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。     

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。     

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。     

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。     

番茄收获机械手机构尺寸优化设计

尺寸优化设计是机械手总体设计的关键步骤之一.介绍了一种能够获得合理果实收获机械手工作空间和结构轻量化的优化设计方法.基于番茄生物学特性和栽培模式,根据机械手几何工作空间,以工作空间主截面包络面最佳和结构轻量化为目标函数,以轨迹区域约束、杆件尺寸和关节角度限制为约束条件,建立了机械手机构尺寸优化设计模型,采用MATLAB软件进行仿真试验,并分析了机械手各杆件长度、关节角度与目标函数的关系,获得了机械手尺寸的最优解,为番茄收获机械手机构进一步分析奠定了基础.     

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。     

基于欠驱动原理的变形连杆履带机构设计

针对移动机器人在各种地面环境中越障能力有待增强的问题,基于行星轮式的欠驱动原理,结合变形连杆履带机构,设计了一种移动机器人的行走机构,并分析该机构内部杆件的姿态角和外围包络履带的变形程度对欠驱动移动机器人行走性能的影响,最后以履带长度不变为目标,对行走机构参数进行优化。试验分别采用MATLAB对杆件姿态角和履带长度进行分析和优化,同时利用Recurdyn分别在平地、斜坡和沟槽环境中进行运动学仿真,验证文中优化设计的欠驱动移动机器人机构的优良越障性能。     

线性驱动并联机构基于有效工作空间比的尺度优化

提出了1种并联机构工作空间的几何求解及尺度优化方法。首先,借助闭环矢量法构造了线性驱动6自由度并联机构的位置逆解模型;推导得出并联机构定姿态可达工作空间的边界曲面方程,获得精确的3维可达空间;提出"有效工作空间比"概念,以刻画可达工作空间的有效尺度域;最后,在考察归纳机构关键尺度参数对有效工作空间比的影响规律的基础上,以包络已知任务空间的可达空间体积最小作为目标函数,结合有效工作空间比取值范围、驱动关节位移范围、构件干涉及尺度约束等约束条件,联合应用模拟退火+模式搜索算法进行了机构关键尺度参数的优化设计。研究成果可为并联机构的结构设计奠定必要理论基础。     

双电机协同控制手指变位与转位的变掌机械手

针对现有欠驱动机械手存在的抓取范围不足的问题,提出一种基于曲柄滑块机构,连杆长度可变的并联机构变掌机械手。此机械手使用无驱动弹性手指,采用两个步进电机驱动,协同控制曲柄的转动角度和连杆的长度,从而实现抓取过程中手指指根的变位与转位,能够满足长方形、圆形等物体的抓取,对抓取对象的外形和尺寸具有良好的适应性。首先给出机械手结构,提出来了机械手的运动过程及抓取位势;分析了机械手对圆柱形物体的抓取过程及状态,研究其抓取特点;讨论机械手的抓取范围及适应性。     

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.     

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.     

灵巧节能的单自由度仿真机械手驱动机构设计

为解决机器人自动装配、医学康复断指再造等多接触抓取装置驱动元件多,结构复杂且笨重的问题,设计了一种灵巧节能的单自由度仿真机械手的驱动机构,推导了各指节间的运动关系方程,利用ADAMS建立了其参数化仿真模型,分析了特定构件尺寸的机构运动轨迹与人手抓取轨迹的差距,进而提出满足人手抓取轨迹、驱动力矩小、各构件尺寸小的驱动机构的优化数学模型,经NSGA-II算法获得与人手抓取轨迹相差无几的多个最优方案,并用参数化模型进行了验证。设计结果表明,所提出的驱动机构仅需一个驱动元件即能实现手指各关节的灵巧运动,且结构尺寸小,满足节能环保的要求,是仿真机械手设计的新尝试。     

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。     

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。     

欠驱动形状自适应气动夹具夹持稳定性

欠驱动夹具有一定的包络和强力抓取能力,但由于欠驱动机构的存在,夹持系统更容易因外界干扰影响其稳定性。夹持构型及欠驱动元件的设计参数对欠驱动夹具的夹持稳定性影响尚未被揭示。提出通过分析夹具夹持状态小位移与力的关系,建立欠驱动夹具动力学方程,得到欠驱动夹持接触物体的等效刚度。对被夹持物体的动力学方程建模,构造能量函数,得到判定欠驱动形状自适应包络夹持的动态接触稳定性刚度矩阵。以平面二关节对称夹持为例分析,结果表明若夹持接触点位置对称分布,接触点处的等效接触阻尼C和等效接触刚度K分别相等,则夹持系统是渐近稳定的。进一步得到：系统中每个弹簧刚度和阻尼参数满足与夹持构型相关的一定比力关系时,可以保证夹持的渐近稳定性。研究结果可以用来分析判定欠驱动夹具的稳定性条件,指导欠驱动夹具的夹持构型及参数设计,对提高欠驱动机械夹具工作安全性和可靠性有重要意义。     

智能上肢假肢气动平衡机构的优化设计

智能上肢假肢是一种拥有6自由度的仿人体上肢的假肢机构,其肩部舵机驱动大臂做旋转运动,实现假肢的前后摆动。由于该机构肩部关节为垂直关节机构,以及大臂本身重力矩的存在,导致其抓取重物的重量非常有限,故需要考虑平衡大臂重力矩以减小肩部舵机的驱动力矩,为此该智能上肢假肢设计有气动杆平衡机构。通过建立机构运动数学模型,确定机构待优化参数,设计机构目标函数和约束函数,利用MATLAB复合型优化设计算法,解决该约束优化问题,求得综合最优解,获得了优化设计计算结果及其运动仿真图形。     

基于GA-PSO混合算法的压力机构多目标优化与动力学仿真

为了避免传统多连杆压力机构在深冲压行程内滑块运动的不稳定性,提高深冲压件产品的质量,更好地满足客户需求,创建多连杆压力机构平面运动简图,建立压力机构各连杆运动的几何关系式,推导出压力机构滑块的动力学方程式.通过运动条件确定压力机构的几何参数变量,构造运动的目标函数并添加几何约束条件.采用GA-PSO混合算法对目标函数进行优化,优化前与优化后的几何参数分别导入到Matlab软件中进行仿真,输出滑块位移、速度及加速度仿真曲线.仿真曲线表明,在冲压行程内,优化后的多连杆压力机构滑块运动速度保持匀速状态,加速度波动较小.压力机构几何参数采用GA-PSO混合算法优化后,能够避免深冲压行程内滑块运动的不稳定性,有利于提高冲压件的质量.     

生产线上下料机器人结构参数优化与仿真

生产线布局规划与机器人结构参数关系密切。针对某立式加工中心主轴箱智能生产线,为完成抓取、翻转工件等工作要求,同时减少机器人的操作空间和结构尺寸,提出了一种应用于上下料机器人的结构参数优化方法:以工艺要求的工作空间为约束条件,以机械手工作空间纵平面包络面最优为目标函数,建立结构参数优化模型。采用蒙特卡洛法进行工作空间对比验证,结果表明,在满足上下料工作空间的要求下,优化后的机器人工作空间大小明显低于其他设计方案,减少了工作空间的冗余浪费,为进一步生产线上下料机器人设计研究奠定了基础。     

管内异物抓取机械手机构参数优化设计

考虑抓取机械手工作于狭小圆形管道内与工作对象的分布特点两方面因素,管内异物抓取机械手采用三自由度关节型机械手的机构型式.以机械手的工作空间主截面最大与杆件长度尺寸之和最小为优化目标,建立了综合优化目标函数,得到机械手的结构参数优化解,为机械手的结构设计及运动学与动力学分析提供了基础参数.同时对所得优化结果做了进一步分析,为机械手的机构参数的修改与调整提供了可靠的理论依据.     

按连杆长及两运动位置最优设计曲柄摇杆机构

已知连杆长度及两个运动位置,以曲柄摇杆存在条件、连杆连续运动条件设计机构最小传动角的最大值,然后依据许用传动角条件,以机构结构最紧凑为目标函数,优化了曲柄摇杆机构的几何尺寸。