【《某机械手爪设计及运动仿真研究》3200字（论文）】

某机械手爪设计及运动仿真研究摘要：随着我国工业特别是大中型企业、航空、海运、铁路运输业的快速发展，机械手爪的实际应用就显得十分关键。本文在对数值优化和机械手爪的内涵进行阐释的基础上，对机械手爪结构在进行方案比较的前提下进行了设计，最后，对设计进行运动仿真、静力仿真、动力仿真，证实了设计理论的正确性。关键词：数值优化；机械手爪设计；运动仿真；静力仿真、动力仿真引言随着我国社会经济的快速发展，企业自动化需求的进一步提高，传统的机器人控制算法已很难适应新时代生产力发展的需要。特别是一些大中型企业、航空、海运、铁路运输等部门都急需能研究出灵活应变复杂工作的机械手爪应用技术[1]。为此，近些年来，一些研究人员围绕这一方面的内容，正在进行深入探讨，机械手爪控制领域正在面临着新的“洗牌”。本文在这一背景下，选择以数值优化下机械手爪设计及运动仿真为研究课题，目的是要对机械手抓取的设计与实现有一个全新的认识。1.数值优化下机械手爪概述1.1数值优化的阐释本文所讲的数值优化，是指机械手在满足手爪行程约束和拾取工件最小重量约束的过程中，所反映的最小化机械手爪的结构参数。也就是说机械手在规定行程内用最短的时间，抓取运送最多的工件数量。他可以用最小的企业成本，发挥最大的经济效益[2]。1.2机械手爪的阐释机械手爪是指能够实现类似于人手功能的机械手部件。它不仅是能够主动感知环境信息的最后执行器，而且还是一个具有高度集成的智能化机电系统。其主要特性有四：一是抓取可靠；二是控制简单；三是环境适应性好；四是能够快速精确地抓取。由于其运动方式有平动和张角两种，因此，与此相适应，二指手爪又可分为二指平动手爪和二指张角手爪[3]。2.机械手爪机构设计2.1机械手爪机构方案设计机械手爪机构设计方案一般有两种：一是平行四边形索杆析架机构设计方案；二是反平行四边形索杆析架机构设计方案。两种设计方案相比较而言，平行四边形索杆析架机构设计方案的优点，要多于反平行四边形索杆析架机构设计方案，主要是该机构不仅具有设计难度小、方便分析、结构简洁等优势，更能够确保空间捕获任务的顺畅完成[4]。因此，本文推荐平行四边形索杆析架机构设计方案作为本课题的设计对象。由平行四边形组成的索杆析架式机械手爪设计方案，详见图2-1所示，从图中可见，该平行四边形机构的卷筒上分别缠绕着两条张力索，让张力索的收放活动顺畅。当第一个张力索收紧、第二张力索松开时，构件一和构件三转动的方向为顺时针，同时减小了ф;相反，如果第一张力索放松、第二张力索收紧，构件一和构件三的转动则是沿逆时针方向[5]。不难看出，驱动机构的运动，是通过张力索的协调收放运动才形成的。当两条张力索都张紧的情况下，机构的状态就是静止，显现的结构为瞬态。如果是多个平行四边形索杆析架机构单元进行串联的情况下，欠驱动索杆析架式机械手爪就会因此而形成，成为5个平行四边形索杆析架机构的机械手爪机构，详见图2-2所示。该结构的优势是借助每个关节的摩擦阻力完成每个单元的同步运动和依次运动。图2-1平行四边形索杆析架机构图2-2平行四边形索杆析架机构的机械手爪机构2.2机械手爪结构设计2.2.1确定基本的单元尺寸见下面2—3图，其目标为圆柱物体，圆的已知半径设定为R0（具备最大目标半径的抓取）和机构基点与圆心对应位置（即图2-3中参数L、M）。图2—3：机构包络物体目标简图考虑抓取目标时，机构单元5与目标接触点必须高出圆心目标，而且设定单元转动关节尺寸为r,设定转动关节和目标物接触点与单元的间距为s。因为本体系对目标的捕获要借助机构单元包络目标，并且综合机构可扩展性的要求，相同的基本单元规格，由于该机构捕获目标时需要由机构单元包络目标，且考虑到机构设计要求具有可扩展性，单元基本尺寸相同，不同于一般机械夹持器每个连接单元的大小设计,在具体设计上欠驱动机械手爪采用五个索杆桁架单元构成。初步设定可抓取1.5米的圆柱最大目标直径，另外的设计参数值的初定详情见表2-1，满足参数要求的最小单位参数b0通过程序计算得出，并圆整(详情如表2-1)。单位机构单元尺寸的大小b0和a0初步设定为黄金比例，也就是对a0/b0,=(5-1)/2关系的满足(圆整数据详情如表2-1)。表2-1：机构单元及圆柱物体参数表（单位mm）2.2.2构建三维模型欠驱动索杆析架的结构包括基座、平行四边形索杆析架单元、摩擦关节、限位关节、杆件相对角度测量装置，其中限位关节和摩擦关节为最重要的两个关节[6]。分析限位关节的功能，最重要的是限位块间的彼此配合，良好的协作可以避免对物体进行抓取时因为单元杆的相反，造成抓取不成功；分析摩擦关节的功能，一侧的杆件分别固接摩擦块，将其压紧的是两个压紧螺母，在摩擦关节中，摩擦块分别与其一侧杆件固接，并被两压紧螺母共同压紧，阻碍两个杆的相对运动的摩擦力矩。通过改变压紧螺母间的距离改变摩擦块间的压力，从而改变杆件间的摩擦扭矩[7]。3.机械手爪仿真分析3.1运动学仿真分析机械手爪运动学仿真的步骤是：第一，设定机构杆件与捕捉目标的相关参数，运用MATLAB编程进行运动学分析计算，在得到转动关节角速度、驱动绳索长度与时间的关系、机构末端位置与时间的关系后机构的三维模型在PROE中建立同时在ADAMS软件中输入，模拟仿真进行运动学[8]。第二，设计接触碰撞在杆件间以及捕捉目标与杆件间，用于模拟杆接触捕获目标时实际机构与碰撞机构之间的极限动作。第三，由于欠驱动索杆析架三维模型机构具有5个自由度，有必要将电机设置在每个转动关节处，对杆件间相对运动进行模仿。第四，不计转角关节规格影响驱动绳长的程度，通过对转动中心间距离的测定，求出驱动绳长度，以及测定角速度、绳长终端处模拟数据。第五，如果比较模拟结果与计算结果的一致性，就证明以上理论是正确的[9]详见图3—1至4。其机械手爪运动学仿真的全过程详见图3—5。图3—1：机构关节角速度变化图3—2：驱动绳长变化图3—3：机构末端位姿X坐标图3—4：机构末端位姿y坐标图3—5：机械手爪运动学仿真的过程3.2静力学仿真分析静力学仿真的程序为：第一，绳子的拉力被简化为两点间的力,采用的运动学仿真模型与基础模型一致；第二，处理三维模型并将其导入仿真软件中；第三，当目标被捕获后，摩擦关节开始产生静摩擦阻止机械装置向相反方向移动,驱动力开始运行；第四，检查测量结果，说明模拟结果与计算结果的一致性，验证了本研究理论的正确性。3.3动力学仿真分析动力学仿真类似于运动学仿真。第一，将电机安置在每个关节处，在MATLAB曲线拟合工具箱里导入理论计算值，实施拟合的多项式，然后在电机内进行编辑后驱动；第二，实时管控每个关节电机的转速，测量各个环节的变化，例如等效关节扭矩、运动角加速度、角度和角速度等；第三，对电机进行实时控制，经过短时间的碰撞之后，波动很快稳定下来且关节位移稳定，证明杆件运动具有实际意义，理论计算结果与动力学仿真计算结果呈现一致，足以验证理论计算完全正确。4.结语本文在数值优化的前提下，提出了机械手爪机构设计的两种方案，经过比较，在肯定了平行四边形索杆析架手爪机构设计方案的基础上，对机械手爪的结构进行了设计。经过建立三维模型机构，并对模型进行运动学仿真、静力学仿真和动力学仿真，证明了机械手爪的理论计算是正确的。参考文献：[1]刘俊、杨新志、王云锋.基于数值优化的柱状铸件通用机械手爪设计及其运动仿真分析[J].机电产品开发与创新,2020,v.33;No.185(06):13-15+19.[2]陆鹏,石钢,周志浩,等.基于Solidworks的机械手爪运动仿真及有限元分析[J].中国科技纵横,2014,000(011):53-54.[3]王红军,赵润茂,唐之富,等.基于多领域统一建模的采摘机械手运动仿真[J].机械设计与制造,2015,000(011):156-159.[4]张烈.夹持机械手爪机构的设计与优化分析[J].速读（中旬）,2018,000(003):8.[5]张世界,李一浩,刘海伟,等.斜直井钻机石油钻杆管具拾取机械手运动规划及动力学建模与仿真[J].机床与液压,2018,05(v.46;No.455):45-49+66.[6]王念峰,韦帅,张宪民.基于机构运动平稳的灵巧手手指优化设计[J].机械设计与研究,2013(04):16-18.[7]杨玉维,张明路,赵新华.2杆轮式悬架