基于欠驱动原理的多指灵巧手结构设计及实验研究

针对传统的多指灵巧手手指驱动源多、结构复杂,抓取过程中驱动电机保持堵转状态导致发热量大、寿命短,以及无法准确感知目标物体的位姿并施加合理的抓取力等问题,对灵巧手手指结构、系统构型及传感器等方面进行了研究。提出了一种具有欠驱动特性及自锁特性的多指灵巧手手指结构方案及具有不同承载能力的腱传动结构方案,设计了二指、三指及五指灵巧手系统构型,开发了高灵敏度、低成本一维力传感器及触觉传感器;以三指灵巧手为例,加工了实验样机,利用实验样机进行了相关实验。研究结果表明:该灵巧手的手指结构能够有效降低驱动源数量,实现机构减重,通过更改腱传动机构,可实现不同承担不同负载,具有较好的安全性和可靠性,一维力传感器及触觉传感器具有较高的灵敏度、准确性及低成本特性,该灵巧手指具有较高的重复定位精度,可完成针对不同形状物体的稳定、可靠的抓取任务。     

手指关节可独立控制的欠驱动灵巧手

为了实现对物体的精准抓取,针对欠驱动灵巧手手指关节转动不可控问题提出一种新颖的关节可锁紧的单腱欠驱动灵巧手的设计方案,完成了灵巧手关节锁紧机构和指间耦合机构的结构设计,并运用Matlab对灵巧手手指工作空间进行仿真。对关节锁紧机构和指间耦合机构动作起到关键作用的耦合弹簧和复位弹簧进行了设计,对影响关节驱动力矩的参数优化分析,得到优化后的手指传动机构和腱绳张紧机构。通过灵巧手样机对不同形状、大小物体的抓握试验,证明本欠驱动灵巧手可实现手指关节锁紧的动作,具有良好的包络抓握能力和较强的精确抓取能力。     

一种具备多种抓取模式的三指机械手

针对国内外高端灵巧手存在价格高、结构复杂的问题,从简化结构但又能满足较复杂抓取模式的角度考虑,设计了一种具备多种抓取模式的三指机械手。该机械手由3根同样的手指组成,每根手指有3个关节;使用钢丝绳耦合传动实现欠驱动,减少了驱动电动机数;为保证手指控制的灵活度,末端指尖单独由电动机驱动。采用D-H参数法建立手指运动学模型,完成正运动学求解。通过ADAMS软件对机械手进行运动学仿真,分析了三指机械手的运动特性及抓取力。根据包络抓取、精细抓取和普通夹取等几种抓取模式的需要布置了触觉传感器,对常见的目标物进行了抓取试验,验证了该机械手的实用性。三指机械手成本低、制造加工方便,对于难以获得昂贵灵巧手的研究机构和工厂具有实际应用价值。     

仿人四指灵巧手的抓持能力分析

对四指仿人灵巧手的结构及单手指运动学及动力学进行了分析,为深入地研究该灵巧手的控制提供了理论依据。在ADAMS中进行了灵巧手抓取物体仿真实验,实时得到手指与抓取物体间的接触力值。并利用有限元方法分析了灵巧手在强力抓取时的手指结构的力学性能,验证了该灵巧手可以达到实现设计目标所要求的抓取载荷。为抓取实验提供了抓取物体重量的理论分析依据。     

三指灵巧手结构设计及接触力规划

针对传统灵巧手追求灵活性而带来其外形尺寸过大、结构复杂的问题,设计一种小巧紧凑而灵活性高的全驱动三指灵巧手并建立其三维模型。采用拉格朗日法建立单手指动力学模型并进行动力学分析。然后将灵巧手三维模型导入ADAMS软件中建立灵巧手虚拟样机进行仿真,得到其运动学与动力学等性能曲线。利用MATLAB软件对其动力学方程进行数值分析,其理论分析结果与ADAMS仿真结果一致,验证了理论计算的正确性和灵巧手结构设计的合理性。基于拉格朗日乘子法求取抓取力初值,通过引入稳定系数对其进行优化得到优化接触力,同时也验证了其在手指关节驱动力矩约束下的合理性,为灵巧手手指抓取力计算提供了新的参考。     

人工肌肉驱动的多指灵巧手运动学计算与分析

目前对灵巧手的运动学分析对象多为单指结构,很少涉及多指协调的运动学分析,为了更好地完成HUST灵巧手的抓取规划,主要针对多指灵巧手的运动学问题以及各手指的操作可达性进行分析计算与验证。根据气动人工肌肉驱动的HUST灵巧手的结构特点,采用标准D-H参数法建立各手指指尖相对于手掌坐标系的运动方程,分析求解多指气动灵巧手的正逆运动学问题,基于Matlab对灵巧手的工作空间进行仿真分析,得出了各手指在手掌坐标系下的操作可达空间,并通过抓取实例验证了运动学与仿真分析的正确性,为多指灵巧手的抓取规划提供了重要依据。     

多指护理灵巧手的优化

从手指关节运动副型式、手指指数和手掌、手指结构、手指材料、各个关节运动的驱动方式以及传动方式、各关节截面的结构型式、传感器的选择和布置等7个方面对灵巧手进行优化分析。考虑到一般性和通用性,对各手指之间的相对位置及姿态、各关节的长度及回转关节的回转角度范围,运用拟人法,类比法,建立优化目标函数和约束条件进行优化计算,设计出一种用于护理机器人上的带手掌的3指9关节灵巧手。对灵巧手的具体结构作了分析,绘出了灵巧手的三维结构模型。优化的护理灵巧手扩大了抓取范围,安装了灵巧手的护理机器人,减轻了护士的劳动强度,提高了护理质量。     

五指仿人机器人灵巧手DLR/HIT Hand II

基于机电一体化设计思想和最新的驱动技术,研制DLR/HIT II仿人灵巧手。该灵巧手由5个相同结构的模块化手指和1个独立的手掌构成,每个手指有4个关节、3自由度,所有的驱动器和电路板均集成在手指或手掌内。采用新型的体积小输出力矩大的盘式无刷直流驱动电动机、质量轻的谐波减速器、齿形皮带等的驱动传动方案,使手指的体积和质量得到显著减小;采用钢丝耦合传动方案,实现手指末端两个关节的1:1耦合运动;手指具有位置、力/力矩、温度等多种感知功能。层次化的灵巧手硬件结构由手指电气系统、手掌电气系统和PCI总线控制卡等组成,灵巧手具有点对点串行通信、CAN以及网络等多种通信接口。在灵巧手的外观设计中,将外观设计与灵巧手的本体设计融为一体,实现灵巧手与人手相近的体积和外观。5指灵巧手的质量为1.5 kg,手指的指尖输出力10 N。     

单链传动双齿条平夹间接自适应机器人手研制

传统平夹自适应手指采用并联的两套传动机构,存在机构复杂的缺点。提出了一种具有单链式平夹间接自适应复合抓取模式的机械手(PISA手)。PISA手指包括3个齿轮、2个齿条、滑块、拨块、限位块和单个弹簧等,由单个电机驱动双关节手指转动。PISA手能用远指段平行夹持物体,用有滑块的近指段和远指段自适应包络物体。介绍了PISA手的组成和运动过程,进行抓取范围和抓取力大小的理论分析,研制带有3个PISA手指的PISA机器人手。通过仿真和抓取实验结果表明,PISA手能根据物体不同的形状在不同的位置,自主切换平夹或是间接自适应的抓取模式,实现稳定抓取。PISA手指具有传动效率高,手指结构紧凑特点。     

面向太空碎片抓取的人工卷绕纤维驱动3指灵巧手设计

针对太空碎片抓取任务对抓捕机构的工作空间及灵活性等方面的要求,设计出1种采用人工卷绕纤维驱动的串并混联3指灵巧手。通过对手指的运动学分析,确定了每只手指的运动空间,并根据雅克比矩阵,采用条件数研究了其灵巧工作空间。利用人工卷绕纤维的温度-应变数据,设计出其温度控制模型。经计算验证,该灵巧手具有较大的工作空间及良好的灵活性,可以满足太空碎片抓取任务对抓捕机构的诸多要求。     

弹性欠驱动四指灵巧手设计与试验

全驱动灵巧手需要较多独立驱动单元,控制系统复杂,导致体积和重量过大,费用昂贵,在实际应用中有极大局限性。欠驱动灵巧手具有驱动单元少、控制简单等特点。在保证具有一定运动灵巧性的前提下,欠驱动灵巧手能极大降低灵巧手本体及控制系统的复杂度和制造维护成本,体现出更高的实际应用价值。由此提出一种新颖的仿人单腱弹性欠驱动四指灵巧手的设计方案。同时,完成四指灵巧手本体结构设计,及分析获得关节弹簧刚度的选取方法。对影响关节驱动转矩的滑轮单元进行几何参数的优化分析,得到手指传动机构的较优设计方案。通过多指手样机对不同形状、大小物体的抓握试验,证明本欠驱动四指灵巧手具有抓取自适应能力和较强抓取能力。     

基于并联手指结构的多功能灵巧手的设计与研究

为满足工业生产对机器人末端夹持器灵巧性和承载能力的要求,设计了一种基于并联手指结构的多功能灵巧手。对手指机构的运动学、工作空间、奇异性进行了分析,对灵巧手的承载能力进行优化,并通过ADAMS仿真进行了验证。样机实验说明灵巧手具有理想的工作空间和较好的自适应性,可以实现对不同形状物体的随形抓取,适应柔性化工业生产的要求。     

闭式链灵巧手指机构的设计与分析

对于机械灵巧手的手指机构,针对传统传动方式腱传动具有传递刚性不足的缺点,提出了一种闭式链连杆传动的灵巧手指机构,分析了该闭式链的机构组成和闭式链连杆传动的特点,研究了手指机构的运动学,最后对新机构进行了运动仿真。结果表明:这种新型的手指机构在需要的工作空间内无干涉现象,运动性能良好。     

基于套索传动的五指灵巧手设计与主从控制

为了使灵巧手更加轻质化、拟人化,设计了一种由舵机经套索驱动的19关节灵巧手。参照人手关节确定灵巧手的构型,通过套索传动实现了关节解耦与驱动后置,并分别对关节机构与驱动集成进行了设计。建立灵巧手多指运动学模型并对其工作空间进行了分析;基于弯曲传感器与主从映射算法实现了抓取的主从跟踪控制。搭建灵巧手样机并进行关节运动实验与抓取控制实验。实验结果表明,将套索传动应用于灵巧手具有可行性,基于主从控制可以实现灵巧手对多种物体的抓取。     

基于SMA丝驱动的仿人手指传动结构设计与研究

由于SMA驱动器具有结构简单、控制简单、功率密度大的特性,在仿人灵巧手的驱动装置中得到广泛研究。但是在实际应用中存在驱动位移小的问题,需要将驱动器放置到手臂中来增加驱动位移。采用模块化的欠驱动手指结构设计,将形状记忆合金丝直接作为传动和驱动部件,设计了驱动位移放大结构,并采用永磁铁作为复位结构,实现了驱动与传动的一体式轻量化设计。对仿人灵巧手的传动结构进行了分析。通过3D打印手指模型并组装了单根手指,实现了对日常用品的抓取操作。     

多指灵巧手的最佳灵巧性设计

首先讨论了多指抓持系统中抓持物体的灵巧性 ,指出该系统的灵巧性取决于各手指的性能。然后 ,分析了单个手指 (单个操作器 )的灵巧度 ,通过对手指灵巧性的要求 ,确定手指 (操作器 )的最佳工作区域。最后 ,提出具有最佳灵巧性的多指灵巧手的设计准则 ,并利用两指手、三指手的设计 ,表明了多指手的最佳灵巧性设计     

智能三指灵巧手结构设计及验证

针对市场上灵巧手结构复杂、体积大等弊端,设计了具有欠驱动的三指智能灵巧手,实现一个电动机控制2个关节运动。可分别控制3根手指,能够适应异形物体抓取,机械自锁的结构可提高抓取可靠性。灵巧手内部集成多种传感器,可测量指尖力矩和关节运行角度,通过软件算法实现掉落感知、防脱落、防碰撞和人机协作等功能。在硬件方面设计了驱控一体板卡,大大缩小了灵巧手体积。经过两代样机研制,验证了智能三指灵巧手功能的可靠性。     

三指灵巧手结构设计与动态抓取研究

针对目前多自由度灵巧手存在的结构复杂、体积庞大等问题,设计了一种结构紧凑、质量轻盈的电机直驱式8自由度三指灵巧手.通过微型电机与齿轮减速器配合使用,实现了关节直驱方式,减少了驱动力损耗,手指驱动力得到有效提高.针对灵巧手在动态抓取模式下的不足,通过嵌入式超声波传感器、压力传感器和角度传感器的联合使用,对灵巧手的动态抓取...     

新型灵巧手指驱传动方式的研究

机械灵巧手指的驱传动方式是灵巧手设计的难点,目前常用的绳索滑轮方式存在着传递刚性不足等问题。设计了一种基于闭式链连杆机构的灵巧手指,可以有效地传递关节动力,而且能够提供刚性传递;分析了机构的自由度和运动学;分析了闭式链传动机构的零点设置对机构不定位形的影响,并进行了机构三维模型的建立和运动仿真;运动仿真结果表明机构在需要的工作空间下无干涉现象,运动性能良好。     

多批灵巧手的最佳灵巧性设计

首先讨论了多指抓持系统中抓持物体的灵巧性,指出该系统的灵巧性取决于各手指的性能。然后,分析了单个手指（单个操作器）的灵巧度,通过对手指灵巧性的要求,确定手指（操作器）的最佳工作区域。最后,提出具有最佳灵巧性的多指灵巧手的设计准则,并利用两指手、三指手的设计,表明了多指手的最佳灵巧性设计。