基于气动人工肌肉驱动的多关节机械手指动_力学仿真毕业论文

南京工程学院

毕业设计说明书(论文)

作者：刘卫学号： 5

系部：机械工程学院

专业：机械电子工程

题目：基于气动人工肌肉驱动的多关节机械手指

动力学仿真

指导者：闫华副教授

评阅者：

2015 年 5 月南京

毕业设计说明书（论文）中文摘要

毕业设计说明书（论文）外文摘要

目录

前言 0

第一章绪论 (1)

课题项目的背景 (1)

气动人工肌肉多关节手指的国内外发展现状 (1)

气动技术的介绍以及发展前景 (3)

论文研究的内容和方法 (5)

第二章多关节手指的结构设计及建模 (6)

气动肌肉的介绍 (6)

气动肌肉的内部结构 (6)

气动机械手指的基本结构 (8)

绘图软件SoildWorks介绍 (8)

整体方案的设计 (8)

手指的关节设计 (9)

因为手指有三个关节，每一个关节又有许

多零件，三个手指关节

的驱动原理和结构一样，所以这里以滑块简要的介绍手指建模过

程。 (14)

灵巧手指的装配和三维模型的导出 (15)

第三章多关节手指的动力学仿真分析 (16)

仿真软件ADAMS和MATLAB简介 (16)

动力学仿真过程介绍 (18)

ADAMS参数设置过程 (18)

建立MATLAB控制模型 (27)

动力学仿真结果分析以及结论 (29)

第四章气动肌肉灵巧手指的控制系统设计 (31)

气动肌肉回路原理和设计 (31)

气动回路器件的选择 (32)

灵巧手指的关节控制系统 (34)

控制系统的原理 (34)

控制系统的硬件选择 (35)

D/A控制界面的设计和程序的编写 (36)

第五章结论及总结 (41)

参考文献 (42)

致谢 (44)

前言

随着机器人技术的日益成熟，工业机器人极有可能最终取代机床，成为新一代工业生产的基础。服务机器人在近些年开始走进大众视野，并随着人工智能技术、先进制造技术和移动互联网的创新融合而飞速发展。越来越多的服务型机器人被研发出来，开始改变人类的社会生活方式。未来对机器人性能和稳定性要求越来越高，其中由于机器手作为机器人的末端执行器，机械手的功能直接影响着整个机器人的功能，因此机器人手指的研究成为了国内外的热门，本文我们将提出一种曲柄滑块机构来驱动手指弯曲，其中滑块机构是由人工肌肉来推动，由于气动人工肌肉比重小、结构紧凑，占用空间小等优点，关于气动人工肌肉的灵巧手指的研究越来越多。如今，机器人的使用范围已开始向国家安全、特殊环境服役、医疗辅助、科学考察等多个领域扩展。而一旦步入智能化阶段，机器人产业所构建的社会网络，将遍及社会生产、生活各领域，成为新一轮产业革命后的社会形态——智能社会的基础。

作为一种跨学科先进技术，机器人技术的突破需要其他技术支撑，尤以能源、材料、信息、生命科学及先进制造技术为重。这些技术被众多学者视为新一轮产业革命的支撑技术，它们的突破必然会促发机器人产业发展的一个高峰，从而推动新一轮产业革命进程。新型能源将有助于解决机器人的动力问题；新材料的使用有助于提升机器人的性能；信息技术的发展应用对机器人的控制系统至关重要；生命科学的发展有望使仿生学更多地运用到机器人产业，从而推动机器人“从机器到人”的转变；先进制造技术的应用则可解决结构复杂机器人的制造问题，有助于推动机器人的批量化生产和普及。

因此，气动人工肌肉机械灵巧手指正是在这种情况下出现。本文将提出一种接近于人手尺寸和运动范围的灵巧手指，该灵巧手指采用气动人工肌肉来驱动，手指包含三个关节，能够进行多自由度的运动，具有良好的仿生性。

第一章绪论

课题项目的背景

目前，机器人像人一样，需要利用它的“手”与周围发生接触。作为机器人与周围环境交互作用的末端环节和执行机构，机器人的“手”(末端执行器)的性能提高对机器人操作水平和自动化水平的提升具有非常重要的作用。以往的工业机器人通常只需要完成抓取/拿放这样简单的功能，因此功能单一、结构简单的单自由度专用末端执行器便可以满足日常任务要求。但是，伴随着科学技术的提高，机械手指的应用范围不断增大，逐渐从传统的工业领域扩展到服务业、医学、以及农业领域中，其服务对象也变的更加多样化。因为以往的机器人末端夹持器在抓取的稳定性、灵活性以及通用性等方面都存在严重不足，这在很大程度制约了机器人的应用，这种情况下，国内外的科学工作者开始研究具有多个关节和自由度的机器人多指灵巧手。目前，国内外机器人多指灵巧手，大部分采用伺服电机驱动，这种驱动优势在于可以实现准确的控制，同时采用电机—柔索动力传递方式，这样设计的目的在于得到了较大的之间输出力的同时又保证了灵巧手具有较小的尺寸。但是，电机—柔索传动方案使得整个灵巧结构复杂，而且柔索装置在传递动力的过程中会有摩擦、松弛、振颤等现象，不仅效率低下．而且增加了控制难度。为了克服上述存在的问题，浙江工业大学，哈尔滨工业大学等国内院校已经进行了相关研究，本毕业设计研究一种基于气动人工肌肉驱动的多关节机械灵巧手指，并且进行动力学仿真。

气动人工肌肉多关节手指的国内外发展现状

北京理工大学范伟，余麟等针对气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的设计，提出应用气动人工肌肉的五指灵巧手设计方案包括各手指的结构设计以及手指与手掌的连接设计手指采腱传动方式，灵巧手总共具有17个自由度。手指

端有滑觉传感手掌中有握紧力传感。该灵巧手具有充分的自由度，结构紧凑、新颖并具有力知觉能力仿生性好[1]。

浙江理工大学王龙辉设计了一种多自由度的仿人手指，该手指采用气动肌肉作为驱动器。在设计手指之前，为了得到气动人工肌肉的基础模型，首先要通过实验来获得气动肌肉的静态特征，采用两个气动肌肉来带动滑轮转动的原理，设计出灵巧手指的基本关节模型，然后设计出灵巧手的基本机构，根据气动肌肉的驱动原理，设计手指关节的气路和控制系统；其次为了进行试验分析，必须构建气动肌肉手的实时反馈系统[2]。

河南科技大学王凯通过对人下指结构的分析,基于SolidWorks 三维软件设计了一种气动人工肌肉驱动的机器人灵巧手指，按照人手指结构比例进行了优化,并采用触力传感器和电位计来分别检测指尖接触力及三个关节转角．为构成闭环控制产生反馈信号,对所设计的手指进行运动学分析，确定出手指各关节的运动空间及输出力,为进一步进行灵巧手模块化设计打下了基础[3]。

北京理工大学彭光正研究并设计了气动人工肌肉驱动的多关节手。该手有5个手指，结合人体的构造，参考人手的外形和肌肉的运动形式，设计了19个自由度多指仿人灵巧手，该手指依靠气动肌肉带动柔索伸缩，从而使手指弯曲。通过实验数据分析可得,该手指的整体尺寸和运动空间接近人手，因此该手指拥有良好的柔顺性能[4]。

哈尔滨工业大学樊绍巍提出了一种新型的类人化五指手被研制出来，手是由一个独立的手掌和五个相同的模块化的手指构成，手指的尺寸大约是第一代HIT/ DLR手的三分之一，手的大小和人类的相似包装件同结构功能件融合的设计思想不但进一步缩减的灵巧手的外形尺寸 ,而且使灵巧手外形更加类人化[5]。

河南科技大学朱玉乐根据气动人工肌肉驱动的HUST灵巧手的结构特点，采用标准D—H参数法建立各手指指尖相对于手掌坐标系的运动方程，分析求解多指气动灵巧手的正逆运动学问题，基于MATLAB对灵巧手的工作空间进行仿真分析，得出了各手指在手掌坐标系下的操作可达空间，并通过抓取实例验证了运动学与仿真分析的正确性，为多指灵巧手的抓取规划提供了重要依据[6]。

昆明理工大学武鹏飞对能抓取易碎物体的气动手指进行了研究 , 采用