一种欠驱动柔性机械手的抓取力研究

第36卷第3期2018年6月轻工机械LightIndustryMachineryVol.36No.3Jun.2018[研究•设计]DOI:10.3969/j.issn.1005-2895.2018.03.003一种欠驱动柔性机械手的抓取力研究李秋苹1，章军1，崔军2(1.江南大学机械工程学院，江苏无锡214122;2.常熟开关制造有限公司，江苏常熟215500)摘要：为满足农产品（食品）行业中尺寸范围大、形状复杂、物性多样的复杂对象抓取需求，提出了一种欠驱动柔性机械手。设计了欠驱动柔性机械手的的结构，介绍了其工作原理；采用2个电机驱动串联双铰链柔性关节；以直径为20,40和60mm的圆柱4吕块为抓持对象，建立了静态力学方程和几何平衡方程;运用MATLAB软件中fsolve函数求出机械手在负栽状态下驱动杆行程与抓取力的关系。计算结果表明通过控制驱动杆行程，可以实现调节抓取力的大小，在不损坏物体表面的前提下，有效抓取复杂对象。关键词：柔性机械手；串联双铰链;双电机驱动；MATLAB软件中图分类号:TP241文献标志码：A文章编号=1005-2895(2018)03-014-05GraspingForceStudyofUnderactuatedandFlexibleManipulatorLIQiuping1,ZHANGJun1,CUIJun2(1.SchoolofMechanicalEngeering,JiangnanUniversity,Wuxi,Jiangsu214122,China；2.ChangshuSwitchManufacturingCo.,Ltd.,Changshu,Jiangsu215500,China)Abstract:Inordertomeetthedemandsofcomplexobjectswithlargescale,complexshapesandcomplexphysicalpropertiesintheagriculturalproductsindustry,thispaperproposedakindofunderactuatedandflexiblemanipulator.Thispaperintroducedthestructureandworkingprincipleofthismanipulator,themanipulatorusedtwomotorstodrivethetandemtwohingesjoints.Thestaticmechanicalequationandthegeometricequilibriumequationwereestablishedbygraspingthecylindricalaluminumblockwithdiametersof20,40and60mm.TherelationshipbetweenthedriverstrokeandgraspingforcewasfoundoutbythefsolvefunctionofMATLABsoftwareundertheloadstate.Thecalculationsresultsindicatethatgraspingforceisadjustedbythestrokeofdriverod.Themanipulatorcaneffectivelygraspcomplexobjectswithoutdamagingthesurfaceoftheobject.Keywords：compliantmanipulator；tandemtwohinges;twinmotordrive;MATLABsoftware轻工、农产品（食品）等行业的原料供送、生产包装与仓储运输中存在分拣、包装、搬运、仓储和配送等环节，为满足对尺寸范围大、形状复杂、物性多样的复杂对象抓取需求[12，急需可抓取复杂对象的机械手。FESTO公司的MultiChoiceGrippei•是一■种新型的柔性机械手，有2种快换的手指结构，其中一种手指机构以人类大拇指为灵感，具有FinRay®结构，可灵活针对抓取对象形状进行调整，具有极好的抓取自适应性[3];其缺点是抓取力比较小，且由橡胶材料制成，容易老化，寿命短。柔性关节一般意义上是指由大柔度杆或柔性铰链等构成的柔性系统与刚性系统所组成的混合系统[4]。串联双铰链柔性机械手是指尖节驱动，针对具体复杂抓取对象，优化中指节前、后铰链上2个扭弹簧参数和机械手结构尺寸的一类欠驱动机械手[5-]。通过2个含扭弹簧铰链的弹性协调转动，满足抓持力和抓持范围的需求，而不必精确控制各铰链角位移。课题组提出的双步进电机[7]驱动串联双铰链柔性机械手，与电动推杆驱动的柔性机械手[]相比，指跟节的角度可调控，扩大了抓取范围的同时，通过精确控制驱动行程，收稿日期:2017-09-01;修回日期:2017-11-10基金项目：江苏省数控一代机械产品创新区域应用示范工程(2015BAF25B00)。第一作者简介:李秋苹（1991),女，河南濮阳人，硕士研究生，主要从事欠驱动柔性机械手结构设计研究。E-mal:[e-mail][研究•设计]李秋苹,等:一种欠驱动柔性机械手的抓取力研究•15•调节抓取力。1机械手结构及工作原理机械手的结构如图1所示，主要由驱动传动机构和手指结构两部分组成。1一指尖丝杠周边步进电机;2—指跟丝杠轴步进电机;3—驱动固定盘;4一支撑导柱;5—直线轴承;6—指尖驱动盘;7—指尖驱动杆；8—丝杆螺母；9一指根驱动盘；10—推杆座；11一推杆；12—丝杆固定轴承;13—手指座固定盘;14一二力杆；15—二力杆座；1一指尖节；1一小扭弹簧;18—销轴；19一旋钮;20—中指节;21—大扭弹簧;22—指根节;23—指跟座。图1机械手结构Figure1Structureofmanipulator驱动传动机构:驱动固定盘3与手指座固定盘13通过两根支导撑柱4连接，支撑导柱4通过两个直线轴承5分别穿过指尖驱动盘6和指跟驱动盘9。指尖丝杠周边步进电机1和指跟丝杠轴步进电机2用螺钉固定在驱动固定盘3上，丝杆的另一端分别固定在手指座固定盘1的丝杆固定轴承12上;指尖丝杠周边步进电机1的丝杆穿过指跟驱动盘9上的孔，通过丝杆螺母8与指尖驱动盘6连接，3根指尖驱动杆7—端通过螺母连接在指尖驱动盘6上，另一端通过销轴连接在二力杆1上，二力杆1通过销轴连接在二力杆座1上;指跟丝杠轴步进电机2的丝杆穿过指尖驱动盘6上的孔，用丝杆螺母8与指跟驱动盘9连接，3根推杆1一端通过推杆座1连接在指跟驱动盘9上，另一端通过销轴连接在指跟节2上。手指结构:柔性机械手3个指尖节16通过螺钉与二力杆座1连接，指跟节22通过销轴安装在指跟座23上，指跟座23用螺钉固定在手指座固定盘13上，指尖节16、中指节20和指根节22用销轴18连接，两个销轴1上分别装有小扭弹簧17和大扭弹簧21，中指节20上装有可调节小扭弹簧17初始预紧角的旋钮1。电机2带动丝杆转动，由于支撑导柱4对丝杆螺母8有限制作用，丝杆螺母带动指跟驱动盘9上下运动，从而带动推杆1运动，改变指跟节和手指座固定盘的夹角。电机1正转时，丝杆螺母带动指尖驱动盘6向下运动，指尖驱动杆7则推动手指克服小扭弹簧和大扭弹簧的弹性力，使两个串联活页铰链转动，指尖的曲面段接触被抓物体，从而抓持物品；电机1反转时，丝杆螺母带动指尖驱动盘6向上运动，机械手手指张开。电机断电，其内部螺杆螺母机构自锁，可保持抓取力不变。2机械手负载状态抓取力分析2.1物体静止机械手负载状态抓取力分析机械手结构可简化如图2所示，B、C点为两个串联活页铰链手指关节的中心，以通过机械手手掌中心的垂线为y轴，过4点的水平线为％轴，轴垂直于纸面向外，建立坐标系。图2机械手示意图Figure2Diagramofmanipulator机械手指根节与手指固定盘的夹角为a;手指连接处4点到机械手中心的水平距离为〗1;指跟节关节中心B点到手指连接处4点的长度为^;关节B与C中心距为％;指尖节关节中心C点到手指末端驱动固•16•车轻工机械LightIndustryMachinery2018年第3期定座的距离为;手指末端驱动固定座的长度为c;手指连接处^点到机械手指驱动杆中心距离为指尖圆弧的半径为圆弧切点沿指尖节到手指末端驱动固定座中心的距离为6；二力杆的长度为心手指驱动推行程为AL；手指驱动杆超出手指固定盘的长度为^；二力杆与机械手指驱动杆的夹角为Y；二力杆与手指末端驱动固定座的夹角为0。课题组分别以直径为20,40和60mm的圆柱铝块儿为抓持对象，取机械手指根节与手指固定盘的夹角a为60°，70°和80°时，对抓持系统进行受力分析，求驱动杆运动行程和抓取力大小的关系。假设各运动副摩擦力和各部件重力均忽略不计;除扭弹簧外，其余部件为刚体。图3所示为物体静止机械手负载示意图，铰链^与A扭矩平衡方程为：^1(^1+^01)=FdCsi^-Fda3cosS3-Fnd11；(〇k2(cp2+cp02)=Fdcsin/3-Fda3cos/3-Fda2cos(1+f3)-。(2)式中：i、2为弹簧的刚度，N•mm/md;p01、p02为扭弹簧预紧角，md；1、p2为扭弹簧扭转角，md;Fd为二力杆的推力，N;F为械手手指对铝块儿的抓取力的反作用力，N；1为抓取力Fn对〇1点的力臂，mm;d21为抓取力Fj对〇2点的力臂，mm[9]。且有d11=(b+a3)sin(a+p1+p2)-rcos(a+p1+P2)；d21=a2sin(a+p2)+(b+a3)sin(a+p1+p2)-rcos(a+Pi+p2)。抓持对象为半径为^的圆柱型铝块，则有R+a1cosa+a2cos(a+p2)+(b+a3)•cos(a+Pi+p2)_r+rsin(a+Pi+p」。(3)在坐标系中，由解析几何可知：(3=n+y-a-p1-p2;(4)dsiny=l2-a1cosa-a2cos(a+p2)-a3cos(a+Pi+p2)-csin(a+Pi+p2)。（5)机械手驱动杆行程AL=a1sina+a2sin(a+p2)+a3sin(a+p1+p2)_ccos(a+Pi+p2)_dcosy'。(6)式中y'有dsiny'=22-(aj+a2+a3)cosa-csina。2.2物体悬停机械手负载状态抓取力分析以直径为20,40和60mm的圆柱铝块儿为抓持对象，取机械手指根节与手指固定盘的夹角a为60°、70°和80°时，对抓持系统进行受力分析，求机械手驱图3物体静止机械手负载示意图Figure3Objectstaticmanipulatorloaddiagram动杆运动行程和抓取力大小的关系。图4所示为物体悬停机械手负载示意图。假设各运动副摩擦力和各部件重力均忽略不计;除扭弹簧外，其余部件为刚体，铰链^与A扭矩平衡方程为：图4物体悬停机械手负载示意图Figure4Objectsuspensionmanipulatorloaddiagram^1(Pi+P01)=FdCsinP-Fda3CoSP-Fnd11~fd12；(7)l(P2+P02)=FdCsin/P-Fda3cossP-Fda2C〇s(Pi+/P-Fnd2i_/d22。（8)式中：为手指与铝块儿之间的静摩擦力，N;di2为摩擦力/对〇1点的力臂，mm;d22为摩擦力/对〇2点的力臂，mm。且有d12--(b+a3)cos(a+P1+P2)+r-rsin(a+Pi+P2)；d22--a2cos(a+P2)-(b+a3)cos(a+P1+P2)+r-rsin(a+Pi+P2)。[研究•设计]李秋苹,等:一种欠驱动柔性机械手的抓取力研究•17•摩擦力/与抓取力圪的关系：f二fx乂Fn〇式中：为机械手指与铝块儿之间的静摩擦因数。摩擦力/与铝块儿的质量m之间的关系：f=m\g/3。式中：为重力系数。给定一个安全系数所以/x«s=mX//3。3模型的数学计算机械手尺寸：^=26.7mm;=26.7mm;a3=p02=0