实验室设备设计的,（图8）用执行机构，可以产生线性 控制，提供运动曲度位置和力控制，实验旨在实现结构运动，并在轨迹精度和可重 复性方面实现性能评价。 图8：手指的弯曲试验 早期的定性结果表明， 这一概念工程相当不错,即使轨迹错误。 由于建模负载下 的逼近和构造变形是不容忽视的， 在目前实施进一步改进设计， 似乎是必要的目的。 5。工作进展情况 除了必要的优化工作设计.正在开发符合铰接式结构， 为了实现两个重要

18、的额外 目标，确定第四铰链的位置.整合运动、角位置和每个关节内的传感器，以获得更准 确的轨迹控制。 到目前为止， 发达国家的这种结构是一个基本组成部分手指,但并不 代表整个系统， 因为骨骼必须包括一个兼容层重现软组织的功能,可能包括分布式触 摸传感器。为了达到这个目的设计工作，用连续的外壳集成一个单件的手指骨架， 制成聚氨酯凝胶,以及关节以上的皮肤弯曲13。 Technogel,由拜耳发明的聚氨酯 凝胶,可以应用到根据弹性行为和目前正在测试的几个如图的设计。 一个可行的凝胶 手指盖形状草图如图9所示. 图9：一个手指凝胶浆草图 6。总结 非常规设计的机器人设备,就机械结构和有关材料而言,可以有

19、助于由传统的方 法克服一些限制。在特定情况下，机器人手有一个极大的好处可能是预计从结构简 化,这并不意味着减少功能和能力,但是另一方面，一种方法来帮助解决一些手设计 的关键问题仍然存在。迄今为止进行的设计细化工作和实验测试，证明符合机制。 设计的概念引入实际应用可以获利。铰接式机器人手指是非常有趣，刺激的研究方 向,但同时表现出寻找最佳的解决方案是一个非常复杂的问题,还有很多工作要做， 需要在许多方面进行探讨，以便深入研究具体结构的一般设计标准和控制问题。 7。致谢 感谢安德烈·巴格纳，斯特凡诺·蒙蒂和吉安卡洛，尼安诺尼等在DIEM的技术 人员们,以及他们的宝贵实验所做的的

20、贡献。 8。参考文献 1 Bicchi,“灵巧的操控手和其强大的握力：一个艰难的道路走向简单”.IEEE机器人 与自动化,第16卷,2000年12月.6号。 2 L.L.Howell,“规定的机制”,约翰·威利.父子,2001年,ISBN ： 0 -471- 38478 -X. 3 C. Melchiorri,G。 Vassura,“实施全手操作能力的U.B.手系统设计研究的高级机器人” 第547-560,9卷。 4 Y.K.李,一，夏三,“骨骼框架驱动气动人工人工手肌肉”proc.1999 IEEE诠释。 CONF 。 机器人学与自动化,底特律,密歇根,1999年5月。 5与舒尔茨,C·Pylatiuk,G。 Bretthauer “一个新的超轻机器人手”,proc.2001 IEEE诠释。 CONF 。机器人与自动化,汉城,韩国,年5