气动肌肉驱动手爪的设计与分析

安全柔顺地抓取物体是机器人手爪的一项重要指标,气动肌肉作为一种类似生物肌肉的柔性驱动器,可以有助于实现这一目标。讨论了基于生物运动机制的仿人两指手爪的结构和工作原理,建立了气动肌肉驱动手指夹持力的理论模型,指出气动肌肉的输入压力是决定手指抓取力与手指张角大小的唯一因素。实验证实了该手爪可有效地抓取多种易碎、柔软的物体。     

柔性快递包装盒的分拣机械手结构设计

为了满足目前抓取分拣快递包装盒需要,提出一种绳牵引驱动结构的单铰链柔性机械手,通过在机械手的内侧安装扭弹簧和矩形橡胶垫使得机械手能够贴合包装盒抓取,减少包装盒的受压变形,介绍了该手爪结构的驱动原理,通过全局优化的方式得出扭弹簧的刚度系数与预紧角和机械手的关节尺寸,计算结果表明,抓取最大最小包装盒压力相同,结构的柔顺自适应更好,而且还计算得出了关节角位移和指尖开度随气压变化的曲线图,为气缸驱动减少空行时间提高抓取效率提供理论参考。     

基于差动轮系的变刚度执行器及变刚度柔性手爪

结合差动轮系和杠杆原理设计了一种调刚范围从0～+∞的变刚度执行器,并完成了其结构优化设计和调刚能耗优化设计。该变刚度执行器具有变刚度范围大,调刚能耗需求低,占用空间小,易控制,响应速度快,可靠性强,技术实现可行性高等优点,具有一定的实际应用意义。在此基础上设计了一款欠驱动变刚度柔性手爪,将变刚度执行器作为手爪关节的驱动单元,通过调节变刚度执行器的刚度来改变手爪的刚度。最后,搭建了变刚度柔性手爪的硬件平台,对变刚度执行器进行了刚度测量,验证了所设计的变刚度执行器在进行刚度调节上的可行性。进行了变刚度柔性手爪的力控制实验,成功实现了对柔软物体的抓取。对变刚度柔性手爪的单指进行了性能分析,并验证了手指刚度与变刚度执行器刚度呈正相关关系,完成了变刚度柔性手爪性能实验验证。     

塑料酒箱手爪的设计与研制

为适应刚度较小的塑料啤酒箱码垛,设计了一种单气缸驱动同时抓取6箱的手爪,既能满足现有的啤酒酒箱码垛机改进要求,也能应用到搬运机器人码垛中.     

基于光反馈柔性气动手爪设计与研究

针对传统柔性气动手爪分层制作导致的易损及无闭环反馈等问题,通过低温石蜡与3D打印技术,设计并制作了重量仅为15 g的一体式、低成本柔性手爪,提高了柔性手爪的耐压性能及使用寿命。通过采用光感知反馈算法,实现了柔性手爪的闭环反馈控制,并对不同物品进行了抓取试验。结果表明:建立的光强-弯曲数学模型,不仅具有较高的位置控制精度,同时可对目标物进行准确的尺寸识别,不同尺寸下识别误差率为2%~6.7%,为柔性手爪的低成本闭环反馈控制方式提供了新思路。     

果蔬采摘欠驱动机械手爪设计及其力控制

为了实现果蔬的无损采摘,采用欠驱动原理设计出一种结构更简单、通用性更强的末端执行器。欠驱动机构是指驱动器数目少于机构本身自由度数目的机构,基于欠驱动原理设计的机械手结构简单可靠,抓取物体时具有形状自适应能力,手指可完全包络物体,可以通过最大接触力的闭环力反馈控制来实现无损采摘。基于这一设计思想设计出仅靠一个电动机驱动三个手指的机械手爪,通过理论分析、手爪机构设计与建模、结构参数优化,确定设计尺寸制出机械手爪,设计控制电路结合力反馈控制进行抓取试验。试验结果表明该手爪能实现期望的抓取与最大接触力控制功能,并具有控制简单可靠、抓取稳定、不损伤果实等特点。     

多关节欠驱动机器人手爪包络抓取稳定性分析与仿真

研究了欠驱动手爪包络抓取稳定性.定义了抓取构形,推导了关节数和抓取构形之间的关系,采用抓取构形之间的转移难度作为表征抓取稳定性测度指标,给出了抓取不稳的主要原因以及影响包络抓取稳定性的主要因素.通过仿真对抓取不同形状物体时的稳定性,及影响稳定性的主要因素进行了对比分析和验证.结果表明:理论分析和仿真研究结果是一致的,欠驱动手爪包络抓取时存在多种抓取构形是影响抓取稳定性的直接原因,稳定抓取取决于物体形状和初始的抓取姿态,其中物体凸边的线接触的长度是决定抓取稳定的最重要的因素,物体越是接近圆形稳定性越差,当物体和抓取构形比较吻合时,并且都是以线接触相互作用,抓取稳定性最好.     

一种带孔介电层结构柔性多维力传感器研究

针对智能机器人人机交互过程中存在的接触柔顺性和环境适应性问题,提出一种带孔结构的多维力柔性传感器的简单制备方法,采用碳纳米管/聚二甲基硅氧烷（carbon nanotubes/polydimethylsiloxane,简称CNTs/PDMS） 混合制备柔性电极,以带孔结构的硅胶作为介电层,组装制备电容式柔性多维力传感器。建立柔性多维力传感器的数学模型,并通过试验获取柔性传感器的性能参数。试验结果表明：传感器理论模型与试验曲线吻合性较好,带孔结构的介电层能够提高传感器的灵敏度,法向上的检测范围为0~50 N,分辨率为0.05 N;切向上的检测范围为0~10 N,分辨率为0.15 N。将其安装在机器人手爪上进行了水果抓取试验,成功检测出水果抓取过程中的夹紧力,进一步表明该传感器具有较好的实用性。     

欠驱动仿人机器人手爪的精确捏取与包络抓取研究

研制出一种基于欠驱动机构的仿人机器人手爪,分析了手爪可实现的2种抓取模式(精确捏取和包络抓取),应用力矩平衡分析了精确捏取模式下末关节对物体的作用力与输入转矩的关系,应用虚功原理分析了包络抓取模式下各关节对物体的作用力与输入转矩的关系,并比较了2种抓取模式的抓取质量.最后在COSMOSMotion仿真环境中模拟了2种模式对圆柱形物体的抓取,验证了对抓取质量的分析.     

基于欠驱动机构的仿人机器人手爪设分

通过研究人手的生理结构特点,模仿人手结构,设计出仿人机器人手爪。整个手爪设计有拇指、食指、中指和小指,每个手指有三个关节。采用欠驱动连杆机构设计出结构紧凑的三关节手指机构以实现包络抓取和精确捏取。设计出高度集成的大功率小体积的驱动和传动机构并通过一个电机调整拇指机构的位置,以形成多种抓取模式。最后介绍了该手爪的控制以及抓取实验。     

腱绳驱动机械手的设计及其柔性抓取控制

为了实现机械手稳定的自适应抓取目的,需要加强对抓取信息的感知处理,同时设计柔顺的力控抓取算法。针对不同尺寸、外形、材质的物体对抓取姿态和力度要求各异的问题,提出了一种腱绳驱动的柔性三指机械手方案及对应的柔性抓取力控算法(导纳力控算法)。首先,设计了一种腱绳驱动柔性机械手指,提出了一种往复式缠绕的腱绳传动线路,制作了柔性机械手的实物;其次,采用改进Denavit-Hartenberg(DH)法,建立了机械手指的运动学模型,利用MATLAB的机器人工具箱,分析了手指的自适应包络能力;然后,设计了适配机械手驱动的导纳控制算法,通过在实物上的程序实现和控制测试对机械手的柔性力控性能进行了验证;最后,搭建了柔性机械手的软件控制平台和实机实验平台,对不同目标物体进行了实物抓取实验,对柔性机械手的稳定抓取能力进行了验证。研究结果表明：该往复式缠绕传动线路和导纳力控算法可保证该机械手在面对不同尺寸、外形、材质的物体时,具有抓取形状的高自适应性和抓取力的高柔顺性;在抓取过程中,机械手的手指可以自适应地包络目标,并借助导纳控制算法柔顺地控制抓取力,进而完成稳定、可靠的抓取任务。     

应用人工肌肉IPMC材料的三指微型柔性手爪设计

为满足现代小型驱动器的微型化、智能化、多功能及高集成度等要求,利用一种智能材料即离子聚合物金属复合物(ionic polymer-metal composite,简称IPMC)研制了一款三指微型柔性手爪。运用ANSYS有限元分析软件,通过等效压电双晶片的机电耦合模型对IPMC驱动元件进行有限元位移仿真,得到其在3V电压下最大变形及相应的位移分布图。根据仿真结果,设计IPMC手爪的夹持机构,制备了体积不大于13.5 cm3的IPMC微型手爪。试验测试结果表明,在3 V直流电驱动下,IPMC驱动薄膜(总长度为19 mm,自由端长度为14 mm)的末端最大变形为22 mm(负向位移与正向位移的总和),其最大变形速度约为4.44 mm/s,总重量为1.033g的手爪可以抓取1.973g的物体,其手爪的推重比约为2,而材料(IPMC的总重量为0.177g)的推重比甚至大于11.5。此IPMC柔性手爪的性能满足低耗能的设计要求,具有结构简单、柔顺、安静、体积小和推重比大等特点,在微小型驱动领域具有较好的应用前景。     

IPMC型柔顺手爪作动器的设计与性能测试

为克服传统手爪机构传动链多,耗能大,结构复杂等缺点,设计并制作了一种应用电致动智能材料(IPMC)的柔顺手爪。运用Pro/E软件设计IPMC手爪的主体结构,并分析其运动过程,最终装配完成IPMC手爪;运用激光位移传感器,精密电子秤和Canon相机测试了研制的4片IPMC驱动薄膜的末端位移,端部力和平均运动速度,并通过Labview测试系统对其进行采样和分析。实验结果表明:IPMC手爪驱动元件的角位移在3V电压激励下超过了180°(-3V电压下负向位移与+3V电压下正向位移之和);其末端位移大小为其自身(除固定部分外)总长;手爪驱动薄膜每片重量约为0.5mg,可抓握质量为1.6g左右的物体。该手爪结构简单、位移大、耗能低;同时,由于IPMC的柔顺特性,在抓取物体时它会贴附在其表面,而不破坏其表面精度。因此,这种手爪适用于抓取表面粗糙度要求高的物体。     

具有柔性浮动手爪和并联腕的装配机械手设计

机器人化装配是机器人研究与应用的一个热点。采用机器人进行自动化装配可以提高产品的生产效率和装配质量。而异形薄壁零件的自动化装配存在两大困难。即柔性抓取和姿态调整。装配机械手以吸盘作手爪可以实现柔性抓取，采用浮动结构可以实现准确定位，以并联机构作手腕可以实现调姿要求。本文介绍了柔性浮动手爪和并联手腕的设计思想和关键技术。     

一种基于六构件变胞机构的气动柔性抓取机械手的设计

变胞机构与常见的定自由度机构相比,具有特殊的性能。阐述一种以气体为驱动力的自适应变胞机械手,该机械手简化为两个手指,以一个气缸驱动,每个手指有两个转动关节,在每个手指夹持部位衬以硅胶并贴以力传感器,控制气缸压力,致使夹持力可在一定设定范围内进行调整,是一种具有一定柔性的执行器。该执行器将变胞机构的工作原理和气体柔性驱动技术相结合,是一种基于六构件变胞机构的气动自适应柔性抓取机械手。阐述了该机械手的机构结构原理,并对该机械手进行了运动分析。该机械手在果蔬采摘,人体推拿执行器中具有广阔的应用前景。     

欠驱动手爪设计及接触力分析与仿真

针对现阶段自动化生产中末端执行器适应性较差的问题,设计了一种采用欠驱动机构的机械手爪。对欠驱动手爪的总体结构和存在的各个抓取构形进行了分析。基于虚功原理,将弹簧扭矩和被抓取目标重力纳入考虑范围,建立了较为精确的静力学模型,提出了接触力调节的方法。利用ADAMS对静力学模型和接触力调节方法进行了仿真验证,结果表明该欠驱动手爪抓取范围较大,理论计算与仿真结果误差较小,接触力调节方法切实有效。     

柔性机械手抓取能力影响因素的研究

为了更精确地对柔性机械手进行控制,对影响柔性机械手抓取能力的各因素进行了分析和试验。采用不同试验方案,通过改变内部颗粒、外部柔性囊和抓取物体情况下抓取的最大质量测定不同因素对抓取能力的影响。结果表明,柔性机械手的抓取能力取决于囊的稳定性,以及囊与物体间的摩:擦力。     

仿鸟喙微型气动软体机械手爪的设计及优化

为实现微型易碎、不规则物体的稳定抓取,结合软体材料的柔顺性和鸟喙结构抓取的准确性,提出一种仿鸟喙微型气动软体机械手爪,该机械手爪不仅具有一般软体手爪良好的环境适应性,而且结构更加简洁,对微型物体尤其适用。利用Yeoh本构模型和Ansys软件,对手爪的弯曲特性做了有限元仿真,并根据仿真结果进行变壁厚和局部填充的优化。对优化后的手爪进行了弯曲特性、抓取力测试试验和适应性试验,验证了仿鸟喙微型气动软体机械手爪的可行性。     

多模式绳牵引刚柔结合夹持器设计与分析

为了解决夹持器难以稳定夹持轮廓复杂的易损异形物体的问题，以提高夹持器的自适应性和保护抓取能力，设计了一种包括绳索驱动系统和柔性铰链结构的绳牵引刚柔结合夹持器。通过设计夹持器的绳索路径实现多种抓取模式之间的相互转换。在载荷平衡方程的基础上对两种抓取模式进行静力学建模，得到输入力与输出夹持力之间的力学模型，并通过数值仿真和物理试验验证力学模型的正确性与夹持器的抓取性能。最后，分别对不同几何形状和不同刚度的抓取目标进行抓取试验，验证了夹持器自适应保护抓取的能力。     

一种数控机床自动上下料桁架机器人控制系统设计与实现

为满足加工制造业对数控机床与工业机器人集成化需求,按照杆轴类、盘类等零件上下料工艺要求,提出一种融合柔性关节和气动手爪二轴自动上下料桁架机器人控制系统设计方法。包括桁架机器人X、Z轴伺服控制、柔性关节超声电机控制、气动手爪控制、数控机床与机器人通信方式控制。并以西门子S7-300为核心控制器,采用永磁同步电动机作为伺服电动机,采用超声电机和小型气缸、回转气缸控制柔性手爪,利用直接I/O口实现机器人与数控机床的通信,实现数控机床高效、自动完成上下料。