电气复合驱动柔性欠驱动机械手设计与实现
电气复合驱动柔性欠驱动机械手设计与实现
摘 要： 目的 针对轻工业、食品行业中被抓取对象物性多样、尺寸范围较大等问题, 设
计一种通用的欠驱动柔性机械手。方法 根据机械手需要满足的功能设计机械手结构, 运用
Matlab 软件中的 Fsolve 函数求解机械手中指节、指尖节相对转角与笔形气缸压力的关系, 并以
此绘制机械手的工作空间图, 建立机械手的简化抓取模型, 并以 500 mL 的啤酒、160 mL 的可乐
为抓取目标进行机械手抓取计算。结果 机械手的尺寸自适应连续宽度范围为 0～200 mm, 在适
应被抓物体尺寸大小的同时可以对机械手与物体间的接触力进行精确控制。结论 设计的机械手
抓取范围较大, 装有扭弹簧的串联双铰链结构使机械手无需传感器就可以实现对目标的可靠抓
取。
关键词： 机械手; 抓取范围; 工作空间; 抓取模型分析;
Abstract： The work aims to design a general underactuated flexible manipulator, with respect to
the problem that the object to be grasped in the light industry and food industry has various physical
properties and a large size range. The manipulator structure was designed according to the function
that the manipulator needed to meet. The Fsolve function in Matlab software was used to solve the
relationship between the relative rotation angle of the middle finger and fingertip of the manipulator
and the pressure of the pen-shaped cylinder, based on which the workspace drawing of the manipulator
was drawn. The simplified grab model of the manipulator was established, and the grab calculation of
the manipulator was carried out with 500 mL beer and 160 mL cola as the grab targets. The size
adaptive continuous width range of the manipulator was 0-200 mm, which could accurately control the
contact force between the manipulator and the object while adapting to the size of the object to be
grasped. The designed manipulator has a large grab range, and the series double hinge structure
installed with torsion spring enables the manipulator to achieve reliable grabbing of the target without
sensors.
Keyword ：manipulator; grab range; workspace; grab model analysis;
针对轻工、农产品行业在分拣、包装、搬运[1,2,3,4,5]等环节中被抓取对象尺寸范围大、物性变
化大、形状多变等问题[6], 急需抓取复杂对象的机械手。由 Laval 大学和加拿大 MD
ROBOTICS 公司合作开发的欠驱动机械手[7], 该机械手有 3个手指, 每个手指由 3个指节组成,
靠弹簧的弹性变形来适应物体的形状与大小。该机械手无法控制机械手手指与被抓物体间的接
触力, 抓取时可能会破坏被抓物体表面。美国约翰霍普金斯大学所研发 Modular 机械手[8]有26
个关节, 该机械手可以对复杂对象进行可靠的抓取。拟人机械手价格昂贵、维护成本大, 不太适
用于轻工、食品行业。文中提出的柔性欠驱动机械手有 2个驱动, 步进电机精确控制机械手的
指根节转动角度可以使机械手具有很大的尺寸适应性, 气缸推动含扭弹簧铰链[9,10]的弹性协调
转动, 可以满足抓持力需求。该机械手无需传感器就可以精确地控制物体与机械手手指间的接
触力且机械手对被抓取物体形状、
1.丝杆步进电机 2.电机固定盘 3.支撑导柱 4.丝杆螺母 5.直线轴承 6.运动盘 7.推杆固定板 8.推杆
9.手指座 10.二力杆 11.单耳座 12.L 型板 13.指根节 14.带双耳座笔形气缸 15.中指节 16.双耳座连
接件 17.防反转限位板 18.指尖节 19.小扭弹簧 20.大扭弹簧 21.防滑橡胶条 22.带座轴承 23.手指固
定盘
驱动传动结构:电机固定盘 2与手指固定盘 23 通过 2根支撑导柱 3连接, 支撑导柱 3穿过运动盘
6上的直线轴承 5;丝杆步进电机 1通过螺钉固定在电机固定盘 2上, 丝杆的末端固定在手指固定
盘23 的带座轴承 22 上, 丝杆步进电机 1的丝杆通过丝杆螺母 4与运动盘 6连接;推杆固定板 7通
过螺钉固定在运动盘 6上, 推杆 8的一端车出螺纹通过螺母固定在推杆固定板 7上, 二力杆 10 的
一端与推杆 8通过销轴连接, 二力杆 10 的另一端通过销轴与单耳座 11 连接, 单耳座 11 通过螺钉
固定在指根节 13 上;带双耳座笔形气缸 14 的双耳座部分与单耳座通过销轴连接, 单耳座通过螺
钉固定在 L型板 12 上, 双耳座连接件 16 的螺纹孔与带双耳座笔形气缸 14 的螺纹部分配合, 双耳
环连接件 16 与单耳座通过销轴连接。
手指结构:机械手的 3个柔性手指呈 120°分布, 每个柔性手指由 3个指节组成。手指座 9通过螺
钉固定在手指固定盘 22 上, 指根节 13 通过销轴与手指座 9连接, 中指节 15 通过销轴与指根节
13 连接, 指尖节 18 通过销轴与中指节连接, 中指节 15、指尖节 18 的销轴上分别装有小扭弹簧
19 和大扭弹簧 20, 防反转限位板 18 通过螺钉固定在中指节 15 上, 3 个指节的内侧均装有防滑橡
胶条 21。
工作原理:丝杆步进电机 1带动丝杆转动, 由于支撑导柱 3对丝杆螺母 4有限制作用, 丝杆螺母 4
带动运动盘 6上下运动, 从而带动推杆 8运动, 改变指根节 13 和手指座 9的夹角。丝杆步进电机
1正转, 带动运动盘 6向下运动, 从而推杆向下运动使得指根节 13 与手指座 9间的夹角增大, 丝
杆电机 1反转, 指根节 13 与手指座 9间的夹角变小;气缸压力增大推动手指克服小扭弹簧 19 的
弹性力, 中指节 15 开始转动, 气缸压力继续增大推动手指克服小扭弹簧 19、大扭弹簧 20 的弹性
力, 中指节 15、指尖节 18 开始转动。丝杆步进电机 1驱动指根节转动到预定角度, 气缸压力达
到预定值, 机械手抓持物体。电机断电螺杆螺母机构自锁、同时笔形气缸保压, 可以保持抓持力
不变。
2 机械手单个手指的工作空间计算
机械手尺寸:指根节长度l1=60 mm, 中指节长度l2=65 mm, 指尖节长度l3=60 mm, L 型板到铰链
中心B的距离 c=30 mm, L 型板的高度h=35 mm, 指尖节圆弧部分 r=25 mm, 手指座安装中心距
L=50mm。
扭弹簧参数:大扭弹簧刚度k1=0.299 44 N·m/rad, 小扭弹簧刚度k2=0.117 27 N·m/rad, 大扭弹簧预
紧角θ01=0.659 58 rad, 小扭弹簧预紧角θ02=0.136 40 rad。
机械手单个手指简化力学模型见图2, A 点为手指座铰链中心, B, C 2 点为2个铰链的中心, 以通
过机械手手掌中心的垂线为 y轴、过 A点的水平线为 x轴, 建立坐标系。
计算机械手空载运动[11,12]过程中临界转动气压:
图2 机械手单个手指简化力学模型 Fig.2 Simplified mechanical model of manipulator's single finger
式中:F 为气缸的推力;S 为笔形气缸 2个安装中心的距离;φ 为气缸轴线与 L形板间的夹角;θ3 为
指根节与 x轴形成的夹角;θ2 为中指节与指根节的相对转角;θ1 为指尖节与中指节形成的相对转
角。
假设中指节转动角度为 0时, 求解气缸的推力为 k1×θ1/c;带入数据得指尖节临界转动气压为
p1=0.08382 MPa。
假设指尖节转动角度为 0时, 求解气缸的推力为 k2×θ2/ (c-12sin (φ-π/2) ) ;带入数据得中指节节临
界转动气压为 p2=0.005 81 MPa。
由于中指节的临界转动气压 p2 小于指尖节的临界转动气压 p1, 所以中指节比指尖节先转动。
摘要：
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电气复合驱动柔性欠驱动机械手设计与实现 摘 要：目的针对轻工业、食品行业中被抓取对象物性多样、尺寸范围较大等问题,设计一种通用的欠驱动柔性机械手。方法根据机械手需要满足的功能设计机械手结构,运用Matlab软件中的Fsolve函数求解机械手中指节、指尖节相对转角与笔形气缸压力的关系,并以此绘制机械手的工作空间图,建立机械手的简化抓取模型,并以500mL的啤酒、160mL的可乐为抓取目标进行机械手抓取计算。结果机械手的尺寸自适应连续宽度范围为0～200mm,在适应被抓物体尺寸大小的同时可以对机械手与物体间的接触力进行精确控制。结论设计的机械手抓取范围较大,装有扭弹簧的串联双铰链结构使机械...
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作者：闻远设计
分类：非标机械电气自动化
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时间：2023-02-25
