指尖自锁欠驱动机械手设计与研究

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.07.010

摘要/Abstract

摘要：

欠驱动机械手结构简单、成本低、易于控制、自适应能力强，但欠驱动机械手是通过机械限位与弹簧约束来完成抓取，抓取稳定性差，无法输出较大的指尖抓取力.本文提出一种新型的指尖可自锁的欠驱动三指机械手，在抓取时远指节与中指节可实现自锁，增加了抓取的稳定性.同时建立了单指的D-H运动学模型，利用MATLAB分析了机械手的工作空间，对手指进行了静力学分析，利用ADAMS软件对机械手进行仿真分析，最后进行抓取测试，结果表明指尖自锁机械手能输出更大抓取力，从而验证了指尖自锁机械手结构的合理性与可行性.

关键词: 机械手, 指尖可自锁, 欠驱动, 受力分析, 抓取试验

Abstract:

The underactuated manipulator has the advantages of simple structure， low cost， easy control and strong adaptive ability. However， the underactuated manipulator relies on mechanical limit and spring constraint to complete the grasp， resulting in poor grasping stability and inability to output greater fingertip grasping forces. Accordingly， a new underactuated three?finger manipulator with fingertip self?locking is proposed. The distal knuckle and middle knuckle can self?lock when grasping， which increases the grasping stability. At the same time， the D-H kinematic model of the single finger is established， the working space of the manipulator is analyzed by MATLAB， the finger is analyzed by statics， the manipulator is simulated by ADAMS software， and finally the grasping test is carried out. The results show that the self?locking manipulator can output greater grasping forces. Thus， the rationality and feasibility of the structure of the self?locking manipulator are verified.

Key words: manipulator, fingertip self?locking, underactuation, force analysis, grasping test

中图分类号:

TP 391

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图/表 17

图1 手指结构（a）—手指结构简图；（b）—爆炸图.

Fig.1 Finger structure

图2 指尖自锁过程

Fig.2 Fingertip self?locking process

图3 机械手总装图（a）—双指驱动部分；（b）—机械手装配图.

Fig.3 General assembly drawing of the manipulator

图4 手指关节坐标简图

Fig.4 Coordinate diagram of the finger joint

表1 手指D-H参数

Table 1 Finger D-H parameters

关节号i	$a i - 1 ∕ m m$	$α i - 1 ∕$ （°）	$d i ∕ m m$	$θ i ∕$ （°）
1	0	90	$l 0$	$θ 1$
2	0	-90	0	$θ 2$
3	$l 1$	0	0	$θ 3$
4	$l 2$	0	0	$θ 4$
5	$l 3$	0	0	0

表1 手指D-H参数

Table 1 Finger D-H parameters

关节号i	$a i - 1 ∕ m m$	$α i - 1 ∕$ （°）	$d i ∕ m m$	$θ i ∕$ （°）
1	0	90	$l 0$	$θ 1$
2	0	-90	0	$θ 2$
3	$l 1$	0	0	$θ 3$
4	$l 2$	0	0	$θ 4$
5	$l 3$	0	0	0

图5 机械手手指工作空间

Fig.5 Working space of the manipulator finger

图6 欠驱动手指静力学模型

Fig.6 Static model of the underactuated finger

图7 手指运动仿真

Fig.7 Finger movement simulation

图8 手指两关节转动角度

Fig.8 Biarticular movement angles

图9 包络抓取仿真（a）—有指尖自锁；（b）—无指尖自锁.

Fig.9 Envelope grasping simulation

图10 包络抓取关节转角和指节接触力

Fig.10 Envelope grasping joint angle and knuckle

图11 指尖抓取仿真（a）—有指尖自锁；（b）—无指尖自锁.

Fig.11 Fingertip grasping simulation

图12 机械手样机

Fig.12 Prototype manipulator

图13 欠驱动机械手控制系统

Fig.13 Underactuated manipulator control system

图14 机械手包络抓取

Fig.14 Manipulator envelope grasping

图15 机械手包络抓取接触力

Fig.15 Manipulator’s envelope grasping contact force

图16 不同物体抓取实验

Fig.16 Different object grasping experiments

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