大載荷四指仿人靈巧手強力抓取能力優(yōu)化與承載能力分析.pdf

1、在機器人研究領域，為實現(xiàn)多任務而研究開發(fā)的機器人仿人靈巧手已經(jīng)越來越受人關注，成為機器人領域中一個重要的研究方向。在仿人靈巧手研究領域，專家學者已經(jīng)對靈巧手的結構、靈巧手的靈巧操作及穩(wěn)定性、抓持接觸力等問題做了大量的研究。靈巧手可以完成與人手相似的各種操作任務，除靈巧操作外，靈巧手進行強力抓取操作時，由于靈巧手結構的復雜性及構件尺寸較小，靈巧手的承載能力問題，即靈巧手抓取一定重量的物體時結構的強度、剛度是否滿足要求的問題是一直被人們忽略

2、的一個問題。本課題來源于國家“863”項目課題“有表情智能仿人全身機器人系統(tǒng)集成化設計及基礎技術驗證”(項目號：2006AA04Z201)的一部分，目的在于通過對實驗室現(xiàn)有自行研制出的靈巧手進行抓持能力的研究，驗證其在抓取一定重量物體時的承載能力問題。
　　按照“最輕自身重量、最小結構尺寸、最大負載能力”的設計原則，此靈巧手與人手比例為1：1大小，采用腱傳動的設計思想。本文首先對靈巧手結構及傳動特點進行了簡介。在此基礎之上對手指的

3、運動學及逆運動學進行了分析，之后通過對單手指與物體的接觸模型的靜力學分析，得出了手指與物體之間接觸力與關節(jié)驅(qū)動力矩以及作用于物體上的外載荷之間的關系。為靈巧手的控制奠定了基礎。
　　為實現(xiàn)靈巧手的大載荷抓取，首先應保證抓取的穩(wěn)定性，通過對穩(wěn)定性抓取理論—力封閉與形封閉的研究，證實了強力抓取在理論上能夠滿足抓取穩(wěn)定性的要求。在ADAMS中完成了靈巧手的抓取仿真，得到了靈巧手穩(wěn)定抓取時的接觸力曲線。在靈巧手抓取過程中，關節(jié)驅(qū)動力矩要在

4、電機的額定輸出力矩范圍內(nèi)。并且能夠用較小的能量消耗，即用較小的關節(jié)力矩抓取一定質(zhì)量的物體。因此建立了靈巧手的強力抓取優(yōu)化數(shù)學模型，通過優(yōu)化的方法得到了在抓取一定重量物體時，在各關節(jié)力矩滿足額定力矩的前提下，使總的關節(jié)力矩最小的優(yōu)化結果。因此在電機額定驅(qū)動力矩一定的情況下，提高了靈巧手的抓取能力。
　　在仿人手關節(jié)驅(qū)動力矩能夠滿足電機驅(qū)動能力，仿真實驗能夠穩(wěn)定抓取物體時，這時并沒有考慮靈巧手手指結構強度及剛度是否滿足要求的問題。因靈