单自由度仿真机械手驱动机构的多目标优化设计

目的 设计单自由度仿真机械手的驱动机构,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设计问题.方法 基于驱动机构方案,建立其优化数学模型、仿真手的手指运动轨迹模拟方法 、抓取过程的力学模型和力的处理方法 以及力的平衡方程,采用NSGA-Ⅱ算法完成驱动机构优化设计.结果 应用所提出的驱动机构设计方法 将机构各构件的尺度综合这一复杂的设计问题转化为一简单的机构尺度多目标约束优化问题,获得了满足驱动力矩小、各构件尺寸小的较好的优化设计方案.结论 单自由度仿真机械手驱动机构的多目标优化设计方法 可以简化机械手设计.获得更加灵巧的机械结构,优化结果 表明该方法 是可靠的,是仿真机械手设计的新尝试.     

复合驱动双指柔性机械手的设计与控制

为了满足工业领域中形状多变、物性多样、尺寸不一的复杂目标件抓取需求,模仿人手指关节并依据双指贴合抓取原理,设计达到包络贴合状态的双指柔性机械手. 分析目标件外形轮廓的结构特点,提取目标件轮廓的抓取特征,获得柔性机械手的结构运动原理.根据柔性机械手运动原理,进行目标件包络夹取过程的数学建模与仿真分析, 搭建平台验证柔性机械手的性能.该机械手由柔性机械手指、驱动部件和位置补偿机构组成,可以实现圆柱体、圆锥件、长方体类零件的适应性抓取,具有较高的抓取可靠性与稳定性.     

机器人多指手的优化抓取力计算

由于机器人灵巧手与物体接触所产生的摩擦力约束为非线性约束,导致实时计算手指抓取力受到了极大的限制。提出了一种计算多指手优化抓取力的通用方法,其关键是利用拉格朗日乘子法,通过自动调节各手指法向接触力的权值系数来获得满足非线性摩擦锥约束的初始抓取力,并结合梯度流的方法对初始抓取力进行优化。对于任意的干扰外力,在满足抓取稳定性的情况下,可快速地计算出各手指的优化抓取力。仿真结果证明了该方法的有效性。     

一种新的计算三指机器人柔性手抓取力的方法

本文在柔性手与操作体点接触的基础上,采用旋量方法表示手指对操作体的作用力,并提出了判断手指抓取位置能平衡任意外力的条件。在指端的法向作用力满足单向性条件及切向作用力满足摩擦条件的前提下,给出了一种求解柔性手抓取力的行之有效的方法。     

仿人假手柔性食指机构研究

针对仿人假手抓取物体欠柔性问题,从提高假手操作灵活性、手指柔性角度,设计欠驱动多自由度柔性食指机构,并进行手指运动学分析和工作空间分析.研究建立了食指机构的简化模型,假手的食指由一个独立的电机带动,采用钢丝绳合并连杆机构驱动,并基于运动学分析了食指机构.结果表明:在选取适当手指机构尺寸及各关节的转角范围后,获得了指端的工作空间及相对于手掌的位置;手指关节内加入扭簧,抓取物体时,假手表现出良好的柔性和形状自适应性.     

移动机器人灵巧手的优化设计

针对移动机器人灵巧手的最佳灵巧性设计问题, 提出了一种最优化结构参数的设计方法。将人类手 指仿生学原理引入优化算法中, 从单个手指的灵巧性分析出发, 采用灵巧度指标最优的设计准则, 确定了空间单指 的最佳灵活性区域、各杆长度间的关系以及各关节的旋转范围, 并采用MAT LAB 对上述结构参数进行优化计算与 仿真, 获得了满足抓取任务的尺寸参数, 在此基础上对手指间相对位置采取了定量化的计算方法, 仿真结果满足了 灵巧性的设计要求。     

欠驱动假手手指抓取力的研究

为了满足欠驱动手进行复杂作业的需要,基于欠驱动原理建立了手指对物体的抓取力模型和基于力的阻抗控制策略.对应于任一手指姿态,抓取力模型可以准确得到基关节抓握力矩和手指各指节抓取力的关系;采用基于力的阻抗控制策略,实现了基关节抓取力控制.实验证明,手指能够稳定地抓取鸡蛋这样比较滑、容易碎、形状复杂且有一定质量,需要稳定和平衡抓取力的物体,其成功率达80%以上.而这是单纯用手指的基关节力控制很难做到的(成功率只有不到20%).手指抓取力模型和阻抗控制策略的建立大大增强了假手进行复杂作业,抓取复杂物体的能力.     

弹性胶泥反后坐装置力学特性分析

弹性胶泥在体积压缩时储存能量,在流动时消耗能量,具有优良的缓冲减震性能,可用于多种缓冲装置.根据弹性胶泥的压缩特性及流动特性,建立了一种应用弹性胶泥的缓冲装置力学模型,并以某火炮为例,设计了一种以弹性胶泥为缓冲介质的反后坐装置.通过动力学建模及分析,研究了该种反后坐装置的性能及结构参数对缓冲特性的影响.结果表明,该种反...     

气动柔性五指机械手运动空间与抓取实验研究

设计了一种气动柔性五指机械手,采用单驱动型和多驱动型单向弯曲柔性关节作为单自由度手指关节,可完成多自由度抓、握、捏等人手灵活动作;搭建机械手运动学实验平台和抓取实验系统,利用3D运动捕捉系统,得到了机械手各手指运动空间,机械手可稳定抓取日常生活中不同外形和质量的物体,验证了其有类似人手的抓取能力。实验结果表明：机械手各手指基本完成了设计要求,实现各自抓取功能,具有良好的柔顺性和适应性。     

测试原位纳米压痕的微小型加载装置

提出一种用于原位纳米压痕测试的微小型精密加载装置。结合纳米压痕测试的基本要求,对精密加载装置进行了结构设计分析,建立了以压电叠堆推动柔性铰链推进单晶金刚石工具头实现压痕测试的方案,依据胡克定律利用柔性铰链敏感单元实现对压入力信号的检测。对压入柔性铰链单元进行了力学分析和模态研究,在此基础上,对研制测试平台样机的压入特性、载荷力检测等进行了试验测试,并利用研制的样机对单晶硅晶片进行了压痕试验。加载装置在100V驱动电压下压头有效行程可达11.96μm,基本满足压痕测试的功能要求。     

空间光学遥感器反射镜柔性调节结构设计

针对空间光学遥感器圆形反射镜结构刚度高、热尺寸稳定性差的状况,设计了一种温升变形柔性调节结构,旨在保持结构刚度满足力学要求的同时,使反射镜具有良好的热尺寸稳定性.对柔性结构进行了合理的结构设计,对其力学模型及铰链参数进行分析,并对反射镜组件进行有限元仿真.结果表明:在柔性结构的调节作用下,反射镜在力和热两种环境约束工况下,面形PV值均远小于63.2 nm,满足成像质量要求.证明这种柔性调节结构在实际结构设计中是合理可行的.     

装配液袋阀门座机械手的末端结构设计

针对手工装配大型液袋的阀门座生产效率低及卫生条件差等问题,本文以6-DOFs工业机器人为例,对装配液袋阀门座机械手的结构进行设计。给出了装配机器人的的设计方案,为顺利抓取阀门座并保证抓取过程中阀门座中心位置不发生偏转,对机械手爪的定心机构进行设计。同时,为了缓冲机械手在靠近阀座时的冲击力,设计了一套弹簧装置,并对主要参数进行分析计算。为了保证机械爪装配在机器人末端时能够很好的定位,在安装结构上设置凹槽,与机械人末端关节进行配合设计,通过凹槽,将机械手结构准确的安装在机器人上。该设计实现了大型液袋自动生产过程中阀门底座的自动安放,满足了厂家的工作要求,提高了生产效率。     

倒圆角柔性铰链位移传动机构的设计和分析

为了减少单方向上的装配空间,设计一种倒圆角柔性铰链的位移传动机构,用于改变压电型直线促动器的力-位移方向。利用Matlab对倒圆角柔性铰链的刚度计算公式编程,分析各设计参数对刚度的影响程度。通过对固定端的柔性铰链的强度分析以及机构的传动要求,确定合理的设计几何参数,并基于ANSYS有限元分析对设计进行验证。结果表明：这种设计方法更加简洁、准确、快捷。为此类传动机构设计提供一定的依据。     

平行连杆式变形翼结构设计及分布式驱动配置

为提高飞机飞行效率和多任务适应能力,设计一种兼顾高低速工况的变形翼骨架,并研究变形翼内部分布式驱动器的位置优化和数量布置问题。基于翼肋摆动变形方式,设计变弦长、变后掠、变面积、变展弦比的平行连杆式变形翼机构,以单元尺寸为参数,对翼肋摆动程度与展弦比进行分析,得到机翼参数变化曲线;以包含机翼骨架、驱动器和柔性蒙皮的单元为研究对象,通过实验法测定柔性蒙皮的等效弹簧刚度,并基于虚功原理,采用准静态力学分析方法,得到单元的力学模型,以单元变形量为目标优化函数,通过matlab优化工具箱fmincon函数求解,得到最优驱动器位置和蒙皮初始状态,并进行实验验证;采用Ansys软件模拟多个单元机构运动与弹性变形的耦合作用,得到多种驱动器布局下机构的最终平衡状态;设计了变形翼详细结构,完成了样机加工装配。结果表明:机翼平衡时的变形量与驱动器布局和结构刚度有关,当机翼结构刚度增强时,分布式驱动与单个驱动所做的变形量均收敛在理想值。采用分布式驱动会最大化变形量,更适合低刚度结构机翼,设计的变形翼样机可以实现连续变形。     

智能搬运机器人末端夹持机构研究

以自主研发的智能搬运机器人样机为研究对象,设计一种机械臂末端抓取腕表的夹持机构,通过ANSYS软件仿真验证其结构合理性,根据夹持力与抛光力的关系,对表壳在30N抛光力条件下进行仿真分析.结果表明,表壳未发生变形,进一步验证结构合理性.     

空间三自由度柔顺并联机构设计与仿真分析

刚体替换法是柔顺机构设计重要方法之一。基于刚体替换理论,选取合适的空间机构构型,选用合适的柔性铰链替换刚性运动副,依据KutzbachGrubler理论计算空间并联机构自由度,进而设计了一种三自由度柔顺并联机构微动平台。利用ANSYSWorkbench有限元分析软件对柔性支链和微动平台进行位移和应力分析,并得到动平台输出端节点位移数据,验证了三自由度柔顺并联机构的运动精度满足设计要求。通过分析获得的参数为多自由度柔顺并联机构优化提供了参考,同时可为多自由度柔顺并联机构设计提供借鉴。     

柔性压电式微位移机构在精密机床定位中的应用研究

研究、设计了一种柔性压电式微定位机构。此机构采用压电陶瓷作为微位移驱动器,柔性铰链为导向机构,对丝杠螺母传动的精密机床工作台的运动位置进行自动补偿,实现了超精密定位。文中对柔性铰链机构进行了合理的设计及参数分析,并应用于精密机床中进行定位精度测试。实测结果表明,采用柔性压电式微位移机对精密机床工作台二次精定位,可使工作台定位精度提高到0.01μm,可满足精密、超精密加工需要。     

面向草莓抓取的气动四叶片软体抓手研制

农林业中果蔬的自动化采摘需求日趋强烈,末端抓手是实现无损采摘的关键。传统的末端抓手以刚性结构居多,现有的各种柔性抓手也存在抓取力不足、包覆性不佳等缺点。本文以草莓的无损采摘为研究对象,提出将草莓外部轮廓曲线作为设计曲线,设计了一种新型气动四叶片软体抓手。首先,对软体抓手的结构做仿真优化,提出一种安全地附着在目标物表面的设想。然后,在进行草莓表面的最小破坏应力试验的基础上,测试了软体抓手的末端力,验证了其实现无损抓取的可行性。再次,利用动态捕捉技术,研究了软体抓手叶面的弯曲变形规律。最后,选择使用弧线型气体通道的软体抓手进行了草莓抓取测试,结果证明了气动四叶片软体抓手可以实现草莓的无损抓取,抓取成功率达90%,破损率为2%,表明所研制的四叶片软体抓手用于草莓抓取时具有良好的稳定性和实用性,可用于草莓采摘的末端执行器。本研究也可为其他易损果蔬的采摘技术提供理论基础和技术支撑。     

多指抓取力的线性组合计算

为提高力优化算法的实时性,提出一种新的计算抓取力初值的方法.首先离线计算一组单位外力对应的抓取力作为线性组合的基础向量,然后将任意外力分解为单位力的线性组合,对基础抓取力按同样规律组合,得到满足约束的抓取力初值.算例仿真分析结果表明,该方法的计算速度比拉格朗日对偶法、单值优化法更快,且减少了力优化算法的收敛步数目.在带摩擦点接触抓取模型中,应用该方法为多指抓取的力优化算法求取初值,有利于提高力优化算法的实时性.     

基于ADAMS的反铲工作装置优化设计研究

利用ADAMS软件中的参数化建模与分析功能,建立并校核WZ30-25挖掘装载机的挖掘工作装置参数化模型。以挖掘作业过程中,工作油缸力最大值最小化和控制液压油缸行程为优化目标,将挖掘工作装置分为铲斗机构、斗杆机构和动臂机构三部分依次优化,对挖掘工作装置机构的各铰接点位置进行了优化设计。