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。     

欠腱驱动多指灵巧手的设计

提出一种欠腱驱动多指灵巧手，它具有结构简单，操作灵巧，控制容易，较高的操作适应性，每个多指节手指仅用一个腱驱使手指弯曲运动。文中描述了欠腱驱动多指灵巧手的结构设计与手指位移分析，与现有的多指灵巧手和欠驱动多指杆机器人手相比，这种手指灵巧手的结构更为简单紧凑，且能减少控制的复杂性、重量和成本，并能实现多功能地抓取不同物体的能力。     

基于仿肌弹性欠驱动手的设计与分析

针对仿肌腱传动灵巧手存在的驱动单元多、机构体积过大、控制系统复杂等问题,提出一种新型的仿肌弹性欠驱动手。以人类手指解剖学特征为思路,进行了仿人手指设计,通过引入双肌腱和弹性元件来实现手指的欠驱动,并给出合理选择弹性参数的方法,保证了手指的可达空间和抓取可靠性。进行了手指运动学分析,建立了关节空间到肌腱空间的映射关系。为获得最优的手掌尺寸及抓取范围,提出一种手指位置参数优化方法,并给出了评价指标,通过对比验证了该方法的优势。最后,进行了不同形状、尺寸物体的抓取实验,结果表明该欠驱动手具有较强的自适应抓取能力、广泛的物体抓取范围。     

一种新型欠驱动三指节手指机构的结构设计及优化

针对当前存在的欠驱动假肢手手指机构拟人特性较差这一缺陷,通过综合耦合型手指在结构上的优势,引入能够使得各手指进行耦合运动的耦合连杆,提出了一种能够实现自适应包络抓取并具有较强拟人特征的新型三指节欠驱动手指结构,从而很好的弥补了欠驱动手在抓取过程中动作僵硬、耦合性差的不足。分析该手指的抓取过程,初步验证了该欠驱动手指完成包络抓取的可行性。根据虚功原理对手指的抓取静力学模型进行分析,得出完成包络抓取时各指节对物体的接触力,基于三指节手指抓取力尽可能均匀分布这一原则,建立手指结构优化的目标函数,利用matlab遗传算法工具箱对手指进行优化设计,得到满足上述原则的欠驱动手指机构的各杆件尺寸及抓取姿态。     

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。     

线性空程传动耦合自适应机器人手研制

传统耦合自适应手指采用并联的两套传动机构实现先耦合后自适应的复合抓取模式,存在机构复杂、内耗大和弹簧选型困难等不足。针对此问题,设计了一种新的耦合自适应欠驱动手指机构——COSA-LET手指。COSA-LET手指包括多个齿条、双拨杆、双限位凸块和双弹簧等,由一个电机和串联传动机构驱动两个关节。COSA-LET手指利用反向双齿条和带弹簧及凸块限位的齿轮实现耦合联动功能,利用关节轴弹簧将电机动力分解到两个关节轴,通过双拨杆线性空程传动的延时拨动效应解决了自适应阶段的解耦问题。手指抓取受力分析和实验结果表明,所研制的带有3个COSA-LET手指的COSA-LET机器人手实现了耦合与自适应复合抓取功能,能够根据被抓取物体的大小、形状和位置,在耦合与自适应之间自主切换抓取模式。     

SHU-II五指仿人灵巧手的运动学及抓取分析

根据人手结构设计一种五指仿人灵巧手。该灵巧手共有5根手指,总计16个自由度。灵巧手的手指关节虚拟化,手指更加轻量。灵巧手采用欠驱动方式,并将驱动系统内置,整体结构集成度高,易于安装到不同的机械臂平台。在理论研究上,通过齐次变换矩阵得到灵巧手的运动学模型,进而得到五指的运动轨迹,并进而对灵巧手控制策略进行探讨,之后对灵巧手进行手势与抓取实验,实验表明灵巧手能完成夹、捏、握等10种动作。把灵巧手应用在不同的机械臂平台上,验证了灵巧手的抓取范围广及其在不同环境下的抓取能力。     

拟人机器人手多指欠驱动机构研究

欠驱动机构具有增加抓取稳定性、降低控制难度等优点得到广泛研究.与实现单个手指的多关节动力传递的传统欠驱动机构设计思想不同,提出了一种新型多指欠驱动机构.该机构利用设置于关节轴上的扭簧实现了单个电机对多个手指根部的驱动.经分析,给出了该机构的主要参数设计原则.该机构可以作为拟人机器人手的食指、中指、无名指和小指的根部关节,使机器人手在抓取物体时,四个手指能够自动适应不同形状和尺寸的物体,产生适当的抓持力,抓取稳定性高,控制容易.     

仿人型残疾人假手机构的研究

采用欠驱动原理和耦合原理研制了具有感知功能的集成化多自由度的假手,该手尺寸与成年人手相仿,具有抓握物体自适应能力,能够完成力量抓握和精确抓握。采用数学建模的方法设计了手指的四连杆机构,并进行了参数优化设计及静力学和运动学分析。     

三指灵巧手运动学分析及抓持仿真

参考人手的结构特征,设计了一种三指灵巧手,手指采用模块化设计,各手指结构相同。手指各主动关节均由直流伺服电机驱动,通过锥齿轮和钢丝绳传动机构传动,直流伺服电机和传动机构均配置在手指内部。采用D-H法建立手指坐标系,推导出运动学正、逆解,为灵巧手控制和抓取规划的研究奠定基础。运用仿真软件A D A M S对灵巧手抓持球体过程进行仿真分析,结果表明三指灵巧手在其工作空间内能够实现对物体的精确抓取。     

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。     

混合工作模式欠驱动手设计及其接触力分析

机器人手目前主要应用于机器人与环境的交互.传统欠驱动机器人手的手指末端运动轨迹并不是一条直线,这种运动轨迹使得它们无法抓取桌面上较薄的物体以及小物体.为了克服这个缺陷,许多研究者在欠驱动手结构中加入了直线机构,使其能够捏取平台上的物体,但目前存在的结构均为双指关节结构,相对于三关节手指其抓取范围较小且适用场合较少.为了解决以上问题,设计了一种新型的基于变胞原理的欠驱动手.手指具有三个指关节,它拥有两种工作模式:线性平行捏取模式和自适应抓取模式.在线性平行捏取模式下,该欠驱动手指可视为双关节手指,拥有更好的稳定性;在自适应抓取模式下,该欠驱动手指可视为三关节手指,拥有更大的工作空间且能更好地抓取不规则物体.该机构可以根据目标物体的尺寸、位置和形状特征自适应的改变工作模式.对欠驱动手的手指部分进行运动学分析以及接触力的分析,为设计提供理论参考.制作样机进行抓取试验,试验结果表明,该手拥有较大的适用范围并具有良好的抓取性能.     

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。     

一种欠驱动苹果采摘机器人末端执行器的设计

提出了一种实用型欠驱动苹果采摘机器人三指末端执行器,并运用Unigraphics NX进行了机构设计及三维模型的创建。通过设计多指节手指和腱绳结构,以达到提高机构抓取灵活性的目的。基于手指抓取动作的运动原理,分析了腱绳力与关节转矩之间的关系。以保证不损伤苹果表面的极限载荷为设计约束条件,以实现机构运动的可靠性和灵活性为目标,设计了抓取机构的关键零件扭簧,确定了扭簧的结构参数。这种新型欠驱动末端执行器可以有效提高机构的灵活性和适用性,对不同尺寸、近球状的其他果实,具有一定的抓取适用性。     

腱传动仿人手指机构的设计与分析

为了解决仿人多自由度手指机构结构复杂的问题,提出了一种基于欠驱动原理的腱传动机构,介绍了该机构的具体实现方法,主要包括手指结构设计、关节及其转角分析、扭簧设计、电机功率计算、位置/力传感器选择和自动控制系统设计等内容,在对三维模型进行分析的基础上,设计制造出了一个手指实物模型.运动试验结果表明,该手指实物模型具有结构简单的特点,能够通过弯曲和张开动作实现物体抓取.     

基于变胞理论的欠驱动多指节灵巧手指的构态分析

基于变胞机构理论,提出了一种新的分析欠驱动多指节灵巧手指的方法,定义了欠驱动二指节灵巧手指抓取过程的3个构态,并通过邻接矩阵建立了各构态之间转换的关系方程,从而从根本上解释了灵巧手指的欠驱动原理,为欠驱动灵巧手的机构设计及控制规划提供了理论指导。建立了欠驱动二指节灵巧手指的运动学方程,分构态分析了灵巧手指的运动学特性,结果表明欠驱动灵巧手指运动中构态间变换的平顺性非常重要,并相应提出了两种设计方案。提出的构态分析法在欠驱动三指节或多指节灵巧手指的分析中同样适用。     

拟人机械手的研究与发展

通过大量文献的分析与研究,根据驱动器和自由度的数目的不同,把拟人机械手分为灵巧手和欠驱动手两类。阐述了灵巧手和欠驱动手的国内外发展现状,总结了它们在各自发展中形成的主特征、关键技术以及存在的主问题,对两者的发展趋势和应用方向做了探讨。通过对比,灵巧手具有较高的操控和抓取物体能力,结构和控制系统复杂,成本高,可用于高尖端及需精密操纵的场合;欠驱动手结构简单,抓取物体时,本身具有很强的自适应能力,操纵和抓取物体能力尚可,易于在日常生活应用中普及发展。     

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。     

超欠驱动仿生机械手的机构设计与实验研究

利用多自由度差动驱动原理,设计了5自由度差动驱动系统用于驱动手指5个分支的运动.应用欠驱动原理,通过在各关节处设置弹簧,约束各分支关节的运动;同时手指关节之间用片簧连接实现铰链和恢复弹簧的两种功能,构成弹性铰.在对传动机构进行分析的基础上,设计了常开状态的仿生机械手,对仿生机械手进行三维造型和模型制作,并对其进行了抓取等实验研究.研究表明,设计的仿生机械手仅由一个原动力便可驱动手的15个关节差动运动,具有对抓取物体的自适应性.     

多指灵巧手复合驱动系统的研究

针对传统驱动方式中电机驱动系统的结构复杂、液压驱动系统的体积庞大、气压驱动系统的控制困难等问题,提出一种新型复合驱动系统,该系统由微型盘式无刷直流电机和温控记忆合金弹簧驱动,将复合驱动系统用于仿人多指灵巧手手指的驱动,简化灵巧手的整体结构,优化控制方式。探究记忆合金弹簧的回复力与工作行程的关系,分析指节间位姿变换关系和抓取物体时影响指节接触力大小的因素,利用滑模PID智能控制策略控制手指的运动,使灵巧手的控制效率得到提高。对多指灵巧手模型仿真,验证运动的合理可行,为复合驱动系统的进一步研究提供了基础。