一种绳驱式欠驱动三指灵巧手的研究

作     者：何艳涛 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陶建国

授予年度：2014年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：欠驱动灵巧手 结构设计 运动学分析 力学分析 形态规划 联合仿真 

摘      要：末端机械手作为机器人直接与环境接触的工具，是各类机器人极其重要的组成部分，欠驱动机械手由于其能以较少的驱动元件同时驱动多个自由度，具有较好的形状自适应性，同时控制简单，近年来已成为机器人领域研究的热点。而在核事故环境下进行救灾作业的任务，又对机械手提出了更高的要求，包括抓取可靠、便于核防护、易实现远距离操作、重量尽可能轻等。因此，对欠驱动灵巧手进行研究具有重要的意义。 本文针对核事故救灾的具体作业任务，同时在考虑核事故复杂苛刻的环境条件下，提出一种绳驱式欠驱动三指灵巧手的设计方案，能够通过单电机驱动整个灵巧手（共6个自由度）实现抓取操作，灵巧手能够自适应各种不同形状的物体，并且抓取可靠，具备很好的形封闭特性。利用SOLIDWORK软件建立欠驱动灵巧手的三维模型，并对灵巧手进行详细的机械结构设计。 对欠驱动灵巧手进行运动学分析，利用坐标变换矩阵，建立灵巧手末端接触坐标系和手掌基坐标系之间的变换关系，推导灵巧手手指末端的位置方程，进一步得出灵巧手的工作空间;建立欠驱动灵巧手的抓取静力学模型，得出抓取物体时手指和物体之间接触力的表达式，获得影响手指抓取力的参数;同时对欠驱动手指进行动力学分析，得出手指各关节驱动力矩和各关节转角之间的关系，为灵巧手的控制奠定基础。 针对灵巧手需要完成的典型作业任务——开门，对灵巧手抓取门把手的不同形态进行对比分析，以灵巧手受力较小、各指节受力较均匀为目标，获得灵巧手抓握门把手的优化范围;对直接影响灵巧手设计性能好坏的两项主要参数——各关节滑轮半径、弹簧刚度进行优化选取。 基于ADAMS和MATLAB/Simulink软件对欠驱动灵巧手进行联合仿真平台的搭建，然后分别对欠驱动灵巧手抓取规则形状物体和不规则形状物体进行联合运动仿真，观察欠驱动灵巧手的抓取过程，验证灵巧手设计的合理性、具备包络抓握和夹持的功能特性，以及对不同形状物体的自适应性。