基于柔性液压系统的三关节仿人灵巧手指的设计与研究

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1、机械设计与制造第7期MaehineI＼vDesign&Manufacture2010年7月文章编号：lOOl一3997(2010)07—0044—02基于桑性液压系统的三关节仿人灵巧手指的设计与研究张钦国于萍刘京广魏星(吉林大学机械科学与工程学院，长春130025)HydraulicsystembasedonflexiblejointsofthreefingersdexteroushumanoiddesignandresearchZHANGQin—guo，YuPing，LIUJing—guang，WEIXing(SchoolofMechanicalEngineerin

2、g，JilinUniversity，Changehunl30025，China)中图分类号：TH16，U46文献标识码：Al引言管发生轴向伸长，管内有钢丝的一侧不能伸长，所以没有钢丝的随着机器人及柔性自动化技术的发提，各种关节机器人得到一侧便发生厂弯曲变形。从而带动手指的各个关节发生弯曲，实现工作要求。越来越广泛的应用，为了适应科技的发展，对柔性机器人的研究已成为国内外研究的热点。父型机械于是模仿人的予部动作，按照给定轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置，特别可在高压、多粉尘、易爆等恶劣环境中代替人类作业．因此获得日益广泛的应用。机器人灵巧于足·个高度集成化的

3、机电系统，涉及机械、电子、计算机等多个科领域。20It1：~480年代以米，图1人工肌肉内部结构由于气动人工肌肉的发展，将人工肌肉作为机器人的驱动装置越1端盖2罔柱形弹性壳3．金属丝4．连接圈5．支撑弹簧来越受到研究者的注意II，但是对采用流体驱动的人工肌肉研究甚少。对人工肌肉的驱动特性做了研究，没计出n夜动人工肌肉驱动的仿人灵巧于指。2仿人灵巧手指2．1液压驱动器的工作原理单用橡胶所制成的软管，j允』f时只能进行轴的伸张，不能发生弯曲。假设橡胶软管壁一侧线为轴刚性和向柔ifl-：(可I2手指结构弯曲)，那么当软管充压时，除r管竖IJJl~条刚件侧线不能伸张外，其余管

4、壁侧线都将伸张，如图1所示。H时，由于耶条刚性侧3液压驱动器的动态特性及仿真分析线的限制，使得软管壁上各个侧线的伸长毓都小一样，从i会导3．1液压驱动器的动态模型致软管的弯曲，达到了单个驱动元件的弯曲效果。所以把一一条径假设弯曲l天节的一端固定在基座上，如图3所示。那么弯曲向柔性较好的钢丝集成到软管壳体，行且该钢丝的轴线与软火节可以等效为一个等截面的悬臂梁。当弯曲关节发生小的变形管的轴线相平行。时，山图所示的几何关系可得：2．2．仿人灵巧手指结构及工作原理．_L(1)柔性管一端固定在刚性手指的一端，另一端Hj在于指的滑槽同时，弯曲关节中心轴线的伸长量为：内滑动，如图2

5、所示。当向管内供油时，管1人JJ土强增人，促使橡胶△厶，=rmO(2)★来稿日期：2009—09—16第7期张钦国等：基于柔性液■√压二==系、统的三关节仿人灵巧手指的设计与研究45好的动态特性，其负载值不能过大。其次，考察柔性细管的半径对关*动态特性的影响。随着柔性细管半径的减小，如图4(b)所示。弯曲关出现过阻尼的特。因此，可以通过选择合适的秉陛细管米获得期望的动态特性。4橡胶管的有限元分析4．1建模及加载圆筒是由Moonev—Rivlin材料构成FI，根据对称性选取橡胶管图3关节液』上驱动元件悬臂梁模型横戡面的1／4建立几何模，内为5HIIII，外径为20ram

6、，并选择根据悬臂梁模型，可以得到系统的固有频率PLANE182单元进行求解，采用自由网格划分ll_51，_曳【1图5所示。(3)式中：E，一抗弯刚度；m一自由端的集巾质量；m一关节液压驱动元件的质量。南此可得关节液压驱动元件的动态特方程22"ITFirLm一1(4)2ElS2+2bws+图5有限元模型式中：6一系统的阻力系数。4。2管内压强为5MPa时分析结果设流体力阀口处的流体压强为P，流体粘度v,p密度分管内压强为5MPa时的分析结果几何变肜图，如图6所示。别用表，压力阀关节液压驱动元件之间的柔性细管的长等效力等值线图，如7所示。度为l，_半径为尺F}1哈根一泊阿

7、苏依定律町得到流入关节液J上驱动元件的流体流量：(5j对于关节液压驱动元什，根据流体的连续性方程可得：Q：耵l2△，J。+'TTriLo．5(6)式中：一流体的体积弹性模量。可得到系统的传递函数：_P厂=曰B+2bw一B)s’+(B2面b~BBgo2B4w!)S-—~-BI—(3)2(7)图6几何变形图图7等效应力等值线图+(13b+(1∞+B=【(￡+曰21一4．3管内压强为25MPa时分析结果其中=一R4衅B4="ri",管内强为25MPa时的分析结果几何变形图，如图8所示。8vo2r1等效应力等值线图，如图9所尔。3_2关节液压驱动元件动态特性