机器人灵巧手指的结构设计与分析.pdf

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1、研究与机器人灵巧手指的结构设计与分析王凯，郭冰菁(河南科技大学，河南洛阳471003)结构的分析，基于Solidworks维软件设计了一种气动人肌肉驱动的机器人灵巧手指，按照人手指结构比例触力传感器和电位计来分别检测指尖接触力及三个关节转角，为构成闭环控制产生反馈信号。对所设计的手．确定出手指各关节的运动空间及输出力．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：TP242文献标识码：A文章编号：1009—9492(2010)12—0085—03l莉罱尼韦尔的FSS1500g的触力

2、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，为安装触力传随着机器人应用领域的不断扩展．对机器人的末端执感器预留空间。在各个指关节处安装用于测量角度的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R24HS电位计，并把之与关节滑轮结合在一起，其中滑轮一种机器人灵巧手指．并对其进行了运动学分析与验证。开有lmm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干扰．把各传动滑轮直径分别设2手指结构计为中22mm、中22mm、20mm．具体的传动是由人工肌在Solid

3、works⋯中进行了整个手指的零部件结构设肉分别拉动中指节及根指节形成向内的弯曲。计，并实现装配及在线运动碰撞检查。设计的机器人手指3运动学分析尺寸分别为73ram、64mm、62mm，各个关节的距离为为了验证手指运动是否能达到预定的位置及确定出手43mm、36mm。指的运动空间范围．对手指进行运动学分析，如图2所示如图1所示．手指由底座、支板、近指节、中指节、远指节、滑轮、电位计、触力传感器和绊钉构成。近指节建立手指各坐标系。与远指节部分都采用中空的厚度为1mm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2机器人灵巧手指运

4、动简图3．1正运动分析用D—H参数法[2-3]求出远指尖点处的坐标值，如表图1机器人手指三维视图1所示。十河南省教育厅自然科学研究计划项目(编号：2010B460006)收稿醐6曩—■一(研与开发YLl1+I2(4)表1远指尖点坐标值由上式(3)(4)可求出：O，：r．．．．．．．．。．．．．．．．．L=，；OOl±√2。OOlO应用2幅角反正切公式计算：02=arctan2(s2，c2)。厶厶各个指节相对于基座标的坐标变换矩阵分别为q同样运用代数法求：0I=aretan2(Y，)一arctan2·++0●(k2L，2k￡1，)‘。CC}～S10

5、02上2式中：kl=LI+L2c2；slcl00k2=￡2。。=00l0又由(1)(2)求出0l、02、03的和：000l01+e2+e3=arctan2(s‘p，c)=‘P。由于0，，02已知，从而可以解出03。Ct2一SI0Lc2cl20厶4MATLAB中的各指节轨迹仿真及验证J=O010手指远指关节的位姿坐标为：O001-0．5000-0．8660021．5000--SI230．86600．5000O73．239l==001．0000Ocl23O0001．00000设：q~=120。，x=21．5，y=73．24，L1=43mm，L2=36

6、mm。在MATLAB中代人上述公式计算．求得：C123-SI230厶q+L2cl2+q2，0l=60．oo02。，02=29．9951。，03=30．0047。。：S123cl230厶+2+厶23OO1O由此计算结果可验证：在Solidworks建立的坐标系中OO01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式中：C代表COS，S代表sin。，并依据人手各关节弯曲角度设定0l=[一60。，90。]，设定01=60。，02=30。，03=30。，则在MATLAB中计算0=O3=[0。，90。]，在MATLA

7、B环境中绘制指尖点(，Y)得：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300mm×l一0．5000—0．8660021．50001300mm的空间内。丁：l。’6。一。‘。。，．。0。。。7·2。391l。』000J．0000J3．2逆运动学分析c一s0xEscp0yE=OOl0000l上式中：为已知目标点位置的变换矩阵，‘p是连杆3在平面内的方位角(相对于+轴)，则：C∞：C123(1)／lnmS∞=S123(2)图3灵巧手指指尖运动轨迹图=LlCI+￡2cl2(3)研究与5结论[3]白并良明(日)．机器人工程[M]．北京：

8、科学出版社，2001．本文主要介绍了机器人灵巧手指的结构设计。并在[4]舒畅，熊蓉，傅周东．基于模块化设计方法的服务机器人结Solidw