关键词:
欠驱动
机械手
夹持力
行星齿轮
虚拟仪器
摘要:
机械手作为机器人末端执行器的关键组成部分,是机器人与周围环境进行直接交互的一个重要接口,实现对物体的抓取操作。在移动机器人领域,机器人的续航时间较短,需要尽量降低各部件的能耗,而欠驱动机械手具有结构紧凑、能耗低等特点,更适合作为移动机器人的末端执行器。目前,机械手的应用场景越来越复杂,抓取的物体大多是柔性或脆性材料,抓取形式要么是精准的力控制抓取,要么是柔性抓取,如对鸡蛋、瓷器等非标易碎物体的抓取。由于每次抓取任务存在差异,常规机械手难以完成。而现有机械手存在以下问题:1.大多数机械手的结构部件是采用刚性金属材料,虽能通过精准的力位控制算法实现对非标物体的抓取,但其自身存在刚性大、成本高、能耗较高、控制复杂、需要高精密传感器、控制变量较多等问题,难以满足机器人在复杂环境下对非标柔脆性物体的抓取。2.气动或磁驱动等柔性机械手虽能实现够对柔性或脆性物体的抓取操作,但现有的缺陷是常规气动机械手需要独立的气泵,磁驱动机械手抓重比过小,都无法提高机械手抓取自适应性。针对上述问题,本文对现有常规刚性和柔性欠驱动机械手展开研究,致力于解决现有的缺陷,主要工作归纳如下:1.提出并设计了一种基于行星齿轮机构的牵引式欠驱动机械手,采用刚柔合并的设计模式,使其既具备刚性机械手的结构和性能特点,也具备柔性机械手的抓取性能,可应用于复杂环境下的抓取操作。2.结合力学和运动学分析,在CAD和Solid Works平台下对零部件进行设计和优化。3.设计了基于行星齿轮机构的传动系统,使其能够分配两种运动,一种用于手指的转动,实现机械手的抓取功能;另一种用于皮带轮的无限转动,通过皮带实现物体的牵引拉入功能。4.结合力学分析,提出并设计了一种阻力矩调节机构,使机械手可在一定范围内调节机械手抓取力。5.利用空间矢量调制技术,实现对伺服电机的稳定控制,提高了机械手运行的稳定性。6.根据测试需求,设计了基于虚拟仪器的欠驱动机械手测试实验平台,实现了对机械手抓取过程的控制和数据采集、数据处理和数据保存等功能。根据所设计的机械手,本文分别进行了抓取力测试实验和实物抓取实验。抓取力测试实验表明,在阻力矩调节机构的作用下,机械手能有效调节抓取力;实物抓取实验结果表明,机械手能够实现对刚性和柔性等非标物体的抓取操作,验证了机械手设计的有效性。