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气动球果采摘柔性手爪设计与实验

农业机械学报 2021年第2期52卷 30-43页

作者：刘晓敏田德宝宋懋征耿德旭赵云伟北华大学机械工程学院吉林132021

针对球形果实采摘问题,采用气动多向弯曲柔性驱动器设计了2种规格带有回转腕部功能的多自由度3指采摘柔性手爪。该采摘柔性手爪采用中心对称结构,其柔性手指与驱动器复合一体,在气压下可产生贴合球果表面的弧状变形,3指协同配合运动抓... 详细信息

针对球形果实采摘问题,采用气动多向弯曲柔性驱动器设计了2种规格带有回转腕部功能的多自由度3指采摘柔性手爪。该采摘柔性手爪采用中心对称结构,其柔性手指与驱动器复合一体,在气压下可产生贴合球果表面的弧状变形,3指协同配合运动抓取球果,并通过腕部旋扭分离方式完成采摘。研究了“刚柔耦合”驱动器的材料和制造工艺,建立了柔性驱动器形变模型,获得了其气压下的形变特性,并进行了相关实验验证。试制了采摘柔性手爪物理样机,研究分析了柔性手爪的工作空间、抓取模式和采摘时的力学性能,并在实验室搭建的采摘平台上进行了多种球果模拟采摘实验。结果表明,该采摘柔性手爪具有3种抓取模式,物形适应性好,抓取柔顺可靠、动作灵活,采摘主动安全、损伤小,适于多种球果的采摘。该柔性手爪采摘球果的尺寸范围为30~130 mm,三指交错强力握取球果的最大质量为1.28 kg。

关键词：球果采摘柔性驱动器柔性手爪气动

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褐菇无损采摘柔性手爪设计与试验

农业机械学报 2020年第11期51卷 28-36页

作者：卢伟王鹏王玲 DENG Yiming 南京农业大学工学院南京210031 江苏省现代设施农业技术与装备工程实验室南京210031 密歇根州立大学工学院东兰辛MI48824

针对娇嫩褐菇自动化无损采摘易损的问题,首先分析了褐菇的生物学特性和力学特性,分别给出拔断和扭断采摘方式抓持力的约束方程,并优选出扭断式采摘方法;通过ANSYS对柔性手指夹持褐菇进行静力学分析,给出柔性手指指节数、褐菇直径及气压... 详细信息

针对娇嫩褐菇自动化无损采摘易损的问题,首先分析了褐菇的生物学特性和力学特性,分别给出拔断和扭断采摘方式抓持力的约束方程,并优选出扭断式采摘方法;通过ANSYS对柔性手指夹持褐菇进行静力学分析,给出柔性手指指节数、褐菇直径及气压与抓持力之间的函数关系,建立评价函数,通过遗传算法优选出3指4指节的柔性手爪结构,以及18.65 kPa的最优抓持控制气压;基于此设计3指4指节的柔性手爪,并进行褐菇采摘试验,结果表明,与刚性手爪相比,柔性手爪抓持力减小,为(2.4±0.3)N;刚性手爪采摘褐菇的抓握处切面5 mm深度内均有损伤,且表面抓痕明显,而柔性手爪抓握处表面和内部均完好无损。说明所设计的3指4指节柔性手爪适于褐菇的自动化无损采摘。

关键词：褐菇无损采摘柔性手爪

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面向生活场景的负压阻塞复合式柔性手爪研究

江苏科技大学学报（自然科学版） 2022年第5期36卷 60-65页

作者：方海峰李琛王明强许侃雯吴群彪江苏科技大学机械工程学院镇江212100

针对当前机械手爪研究多面向工业生产,而在对抓取对象复杂的生活场景方面研究较少的问题,提出一种面向生活场景的通用型负压阻塞复合式柔性手爪,该手爪不仅具有良好的通用性,而且在同体积柔性手爪中具有较大的抓取力.基于多种柔性夹持... 详细信息

针对当前机械手爪研究多面向工业生产,而在对抓取对象复杂的生活场景方面研究较少的问题,提出一种面向生活场景的通用型负压阻塞复合式柔性手爪,该手爪不仅具有良好的通用性,而且在同体积柔性手爪中具有较大的抓取力.基于多种柔性夹持器的抓取性能分析,将阻塞型夹持器与负压吸附相结合,设计复合式柔性手爪样机并研究其抓取力,并搭建了实验平台对生活场景中常见的典型物体进行抓取实验研究.试验结果表明:手爪对尺寸在10~60 mm且拥有平整接触表面的物体能够实现100%的抓取成功率,对符合其中一项的物体也同样拥有良好的抓取成功率.

关键词：阻塞式负压柔性手爪

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面向柔性手爪的仿生双头关节设计

面向柔性手爪的仿生双头关节设计

作者：苑德烨燕山大学

学位级别：硕士

相比传统的刚性手爪,柔性手爪的自适应性更强和安全性更高,对于一些较小较轻的物体抓取具有更大的优势,但是由于自身刚度的限制,抓取的稳定性、精确性和抓取的力度都较差,因此为了解决柔性手爪的缺陷,采用一定的仿生学的原理,设计了一... 详细信息

相比传统的刚性手爪,柔性手爪的自适应性更强和安全性更高,对于一些较小较轻的物体抓取具有更大的优势,但是由于自身刚度的限制,抓取的稳定性、精确性和抓取的力度都较差,因此为了解决柔性手爪的缺陷,采用一定的仿生学的原理,设计了一种面向柔性手爪的仿生双头关节结构,同时为了提高抓取的稳定性,在仿生双头关节结构中采用了一定的变刚度技术,并对仿生双头关节进行了一定的分析。首先,对仿生双头关节的各个结构单元进行了设计与优化,对仿生双头关节结构的各部分的材料进行了选取,并根据颗粒干扰变刚度原理和层干扰变刚度方法对弹性结构进行了一定的设计,使其具有双变刚度模块。然后,对仿生双头关节弹性结构采用的硅胶材料建立了Yeoh本构模型,对所选用的硅胶材料进行了静力学分析和实验测试,确定了硅胶材料的具体参数,并对仿生双头关节弹性结构的刚度进行了理论分析。接着,对仿生双头关节的运动学进行了分析,并进行了运动学仿真,确定了仿生双头关节结构输入力矩与转角之间的关系,同时确定了仿生双头关节的最大弯曲角度,并对刚性结构中的衬垫结构进行了分析,通过模拟仿真结果对衬垫的外形进行了一定的优化。最后,对仿生双头关节结构进行了制作,根据结构以及材料的不同,选取了不同的制作方法,制作完成后,对仿生双头关节的刚度进行了实验测试,分析了影响系统刚度的因素,以及影响程度。

关键词：柔性手爪仿生双头关节变刚度弹性材料分析性能分析

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褐菇无损采摘柔性手爪设计与结构优化

农业机械学报 2021年

作者：卢伟王鹏王玲 DENGYiming 南京农业大学工学院江苏省现代设施农业技术与装备工程实验室密歇根州立大学工学院

针对娇嫩易损的褐菇自动化无损采摘，首先分析褐菇的生物学特性和力学特性，分别给出拔断和扭断采摘方式时抓持力的约束方程，并优选出扭断式采摘方法；通过ANSYS对柔性手指夹持褐菇进行静力学分析，给出柔性手指指节数、褐菇直径及气... 详细信息

针对娇嫩易损的褐菇自动化无损采摘，首先分析褐菇的生物学特性和力学特性，分别给出拔断和扭断采摘方式时抓持力的约束方程，并优选出扭断式采摘方法；通过ANSYS对柔性手指夹持褐菇进行静力学分析，给出柔性手指指节数、褐菇直径及气压与抓持力之间的函数关系，建立评价函数并通过遗传算法优选出3指4指节的柔性手爪结构，以及18.65 kPa的最优抓持控制气压；基于此设计3指4指节的柔性手爪并进行褐菇采摘试验，结果表明，与刚性手爪相比抓持力从（5.6±0.7）N降到（2.4±0.3）N，刚性手爪所采摘褐菇的抓握处切面5mm深度内均有损伤且表面抓痕明显，而柔性手爪抓握处表面和内部均完好无损，所设计的3指4指节柔性手爪可适应于褐菇的自动化无损采摘。

关键词：蘑菇采摘无损采摘柔性手爪结构优化

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水果尺寸在线测量的智能柔性手爪设计

江苏农业学报 2020年第2期36卷 455-462页

作者：季钦杰卢伟宋爱国王鹏丁宇王玲南京农业大学工学院江苏南京210031 江苏省现代设施农业技术与装备工程实验室江苏南京210031 东南大学仪器科学与工程学院江苏南京210096

针对目前水果自动化分级中手爪普遍缺少抓取力和水果尺寸信息而感知能力不足的问题,设计一种具有抓取力和水果尺寸原位动态检测功能的柔性手爪。首先,设计一种基于单气道多腔体结构的智能柔性三指手爪,其中一根手指通过悬臂梁力传感器... 详细信息

针对目前水果自动化分级中手爪普遍缺少抓取力和水果尺寸信息而感知能力不足的问题,设计一种具有抓取力和水果尺寸原位动态检测功能的柔性手爪。首先,设计一种基于单气道多腔体结构的智能柔性三指手爪,其中一根手指通过悬臂梁力传感器竖直安装于手掌上用于检测力触觉,一根手指内嵌柔性弯曲度传感器用于检测手指的弯曲度,另一根手指直接固装于手掌上;设计力觉传感器和弯曲度传感器调理电路,并分别进行标定。其次,提出基于力觉传感器和弯曲度传感器融合的水果尺寸原位测量方法,推导基于手指弯曲度的水果尺寸测量公式,并通过有限元分析和试验进行验证。有限元仿真结果表明,基于手指弯曲度的水果直径测量误差小于5%;通过分别对不同直径(15 mm、25 mm、35 mm、45 mm)的3D打印圆柱和水果(杏子、冬枣、红提和龙眼等)进行抓取试验,表明力觉信号第一次突变时刻(手指刚接触到圆柱时)的手指弯曲度可用于被抓物直径的精确测量,误差小于5%。基于柔性手爪的力觉传感器和弯曲度传感器信息融合进行水果尺寸的在线快速测量是可行的。

关键词：力触觉弯曲度柔性手爪原位测量柔性机器人

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果蔬侧立采摘柔性手爪设计与变形特性研究

机床与液压 2019年第9期47卷 51-57页

作者：涂琴岳东海王延杰刘光新常州信息职业技术学院机电工程学院江苏常州213164 河海大学机电工程学院江苏常州213022

为了实现果蔬的机械化稳定采摘,设计5种非对称柔性手爪结构方案,并对其进行优选;并针对不同负载下柔性手爪侧立抓握时的三维变形特点,提出包括最小工作压力、手指末端垂直位移、手指变形角在内的3个评价指标。通过单指变形特性试验和多... 详细信息

为了实现果蔬的机械化稳定采摘,设计5种非对称柔性手爪结构方案,并对其进行优选;并针对不同负载下柔性手爪侧立抓握时的三维变形特点,提出包括最小工作压力、手指末端垂直位移、手指变形角在内的3个评价指标。通过单指变形特性试验和多指手爪侧立抓握变形特性试验,分析不同状态下的手爪变形规律。研究表明,手指间呈一定角度布置的手爪方案在负载较大时最小工作压力、各项形变指标变化幅度均较小。总体上,手指末端垂直位移对负载的变化更加敏感;工作压力增加有利于手指末端位姿的稳定。采用仿人手4指的手爪方案5综合性能最优,为柔性手爪结构优化以及其形态的精确控制提供了参考依据。

关键词：柔性手爪变形变形角评价指标

抓取感知一体化的柔性手爪设计及接触力感知方法研究

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抓取感知一体化的柔性手爪设计及接触力感知方法研究

作者：林楚坛哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在产业自动化转型升级的趋势下,机器人需要在各种复杂工况的实际场景中完成指定任务,这要求其具备良好的柔顺性和环境共融性。机械手作为机器人与环境交互的关键部分,能够针对不同形状的物体进行自适应柔顺抓取并感知接触力是其需要具... 详细信息

在产业自动化转型升级的趋势下,机器人需要在各种复杂工况的实际场景中完成指定任务,这要求其具备良好的柔顺性和环境共融性。机械手作为机器人与环境交互的关键部分,能够针对不同形状的物体进行自适应柔顺抓取并感知接触力是其需要具备的两个重要功能。然而,现有的大部分机械手存在力感知精度低、环境共融性差、制造成本高等局限性,难以满足上述需求。为了解决这些问题,本课题设计了一种抓取感知一体化的柔性手爪,并开展了柔性机械手在抓取过程中的接触力感知方法的相关研究。为了满足不同复杂工况下对不规则形状物体的抓取操作需求,设计了一种“类鱼鳍”仿生结构的柔性手爪。利用柔性手指构型本身的力学特性,实现抓取过程中的自适应包络,并使用TPU柔性材料作为结构本体的主要组成部分,以保证手爪具备良好的柔顺性;同时,为了减小柔性材料非线性的力学特性对力感知精度的影响,在手指内部嵌入碳素弹簧钢片,提高了接触力感知的精度。整个柔性机械手具有结构紧凑、控制简单、成本低的特点,并具备多个可控自由度,能够满足自适应抓取和灵巧操作的需求。提出了基于人工神经网络(ANN)和有限元方法(FEM)的力感知建模方法。根据手指结构建立了“力-形变”的有限元框架模型,并通过人工神经网络对理论模型和物理模型之间的非线性误差进行补偿,最后通过最小二乘方法(LSM)的最优估计模型进行求解,实现高精度的力感知。基于ANN-FEM的力感知建模方法为实现抓取过程中的力反馈控制提供了理论基础。设计了基于应变检测的力感知及反馈控制方案。通过全桥应变片检测柔性手爪在抓取过程中的应变,并将其输入到基于人工神经网络的误差补偿模型中求解理论形变,然后将理论形变输入到基于有限元理论的LSM最优估计模型中,从而感知相应的接触力。最后,将感知到的接触力作为反馈信号,实现柔性机械手在抓取过程中的闭环控制。完成了柔性机械手的样机制作和实验验证平台,开展了柔性机械手力感知验证和反馈控制等实验。实验结果表明,所开发的柔性手爪不仅具有良好的自适应抓取能力,而且还能实现高精度力感知,并进行有效的接触力反馈控制,因此可以满足非结构工况下的柔顺抓取作业需求。

关键词：柔性手爪接触力感知一体化设计有限元方法人工神经网络

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一种变刚度柔性手爪设计及其性能研究

一种变刚度柔性手爪设计及其性能研究

作者：刘庚西安理工大学

学位级别：硕士

柔性手爪作为软体机器人的末端执行器,对于软体机器人的发展具有重要意义。与传统的刚性手爪相比,柔性手爪采用轻质柔软的弹性材料构成,具有柔性接触、适应性强、控制简单等特点,适用于对柔软易碎、轮廓复杂物体的抓取。然而过分的追求... 详细信息

柔性手爪作为软体机器人的末端执行器,对于软体机器人的发展具有重要意义。与传统的刚性手爪相比,柔性手爪采用轻质柔软的弹性材料构成,具有柔性接触、适应性强、控制简单等特点,适用于对柔软易碎、轮廓复杂物体的抓取。然而过分的追求手爪的柔性,导致其刚度缺陷日益凸显,柔性的提高虽然能够提高手爪的环境适应性与运动灵活性,但会导致手爪控制精度和抓取力的下降。本文设计并制作了一种基于纤维堵塞原理的变刚度柔性手爪,并对其驱动器性能、刚度调节机理、抓取性能展开研究。主要工作内容如下:对变刚度柔性手爪的柔性弯曲驱动器展开研究,基于超弹性本构模型分别建立了柔性弯曲驱动器的数学模型和有限元模型,得到了不同气压载荷下驱动器的弯曲角度以及末端输出力之间的关系;通过有限元分析确定了驱动器的结构参数。搭建实验平台对柔性弯曲驱动器进行性能测试,验证了驱动器数学模型及有限元模型的正确性。基于RVE法（代表性体积元）,提出了变刚度外套中纤维介质堵塞现象的分析方法。结合RVE法中周期性边界条件以及载荷的施加方式,建立了 RVE单元的有限元模型,得到了不同载荷下RVE单元的应力分布以及变形情况,仿真结果表明,通过增大纤维表面摩擦力与增大负压载荷,均可以提高RVE单元的抵抗变形能力,提升变刚度外套的刚度;利用变刚度外套实现了驱动器不等曲率弯曲变形,并且建立了相应的数学模型,得到了驱动器弯曲角度与气压载荷的关系。搭建实验平台,对变刚度柔性手爪的抓取性能以及刚度调节能力展开研究,结果表明,通过调节负压载荷,可以实现柔性手爪的刚度调节,在最大负压下,柔性手爪的抓取能力提升了 2倍左右,达到了预期的设计目标。

关键词：柔性手爪变刚度纤维堵塞 RVE单元