机器人灵巧手指的结构设计与分析

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1、万方数据机器人灵巧手指的结构设计与分析木王凯．郭冰菁(河南科技大学，河南洛阳471003)【—赢颤孵聊””隰．”强矿器摘要：通过对人下指结构的分析．基于Solidworksi维软件设计了一种气动人工肌肉驱动的机器人灵巧手指，按照人手指结构比例》进行了优化．并采用触力传感器和电位计来分别检测指尖接触力及=三个关爷转角．为构成闭环控制产生反馈信号。对所设计的手‘指进行I『运动学分析，确定出手指各关节的运动卒问及输出力。为进一步进行灵巧手模块化设计打下了基础。关键词：灵巧手指；结构设计；运动学分析；传感器：气动人工肌肉中图分类号：TP2

2、42文献标识码：A文章编号：1009—9492(2010)12-0085-03。■既⋯1前言随着机器人应用领域的不断扩展，对机器人的末端执行器要求也越来越高，机器人灵巧手由于其适应性和通用性强而成为国内外研究的热点。本文在现有基础上设计了一种机器人灵巧手指。并对其进行了运动学分析与验证。2手指结构在Solidworks【”中进行了整个手指的零部件结构设计，并实现装配及在线运动碰撞检查。设计的机器人手指尺寸分别为73ram、64mm、62mm．各个关节的距离为43mm、36mm。如图l所示，手指由底座、支板、近指节、中指节、远指节、

3、滑轮、电位计、触力传感器和绊钉构成。近指节与远指节部分都采用中空的厚度为lmm的钣金铝合金制作，远指节即指尖体需要承受接触力的作用，并安装有霍图1机器人手指i维视图t河南省教育厅自然科学研究计划项目收稿日期：2010-06-26尼韦尔的FSSl5009的触力传感器，因此用相应的实心铝合金制作，在指尖的凸起处铣出相应小槽，为安装触力传感器预留空间。在各个指关节处安装用于测量角度的R24HS电位计，并把之与关节滑轮结合在一起。其中滑轮开有Imm的槽，用于限制人工肌肉的钢丝．为了防止各个关节间的钢丝传动互相千扰，把各传动滑轮直径分别设计

4、为qb22mm、币22mm、qb20mm．具体的传动是由人工肌肉分别拉动中指节及根指节形成向内的弯曲。3运动学分析为了验证手指运动是否能达到预定的位置及确定出手指的运动空间范围，对手指进行运动学分析，如图2所示建立手指各坐标系。五图2机器人灵巧手指运动简图3．1正运动分析用D—H参数法12-3]求出远指尖点处的坐标值．如表1所示。(编号：20108460006)[二]蔓工](：妄兰皇茎垄墨l量譬翟墨目I互囫宙巨国曩詈圈万方数据得：衰l远指尖点坐标值各个指节相对于基座标的坐标变换矩阵分别为：彳=霹="=q2一丑20厶qq2Ct20厶

5、丑0O1O0O1C123一而23S123q23OC123-S123S123q23O0厶cl+厶c12厶^+厶A20l厶q+厶c12+厶c123上IsI+上2^2+厶墨2jOl式中：c代表COS，s代表sjn。设定0l=60。，02=30。，03=30。，则在MATLAB中计算霉=--0．50000．8660O03．2逆运动学分析瓦=cp—s-0％勺00l0-0．8660-0．5000O卦O1．0000O21．500073．239lOI．0000上式中：L为已知目标点位置的变换矩阵，3在平面内的方位角(相对于“轴)，则：C∞=C12

6、35∞=S123石=LIol+L2ct2‘p是连杆(1)(2)(3)y2L—l+L2s12由上式(3)(4)可求出：屯：±√焉。(4)应用2幅角反正切公式计算：02=arctan2(s2，C2)o同样运用代数法求出：Ol=arctan2(y，菇)-arctan2。(k2，＆I)。上式中：kj=LI+L2c2；

7、

8、}2=L2s20又由(1)(2)求出0l、02、03的和：0l+02+03=arctan2(s∞，C中)=‘P。由于0。，0：已知，从而可以解出钆。4MATLAB中的各指节轨迹仿真及验证[“]手指远指关节的位姿坐标为：L：

9、五=--0．50000．8660O0--0．8660-0．50000O01．0000O21．500073．239l01．0000设：‘p=120。．x=21．5。y=73．24，Ll=43ram，Lr=36mm。在MATLAB中代入上述公式计算，求得：0t=60．00020。e卢29．9951o。03=30．00470。由此计算结果可验证：在Solidworks建立的坐标系中测量的各关节角度值与仿真计算结果相符。根据运动学分析中指尖相对于基座标的坐标变换矩阵”，并依据人手各关节弯曲角度设定0z=[一600，900]，02=03-[

10、0。，900]，在MATLAB环境中绘制指尖点(并，Y)的运动空间图如图3所示。由图3可以看出．指尖的运动空间范围在300mmx300ram的空间内。j／nm图3灵巧手指指尖运动轨迹图学=吃OlOlOqOq墨OO_墨署譬翟翟冒E团曩置目巨重量盈万方