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大柔性灵巧手指静态特性及运动分析研究

作　者: 张建超
导　师: 杨庆华
学　校: 浙江工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 大柔性灵巧手指运动学 ANSYS BP神经网络大柔性三指手爪
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

末端执行器是机器人完成其操作功能的主要部件。最初,机器人装配的是单自由度夹持器,用以执行一些简单动作,如抓持、搬运等,但由于此类夹持器配置简单,动作迟钝,功能单一,因此只能完成一些特定任务,通用性差。基于这种情况,人们开始研究功能多样,操作灵巧的末端执行器,并从研究人手出发,着手研究多关节、多手指的类人型刚性灵巧手。但随着机器人技术的进一步发展,传统刚性执行器逐渐表现出了结构复杂,不易控制,柔性度低等缺点,进而人们又提出了气动柔性驱动器这一概念。气动柔性驱动器不仅是机器人驱动器也是机器人执行器,具有结构简单、制作方便、效率转化高,柔顺性好等优点,但同时也存在刚度不足、响应速度偏低等缺点,比较适用于柔顺性及安全性要求较高的场合,比如农业采摘、手指康复等领域。本文研究的大柔性灵巧手指是浙江工业大学最新提出的一种新型气动柔性驱动器,现就主要工作和研究成果做如下说明：(1)以几何分析为基础,建立了手指简单位姿几何模型,在此基础上,通过修正D-H坐标系分别建立了手指平面正运动学模型及空间正运动学模型,并通过坐标变化建立了手指逆运动学。引入雅克比矩阵,建立了手指静力学模型,并通过力及力矩平衡关系建立了手指静力平衡方程。通过对指尖位姿坐标求导得到手指上任意点速度表达式,对手指速度积分后获得手指动能方程。(2)介绍了ANSYS软件及其基本分析流程,利用ANSYS软件仿真大柔性灵巧手指弯曲特性。将大柔性灵巧手指等效为悬臂梁,通过理论分析及仿真分析得出结论：手指在只受自重情况下弯曲挠度极小,并说明在以后的手指特性分析中基本可以忽略手指自重影响。通过仿真分析及实验研究得出手指内腔压力与弯曲角度之间的关系,绘制结果对比曲线,得知仿真结果与实验结果基本吻合,并强调说明了一些可能导致实验产生误差的因素。通过仿真分析及实验研究得出手指指尖位姿与弯曲角度的关系,分别绘制仿真与实验的指尖坐标位置,通过对比验证了仿真结果以及实验结果的正确性。通过ANSYS软件模拟了几种手指抓取姿态,并说明了大柔性灵巧手指抓取不同形状物体具有高度的柔顺性。最后对大柔性灵巧手指结构稳定性做了一定分析,研究表明手指失稳临界内腔压力载荷为0.53Mpa。(3)介绍了人手所特有的抓取形式,详细说明了人手的几种抓取姿态。阐述了灵巧手抓取灵巧性及满足灵巧性要求的标准,详细介绍了灵巧手多种抓取模式及模式属性,并指出灵巧手在满足力封闭及形封闭的条件下可以实现稳定抓取。提出大柔性三指手爪结构方案,详细阐述了手爪结构及工作原理。提出用BP神经网络来分类大柔性三指手爪抓取模式的方法,建立了BP神经网络抓取模式分类器,并通过检验样本验证了用分类器分类手爪抓取模式是可行的。最后进行了大柔性三指手爪抓取模式分析,分别建立了手爪夹持、抓持、握持圆柱体及球体的数学模型。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-21
  1.1 课题来源  12
  1.2 课题的研究背景及意义  12-13
  1.3 气动柔性驱动器的国内外研究现状  13-19
    1.3.1 气动人工肌肉  13-16
    1.3.2 旋转型气动柔性驱动器  16
    1.3.3 柔性流体驱动器  16-17
    1.3.4 气动球形驱动器  17
    1.3.5 气动弯曲驱动器  17-18
    1.3.6 新型气动柔性驱动器FPA  18-19
    1.3.7 新型气动柔性弯曲关节  19
  1.4 本课题的主要研究内容  19-21
第2章大柔性灵巧手指运动及静力分析  21-35
  2.1 大柔性灵巧手指结构设计  21-23
    2.1.1 大柔性灵巧手指结构  21-22
    2.1.2 大柔性灵巧手指的特点  22-23
  2.2 大柔性灵巧手指简单位姿几何模型  23-24
  2.3 大柔性灵巧手指运动学分析  24-30
    2.3.1 手指正运动学模型  25-28
    2.3.2 手指逆运动学模型  28-30
  2.4 大柔性灵巧手指静力学分析  30-33
    2.4.1 手指静力学模型  30-31
    2.4.2 静力平衡  31-33
  2.5 大柔性灵巧手指系统动能分析  33-34
  2.6 本章小结  34-35
第3章大柔性灵巧手指弯曲仿真研究  35-58
  3.1 ANSYS软件简介  35-36
  3.2 ANSYS结构有限元分析流程  36-38
  3.3 大柔性灵巧手指只受自重弯曲分析  38-43
    3.3.1 手指只受自重弯曲理论解  38-40
    3.3.2 手指只受自重ANSYS仿真分析  40-43
  3.4 大柔性灵巧手指静态弯曲分析  43-50
    3.4.1 手指静态弯曲仿真分析  44-47
    3.4.2 手指静态弯曲实验研究  47-50
  3.5 大柔性灵巧手指运动研究  50-52
    3.5.1 手指运动仿真分析  50-51
    3.5.2 手指运动实验研究  51-52
  3.6 大柔性灵巧手指多点接触抓取分析  52-54
  3.7 大柔性灵巧手指指尖输出力分析  54-56
  3.8 大柔性灵巧手指稳定性分析  56-57
  3.9 本章小结  57-58
第4章大柔性三指手爪研究  58-83
  4.1 人手抓取特性的分析  58-59
  4.2 灵巧手抓取概述  59-62
    4.2.1 灵巧性  59
    4.2.2 抓取模式分类  59-60
    4.2.3 稳定抓取条件  60-62
  4.3 大柔性三指手爪  62-64
    4.3.1 大柔性三指手爪结构方案  62-63
    4.3.2 大柔性三指手爪结构及工作原理  63-64
  4.4 基于BP神经网络的大柔性三指手爪抓取模式分类  64-70
    4.4.1 BP神经网络结构  64-65
    4.4.2 大柔性三指手爪抓取模式分类  65-66
    4.4.3 BP神经网络分类器的建立  66-67
    4.4.4 网络训练结果与模型检验  67-70
  4.5 大柔性三指手爪抓取模式分析  70-82
    4.5.1 夹持圆柱体模型  71-74
    4.5.2 握持圆柱体模型  74-77
    4.5.3 抓持球体模型  77-80
    4.5.4 握持球体模型  80-82
  4.6 本章小结  82-83
第5章总结与展望  83-85
  5.1 全文总结  83-84
  5.2 本文的主要创新点  84
  5.3 展望  84-85
参考文献  85-88
致谢  88-89
攻读硕士学位期间参加的科研项目和成果  89

大柔性灵巧手指静态特性及运动分析研究

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