二关节连杆欠驱动机械手抓取稳定性分析.pdf

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1、第３期（总第１９６期）机械工程与自动化Ｎｏ．３２０１６年６月ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ＆ＡＵＴＯＭＡＴＩＯＮＪｕｎ．文章编号：１６７２-６４１３（２０１６）０３-００１５-０３二关节连杆欠驱动机械手抓取稳定性分析刘玉梅，雷应波（沈阳理工大学，辽宁沈阳１１０１５９）摘要：分析了关节接触点位置及接触力对抓取稳定性的影响，提出了接触力及力矩平衡的理论研究分析方法，探讨了影响稳定性的因素。同时在ＡＤＡＭＳ中对欠驱动机械手的模型进行了仿真分析。仿真结果与理论分析结果基本一致，确定了抓取稳定的必要条件，为欠驱动机构稳定性分析提供了一种新方法。关键词：欠驱动；稳定性；仿

2、真分析；机械手中图分类号：ＴＰ３９１.７∶ＴＰ２４１.２文献标识码：Ａ0引言种不同情况，如图３所示。欠驱动机构的夹持抓取稳定性一直以来是众多学者研究的重点与难点，其抓取稳定可靠性直接决定欠驱动机构设计的成败。由于欠驱动关节的驱动是非独立的，其几何参数对抓取稳定性能的影响是未知的，因此不能用传统的理论方法来分析。目前关于大多数欠驱动机构设计研究的成果不能直接推广到设计阶段。［１－３］本文针对二个关节的欠驱动机构，分析其关节在各接触点的接触力及力矩，探索影响夹持稳定性的因素。并用ＡＤＡＭＳ软件仿真分析以验证理论探讨的正确性和可行性，为欠驱动机构的抓取稳定性研究和分析提供一种方

3、法。1夹持稳定性探索欠驱动连杆机械手的抓取稳定性直接决定其应用图１欠驱动机构抓取过程关节脱离范围，因此对其抓取稳定性的分析和探索显得尤为重要。图１为已给定设计参数的欠驱动连杆机构在仿［４］［５］真过程中出现的关节脱离甚至脱落的情况。造成这种现象的原因主要是在抓取过程中物体的受力及力矩不平衡。当末端关节与被抓取物体接触时，在接触点处有３种不同的情形，如图２所示。当只有末端关节与接触物体时，末端关节受到３个作用力，即连杆O１O２、P１P２分别对末端关节的作用力，以及物体对末端关节的接触力。连杆O１O２和连杆P１P２均为二力杆，其作用力方向均沿连杆方向，并图２末端关节的不同接触

4、点位置指向末端。忽略弹簧以及各转动副摩擦力的影响，当为了进一步探讨接触力对抓取稳定性的影响，对末端关节所受的３个力的延长线共点时达到平衡。３［６－７］欠驱动机械手进行力学分析。抓取物体整体受力个作用力交点处空心圆圈代表关节受力平衡，顺时针图如图４所示。图４中连杆欠驱动机械手两个关节长和逆时针的箭头表示关节运动方向。在图２中，e为度分别为l１、l２。连杆长度分别为a、d。f１为首端关过O１O２与P１P２交点并与末端关节垂直的垂足至关节在接触点的接触力，f２为末端关节在接触点处的接节O２的距离。当欠驱动手末端关节与物体单点接触触力，k１为首端关节接触点与旋转点O１的距离，k２

5、为时k２＝e为稳定状态；k２＞e、k２＜e均为不稳定状态。末端关节接触点与旋转点O２的距离，１和２分别为对于两个关节的欠驱动机械手，两接触点也有３收稿日期：２０１５-１０-０８；修订日期：２０１６-０４-０３作者简介：刘玉梅（１９６３-），女，辽宁沈阳人，教授级高级实验师，硕士生导师，主要研究方向为机械设计、机械工程测试与精密测量。・１６・机械工程与自动化２０１６年第３期关节１和关节２的转角，h为OO２的距离，为βO１O２保持与物体接触，不会出现关节与物体脱落情况，抓取与P１P２的夹角，Ta为关节在旋转点O１的转矩，T２为物体较为稳定可靠。因此在抓取过程中应尽可能保持关节

6、在旋转点O２的转矩。由平衡条件得：在k２＞e状态下。f１k１＋f２（k２＋l１ｃｏｓ２）＝Tθaf２k２＝R１Ta＋T２．（１）k１＝l１－l２h其中R１＝．（２）h＋l１k２＝e＝hｃｏｓ２．θ（３）图３二关节的不同接触点位置图５k２＝e时，接触力f１、f２分别随h和２变化图当k２＜e时：k２＝hｃｏｓ２－E．（５）图４抓取物体受力图联立式（１）～式（３）得：（h＋l１）T２f１＝h（l１－hｃｏｓ２）θ．TaT２f２＝＋（h＋l１）ｃｏｓ２hｃｏｓ２θθl１、Ta为设计时给定已知量，l１＝１５ｍｍ，Ta＝０．３Ｎ・ｍ，T２分别取值０．１Ｎ・ｍ、０．２Ｎ・ｍ；f１、f２

7、是关于h、２的函数。k２＝e时，f１、f２分别随h和２变θθ化的规律如图５所示。当k２＝e时，会出现f１＞f２、f１＝f２、f１＜f２三种情况，因此需要对其具体的稳定性进行进一步探讨和研究。图６k２＞e时f１、f２分别随h和２变化图当k２＞e时：联立式（１）、式（２）和式（５）可得：k２＝E＋hｃｏｓ２．（４）－θl１ETaf１＝－其中：E为交点O到接触力f１延长线上的距离。（l１＋E－hｃｏｓ２）（hｃｏｓ２－E）（h＋l１）联立式（１）、式（２）和式（４）可得：（hｃｏｓ２＋l１ｃｏｓ２－E）T２．l１ETa（l１＋E－h