变刚度柔顺抓取装置设计方法研究

作     者：李建钢 

作者单位：中国科学院大学(中国科学院宁波材料技术与工程研究所) 

学位级别：硕士

导师姓名：杨桂林

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：变刚度夹持器 柔性并联机构 刚度模型 有限元分析及性能分析 优化设计及样机设计 

摘      要：机器人末端夹持器是安装于机器人末端用于实现抓取、夹持任务的执行装置,被广泛用于物料分拣、食品包装及工件装配等领域,其抓取对象既包括不同尺寸、不同质量的物体,也包括不同形状、软硬不同的物体。然而,对于这些不同物体的抓取,传统的刚性夹持器往往只能通过夹持器的开合运动,适应不同尺寸的硬质物体,难以适应几何形状复杂或质地脆、软的物体。因此,为了拓宽夹持器的适用范围,迫切需要研制新型变刚度夹持器实现对不同形状和材质物体的柔顺抓取和夹持。本文提出一种基于柔性并联机构的新型双夹爪变刚度夹持器,每个夹爪是一个由四根对称旋转柔性支链组成的变刚度柔性并联机构（VSFPM）。夹持器由两个电机驱动,其中一个宏动电机用于控制夹爪的开合运动,适应被抓取物体的几何尺寸;另一个微动电机用于控制柔性支链的旋转角度,以调整夹爪在开合方向的刚度,实现变刚度柔顺抓取,提高对被抓取物体几何形状、材料属性的适应能力。本文从机构的构型设计、变刚度原理分析、静力学建模、性能分析、尺寸优化设计、仿真实验验证及系统样机设计等方面进行研究。首先,根据新型变刚度夹持器构型设计要求,确定了总体设计思路。基于刚度投影方法,分析了基于旋转支链柔性并联机构在夹持方向上的变刚度原理,提出了一种新型的基于对称旋转式柔性并联机构的变刚度夹持器。通过有限元分析,验证了变刚度柔性并联机构的构型设计方法的有效性。其次,应用基于伴随变换的刚度分析方法,对新型的变刚度柔性并联机构进行了静力学建模,求得了夹持器夹爪在任意旋转角度下的刚度模型,并通过有限元仿真分析,验证了刚度模型的准确性。有限元分析结果表明,设计的VSFPM机构具有较大的刚度调整范围（0.178N/mm—9.663N/mm）。再次,通过ANSYS Workbench软件,对VSFPM机构的关键性能指标进行了重点分析,具体性能指标包括:疲劳寿命、平行夹持性能、模态;有限元分析结果表明其具有较长的疲劳寿命,且具有较好的平行夹持性能,能够完成平行夹持功能;此外,进行了机构的模态分析,为后期的结构优化设计及刚度控制奠定了基础。然后,根据机构的镜面对称结构特点及具体的应用需求,确定VSFPM机构的设计参数、性能指标及约束条件,建立一个带有复合加权因子的单目标优化数学模型,并通过选择合适的优化算法,得到一组尺寸优化设计参数。最后,根据VSFPM机构的尺寸优化设计结果,对新型变刚度夹持器进行了结构设计;结合抓取及夹持作业需求,合理地选择电机驱动器及控制器,提出了两种控制方案,实现了变刚度柔顺抓取装置的系统集成;通过一系列抓取实验,充分地表明了该变刚度夹持器样机具有出色的抓取能力及刚度调整能力。本文的研究为变刚度柔性夹持器设计提供了新的思路和方法,为后续夹持器的运动控制及刚度控制奠定了理论基础。