0025-水果采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計【CAD圖+SW三維模型+文獻(xiàn)翻譯+說明書】

0025-水果采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計【CAD圖+SW三維模型+文獻(xiàn)翻譯+說明書】,CAD圖+SW三維模型+文獻(xiàn)翻譯+說明書,水果,生果,瓜果,采摘,機(jī)械手,結(jié)構(gòu)設(shè)計,cad,sw,三維,模型,文獻(xiàn),翻譯,說明書,仿單 開題報告題目名稱 水果采摘機(jī)器手結(jié)構(gòu)設(shè)計學(xué)生姓名專 業(yè)班 級1、 選題的目的意義隨著電子技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，智能機(jī)器人已經(jīng)在許多領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于作業(yè)對象的復(fù)雜、多樣，使得新概念農(nóng)業(yè)機(jī)械一一農(nóng)業(yè)機(jī)器人的開發(fā)具有了巨大經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場前景，符合社會發(fā)展的需求。目前，在我國農(nóng)業(yè)增長中農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步對農(nóng)業(yè)增長的貢獻(xiàn)率已達(dá)到45%以上，超過了土地、勞動力以及物資投入要素的貢獻(xiàn)份額。新階段“科教興農(nóng)的目標(biāo)是力求通過5-8年的不懈努力，農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步貢獻(xiàn)率達(dá)到55%以上，科學(xué)技術(shù)成為農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要推動力。但是，我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的貢獻(xiàn)率僅為17%，與發(fā)達(dá)國家存在很大的差距，加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，實施“精確”農(nóng)業(yè)，廣泛應(yīng)用農(nóng)業(yè)機(jī)器人，以提高資源利用率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出率，降低勞動強(qiáng)度，提高經(jīng)濟(jì)效率將是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。同時，國內(nèi)的水果采摘作業(yè)基本上都是手工進(jìn)行的。而21世紀(jì)，農(nóng)業(yè)勞動力將逐漸向社會其它產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，世界各國面臨著人口老齡問題，勞動力不足將逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實。隨著老齡化和勞動力的減少，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本也相應(yīng)的提高，更重要的是溫室作業(yè)環(huán)境下勞動舒適度較差，收獲作業(yè)勞動強(qiáng)度大，研究農(nóng)業(yè)機(jī)器人特別是果實收獲機(jī)器人具有重要意義。番茄內(nèi)含有糖、有機(jī)酸、礦物質(zhì)和多種維生素等營養(yǎng)成分，屬于營養(yǎng)豐富的“水果蔬菜”，是廣泛栽培的重要果菜種類。據(jù)20世紀(jì)90年代中期統(tǒng)計，世界番茄的總產(chǎn)量為4900萬噸/年，其中美國750萬噸/年，中國680萬噸/年。隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展和作業(yè)機(jī)械化的要求，對番茄種植模式要求也越來越高，尤其是在可控環(huán)境的溫室中種植面積迅速增長，因此種植、管理和收獲的勞動量也越大，研究開發(fā)果實收獲機(jī)器人，實現(xiàn)機(jī)械化、自動化與智能化收獲是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程的重要課題。據(jù)統(tǒng)計，番茄的機(jī)械化采收與人工采收相比，具有很強(qiáng)的優(yōu)越性。表1.1列舉了機(jī)械化采收與人工采收在費(fèi)用，速度，損失等方面的對比情況。表1.1番茄機(jī)械化采收與人工采收對比表中我們可以明顯的看到番茄機(jī)械化采收與人工采收在各方面對比的優(yōu)勢，我們只要設(shè)計合理的末端執(zhí)行器，盡量降低采收損失，番茄采收機(jī)械化必將具有廣闊的發(fā)展前景。二、國內(nèi)外研究綜述1.國外研究狀況 從1983年第一臺番茄采摘機(jī)器人在美國誕生以來，采摘機(jī)器人的研究和開發(fā)已經(jīng)歷經(jīng)了近20年。日本和歐美等發(fā)達(dá)國家相繼立項研究用于采摘蘋果、番茄、葡萄等水果的智能機(jī)器人。到1997年，國外開發(fā)的一系列果品蔬菜收摘機(jī)器人均研制出了樣機(jī)。在農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究方面，法國是最早研究水果收獲機(jī)器人的國家之一。荷蘭收獲機(jī)器人的研究工作也走在很多國家的前面，但研究的果蔬種類并不多。日本于20世紀(jì)80年代初期已開始農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的機(jī)器人研究，1984年Kyoto大學(xué)研究番茄收獲機(jī)械手以來，日本在農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究方面一直居各國之首。農(nóng)業(yè)機(jī)器人在日本、美國、荷蘭等發(fā)達(dá)國家己經(jīng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，其中嫁接機(jī)器人已在日本一些公司商品化，以動物為作業(yè)對象的機(jī)器人都已分別在澳大利亞和荷蘭一些公司商品化，機(jī)械手類型的機(jī)器人在日本的幾個農(nóng)機(jī)公司和電氣公司進(jìn)入到商品化生產(chǎn)前的最后研發(fā)階段。表1.2為部分國家果蔬收獲機(jī)器人的研究進(jìn)展統(tǒng)計情況。番茄收獲機(jī)器人屬于機(jī)械手系列。番茄收獲機(jī)器人是多用途機(jī)器人，通過改變末端執(zhí)行器與控制程序，不僅可以采摘普通番茄，還可以采摘櫻桃番茄。表1.2 國內(nèi)外果蔬收獲機(jī)器人研究進(jìn)展統(tǒng)計如圖1.1是日本的N.Kondo等人研制的番茄收獲機(jī)器人，由機(jī)械手、末端執(zhí)行器、視覺傳感器、移動機(jī)構(gòu)和控制部分組成。用彩色攝像機(jī)作為傳感器尋找和識別成熟果實。利用自由度的工業(yè)機(jī)器人。為了不損傷果實，機(jī)械手的末端執(zhí)行器是帶有軟襯墊的吸引器，中間有壓力傳感器，把果實吸住后，利用機(jī)械手的腕關(guān)節(jié)把果實擰下。行走機(jī)構(gòu)有4個車輪，能在田間自動行走，利用機(jī)器人的光傳感器和設(shè)置在地頭土埂的反射板，可檢測是否到達(dá)土埂，到達(dá)后自動停止，轉(zhuǎn)動后再繼續(xù)前進(jìn)。圖1.2所示為番茄采摘機(jī)械手。 圖1.1番茄采摘機(jī)器人 圖1.2番茄采摘機(jī)器手 圖1.3為日本的N.Kondo等人研制的黃瓜收獲機(jī)器人，采用三菱六自由度工業(yè)機(jī)器人，利用CCD攝像機(jī)，根據(jù)黃瓜比其葉莖對紅外光的反射率高的原理來識別黃瓜和葉莖。收獲時，先把黃瓜抓住，用接觸傳感器找出柄，然后剪斷。圖1.4為西瓜采摘機(jī)器人，日本Kyoto大學(xué)研制出一個5自由度液壓驅(qū)動的機(jī)器人用于收獲西瓜，它包括機(jī)器手、末端執(zhí)行器、視覺傳感器和行走裝置。圖1.3 黃瓜采摘機(jī)器人圖1.4西瓜采摘機(jī)器人2.國內(nèi)研究狀況在中國，農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究也逐漸起步。中國農(nóng)業(yè)大學(xué)率先在我國研制出自動嫁接機(jī)器人，并先后研制成功了自動嫁接法、自動旋切貼合法等嫁接技術(shù)。并獲得發(fā)明專利，填補(bǔ)了我國自動化嫁接技術(shù)的空白，形成了我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的自動化嫁接技術(shù)。嫁接機(jī)器人能夠完成砧木、穗木取苗、接合、固定、排苗等嫁接過程的自動化作業(yè)，大大提高了作業(yè)效率和質(zhì)量，減輕了勞動強(qiáng)度，可用于黃瓜、西瓜、甜瓜苗的自動嫁接。 吉林工業(yè)大學(xué)與吉林農(nóng)業(yè)研究所研制的鋤草機(jī)器人，裝有攝像機(jī)和圖像處理計算機(jī)。能快速準(zhǔn)確地分辨出蔬菜苗、雜草和土壤之間的差別，還能在種植行間自動行走。上海交通大學(xué)的曹其新等人研發(fā)了草莓揀選機(jī)器人樣機(jī)。該樣機(jī)具有學(xué)習(xí)功能，作業(yè)時可根據(jù)示教揀選對象的標(biāo)準(zhǔn)樣本，改變或調(diào)整機(jī)器人揀選草莓的種類，并可一機(jī)多用，即使是沒有專業(yè)知識的操作人員，也能很容易地掌握其操作方法門。東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林木球果采摘機(jī)器人如圖1.2，主要由5自由度機(jī)械手、行走機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)組成，如圖1.3所示。采摘時，機(jī)器人停在距離母樹35m處操縱機(jī)械手回轉(zhuǎn)馬達(dá)對準(zhǔn)母樹。然后，單片機(jī)控制系統(tǒng)控制機(jī)械手大、小臂同時柔性升起達(dá)到一定高度，采摘爪張開并擺動，對準(zhǔn)要采集的樹枝。大小臂同時運(yùn)動，使采摘爪沿著樹枝生長方向趨近1.52m，然后采摘爪的梳齒央攏果枝，大小臂帶動采集爪按原路向后返回，梳下枝上球果，完成一次采摘。這種機(jī)器人效率是500kg/天，是人工的3050倍。而且，采摘時對母樹的破壞較小，凈采率高。另外，我國一些科研院所也正在對移動機(jī)器人定位、導(dǎo)航等方面進(jìn)行研究。但均處于研究開發(fā)階段。 圖1.2 實物圖 圖1.3示意圖分析國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究進(jìn)展與應(yīng)用現(xiàn)狀可知，國外已經(jīng)研制了各種農(nóng)業(yè)機(jī)器人，技術(shù)比較成熟，部分農(nóng)業(yè)機(jī)器人己有初步應(yīng)用，但我國農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究處于起步階段。與日本、美國等發(fā)達(dá)國家差距較大。開發(fā)各類農(nóng)業(yè)機(jī)器人，適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程智能化發(fā)展的趨勢，是當(dāng)代農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的重要研究課題。三、畢業(yè)設(shè)計（論文）所用的方法1. 參考國內(nèi)外機(jī)械手專利或文獻(xiàn)進(jìn)行參考設(shè)計；2. 學(xué)習(xí)機(jī)器人知識，模仿人類采摘水果動作進(jìn)行類比設(shè)計；3. 運(yùn)用機(jī)械原理機(jī)械設(shè)計中結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法對機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計和選型；4. 利用三維建模的方式對機(jī)械手零件進(jìn)行建模與裝配；設(shè)計步驟： 搜索相關(guān)資料熟悉機(jī)械設(shè)計方法整體結(jié)構(gòu)粗略構(gòu)思與設(shè)計整合資料精確設(shè)計繪制三維零件圖完成零件三維裝配撰寫說明書、打印圖紙畢業(yè)設(shè)計論文答辯；四、主要參考文獻(xiàn)與資料獲得情況參考文獻(xiàn)：1曹杰，張靜。番茄機(jī)械化采收的發(fā)展J中國農(nóng)機(jī)化，20031：45-472丁國文2001年我國蔬菜生產(chǎn)與市場分析中國溫室20029：5-83 方建軍移動式采摘機(jī)器人研究現(xiàn)狀與進(jìn)展J農(nóng)業(yè)工程學(xué)報20042：273-3784梁喜風(fēng)苗香雯崔糾榮于永維，番茄收獲機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展J，農(nóng)機(jī)化研究，2003(4)，1-45趙勻武傳寧胡旭爾等，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究進(jìn)展及存在的問題J，農(nóng)業(yè)工程科學(xué)報，2003，19(1)，20-246張鐵中徐麗明，人有前景的蔬菜白動嫁接機(jī)器人技術(shù)機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2001(2),14-157曹其新呂恬生永田雅輝干紅永，草莓揀選機(jī)器人的開發(fā)，上海交通大學(xué)學(xué)報，1999，33(7)，880-8838陸懷氏，林木球果采摘機(jī)器人設(shè)計與試驗J，農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2001，32(6)，52-58五、指導(dǎo)教師審批意見 指導(dǎo)教師簽名 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書學(xué)生姓名學(xué) 號教師姓名職 稱題目水果采摘機(jī)器手結(jié)構(gòu)設(shè)計主要研究內(nèi)容1. 查閱資料；2. 了解機(jī)械手采摘水果時的工作情況；3. 機(jī)械手手指、手臂及傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計與選型；4. 畫出相應(yīng)的零件圖，并制作機(jī)械手的三維裝配模型；5. 編寫設(shè)計說明書；研究與設(shè)計方法1.機(jī)械設(shè)計方法；2.設(shè)計內(nèi)容分析和相關(guān)知識的整理；3.三維軟件模型建立及零件干涉檢查；主要技術(shù)指標(biāo)（或研究目標(biāo)）1理解掌握機(jī)械設(shè)計相關(guān)知識及步驟；2運(yùn)用三維軟件建立三維模型；主要參考文獻(xiàn)1. 張錫山.機(jī)械工程手冊.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997. 2. 鄭德明等.機(jī)床電氣控制.上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,2009.3. 詹迪維.SolidWorks快速入門教程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010. 4. 濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計.北京:高等教育出版社,2006.5. 孫恒,陳作模.機(jī)械原理.北京:高等教育出版社,2001.6. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力教研室.理論力學(xué).北京：高等教育出版社，2010.J. Cent. South Univ. Technol. (2011) 18: 11051114DOI: 10.1007/s1177101108107集成氣動機(jī)器人靈巧手指的設(shè)計與控制王志恒，張立彬，鮑官軍，錢少明，楊慶華特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)重點實驗室，教育部和浙江省，浙江工業(yè)大學(xué)，杭州310032中南大學(xué)出版社和施普林格出版社2011年柏林海德堡摘要：基于氣動柔性驅(qū)動器（FPA），關(guān)節(jié)彎曲和側(cè)擺關(guān)節(jié)，開發(fā)了一種新型的氣動機(jī)器人靈巧手指。手指配備一個五分量力傳感器和四個非接觸磁性旋轉(zhuǎn)編碼器。機(jī)械部件和FPA整合，從而減少了手指的整體尺寸。通過FPA的直接驅(qū)動，其關(guān)節(jié)輸出扭矩更為準(zhǔn)確，同時能有效地減少摩擦力和振動。一種改進(jìn)型遺傳算法（IAGA）被用于解決冗余手指的逆運(yùn)動學(xué)問題。進(jìn)行手指靜力學(xué)分析和建立指尖力與關(guān)節(jié)力矩之間的關(guān)系。最后，對手指的力/位置控制原理進(jìn)行介紹，并進(jìn)行指尖力/位置跟蹤實驗。實驗結(jié)果表明，指尖位置跟蹤誤差在1mm以內(nèi)，指尖力跟蹤誤差在4N以內(nèi)。從其理論和實驗結(jié)果得知，機(jī)器人手指控制是可行的，其具有良好應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：氣動靈巧手指；氣動柔性驅(qū)動器（FPA）；機(jī)器人多指靈巧手；彎曲關(guān)節(jié)；側(cè)擺關(guān)節(jié)；1 引言：機(jī)器人與環(huán)境互動的最終執(zhí)行操縱者機(jī)器手（通常稱為機(jī)器人末端執(zhí)行器）在提高其靈活性和智能化水平中起著重要作用 1 。早期的傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)簡單，僅限于一個自由度（DOF），限制了機(jī)器人的發(fā)展和應(yīng)用 2 。因此，具有多關(guān)節(jié)和多自由度的機(jī)器人多指靈巧手，為許多研究者所追求。自20世紀(jì)70年代以來，各種類型的多指靈巧手被研究出來。代表性的多指手有36：由日本電子技術(shù)實驗室1974年開發(fā)的岡田手，由斯坦福大學(xué)研發(fā)的斯坦福大學(xué)/ JPL手，由麻省理工學(xué)院和猶他大學(xué)1980年提出的發(fā)展猶他/ MIT手，由德國航空航天中心開發(fā)出的DLR手，由美國國家航空宇航局NASA1990年研制的Robonaut手和基于氣動人工肌肉在第二十一世紀(jì)由影子機(jī)器人公司開發(fā)的靈巧機(jī)器手。由北京航天航空大學(xué)機(jī)器人研究所研制成功的BH靈巧手。由哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)的HIT手。上面提到的大多數(shù)多指機(jī)器手都是由電動機(jī)驅(qū)動的，有很少一部分是由氣動活塞或氣動肌肉驅(qū)動器（PMAs）驅(qū)動的。由電機(jī)驅(qū)動的多指機(jī)器手可以實現(xiàn)高精度的位置控制。為了使機(jī)器手在較小的整體尺寸下?lián)碛休^大的指尖力，多指機(jī)器手的驅(qū)動電機(jī)大多安裝在機(jī)器人的前臂或者手腕，同時手指關(guān)節(jié)由電纜管道機(jī)構(gòu)驅(qū)動7。但這種電機(jī)電纜驅(qū)動的設(shè)計方案卻會導(dǎo)致很多缺點，如：1）機(jī)器手基金項目：項目（2009AA04Z209）由國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃資助；項目（R1090674）由浙江省自然 科學(xué)基金會，中國；項目（51075363）由中國國家自然科學(xué)基金會資助手稿日期：2010-03-03；接受日期：2010-08-20作者簡介：楊青華，教授，博士生；電話：+ 8657188320819；電子郵件：robotzjut.edu.cn的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸一般比較大；2）需要增加額外的電纜張力傳感機(jī)構(gòu)，同時難以實現(xiàn)的實時控制和精確控制；3）當(dāng)電能通過電纜傳輸，在伺服回路中難以避免地附加了摩阻，導(dǎo)致機(jī)器手的效率降低。由PMA（影手）或氣動活塞（猶他/ MIT手）驅(qū)動的多指手的結(jié)構(gòu)是簡單的，但它們也有一些缺點如下：1）執(zhí)行器和機(jī)器手是分開的，所有的關(guān)節(jié)都是由電纜驅(qū)動，摩擦弛豫和能量損失難以避免。2)MPAs沒有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，因此指尖輸出力和關(guān)節(jié)的位置是很難控制的。3）許多PMA或氣動活塞，使得機(jī)器人手臂尺寸更大。近年，機(jī)器人手項目還在中國的浙江工業(yè)大學(xué)實施。這個項目的目的是開發(fā)一個基于柔性氣動驅(qū)動器的集成多感官的氣動多指靈巧機(jī)器手，并可以彌補(bǔ)現(xiàn)有機(jī)器人手的不足，其被命名為浙江工業(yè)大學(xué)手810。如圖1所示，浙江工業(yè)大學(xué)手有五個手指，總共有20個自由度，它的大小是約人手的1.5倍。每個手指有四個自由度和四個關(guān)節(jié)。這個機(jī)器手的特點如下：1）機(jī)械部件和關(guān)節(jié)的FPAs是集成一體的。通過FPA直接驅(qū)動，沒有額外的功率傳輸設(shè)備（如電纜，齒輪和人工肌腱），因此，摩擦小，同時振動可以避免。2）關(guān)節(jié)的力矩由輸出端直接輸出，所以指尖輸出力可以很容易地控制。3）FPA有更好的功率特性。除了上述優(yōu)點，浙江工業(yè)大學(xué)還具有結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性好，良好的被動柔順性和足夠的握力等特點。圖1：浙江工業(yè)大學(xué)手的三維模型機(jī)器人多指靈活手通常有35根手指。每個手指可以看作一個可以獨立控制的小機(jī)器人。因此，對手指進(jìn)行運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)和軌跡分析設(shè)計是多指機(jī)器手研究的基礎(chǔ)。研究工作通過介紹浙江工業(yè)大學(xué)手的手指，分析手指的運(yùn)動學(xué)及靜力學(xué)原理，以及用實驗來測試樣本手指來說明各驅(qū)動關(guān)節(jié)和傳感系統(tǒng)的特殊結(jié)構(gòu)。2 浙江工業(yè)大學(xué)手的結(jié)構(gòu)2.1 總述 圖2展示的是手指的結(jié)構(gòu)和圖片，手指是根據(jù)下列概念設(shè)計的：1）每一個手指設(shè)計成一個模塊；2）手指整體外觀和性能盡可能與人的手指相像。手指安裝了力/位移傳感器，同時具有四個自由度和四個關(guān)節(jié)：兩個掌指骨（MCP）關(guān)節(jié)、一個近側(cè)指間關(guān)節(jié)（PIP）和一個遠(yuǎn)端指間（DIP）關(guān)節(jié)。圖2：浙江工業(yè)大學(xué)手的靈巧手指：（一）結(jié)構(gòu)（1-五構(gòu)件力/力矩傳感器；2，3，4-彎曲關(guān)節(jié)I, II, III；5-側(cè)擺關(guān)節(jié)； 6-非接觸角度傳感器）；（b）手指的照片2.2手指的驅(qū)動系統(tǒng) 該氣動手指的驅(qū)動系統(tǒng)由三個彎曲和一個側(cè)擺的關(guān)節(jié)構(gòu)成。見圖三，一個彎曲關(guān)節(jié)包括一個FPA，一個轉(zhuǎn)軸，兩個連桿，四個連接部件以及一個管道接頭，而FPA是由一個嵌有螺旋鋼絲的橡膠管和兩個蓋子組成的。蓋子可密封橡膠管兩端，固定于連接部件上，連接部件則通過螺釘與連接桿相接。圖3：基于FPA的關(guān)節(jié)彎曲圖：（a）彎曲關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)（1-連接部分；2，8-管蓋；3-連桿；4-FPA； 5-轉(zhuǎn)軸；6- FPA的橡膠管；7- FPA的螺旋鋼絲；9-管連接器）；（b）彎曲關(guān)節(jié)的照片彎曲關(guān)節(jié)的工作原理如下：壓縮的空氣通過管道接頭進(jìn)入FPA內(nèi)，管內(nèi)空氣的高壓使橡膠管擴(kuò)大。由于螺旋鋼絲約束了其在徑向上的形變，F(xiàn)PA向軸向擴(kuò)張，進(jìn)而通過連接部件推動連接桿，使連接桿以轉(zhuǎn)軸為中心旋轉(zhuǎn)。當(dāng)FPA放氣時則通過塑膠管的彈塑性恢復(fù)其原來的形狀，同時拉動連接部件使關(guān)節(jié)恢復(fù)初始狀態(tài)。通過調(diào)節(jié)PFA管內(nèi)的氣壓從而控制關(guān)節(jié)彎曲的角度。現(xiàn)深度分析彎角和內(nèi)FPA的氣壓之間的關(guān)系，建立靜態(tài)模型，并對動態(tài)和靜態(tài)特性進(jìn)行實驗測試 11 。關(guān)于角和彎曲關(guān)節(jié)的靜態(tài)模型，t0是FPA的橡膠管殼厚度；是關(guān)節(jié)的彎曲角度；L為FPA的橡膠管的原始長度；E是橡膠的彈性模量；r0是FPA的橡膠管的平均半徑；H是軸中心和橡膠管軸線之間的距離；p是FPA內(nèi)部的空氣壓力；PATM是大氣壓；P是壓力增量；F和out是在P下彎曲關(guān)節(jié)的輸出力和輸出力矩。p= 2Et0r0l2cot2+H-ll2cot2+H+patm （1）F=r0-t022P （2）out=FH=r0-t022HP （3）基于FPA的側(cè)擺關(guān)節(jié)被提出，圖4顯示了側(cè)擺關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和圖片。它基本是由兩個FPA、兩種T型連接桿，兩個管道接頭和一個旋轉(zhuǎn)軸構(gòu)成。兩個FPA通過其管蓋對稱地固定于T型桿上。如圖5所示，一個T型連接桿的底部有一個圓形的孔，而另一個則有兩個腰形孔，兩個T型連接桿和一個轉(zhuǎn)軸通過增益結(jié)構(gòu)組成了一個軸向拉伸轉(zhuǎn)動副。圖4：基于FPA的側(cè)擺關(guān)節(jié)：（a）側(cè)擺關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)（1，8-T型連桿；2，7-FPA蓋；3- FPA的螺旋鋼絲；4-FPA的橡膠管；5-轉(zhuǎn)軸；6-FPA； 9-管連接器）；（b）照片側(cè)擺關(guān)節(jié)圖5兩種T型連接桿側(cè)擺關(guān)節(jié)的工作原理如下：在彎曲運(yùn)動之前，兩個FPA注入相同的壓力壓縮空氣，因此他們是拉伸長度相同的。由于上文提到的連接桿上的腰形孔，側(cè)擺關(guān)節(jié)只沿軸向伸展，而不向其他方向的彎曲。從而通過改變管內(nèi)的氣壓，兩個FPA可拉伸不同的長度。如果左側(cè)FPA的拉伸長度大于右側(cè)，關(guān)節(jié)則彎向右側(cè)，反之亦然。當(dāng)兩個FPA放氣時，由于橡膠管的彈塑性，側(cè)擺關(guān)節(jié)將恢復(fù)其初始狀態(tài)。側(cè)擺關(guān)節(jié)彎曲角度可以通過調(diào)節(jié)兩個內(nèi)FPA的氣壓來控制。彎曲旋轉(zhuǎn)角度和兩個FPA里的空氣壓力的關(guān)系是可得到的，同時用實驗來檢驗他們的靜態(tài)和動態(tài)特性 12 。側(cè)擺關(guān)節(jié)力的靜態(tài)模型類似于彎曲關(guān)節(jié)。側(cè)擺關(guān)節(jié)角度的靜態(tài)模型數(shù)據(jù)有：在pl和ps分別是兩個FPA的內(nèi)空氣壓力；a是兩個FPA的軸線間距離；l是兩個FPA在預(yù)拉伸下的長度；其他的符號與彎曲關(guān)節(jié)的靜態(tài)模型具有相同的含義。關(guān)節(jié)設(shè)計是開發(fā)機(jī)器人手的關(guān)鍵問題之一。關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和靈活性直接決定機(jī)器手的工作空間和功能。上述關(guān)節(jié)的特征可以概括如下：1）這兩個關(guān)節(jié)由FPA直接驅(qū)動，其優(yōu)點有適應(yīng)性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，能量損失小。力臂的長度是固定的，因此可以很容易的控制輸出力矩。2）由于空氣的可壓縮性和橡膠的柔韌性，F(xiàn)PA的剛度較低，因此關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動副的靈活性較好。除了FPA以外，關(guān)節(jié)的其他結(jié)構(gòu)均為剛性部件，其可以提高關(guān)節(jié)的剛度。一個人的手不是僵直的，而是在放松時非常靈活，并在緊張時還有一定的靈活性，該機(jī)器人手能很好地滿足人手的這一特點。這些剛/柔度特性使該關(guān)節(jié)能很好地模擬人類的手。2.3手指的傳感系統(tǒng)一個機(jī)器人多指手應(yīng)配備一套良好的位置和力傳感器，使機(jī)器人手可以握緊和操作物體。這些傳感器應(yīng)具有體積小的特點，同時應(yīng)盡可能的減少對機(jī)器手的影響。這個項目的手指的每一個關(guān)節(jié)都配備有由奧地利微電子公司制造的非接觸磁性旋轉(zhuǎn)編碼器AS5045。結(jié)合集成霍爾元件， AS5045能準(zhǔn)確計算測量出360旋轉(zhuǎn)的角度，分辨率達(dá)到0.0879。它的好處參考以下 13 ：1）完整的芯片系統(tǒng)，2）由于有非接觸式位置傳感器，其適合在惡劣環(huán)境下的應(yīng)用，3）無需校準(zhǔn)，和4）無鉛封裝：SSOP 16（5.3mm6.2mm）。如圖6所示，該工作開發(fā)的角位置的傳感系統(tǒng)由一個基于DSP（數(shù)字信號處理器）的嵌入式微處理器，一條數(shù)據(jù)線和一個小的帶有AS5045的PCB板（電路板）組成。AS5045可借助小PCB板上固定在關(guān)節(jié)上。如圖7所示，只要固定在關(guān)節(jié)軸端的一個簡單的兩極磁體，轉(zhuǎn)過AS5045的中心，就可測出關(guān)節(jié)的角度。因為角度傳感器不與關(guān)節(jié)相接觸，所以它對關(guān)節(jié)沒有任何影響。除了關(guān)節(jié)的角度外，當(dāng)機(jī)器人手抓住或操縱某物體時，還可得到物體和手指之間的壓力大小。我們可以根據(jù)關(guān)節(jié)角/指尖力度的信息，從而判斷機(jī)器手抓握或操縱物體是否穩(wěn)定。圖8所示為一個小型的帶有數(shù)字化輸出的五元力/力矩傳感器固定于指尖。帶有雙金屬片E-Film（E型膜）結(jié)構(gòu)的壓力傳感器的技術(shù)參數(shù)列于表1。圖6：關(guān)節(jié)角度傳感器系統(tǒng)圖7：關(guān)節(jié)角度測量示意圖：1 -彎曲關(guān)節(jié)；2-FPA；3-轉(zhuǎn)軸；4-兩極磁鐵；5-AS5045 6-pcb板；圖8：五元力/力矩傳感器3浙江工業(yè)大學(xué)手手指的運(yùn)動學(xué)分析3.1直接運(yùn)動學(xué)手指一個手指的運(yùn)動學(xué)定義如圖所示。該基平面的原點是建立在側(cè)擺關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸上。手指的D-H參數(shù)列于表2。表1：力傳感器的技術(shù)參數(shù)技術(shù)指標(biāo) 參數(shù)外部尺寸/mm 24（直徑），20（高）分量 5 (Fx, Fy, Fz, Mx, My) 測量范圍 20 NF20 N,20 NcmM20 Ncm精度/% 1-3（滿刻度）重復(fù)性誤差 2（滿刻度）采樣時間/ms 1過載能力/% 200(滿刻度)電源電壓/V 5(DC)工作溫度/C 0-50工作相對濕度/% 85輸出形式 控制器局域網(wǎng)總線（CAN BUS）圖9：手指連接模型表2：手指D-H參數(shù)關(guān)節(jié)i桿長, ai/mm關(guān)節(jié)角度范圍, i/()14315, 152650, 903590, 904450, 90根據(jù)圖9，得到變換矩陣：A40=A10A21A32A43= (6)為方便起見，我定義：ci=cosi; si=sini; cij= cos(i+j); sij=sin(i+j); cijk=cos(i+ j+k); sijk=sin(i+j+k); i, j, k=1, 2, 3, 4。從式（6），指尖相對基座坐標(biāo)為：x = c1(a4c234 +a3c23 + a2c2 + a1) （7）y = s1(a4c234 + a3c23 + a2c2 + a1) （8）z = a4 s234 + a3s23 + a2 s2 （9）根據(jù)以上分析，手指的直運(yùn)動學(xué)是容易和直觀的，并有一個唯一的解。3.2 手指的工作空間指尖指在執(zhí)行器和手指結(jié)構(gòu)的限制下達(dá)到空間范圍稱為工作空間。如圖10所示，把用表2中的數(shù)據(jù)直接代入運(yùn)動學(xué)方程，運(yùn)用MATLAB模擬軟件，可以得到手指的三維工作空間及其基礎(chǔ)框架的二維坐標(biāo)平面的工程圖，通過分析工作空間，手指的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以進(jìn)一步優(yōu)化。3.3手指逆運(yùn)動學(xué)逆解運(yùn)動規(guī)劃和控制通常是機(jī)器人手指逆運(yùn)動學(xué)求解的一種常用方法。逆運(yùn)動學(xué)求解是一個非線性問題，它涉及解的存在性、唯一性和最優(yōu)性等等。是否存在解或解是否完全，回答了手指工作空間的問題。給出的指尖相對基面的坐標(biāo)值（PTx，PTy，PTz），代入式（7）代入式（8），彎曲角度1側(cè)擺關(guān)節(jié)可以在15-15范圍的獲得唯一解:1=arctan PTyPTx （10）這項工作中手指的四個關(guān)節(jié)不是機(jī)械性地相互耦合的。利用代數(shù)理論計算可以看出，除了1有唯一的解以外，其他三個關(guān)節(jié)角度尚且無解，因而存在冗余的問題。目前，通常用四種方法去解決冗余度機(jī)器人手指的逆運(yùn)動學(xué)問題。他們是幾何方法，代數(shù)方法，數(shù)值迭代方法和人工智能方法 15 。幾何法缺乏通用性；代數(shù)法僅適用于具有少數(shù)關(guān)節(jié)的機(jī)器人手指；數(shù)值迭代法可以從各種迭代的解決方案得到一個解決方案，但很難保證解的正確性；而人工智能法則以其獨特的優(yōu)勢成為的研究的趨勢1618。圖10：模擬手指的工作空間（a）在x0y0平面投影圖；（b）在x0z0平面投影圖；（c）在y0z0平面投影視圖；（d）在三維空間x0y0z0工作空間圖一種改進(jìn)型自適應(yīng)遺傳算法（IAGA）應(yīng)用于解決這項工作中手指的逆運(yùn)動學(xué)問題。改進(jìn)型自適應(yīng)遺傳算法采用二進(jìn)制編碼的模式選擇，適者生存，增加了新的個體動態(tài)，同時介紹一種基于人口集中分散的自適應(yīng)遺傳算子。它可以避免種群早熟收斂，提高算法的收斂速度和獲得全局最優(yōu)解的有效性。實施IAGA，存在的主要問題如下：1）適應(yīng)度函數(shù)是GA和優(yōu)化問題之間的連接。每個個體（解）的適應(yīng)度值會通過適應(yīng)度函數(shù)計算，我們可以根據(jù)適應(yīng)度值判斷個體的好壞。個體的適應(yīng)度值越小，就越接近于最優(yōu)解的計算，反之亦然。結(jié)合直接運(yùn)動學(xué)的分析，從而建立適應(yīng)度函數(shù)：f ()= a1 |a4c234 +a3 c23 + a2c2 + a1| pTx +|s1(a4c234+a3c23+a2c2+a1)-pTy|+ |a4c234+a3c23+a2c2-pTz| (11)zwhere =(1, 2, 3, 4).2)約束根據(jù)關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)和性能，建立了適用于該指相應(yīng)的約束：1=arctanPTyPTx,1-15,150j90,j=2,3,4 (12)3）自適應(yīng)遺傳算子為了避免發(fā)散或得到一個局部最小值，IAGA運(yùn)行時，對交叉概率Pc和變異概率Pm進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整是必要的。該項工作采用了基于人群集中分散的自適應(yīng)遺傳算子。自適應(yīng)交叉概率Pm和變異概率 Pc反映max為人群最大的適應(yīng)值；min是人口最低適應(yīng)值；avg是種群的平均適應(yīng)值；是兩個交叉?zhèn)€體中較大的適應(yīng)值。是基因突變的個體適應(yīng)值；Pc，max和Pc，min分別為最大和最小交叉概率；Pm，max，Pm，min分別為最大和最小的變異概率;是人群集散系數(shù)（0.5a1）。 圖11是從式（13）和式（14）得到的，它顯示無論人口處于什么狀態(tài)，Pc與Pm隨著適應(yīng)值的增大而減小。有較大適應(yīng)值的個體，其Pc和Pm較小，因此優(yōu)秀的個體得到保護(hù)而不被破壞，反之亦然。當(dāng)人口集中時，交叉操作不會改變?nèi)丝跔顟B(tài)，為了提高種群的多樣性和避免早產(chǎn)，應(yīng)該增加Pm而降低Pc。而當(dāng)人口分散時，為了保護(hù)優(yōu)秀個體，Pc應(yīng)該增加而Pm應(yīng)該減少。圖11：Pc和Pm的分布圖：（a）交叉概率Pc；(b)變異概率Pm表3改進(jìn)型自適應(yīng)遺傳算法的模擬參數(shù)：人群數(shù)量，N變量，Nvar代，GgapPc，max5040.89Pc，minPm，maxPm，min0.10.150.0010.85借助Matlab和Sheffield遺傳算法工具箱，運(yùn)用自適應(yīng)遺傳算法進(jìn)行模擬實驗，分析手指的逆運(yùn)動學(xué)。模擬參數(shù)列于表3，給定指尖的坐標(biāo)值為（120，20，75），當(dāng)適應(yīng)度值小于107時，可以得到模擬的結(jié)果，如圖12所示?？梢钥闯鲎赃m應(yīng)遺傳算法在第一百四十七代停止了運(yùn)行。從而可得到最適應(yīng)值為4.551 110-8和最優(yōu)解的集合。從模擬結(jié)果可得出，該項工作提出的改進(jìn)型自適應(yīng)遺傳算法可以有效地解決了冗余手指的逆運(yùn)動學(xué)問題。圖12：手指逆運(yùn)動學(xué)仿真曲線4浙江工業(yè)大學(xué)手的靜力學(xué)分析4.1繪制指尖力等效節(jié)點力矩根據(jù)機(jī)器人，有： =JT0F (15)=1 1 1 1T,是41轉(zhuǎn)矩向量。0F=0x 0y 0z 0mx 0my 0mz,是指尖力矩向量。0F是指向基座的總力。JT是相對于基座的雅克比轉(zhuǎn)矩。在這項工作中，手指的雅可比矩陣J是相對于基座的：為方便起見，需定義：P=a4c234+a3c23+a2c2+a1,Q=a4s234+a3s23+a2s2,R=a4s234+a3s234.2指尖力變換指尖的輸出力4F = 4x 4y 4z 4mx 4my 4mz 相對于指尖框架（刀架）是一個61力矩矢量，如圖9所示。由于手指關(guān)節(jié)只能實現(xiàn)彎曲運(yùn)動并沒有扭轉(zhuǎn)運(yùn)動，4F的子矩4mx在x4軸的數(shù)值很小，可以忽略不計。因此，選擇五分量力/力矩傳感器。公式（15）中相對于基座的0F和同是相對于基座的指尖力傳感器輸出力4F是可得到：5實驗系統(tǒng)和實驗結(jié)果5.1手指的力/位置控制原理有兩種控制機(jī)器人手指的方案：關(guān)節(jié)空間控制方案和笛卡爾空間方案。關(guān)節(jié)空間控制方案特點是算法簡單，實時計算量小，控制精度高，因此目前大多數(shù)的機(jī)器人多指靈活手都采用該方案。這項工作提出的手指力/位置閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖示于圖13?？刂圃硎牵航o定的目標(biāo)位置的笛卡爾坐標(biāo)中給定指尖的目標(biāo)位置和方向PT，通過逆運(yùn)動學(xué)可以算出與目標(biāo)位置和方向相符的關(guān)節(jié)角度集合T。關(guān)節(jié)控制器可以利用來自角度傳感器的關(guān)節(jié)反饋使實際的關(guān)節(jié)角趨于所需的角度T。從而，可運(yùn)用直接動力學(xué)計算指尖的實際位置和方向PA，使其與所需指尖運(yùn)動軌跡相符。當(dāng)關(guān)節(jié)角度一定時，可用方程（15）來計算與給定指尖目標(biāo)壓力FT相對應(yīng)的關(guān)節(jié)力矩T，該控制系統(tǒng)可根據(jù)力傳感器的反饋，輸出與目標(biāo)指尖壓力相符的實際指尖壓力FA。圖13：指尖力/位置控制系統(tǒng)框圖5.2手指實驗圖14為以上述分析為基礎(chǔ)建立的手指的實驗平臺。工業(yè)計算機(jī)（IPC）通過D / A轉(zhuǎn)換器發(fā)送五路模擬電壓信號，可以使（SMC:ITV0050-3BS）五元電子氣動調(diào)節(jié)器輸出的空氣壓力與關(guān)節(jié)FPA相適應(yīng)。關(guān)節(jié)在氣壓下彎曲一定角度，該角度用AS5045測得并通過發(fā)送CAN總線發(fā)送到IPC。同時，電子氣動調(diào)節(jié)器內(nèi)的壓力傳感器把FPA管內(nèi)壓力反饋到IPC，然后指端力由五分量力/力矩傳感器測得并通過CAN總線發(fā)送到IPV。結(jié)合了Delphi和Matlab的PC控制和圖形顯示軟件是先進(jìn)的。圖14：試驗系統(tǒng)原理圖手指的靜態(tài)力/位置跟蹤實驗已經(jīng)開展。圖15所示為當(dāng)給定指尖輸出力F = 0，指尖軌跡為z0=30 sin(/40)x0+100時，在x0z0平面上的跟蹤軌跡。從圖15可得出，靜態(tài)的指尖位置跟蹤效果良好，跟蹤誤差在1毫米內(nèi)。由于輸出壓力F0，指尖位置跟蹤精度主要取決于關(guān)節(jié)的控制精度。 當(dāng)指尖安裝后，所需的指尖輸出力跡線是一個三角形的波形描述為：0z=-2 0x，-4 0x02 0x+16,-8 0x14 (18)圖15：指尖位置跟蹤線圖16為所得到的跟蹤結(jié)果。從圖可知，跟蹤曲線和目標(biāo)曲線之間存在0.4N的誤差，此誤差的原因是：1）FPA橡膠管內(nèi)的空腔小，因此FPA管內(nèi)氣壓對電子氣動調(diào)節(jié)更敏感，從而造成指尖的輸出力波動；2）在氣壓下，F(xiàn)PA形成不規(guī)則變形；3）指端力傳感器的噪聲影響。圖16：指尖輸出力跟蹤曲線6 總結(jié)1）在一種新型氣動器PFA的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造了一個具備剛度及柔度的機(jī)器人手，它帶有位置和力傳感器，具有四個自由度。它可以很好地模擬人的手指，每個關(guān)節(jié)都可以獨立活動。通過FPA直接驅(qū)動的獨特的機(jī)制，具有以下特性，如摩擦小，無振動，結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性強(qiáng)，極大的被動柔韌性，整體尺寸小，足夠的握持剛度。2）提出了一種改進(jìn)型自適應(yīng)遺傳算法。它可以有效地解決了冗余手指的逆運(yùn)動學(xué)問題。3）對手指進(jìn)行了靜態(tài)力/位置跟蹤實驗。結(jié)果表明，手指的位置跟蹤誤差在1毫米以內(nèi)，同時指尖輸出力跟蹤誤差在0.4N以內(nèi)。根據(jù)實驗結(jié)果，得出的結(jié)論是：基于閉環(huán)控制系統(tǒng)的角度和力傳感器，可以很好地控制機(jī)器人手指。參考文獻(xiàn)：1 江黎，蔡他高，劉洪。新型集成化仿人手指及其動力學(xué)分析J.。中國機(jī)械工程學(xué)報，2004，40（4）：143149。（中文）2 劉潔茹，張宇。機(jī)器人靈巧手的抓取識別系統(tǒng)的設(shè)計和制作J.。機(jī)器人，2003，25（3）：259263。（中文）3 OKADA T. 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