某機(jī)械手爪設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真研究摘要：隨著我國(guó)工業(yè)特別是大中型企業(yè)、航空、海運(yùn)、鐵路運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)械手爪的實(shí)際應(yīng)用就顯得十分關(guān)鍵。本文在對(duì)數(shù)值優(yōu)化和機(jī)械手爪的內(nèi)涵進(jìn)行闡釋的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)在進(jìn)行方案比較的前提下進(jìn)行了設(shè)計(jì)，最后，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真、靜力仿真、動(dòng)力仿真，證實(shí)了設(shè)計(jì)理論的正確性。關(guān)鍵詞：數(shù)值優(yōu)化；機(jī)械手爪設(shè)計(jì)；運(yùn)動(dòng)仿真；靜力仿真、動(dòng)力仿真引言隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，企業(yè)自動(dòng)化需求的進(jìn)一步提高，傳統(tǒng)的機(jī)器人控制算法已很難適應(yīng)新時(shí)代生產(chǎn)力發(fā)展的需要。特別是一些大中型企業(yè)、航空、海運(yùn)、鐵路運(yùn)輸?shù)炔块T(mén)都急需能研究出靈活應(yīng)變復(fù)雜工作的機(jī)械手爪應(yīng)用技術(shù)[1]。為此，近些年來(lái)，一些研究人員圍繞這一方面的內(nèi)容，正在進(jìn)行深入探討，機(jī)械手爪控制領(lǐng)域正在面臨著新的“洗牌”。本文在這一背景下，選擇以數(shù)值優(yōu)化下機(jī)械手爪設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真為研究課題，目的是要對(duì)機(jī)械手抓取的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)有一個(gè)全新的認(rèn)識(shí)。1.數(shù)值優(yōu)化下機(jī)械手爪概述1.1數(shù)值優(yōu)化的闡釋本文所講的數(shù)值優(yōu)化，是指機(jī)械手在滿(mǎn)足手爪行程約束和拾取工件最小重量約束的過(guò)程中，所反映的最小化機(jī)械手爪的結(jié)構(gòu)參數(shù)。也就是說(shuō)機(jī)械手在規(guī)定行程內(nèi)用最短的時(shí)間，抓取運(yùn)送最多的工件數(shù)量。他可以用最小的企業(yè)成本，發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)效益[2]。1.2機(jī)械手爪的闡釋機(jī)械手爪是指能夠?qū)崿F(xiàn)類(lèi)似于人手功能的機(jī)械手部件。它不僅是能夠主動(dòng)感知環(huán)境信息的最后執(zhí)行器，而且還是一個(gè)具有高度集成的智能化機(jī)電系統(tǒng)。其主要特性有四：一是抓取可靠；二是控制簡(jiǎn)單；三是環(huán)境適應(yīng)性好；四是能夠快速精確地抓取。由于其運(yùn)動(dòng)方式有平動(dòng)和張角兩種，因此，與此相適應(yīng)，二指手爪又可分為二指平動(dòng)手爪和二指張角手爪[3]。2.機(jī)械手爪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1機(jī)械手爪機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)機(jī)械手爪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案一般有兩種：一是平行四邊形索桿析架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案；二是反平行四邊形索桿析架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。兩種設(shè)計(jì)方案相比較而言，平行四邊形索桿析架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)，要多于反平行四邊形索桿析架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，主要是該機(jī)構(gòu)不僅具有設(shè)計(jì)難度小、方便分析、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔等優(yōu)勢(shì)，更能夠確?？臻g捕獲任務(wù)的順暢完成[4]。因此，本文推薦平行四邊形索桿析架機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案作為本課題的設(shè)計(jì)對(duì)象。由平行四邊形組成的索桿析架式機(jī)械手爪設(shè)計(jì)方案，詳見(jiàn)圖2-1所示，從圖中可見(jiàn)，該平行四邊形機(jī)構(gòu)的卷筒上分別纏繞著兩條張力索，讓張力索的收放活動(dòng)順暢。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)張力索收緊、第二張力索松開(kāi)時(shí)，構(gòu)件一和構(gòu)件三轉(zhuǎn)動(dòng)的方向?yàn)轫槙r(shí)針，同時(shí)減小了ф;相反，如果第一張力索放松、第二張力索收緊，構(gòu)件一和構(gòu)件三的轉(zhuǎn)動(dòng)則是沿逆時(shí)針?lè)较騕5]。不難看出，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，是通過(guò)張力索的協(xié)調(diào)收放運(yùn)動(dòng)才形成的。當(dāng)兩條張力索都張緊的情況下，機(jī)構(gòu)的狀態(tài)就是靜止，顯現(xiàn)的結(jié)構(gòu)為瞬態(tài)。如果是多個(gè)平行四邊形索桿析架機(jī)構(gòu)單元進(jìn)行串聯(lián)的情況下，欠驅(qū)動(dòng)索桿析架式機(jī)械手爪就會(huì)因此而形成，成為5個(gè)平行四邊形索桿析架機(jī)構(gòu)的機(jī)械手爪機(jī)構(gòu)，詳見(jiàn)圖2-2所示。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是借助每個(gè)關(guān)節(jié)的摩擦阻力完成每個(gè)單元的同步運(yùn)動(dòng)和依次運(yùn)動(dòng)。圖2-1平行四邊形索桿析架機(jī)構(gòu)圖2-2平行四邊形索桿析架機(jī)構(gòu)的機(jī)械手爪機(jī)構(gòu)2.2機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.2.1確定基本的單元尺寸見(jiàn)下面2—3圖，其目標(biāo)為圓柱物體，圓的已知半徑設(shè)定為R0（具備最大目標(biāo)半徑的抓?。┖蜋C(jī)構(gòu)基點(diǎn)與圓心對(duì)應(yīng)位置（即圖2-3中參數(shù)L、M）。圖2—3：機(jī)構(gòu)包絡(luò)物體目標(biāo)簡(jiǎn)圖考慮抓取目標(biāo)時(shí)，機(jī)構(gòu)單元5與目標(biāo)接觸點(diǎn)必須高出圓心目標(biāo)，而且設(shè)定單元轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)尺寸為r,設(shè)定轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和目標(biāo)物接觸點(diǎn)與單元的間距為s。因?yàn)楸倔w系對(duì)目標(biāo)的捕獲要借助機(jī)構(gòu)單元包絡(luò)目標(biāo)，并且綜合機(jī)構(gòu)可擴(kuò)展性的要求，相同的基本單元規(guī)格，由于該機(jī)構(gòu)捕獲目標(biāo)時(shí)需要由機(jī)構(gòu)單元包絡(luò)目標(biāo)，且考慮到機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求具有可擴(kuò)展性，單元基本尺寸相同，不同于一般機(jī)械夾持器每個(gè)連接單元的大小設(shè)計(jì),在具體設(shè)計(jì)上欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手爪采用五個(gè)索桿桁架單元構(gòu)成。初步設(shè)定可抓取1.5米的圓柱最大目標(biāo)直徑，另外的設(shè)計(jì)參數(shù)值的初定詳情見(jiàn)表2-1，滿(mǎn)足參數(shù)要求的最小單位參數(shù)b0通過(guò)程序計(jì)算得出，并圓整(詳情如表2-1)。單位機(jī)構(gòu)單元尺寸的大小b0和a0初步設(shè)定為黃金比例，也就是對(duì)a0/b0,=(5-1)/2關(guān)系的滿(mǎn)足(圓整數(shù)據(jù)詳情如表2-1)。表2-1：機(jī)構(gòu)單元及圓柱物體參數(shù)表（單位mm）2.2.2構(gòu)建三維模型欠驅(qū)動(dòng)索桿析架的結(jié)構(gòu)包括基座、平行四邊形索桿析架單元、摩擦關(guān)節(jié)、限位關(guān)節(jié)、桿件相對(duì)角度測(cè)量裝置，其中限位關(guān)節(jié)和摩擦關(guān)節(jié)為最重要的兩個(gè)關(guān)節(jié)[6]。分析限位關(guān)節(jié)的功能，最重要的是限位塊間的彼此配合，良好的協(xié)作可以避免對(duì)物體進(jìn)行抓取時(shí)因?yàn)閱卧獥U的相反，造成抓取不成功；分析摩擦關(guān)節(jié)的功能，一側(cè)的桿件分別固接摩擦塊，將其壓緊的是兩個(gè)壓緊螺母，在摩擦關(guān)節(jié)中，摩擦塊分別與其一側(cè)桿件固接，并被兩壓緊螺母共同壓緊，阻礙兩個(gè)桿的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦力矩。通過(guò)改變壓緊螺母間的距離改變摩擦塊間的壓力，從而改變桿件間的摩擦扭矩[7]。3.機(jī)械手爪仿真分析3.1運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析機(jī)械手爪運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的步驟是：第一，設(shè)定機(jī)構(gòu)桿件與捕捉目標(biāo)的相關(guān)參數(shù)，運(yùn)用MATLAB編程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析計(jì)算，在得到轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)角速度、驅(qū)動(dòng)繩索長(zhǎng)度與時(shí)間的關(guān)系、機(jī)構(gòu)末端位置與時(shí)間的關(guān)系后機(jī)構(gòu)的三維模型在PROE中建立同時(shí)在ADAMS軟件中輸入，模擬仿真進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)[8]。第二，設(shè)計(jì)接觸碰撞在桿件間以及捕捉目標(biāo)與桿件間，用于模擬桿接觸捕獲目標(biāo)時(shí)實(shí)際機(jī)構(gòu)與碰撞機(jī)構(gòu)之間的極限動(dòng)作。第三，由于欠驅(qū)動(dòng)索桿析架三維模型機(jī)構(gòu)具有5個(gè)自由度，有必要將電機(jī)設(shè)置在每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)處，對(duì)桿件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模仿。第四，不計(jì)轉(zhuǎn)角關(guān)節(jié)規(guī)格影響驅(qū)動(dòng)繩長(zhǎng)的程度，通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中心間距離的測(cè)定，求出驅(qū)動(dòng)繩長(zhǎng)度，以及測(cè)定角速度、繩長(zhǎng)終端處模擬數(shù)據(jù)。第五，如果比較模擬結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的一致性，就證明以上理論是正確的[9]詳見(jiàn)圖3—1至4。其機(jī)械手爪運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的全過(guò)程詳見(jiàn)圖3—5。圖3—1：機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)角速度變化圖3—2：驅(qū)動(dòng)繩長(zhǎng)變化圖3—3：機(jī)構(gòu)末端位姿X坐標(biāo)圖3—4：機(jī)構(gòu)末端位姿y坐標(biāo)圖3—5：機(jī)械手爪運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的過(guò)程3.2靜力學(xué)仿真分析靜力學(xué)仿真的程序?yàn)椋旱谝?，繩子的拉力被簡(jiǎn)化為兩點(diǎn)間的力,采用的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型與基礎(chǔ)模型一致；第二，處理三維模型并將其導(dǎo)入仿真軟件中；第三，當(dāng)目標(biāo)被捕獲后，摩擦關(guān)節(jié)開(kāi)始產(chǎn)生靜摩擦阻止機(jī)械裝置向相反方向移動(dòng),驅(qū)動(dòng)力開(kāi)始運(yùn)行；第四，檢查測(cè)量結(jié)果，說(shuō)明模擬結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的一致性，驗(yàn)證了本研究理論的正確性。3.3動(dòng)力學(xué)仿真分析動(dòng)力學(xué)仿真類(lèi)似于運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。第一，將電機(jī)安置在每個(gè)關(guān)節(jié)處，在MATLAB曲線(xiàn)擬合工具箱里導(dǎo)入理論計(jì)算值，實(shí)施擬合的多項(xiàng)式，然后在電機(jī)內(nèi)進(jìn)行編輯后驅(qū)動(dòng)；第二，實(shí)時(shí)管控每個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，測(cè)量各個(gè)環(huán)節(jié)的變化，例如等效關(guān)節(jié)扭矩、運(yùn)動(dòng)角加速度、角度和角速度等；第三，對(duì)電機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，經(jīng)過(guò)短時(shí)間的碰撞之后，波動(dòng)很快穩(wěn)定下來(lái)且關(guān)節(jié)位移穩(wěn)定，證明桿件運(yùn)動(dòng)具有實(shí)際意義，理論計(jì)算結(jié)果與動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)一致，足以驗(yàn)證理論計(jì)算完全正確。4.結(jié)語(yǔ)本文在數(shù)值優(yōu)化的前提下，提出了機(jī)械手爪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的兩種方案，經(jīng)過(guò)比較，在肯定了平行四邊形索桿析架手爪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)械手爪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)建立三維模型機(jī)構(gòu)，并對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真、靜力學(xué)仿真和動(dòng)力學(xué)仿真，證明了機(jī)械手爪的理論計(jì)算是正確的。參考文獻(xiàn)：[1]劉俊、楊新志、王云鋒.基于數(shù)值優(yōu)化的柱狀鑄件通用機(jī)械手爪設(shè)計(jì)及其運(yùn)動(dòng)仿真分析[J].機(jī)電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新,2020,v.33;No.185(06):13-15+19.[2]陸鵬,石鋼,周志浩,等.基于Solidworks的機(jī)械手爪運(yùn)動(dòng)仿真及有限元分析[J].中國(guó)科技縱橫,2014,000(011):53-54.[3]王紅軍,趙潤(rùn)茂,唐之富,等.基于多領(lǐng)域統(tǒng)一建模的采摘機(jī)械手運(yùn)動(dòng)仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2015,000(011):156-159.[4]張烈.夾持機(jī)械手爪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析[J].速讀（中旬）,2018,000(003):8.[5]張世界,李一浩,劉海偉,等.斜直井鉆機(jī)石油鉆桿管具拾取機(jī)械手運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及動(dòng)力學(xué)建模與仿真[J].機(jī)床與液壓,2018,05(v.46;No.455):45-49+66.[6]王念峰,韋帥,張憲民.基于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的靈巧手手指優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2013(04):16-18.[7]楊玉維,張明路,趙新華.2桿輪式懸架