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                                    软体拟人机械手的设计及抓取效果研究

                                    添加时间:2020/06/05 来源:湖南大学 作者:徐康
                                    为了使软体拟人机械手获得最佳的抓取效果,通过有限元分析对软体手指几何参数 进行优化,以及制作材料进行选择。
                                    以下为本篇论文正文:

                                    摘 要

                                      本文设计制作的软体拟人机械手,与人手大小比例为 1.2:1,主要包括两类手指,其 它四指和大拇指。其它四指有三个指节,由水平分布的小气室分割,并由三层硅胶层组 成两个气室,弯曲气室和变刚度气室,弯曲气室控制软体手指的弯曲,变刚度气室控制 软体手指的刚度。设计的大拇指的与其它四指大致相同,不同点在于大拇指只有两个指 节,弯曲层上气室分布不同于其它四指的水平分布,而是与手指径向呈 30 度倾斜,这 样的设计可以使大拇指在弯曲的同时实现一定角度的侧摆,模仿人手大拇指抓取时的动作。

                                      为了使软体拟人机械手获得最佳的抓取效果,通过有限元分析对软体手指几何参数 进行优化,以及制作材料进行选择。在其他参数不变的前提下,设计不同壁厚的弯曲气 室模型进行有限元分析,在考虑到实际应用后,确定了手指的最佳壁厚;设计了不同半 径的弯曲气室进行有限元对比分析,得出最优的半径值;通过拉伸实验得到不同比例混 合的硅胶材料力学性能参数,分别采用各材料的力学性能参数进行对比有限元分析,确 定了最佳的混合比例。

                                      在软体拟人机械手抓取实验中,验证了有限元分析中软体手指指根关节转角与气压 之间关系的正确性。搭建实验平台,测量软体手指指尖压力大小与气压之间的关系,设 计实验验证软体手指刚度改变对手指抓取重物的影响。在软体拟人机械手抓取实验测试 中,并得出了一些结论:软体手因为自身特点,对圆柱体类物件抓取能力较强;软体手 在抓取非圆柱体时,能够根据物件本身形状,实现自适应抓取。试验中还获得了软体拟 人手有效的抓取物体直径范围,以及做了软体手拟人手变刚度的实验对比。

                                      关键词:软体机器人;拟人手;气动驱动;变刚度

                                    软体机器人

                                    Abstract

                                      The software anthropomorphic robot designed and produced in this paper ,comparing with human hands has a ratio of 1.2:1 , which mainly includes two types of fingers, a thumb and the other four-finger . The other four-fingers have three knuckles, which are pided by some horizontally small air chambers, and composed of three layers of silica gel to form two air chambers. a curved chamber and a variable stiffness chamber. The curved chamber controls the bending of the soft finger. The stiffness chamber controls the stiffness of the soft finger . The design of the thumb is roughly the same as that of the other four fingers, but the thumb has only two knuckles. The distribution of the air chamber on the curved layer is different from the horizontal distribution of the other four fingers, but it is inclined at 30 degrees to the radial direction of the finger, it makes the thumb bends while achieving a certain angle of the side swing, imitating the grasping action of the human's thumb.

                                      In order to obtain the best gripping effect of the soft anthropomorphic robot, through finite element analysis, the geometric parameters of soft finger are optimized and the material is selected. Under the premise of other parameters are unchanged, the comparative finite element analysis were carried out by designing curved air chamber models with different wall thicknesses. After considering the practical application, acquired the optimal wall thickness of the fingers;The different radius curved chamber is designed to carry on the contrast finite element analysis.We also obtained the optimal radius value; The mechanical properties of each silica gel material were obtained by tensile test, and the mechanical properties of each material were used for comparative finite element analysis to determine the optimum mixing ratio .

                                      In the soft anthropomorphic robotic hand grabbing experiment, the relationship between the soft finger finger joint angle and the air pressure in the finite element analysis was verified. The experimental platform was built to measure the relationship between the soft finger fingertip's pressure and the air pressure. Designing experiments verified soft finger stiffness changes effected on grabbing weight. The grabbing experiment of the soft anthropomorphic robotic hand was carried out, and some conclusions were drawn: the soft body is very suitable for grabbing the cylindrical objects because of its own characteristics; The soft body can grasp the shape of the object according to the shape of the object itself ,when grasping the non-cylindrical body. In the grabbing experiment,we also obtained the effective range of the grasping object diameter of the soft body, and made an experimental comparison under different stiffness of the soft anthropomorphic robot hand.

                                      Key words: software robot; anthropomorphic hand; pneumatic drive; variable stiffness

                                    目 录

                                      第1章绪论

                                      1.1选题背景及意义

                                      自机器人于20世纪中叶问世以来,极大地推动了世界工业生产,同时工业的磅礴发展,也驱使机器人技术得到了快速提升。自上世纪60年代,一款名为Unimate的工业机器人由美国科技公司研发问世以来,机器人在生产中的应用越来越广泛,也标志着工业生产进入机器人时代[1-4].随着机器人技术越来越成熟,其应用领域也变得越来越复杂,在一些生产全过程,甚至不需要人的参与。但在面对特殊易碎工业产品时,刚性工业机器人,可能会对其造成损伤,如何使机械手拥有人手一样的柔性,一直是机器人研究的一个重要方向,软体机器人也由此而提出,它的出现弥补了刚性机器人柔性不足的问题。目前软体机器人的应用已经不再限于抓取领域,其在康复医疗、野外勘探、仿生学等领域也得要的一定的应用。其柔软的特性,非常适合于对偏瘫患者的物理;这一特性还与自然界中很多生物体相似,软体生物也成了软体机器人仿生的焦点。目前仿生机器人还是刚性机器人为主,但随着机器人技术的发展,研制机器人的材料也越来越多样化。为了复现自然界生物的柔软性,研究人员以硅胶材料为本体,研制出了软体仿生机器人。相较于传统的工业机器人,柔性机器人有更多的自由度,其低廉的制造成本,使得软体机器人有被广泛应用的潜力。硅胶材料超强的伸缩和稳定的化学性能而使其在环境检测中有很好的发挥。软体机器人与传统的刚性机器人的差别不仅仅体现在柔软性上,在驱动方式上,软体机器人有更多化的驱动方式,包括形状记忆合金(SMA)驱动、气动驱动、电活性聚合物(EAP)驱动等;魅四馊耸质嵌匀耸滞庑魏凸δ艿姆律鶾6],也是机器人更加灵巧化、智能化的标志。现阶段传统的刚性机器人手结构简单,只能实现简单的夹取,这样做的优势在于控制简单,研发成本低,但也大大的制约了机器人技术的发展。为了使机械手更加的智能化、灵巧化、拟人化,推动机器人技术向前发展,国内外越来越多高校及科研机构都致力于机械手的研发,也取得了一定的成果。与此同时软体机械手也多到了越来越多科研工作者的青睐,一些软体仿生机器人迎刃而出,如仿生软体蚯蚓和仿生软体章鱼[5]等。软体手的研制也是软体机器人研究的重要方向,但软体结构软体手往往具有刚性不足、抓取不稳等缺点。为了实现软体手的拟人抓取功能,控制一个软体拟人手,可能需要十几个气源,十到二十个气动元器件,使软体拟人手的控制变得异常复杂。为了解决以上问题,本文研制了一款能主动改变刚度的软体拟人手,该软体机械手还能模仿人手抓取动作,时软体手的抓取更加稳定。软体手只需要两个气源提供动力,相对于十几个气源提供动力的软体机器人,其控制得到了极大简化。软体机器人其柔软、成本低、多自由度等特性,其应用前景也非常广泛,对于软体机器人的研究已经越来越多。软体机器人的研究从功能特性来进行分类,大致可以分为仿生软体机器人研究和软体手爪研究,本文属于对软体手爪的研究。

                                      1.2课题来源

                                      本课题受以下项目资助:电子制造业智能机器人技术湖南省重点实验室开放基金,IRT2018005,软体机械手设计与控制,2018/1-2019/12;中央高;究蒲谢鹣钅,欠驱动拟人机器人的设计与人机融合方法研究,2017-2021.

                                      1.3机械拟人手的发展现状

                                      拟人机器人手的研究最开始于刚性机器人,随着机器人技术的不断发展进步,刚体拟人机器人手的研制在外形和功能上也越来越与人手相似。最早的拟人手研究是来自于犹他大学与麻省理工学院联合研制了一款刚性多功能机器人手爪[7],从拟人手的角度上来说,如下图1.1所示,拟人机器人手Utah/M.I.T.包括一个大拇指和三个形同的食指,每个手指包括四个自由度。四根手指都包括一个侧摆自由度和三个弯曲自由度,其他三根手指侧摆角度范围为-25°-25°,大拇指的侧摆角度范围为-45°-45°,四个根手指都有三个弯曲自由度,弯曲角度为0-95°,并且Utah/M.I.T.拟人手还包括一个具有三自由度的手腕关节,分别为前后屈伸自由度,屈伸角度为-45°-45°,左右侧摆自由度,侧摆角度为-15°-15°,以及绕中心轴旋转自由度,旋转角度为-135°-135°。

                                      由美国国家宇航局(NASA)研发的拟人机器人手Robonaut[8],该拟人手应用于航天航空领域,及人类难以到达或危险的环境中。如图1.2所示,Robonaut拟人机器人手包括五根手指,与人手手指分布相同,该手包括14个自由度,其中拟人手手腕包括两个自由度,前后伸屈自由度和左右侧摆自由度,五根手指有12个自由。Robonaut拟人机器人手从机构上来区分,可以分为适用于复杂操作的灵巧机构和适用于简单夹持的辅助抓取机构,通过这样的分类,灵巧机构?橹饕扇鲎杂啥鹊拇竽粗、食指、和中指构成,辅助夹持机构则由一个自由度无名指、小拇指和手掌构成。

                                      在2009年哈尔滨工业大学樊绍巍等人研制的HIT/DLRHandII机械手[9],如图1.3所示,该拟人手由五个个完全相同的?榛种负鸵桓龆懒⒌氖终乒钩,共计15个自由度。大拇指,食指、中指、无名指、小拇指,所有手指采用?樯杓。中关节与远关节采用钢丝绳耦合,只能视为一个自由度,所以所有手指只包含2个弯曲自由度及一个侧摆自由度,其所有驱动系统、控制系统都集成在手掌内部,整个拟人手总重1.5千克。该拟人手能实现人手的所有抓取模式,就外形和功能而言,已经与人手有很高的相识度。

                                      2015年,华中科技大学的一款具有自适应性的拟人假肢手[10],如图1.4所示,拟人假肢手包括大拇指和四个完全相同的手指,每个手指包括三个自由度,其中大拇指有一个侧摆自由度和三个个弯曲自由度,其他的四根手指则只包含3个弯曲自由度,所以IR2-Hand拟人机器人手总共拥有16个自由度,而该手只由四个电机驱动,大拇指由两个电机驱动,一控制大拇指侧摆,一个电机控制弯曲,其它四根手指只由两个电机的差动绳索机构驱动,使其能实现自适应抓取和精准捏取等功能。

                                      刚性拟人手是仿人手设计中研究最多的领域,刚性手的优点也是十突出,控制精度高、输出力矩大、反应迅速等等。但同时也存在很多不足,柔性差、研制成本高等等。软体机器人,因其柔软性研制成本低,也逐渐得到人们的重视。目前软体机器人的应用也比较广泛,主要集中在康复医疗、野外勘探、仿生以及抓取等领域中。

                                      1.4软体机器人研究现状

                                      软体机器人是刚性机器人衍生物,因其柔软和多自由度的特性,其应用前景也非常广泛,现阶段对于软体机器人的研究,已经越来越得到人们的重视。所谓仿生,即设计机器人使其能在外形和功能上达到与生物相同或相似的效果。目前软体仿生机器人主要是模仿生物的生理功能,包括爬行、游行、蠕动、跳跃、吸附等等。仿生章鱼触手的研究,最具代表性的是由欧洲委员会出资,由多个欧盟国家的科研人员组成的研究小组联合研制的软体章鱼手[11-13]最为出名,如图1.5所示,仿生章鱼手由硅胶材料制作而成,其外形与海洋生物章鱼触手相似,采用绳索驱动,通过控制绳索的拉伸和收缩,实现仿生章鱼手的运动,为研究章鱼的运动特性提供了平台。

                                      由塔夫茨大学的BarryTrimmer和Huai-TiLin等人研制了软体仿生爬虫GoQBot[14],如图1.6所示,GoQBot躯干由硅胶材料制作而成,外形与毛毛虫类似,总长度为10cm,其驱动方式则是由内嵌的形状记忆金属进行驱动,GoQBot仿生爬虫能在0.1秒内迅速蜷曲成环形,为软体爬虫滚动存储巨大的能量,通过翻滚前进将存储的弹性势能转换成动能,其转速最高能达到200转每分钟,前进速度则能达到0.2米每秒,GoQBot仿生爬虫还能实现跳跃运动,当其跳跃时瞬间加速度可达到1倍的重力加速度,能达到的最大高度接近两米。

                                      由哈佛大学、麻省理工大学和汉城大学共同研制的仿生蚯蚓软体机器人Meshworm[15],如图1.7所示,外壳是由硅胶材料制作而成,驱动则是采用内嵌的现状记忆金属,并有镍钛合金弹簧配合运动,使Meshworm仿生蚯蚓在运动过程中总长度不会发生改变,Meshworm运动原理在于,某一部分的记忆金属收缩,就会通过弹簧使附近的记忆金属伸张,并借助硅胶材料与地面间的摩擦力,实现向前蠕动。

                                      仿生?鱼吸盘[16-17],该软体仿生机器人由北京航天航空大学文力教授团队研制,?鱼通过利用头部吸盘吸附在海龟、鲨鱼、海豚、轮船等宿主身上,实现远距离的游行,其头部吸盘中有数以百万计的纳米级纤毛与吸附体表面产生分之间作用力范德华力,使其在吸附于宿主体表时不会脱离。如图1.8所示,该团队对?鱼的研究,利用软体硅胶材料,结合?鱼吸附力产生原理,研制了仿生?鱼吸盘,该吸盘能够产生大于其本身重量340倍的吸附力。

                                      由美国哈佛大学软体机器人实验室研制的仿海星软体机器[18],如图1.9所示,软体仿海星机器人是由硅胶材料研制而成,通过对充气和放气过程的控制,能实现对仿生海星机器人的运动的控制,仿海星机器人长约为12.7厘米,有四只软体触手,通过四个软体触手实现爬行运动。其运动原理在于,软体海星机器人是由两种伸缩性不同硅胶结合制作而成,一种伸缩性较小的硅胶材料,和一种伸缩性较大的硅胶材料,伸缩性较小的硅胶材料作为仿海星机器人贴近桌面的软体脚,而躯干部分和则是采用伸缩率较大的硅胶材料制作而成,在一侧充气时会向伸缩率低的一侧倾斜,从而实现软体触角的前后摆动为向前移动提供动力。

                                      2014年AndrewD.Marchese等人研制了的仿生鱼[19],在这项工作中他们设计了一个具有自主应急功能的软体仿生机器鱼,如图1.10所示,软体仿生机器鱼的体型与鱼类似,软体外壳采用硅胶材料制作而成,内置有气动驱动器和控制器。驱动系统是通过气压驱动尾部摆动,使其能像鱼儿一样在水中游动。软体机器鱼不仅设计了简单的游动模式,还设计了应急反应,这一生理反应需要快速的身体加速和连续的身体运动,对仿生机器鱼整体协调性要求极高,而这一功能的实验,也给予了仿生鱼的自主完成探测任务的能力。

                                      2014年,哈佛大学研制的一款仿海星机器人[20].如图1.11所示此机器人由伸缩性大的硅胶材料制作而成,并通过电动气泵压缩空气提供动力,其连续爬行续航高达2小时,能够经受重物碾压和撞击,在极其恶劣的环境如高温、高压、有毒的环境中依然能够持续作业,十分适用于野外勘探。2018年由燕山大学姚建涛等人研制的车足式仿生机器人[21],如图1.12所示,该机器人由高伸缩率的硅胶材料制作而成,机器人主体部分设计出多气室结构,其作用在于多气室结构能有效增大轴向伸展长度,使软体机器人在一个充放气周期内移动更大的距离,每个气室被分割成左右两气室,通过在左右气室充入不同压强的气压实现软体机器人的转向功能,软体机器人主体部分底部镶嵌有弹簧,增加软体机器人的回复能力,软体机器人通过四个软体车轮与桌面接触,软体车轮为单向转动车轮,为了增大与桌面的摩擦力,车轮生设计有皱褶结构。其运动原理在于,充入气体后,软体机器人会轴向伸长,应软体机器人车轮为向前单向转动,所以软体机器只能向前伸展,当气体放出后,软体机器开始向前收缩,一个完整的运动过程完成。

                                      上述仿生机器人都是采用柔软的硅胶材料制作而成,硅胶因其柔软性、无毒性、优良的伸缩性等特征,在研制仿生机器人时有其天然的优势,其柔软性与大自然的生物体质相似,无毒性不会对科研人员造成伤害,良好的伸缩性使其在发生形变后又能快速的回复。

                                      1.5软体机器手的发展现状

                                      与仿生软体机器人不同之处在于,软体机械手的作用主要应在抓取或辅助抓取领,早在20世纪80年代便已经开始了。1989年,来自日本井冈山大学的鈴森康一研制了一款软体四指机器人[22,23],如图1.13所示,该机械手由四根手指组成,采用硅胶材料浇注而成,当软体手指施加负压时,四根手指呈张开形式,当手指充入正压气体后,能实现简单的抓取运动。

                                      2013年,来自哈佛大学的Pologcrinosctal等人,研制了一款可穿戴物理治疗康复医疗辅助抓手[24],如图1.14所示,该软体辅助康复手由两种硅胶配合研制而成,手指上面多气室构造的硅胶层采用伸缩性大的硅胶制作而成,底层这是将伸缩性较小的硅胶嵌入在伸缩性小的硅胶材料中,在未完全凝固前,将多气室层覆盖凝固,形成多气室的密闭结构的整体。其弯曲原理在于手指上层伸缩率高的硅胶材料在充入气体后伸长量会大于手指下层伸缩率低的硅胶材料,从而实现软体手指的向伸缩率低的一侧弯曲。软体康复手可以用于偏瘫患者手部物理治疗,且康复软体手自作简单成本低,极大的节约了人力成本。

                                      2014年德国生物机器人实验室的RaphaelDeimel和OliverBrock等人,开发了一款软体欠驱动灵巧手[25].如图1.15所示,欠驱动及机械手动力源少于其自由度,该手通过5个气源,实现对人手15个自由度的大部分动作。软体欠驱动灵巧手下图所示,该灵巧手由硅胶材料制作而成,手指外表面由不能伸长的凯夫拉线缠绕,约束手指的径向膨胀。该手通过简单控制五个手指的气源的输入输出,实现模仿人手的各种抓握方式,其大拇指还能实现与其他四指对指功能,该手只有大约重178克,而最大握取重量能达到0.5千克,通过实验该手大约能实现人手所有的抓握方式约为33种。灵巧轻便的特点使该手在研制出来后就得到了广泛的关注。

                                      2015年新加坡国立大学YAPHONGKAI等人研制了可穿戴的软体气动机器人[26-28].如图1.16所示,该机器人的初代与哈佛大学所研制的康复医疗手外形类似,软体制动器上有均匀分布的小气室,但该制动器运动不符合人手指的运动特征,在这基础上该团队研制了第二代的软体驱动器,与第一代制动器不同的是,该团队通过对人手指特征的研究,将均匀分布在软体驱动器上的小气室,根据人手指指节的特长进行布置,从而使软体驱动器更加符合人手指的弯曲特征。但第二代可穿戴的软体气动驱动器也存在一定的问题,为了使手指关节处产生足够的弯曲,所以需要更大的气压驱动二代软体驱动器,而分布在软体驱动器上的小气室臂相对较薄,更大的气压导致制动径向膨胀过大,影响穿戴效果和美观;该团队通过使用绕线方式来限制制动器的径向膨胀,但也在很大程度上影响了软体启动器的弯曲角度;为了解决这一问题,该团队再软体气动器顶部加入褶皱的纤维面料代替了绳索,底部添加了弹性面料,面料的包裹可以防止手指的径向畸变,皱褶的面料设计对软体启动器轴向的伸长不会有任何的影响。

                                      2016年北京航天航空大学文力教授团队[29],研发了一款可变有效抓取长度的软体手爪,如图1.17所示,该软体手爪包括四个独立的驱动器,每个驱动器上均匀分布有的小气室,当充入压缩气体后,小气室膨胀,其伸缩量大于驱动器下表,所以会产生弯曲,驱动器上的小气室也会应为膨胀而相互挤压,从而使软体手爪产生更大的抓取力度。该软体手通过用绳索束缚制动器的抓取长度来改变抓取的有效长度,软体手爪驱动器在没有被约束时,最大稳定抓取直径为100mm,当其软体手被绳索约束后,其最小稳定抓取直径为30mm.

                                      2016年香港大学王正等人[30],研制了一款纤维增强软体弯曲制动器。如图1.18所示,该团队主要研究了通过使用纤维伸缩约束软体机器人径向膨胀,并研究了绕线圈数与软体制动器弯曲角度之间的关系。在17mm的制动器上,将绕向圈数n分别设置为10、20、45进行试验,并得出当n=45时,相同气压下软体驱动器弯曲角度最大,该团队还通过仿真实验,对n大于45时的情况进行了仿真实验,实验结果显示当n大于45后,在相同气压下软体驱动器的弯曲角度不会随n的增大而增大。

                                      2016年Tiziani,Lucas和Hart,Alexander等人,研制了一款?榛杀涓斩鹊母ㄖト∈諿31].与我们常见的辅助抓手佩戴在手背上不同,该辅助手佩戴在手腕上,与手掌相对,如图1.19所示,该软体辅助手包括三个手指,三个手指结构相同,且相互独立,手指包括三个指节,近指段和中指段结构相同,包括两个气室,弯曲气室和变刚度气室,通过改变两个气室中气压的比例实验软体手指刚度的改变,远指段采用可充气的纤维半刚度材料,不会对人体造成伤害,同时又保证了一定的刚度。该辅助手总重量大约为500克,能辅助抓取233克的瓷质水杯。但该辅助手变刚度结构的设计对软体辅助手的弯曲力度有一定的制约,如下图所示,变刚度气室与弯曲气室将手指节均分,要想实现弯曲的功能则弯曲气室需要充入气体,但为了改变手指的硬度,变刚度气室也同样需要充入气体,变刚度气室充入气体后对手指弯曲会有反作用力,为了保持原有的弯曲角度,弯曲气室就相应的施加更大的气压,但对整体的抓取力度有较大的影响。

                                      2016年香港大学陈永华等人研制了一种粒子嵌入变刚度软体夹持器[32,33].改软体机器人解决了有效的解决了软体机器人研究中一直存在的问题,软体机器人刚性不足的问题,在此之前也有类似的研究,通过采用两个气室的结构来改变夹持器的刚度,这样大大降低了软体夹持器抓取力度。该软体夹持器,如图1.20所示,包括两个气室,其中一个气室中加入固体颗粒物质,另一个气室则是软体夹持弯曲气室。其变刚度原理是将加入固体颗粒的气室中抽取空气,使固体颗粒间产生相互挤压,摩擦力增大,从而使软体夹持器实现刚度的改变,该团队通过实验验证,通过变刚度后的软体夹持器刚度最大改变能达到10倍。2017年该团队有进一步改进了变刚度结构,采用形状记忆金属材料(SMP)和导电热塑体(TPU)材料组合物镶嵌于软体夹持器中,通过电热塑体材料的加热而是记忆金属产生形变,通过对压阻效应能够获得软体夹持器的弯曲角度信息。

                                      2017年来自上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室的王天宇、魏树军、谷国迎等人研制了一款纤维增强型软体气动手爪[34].如图1.21所示,该软体机器人手爪有三根相同手指组成,手指外部有纤维绳索包裹,限制其轴向的膨胀,手指只设计了一个弯曲气室,并由一个气源实现对三个手指的弯曲控制。手指长75mm,手指呈半圆形,圆半径为9mm,其抓取的最大口径为60mm,最大抓取重量能达到0.8kg.

                                      2017年哈佛大学的FionnualaConnolly等人研制了一种通过纤维绳索约束软体机器人[35].该软体机器人通过使用尼龙绳索束缚,如图1.22所示,当绳索交叉密集缠绕时,软体机器人在气压的作用下会向轴伸展,当绳索交叉缠绕较稀疏时,软体机器人在气压的作用下会径向膨胀,当软体机器人上单向绕线时,软体机器人会轴向伸长并发生一定角度的扭曲;当软体机器人由伸缩率大和伸缩率所浇筑而成时,使用交叉密集绕线方式就能使软体手指实现弯曲,并能约束其径向的膨胀。通过以上使用绳索约束软体手指的运动,使其产生特定的运动形式,该团队将不同的绕线方式应用在同一软体机器人上,从而使软体机器人实现对人手指动作的模仿,这样设计的优点在于,不需要通过设计更多的气室来实现软体机器人的侧摆扭曲功能,大大降低了制作成本和控制难度。但该软体机器人的制作工艺难度较大,主要原因在于弯曲结构的设计是由两种硅胶分步浇注成型而成,非弯曲层则是由一种伸缩性大硅胶材料制做而成,所以制作仿人手指动作的机器人需要制作多个成型模具相互配合成型,浇注难度大,成功率低。

                                      膨胀,通过简单控制实现复杂的弯曲、扭曲运动。目前软体手抓的应用领域也主要用于偏瘫患者的物理康复治疗和特殊的抓取场景中。本文所研制的软体拟人手,可以用于抓取,也可用于物理康复治疗。该手的创新点在,于通过简单的控制实现模仿人手的抓取运动,通过改变手指的硬度以适应对不同重量的物体的抓取。

                                      1.6主要研究内容

                                      综上所述,现阶段拟人手的研究主要包括刚体和软体机器人,刚体拟人手其控制精度高,抓取力度大,模型建立相对简单,但刚性机器人也存在柔性差、研制成本高等问题。软体机器人手相对于刚性机器人,其柔性大、研制成本低,但也存在刚度较差,对物体的抓取稳定性不足等缺陷。目前研制的软体拟人机械手设计的独立气室较多,控制相对较为复杂。针对这一系列问题本文研制的软体拟人手只需要控制两个气源(一个正气压气源,一个负气压气源),控制较为简单,还能通过对变刚度气室施加负气压,改变手指的刚度,同时手指还能模仿人手的抓取方式,对物体的抓取更加稳定。具体研究内容如下:

                                     。1)软体拟人机械手总体设计。软体拟人机械手设计思路是来自于对人手外型和抓取动作的模仿,以此为基础,设计了软体拟人手。其主要特点包括控制简单、模仿人手抓取、实现变刚度等。软体手的各个组成部件,主要包括两类两类手指大拇指与其他四指,对它们做了详尽的介绍,并分析了各自的特点。

                                     。2)软体拟人机械手基于有限元分析的参数优化。对制作软体拟人手的材料进行理论计算和拉伸实验,得出了个材料的力学性能参数,为后面软体手指的仿真实验做准备。对不同壁厚弯曲层做了对比试验,在考虑到实际的应用后,得出了相应的结论;对软体手指弯曲层气室不同半径做了对比实验。在仿真实验中为探究不同材料对软体手指的弯曲效果的影响,设计了相应的实验,在其他参数不变的前提下,软体手指弯曲层材料对其弯曲角度和抓取力度都有很大的影响,所以选择最佳出的混合比例,也是软体手能否达到预期的抓取力的重要因素。

                                     。3)软体拟人机械手电路设计以及抓取实验研究。设计相应实验,获得软体拟人手其它四指的气压与指根弯曲角度关系实验数据,与有限元分析数据进行对比;设计实验对软体拟人手机器人的其它四指与大拇指指尖压力进行了测定;设计实验获得大拇指与其它四指变刚度气室在不同负压下,软体手指指尖承重的相关数据;通过设计实验获得了大拇指扭曲角度相关数据。最后对软体拟人机械手进行总体测试,包括有效抓取半径测试,最大抓取重量测试,以及变刚度性能测试等。





                                      第 2 章 软体拟人机械手总体设计
                                      2.1 人手的结构分析
                                      2.2 软体拟人手机械手设计
                                      2.2.1 软体拟人手整体设计
                                      2.2.2 软体拟人机械手大拇指设计
                                      2.2.3 软体拟人机械手其它四指的设计
                                      2.2.4 软体拟人机械手掌设计
                                      2.2.5 软体拟人机械手掌骨架设计
                                      2.2.6 软体手气管的线路与架构设计
                                      2.2.7 设计中遇到的问题及解决方法
                                      2.3 软体拟人机械手成型工艺
                                      2.4 本章小结

                                      第 3 章 软体拟人机械手基于有限元分析的参数优化
                                      3.1 硅胶材料性能参数研究
                                      3.2 硅胶材料力学性能测试实验
                                      3.3 其他四指弯曲层有限元分析
                                      3.4 结构参数与材料对软体手指性能的影响
                                      3.4.1 软体手指弯曲层壁厚对指根关节弯曲角度的影响
                                      3.4.2 软体手指弯曲层气室半径对指根关节弯曲角度的影响
                                      3.4.3 不同硅胶材料混合对弯曲层指根关节弯曲角度的影响
                                      3.5 本章小结

                                      第 4 章 软体拟人手控制以及抓取实验研究
                                      4.1 软体拟人手控制电路设计
                                      4.1.1 软体拟人机械手控制平台的搭建
                                      4.1.2 气动元器件简介
                                      4.1.3 气动系统及控制电路
                                      4.2 其它四指弯曲以及指尖压力实验研究
                                      4.3 其它四指变刚度对指尖力的影响实验研究
                                      4.4 软体手大拇指弯曲、扭曲及指尖压力实验研究
                                      4.5 大拇指变刚度对指尖力的影响实验研究
                                      4.6 软体机器人拟人手的抓取实验研究
                                      4.6.1 软体拟人手抓取实验
                                      4.6.2 软体拟人机械手抓取直径实验研究
                                      4.6.3 变刚度对软体拟人机械手抓取重量的影响实验研究
                                      4.7 本章小结

                                    总结与展望

                                      随着中国制造2025战略的提出,工业自动化、生产智能化已经逐步取代传统的生产方式,也是工业生产的大势所趋,随着用于制作机器人本体的材料越来越多样化,本文所研究的软体拟人手机器人,就是采用较为新颖的硅胶材料制作而成。硅胶材料因其柔软性,软体手在抓取易损坏的物体时,不会对该物体造成破坏,在抓取不规则物体时,有很多好的适应性软体机器人应用领域也有很多,包括康复医疗、仿生机器人、人体假肢、野外勘探等方面,而本文所研究得软体拟人机械手,就属于仿生机器或人体假肢方面的应用,该软体手针对人手抓取特点,设计出了能模仿人手指抓取动作的软体机器人手,并对其结构特点、工艺过程做了详尽的描述。以有限元分析结果为依据,制作出了软体拟人机械手。软体拟人机械手的抓取实验,获得了软体拟人手相关数据。具体工作及结论如下:

                                     。1)软体拟人机械手设计思路是来自于对人手外型和抓取动作的分析,而设计的软体拟人手,它包括四根其它四指、大拇指、手掌骨架、手掌、以及气管,其中其它四指、大拇指和手掌由硅胶材料制作而成,手指骨架则是采用的3D打印材料制作而成。软体拟人机械手主要特点包括控制简单、模仿人手抓取、实现变刚度、适应性抓取等。其它四指有三个指节,指关节处弯曲层上分布有水平的小气室,用以增强手指弯曲力度,其它四指的结构包括三层两个气室,弯曲气室和变刚度气室,弯曲气室控制软体手指的弯曲,变刚度气室控制软体手指的刚度,变刚度层中加入的固体颗粒是能否实现变感度的关键,变刚度层上设计有相对应的凹槽,配合手指的弯曲。大拇指的设计与其它四指大致相同,由三层硅胶组合而成,但大拇指只有两个指节,弯曲层上小气室分布不同于其它四指的水平分布,而是与手指径向呈30度的倾斜角度,这样的设计可以使大拇指在弯曲的同时实现一定角度的侧摆,模仿人手大拇指抓取时的弯曲动作,也使得软体手各手指间弯曲气室串联成为可能。

                                     。2)对制作软体拟人机械手的硅胶材料进行拉伸实验和理论计算,得出了不同混合比例材料的力学性能参数,为后面软体手指的有限元分析做准备。在其他参数不变的前提下,软体手指弯曲层壁厚越厚,软体手指指根关节弯曲角度随气压的变化越小,但并不是壁厚越小弯曲度越大,软体手指的性能就越好,还要结合实际情况;在其他参数不变的前提下,通过有限元分析,我们获得了软体手指半径的最优取值。按不同比例混合可以获得不同伸缩率和硬度的混合硅胶材料,使用有限元分析探究了不同混合比例硅胶材料性能对软体手弯曲角度的影响,得出软体手指弯曲层材料对其弯曲角度和抓取力度都有很大的影响,通过对有限元分析的结果以及考虑实际应用情况,我们得出了最佳的混合比例。

                                     。3)介绍了软体手的控制电路,并能使用上位机对软体手进行抓握控制。其它四指的做了气压与指根弯曲角度关系实验,获得的实验数据与有限元分析实验数据基本吻合;

                                      软体拟人机械手设计对软体拟人手机器人的其它四指与大拇指指尖压力进行了测定。通过对比0kPa时的变刚度气室与-70kPa时实验数据,得出了变刚度结构对软体手指刚度有明显提升的结论。通过软体拟人机械手抓取实验测试,获取了软体手的有效抓取范围;做了软体手拟人机械手在不同刚度抓取重量的对比实验,获得了在不同刚度下的最大抓取重量,验证了变刚度机构的有效性。

                                      综上所述本文从软体手设计的思路出发,分别设计了其它四指和大拇指,并对软体手指进行了参数优化以及有限元分析,在仿真分析的基础上制作了软体拟人手,并对软体拟人手做了相应的实验,测试软体拟人机械手的性能。但该篇论文所设计的软体手依然存在不足之处,具体如下。

                                     。1)在软体手结构设计方面,手指结构设计虽然已经得到了优化,但软体手抓取重量相对于刚性机器人仍然有很大差距,缩小这一差距的可以通过设计更加合理的软体结构,以及尝试更加适合的硅胶材料两个方面来考虑。

                                     。2)在软体手控制方面,本文中所研制的软体手在控制方面与人手最大的差别在于没有反馈控制,这也是软体手研究的一个重要方向,目前有清华大学李教授所研制的光电传感为软体机器人手[50],反馈控制提供了有效的解决方案,也是我们团队下一代软体手中使用的反馈控制方案。(3)在软体手外观构造方面,目前研制的软体拟人手外形与人手还存在一定的差距,可以进一步美化软体手的外形。在尺寸方面软体手目前研制的软体手与人手比例为1.2:1,还需要进一步缩小尺寸。

                                      参考文献
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                                    致 谢

                                      在此论文即将完成之际,我不禁思绪万千。研究生期间的学习生活一幕幕浮现在我 的脑海里,使我心情久久不能平复,只能用简单的言语表达我此时的心情。

                                      首先,我想向鄢锉老师和陈文锐老师表示衷心的感谢!本文是在鄢锉老师和陈文锐 老师的督促指导下完成的。感谢鄢老师在学习生活中的指导和帮助,鄢老师为人和善, 在教学方面一丝不苟,当我在学习生活中遇到困难向鄢老师请教时,鄢老师总是在第一 时间提供积极有效的帮助。感谢陈老师的信任,在决定研究方向的时候给予我指引,使 我有机会去投入到相关领域的研究中,并在我迷茫时给予我很多指导和帮助。陈老师踏 实、严谨、实事求是的工作作风让我敬佩不已,他对我的严格要求也让我在生活和科研 中都受益匪浅。同时也感谢滕瑞品高工在我实习过程中给予我的指导和帮助。

                                      感谢赵露师姐和张荣华师兄的帮助,他们对待学术的态度和丰富的科研经验对我有 深远的影响;感谢硕士研究生赵子龙、鲁靖文、沈李婷、梁兆凯、秦超、张鹏、刘辉、 韩旭、骆淑萍、凌斌、苏玉龙等在工作和生活上的给予的建议与支持,也因为他们,使 我的研究生生活丰富多彩;同时也感谢王建发师弟和肖志兰师妹在实验中给予我的帮 助。感谢父母、姐姐及亲朋好友们对我的关心与支持,在我课题遇到困难时,是他们的 劝说与开导让我坚定信念,继续前行。

                                      最后,感谢母校湖南大学对我的培养,感谢母校提供的良好的工作学习条件,这些 都是我能完成课题研究的重要保证。

                                    (如您需要查看本篇毕业设计全文,请您联系客服索。

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