1、南 京 工 程 学 院毕业设计说明书( 论文)作 者： 刘卫 学 号： 201110815 系 部： 机械工程学院 专 业： 机械电子工程 题 目： 基于气动人工肌肉驱动的多关节机械手指动力学仿真 指导者： 闫华 副教授 评阅者： 2015 年 5 月 南 京南 京 工 程 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ）毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要由于气动人工肌肉比重小、结构紧凑，占用空间小等优点，本文提出一种曲柄滑块机构来驱动手指弯曲，让气动人工肌肉驱动滑块运动，首先设计气动肌肉手指关节结构，并用 SolidWorks 绘制手指的三维图，利用 ADAMS 和
2、MATLAB 进行动力学联合仿真，在手指端设置一定的负载，输入手指三个关节的直线驱动，观察手指末端的角速度变化和三个驱动力的变化，最后根据气动肌肉的驱动原理进行了气动肌肉灵巧手关节运动的控制研究，利用比例压力阀对气动肌肉压力进行控制，使气动肌肉横向收缩带动滑动移动，从而实现对手指关节弯曲角度的控制。关键词：仿人灵巧手；关节设计；气动肌肉；动力学仿真南 京 工 程 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ）毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要Title Dynamic simulation of multi joint robotic fingers based o
3、n pneumatic muscle driven muscle AbstractBecause of the small proportion of pneumatic muscle, compact structure and small space occupancy, etc. In this paper, a slider crank mechanism drive the finger bending. The slider crank mechanism is driven by artificial muscles, Firstly, designing pneumatic m
4、uscle finger joint structure, And with the SolidWorks drawing fingers entity graph, using ADAMS and MATLAB co-simulation of the dynamics, the fingertip set certain load, input linear drive of the three joints of the fingers, to observe the change of the angular velocity of the finger tip and three d
5、riving force of change, finally according to the driving principle of the pneumatic muscle was analyzed by gas dynamic muscle dexterous hand joint movement control research, using the proportional pressure valve of pneumatic muscle pressure control, pneumatic muscle transverse shrinkage to drive the
6、 sliding movement, in order to realize the control of the flexion angles of finger joints.Keywords: Dexterous hand; Structural design; Pneumatic muscles; 南 京 工 程 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ）Dynamic simulation目 录南 京 工 程 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ）前 言 .1第 一 章 绪 论 .21.1 课 题 项 目 的 背 景 .21.2 气 动 人 工 肌 肉 多 关 节
7、 手 指 的 国 内 外 发 展 现 状 .21.3 气 动 技 术 的 介 绍 以 及 发 展 前 景 .41.4 论 文 研 究 的 内 容 和 方 法 .6第 二 章 多 关 节 手 指 的 结 构 设 计 及 建 模 .72.1 气 动 肌 肉 的 介 绍 .72.1.1 气 动 肌 肉 的 内 部 结 构 .72.2 气 动 机 械 手 指 的 基 本 结 构 .92.2.1 绘 图 软 件 SoildWorks 介 绍 .92.2.2 整 体 设 计 方 案 的 设 计 .92.2.3 手 指 的 关 节 设 计 .102.2.4 手 指 关 节 的 建 模 .132.3 灵 巧
8、手 指 的 装 配 和 三 维 模 型 的 导 出 .15第 三 章 多 关 节 手 指 的 动 力 学 仿 真 分 析 .163.1 仿 真 软 件 ADAMS 和 MATLAB 简 介 .163.2 动 力 学 仿 真 过 程 介 绍 .183.2.1 ADAMS 参 数 设 置 过 程 .183.2.2 建 立 MATLAB 控 制 模 型 .273.3 动 力 学 仿 真 结 果 分 析 以 及 结 论 .29第 四 章 气 动 肌 肉 灵 巧 手 指 的 控 制 系 统 设 计 .314.1 气 动 肌 肉 回 路 原 理 和 设 计 .314.1.1 气 动 回 路 器 件 的 选
9、 择 .324.2 灵 巧 手 指 的 关 节 控 制 系 统 .344.2.1 控 制 系 统 的 原 理 .344.2.2 控 制 系 统 的 硬 件 选 择 .354.3 D/A 控 制 界 面 的 设 计 和 程 序 的 编 写 .36|第 五 章 结 论 及 总 结 .41南 京 工 程 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ）参 考 文 献 .42致 谢 .44南 京 工 程 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ）第 0 页前 言随 着 机 器 人 技 术 的 日 益 成 熟 ， 工 业 机 器 人 极 有 可 能 最 终 取 代 机 床 ， 成 为 新一 代
10、 工 业 生 产 的 基 础 。 服 务 机 器 人 在 近 些 年 开 始 走 进 大 众 视 野 ， 并 随 着 人 工 智能 技 术 、 先 进 制 造 技 术 和 移 动 互 联 网 的 创 新 融 合 而 飞 速 发 展 。 越 来 越 多 的 服 务型 机 器 人 被 研 发 出 来 ， 开 始 改 变 人 类 的 社 会 生 活 方 式 。 未 来 对 机 器 人 性 能 和 稳定 性 要 求 越 来 越 高 ， 其 中 由 于 机 器 手 作 为 机 器 人 的 末 端 执 行 器 ， 机 械 手 的 功 能直 接 影 响 着 整 个 机 器 人 的 功 能 ， 因 此 机 器
11、 人 手 指 的 研 究 成 为 了 国 内 外 的 热 门 ，本 文 我 们 将 提 出 一 种 曲 柄 滑 块 机 构 来 驱 动 手 指 弯 曲 ， 其 中 滑 块 机 构 是 由 人 工 肌肉 来 推 动 ， 由 于 气 动 人 工 肌 肉 比 重 小 、 结 构 紧 凑 ， 占 用 空 间 小 等 优 点 ， 关 于 气动 人 工 肌 肉 的 灵 巧 手 指 的 研 究 越 来 越 多 。 如 今 ， 机 器 人 的 使 用 范 围 已 开 始 向 国家 安 全 、 特 殊 环 境 服 役 、 医 疗 辅 助 、 科 学 考 察 等 多 个 领 域 扩 展 。 而 一 旦 步 入 智
12、能 化 阶 段 ， 机 器 人 产 业 所 构 建 的 社 会 网 络 ， 将 遍 及 社 会 生 产 、 生 活 各 领 域 ， 成为 新 一 轮 产 业 革 命 后 的 社 会 形 态 智 能 社 会 的 基 础 。作 为 一 种 跨 学 科 先 进 技 术 ， 机 器 人 技 术 的 突 破 需 要 其 他 技 术 支 撑 ， 尤 以 能源 、 材 料 、 信 息 、 生 命 科 学 及 先 进 制 造 技 术 为 重 。 这 些 技 术 被 众 多 学 者 视 为 新一 轮 产 业 革 命 的 支 撑 技 术 ， 它 们 的 突 破 必 然 会 促 发 机 器 人 产 业 发 展 的
13、一 个 高 峰 ，从 而 推 动 新 一 轮 产 业 革 命 进 程 。 新 型 能 源 将 有 助 于 解 决 机 器 人 的 动 力 问 题 ； 新材 料 的 使 用 有 助 于 提 升 机 器 人 的 性 能 ； 信 息 技 术 的 发 展 应 用 对 机 器 人 的 控 制 系统 至 关 重 要 ； 生 命 科 学 的 发 展 有 望 使 仿 生 学 更 多 地 运 用 到 机 器 人 产 业 ， 从 而 推动 机 器 人 “从 机 器 到 人 ”的 转 变 ； 先 进 制 造 技 术 的 应 用 则 可 解 决 结 构 复 杂 机 器人 的 制 造 问 题 ， 有 助 于 推 动 机
14、 器 人 的 批 量 化 生 产 和 普 及 。因 此 ， 气 动 人 工 肌 肉 机 械 灵 巧 手 指 正 是 在 这 种 情 况 下 出 现 。 本 文 将 提 出 一种 接 近 于 人 手 尺 寸 和 运 动 范 围 的 灵 巧 手 指 ， 该 灵 巧 手 指 采 用 气 动 人 工 肌 肉 来 驱动 ， 手 指 包 含 三 个 关 节 ， 能 够 进 行 多 自 由 度 的 运 动 ， 具 有 良 好 的 仿 生 性 。南 京 工 程 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ）第 1 页第 一 章 绪 论1.1 课 题 项 目 的 背 景目 前 ， 机 器 人 像 人 一 样
15、 ， 需 要 利 用 它 的 “手 ”与 周 围 发 生 接 触 。 作 为机 器 人 与 周 围 环 境 交 互 作 用 的 末 端 环 节 和 执 行 机 构 ， 机 器 人 的 “手 ”(末端 执 行 器 )的 性 能 提 高 对 机 器 人 操 作 水 平 和 自 动 化 水 平 的 提 升 具 有 非 常 重 要的 作 用 。 以 往 的 工 业 机 器 人 通 常 只 需 要 完 成 抓 取 /拿 放 这 样 简 单 的 功 能 ，因 此 功 能 单 一 、 结 构 简 单 的 单 自 由 度 专 用 末 端 执 行 器 便 可 以 满 足 日 常 任 务要 求 。 但 是 ， 伴
16、 随 着 科 学 技 术 的 提 高 ， 机 械 手 指 的 应 用 范 围 不 断 增 大 ， 逐渐 从 传 统 的 工 业 领 域 扩 展 到 服 务 业 、 医 学 、 以 及 农 业 领 域 中 ， 其 服 务 对 象也 变 的 更 加 多 样 化 。 因 为 以 往 的 机 器 人 末 端 夹 持 器 在 抓 取 的 稳 定 性 、 灵 活性 以 及 通 用 性 等 方 面 都 存 在 严 重 不 足 ， 这 在 很 大 程 度 制 约 了 机 器 人 的 应 用 ，这 种 情 况 下 ， 国 内 外 的 科 学 工 作 者 开 始 研 究 具 有 多 个 关 节 和 自 由 度 的
17、 机 器人 多 指 灵 巧 手 。 目 前 ， 国 内 外 机 器 人 多 指 灵 巧 手 ， 大 部 分 采 用 伺 服 电 机 驱动 ， 这 种 驱 动 优 势 在 于 可 以 实 现 准 确 的 控 制 ， 同 时 采 用 电 机 柔 索 动 力传 递 方 式 ， 这 样 设 计 的 目 的 在 于 得 到 了 较 大 的 之 间 输 出 力 的 同 时 又 保 证 了灵 巧 手 具 有 较 小 的 尺 寸 。 但 是 ， 电 机 柔 索 传 动 方 案 使 得 整 个 灵 巧 结 构 复杂 ， 而 且 柔 索 装 置 在 传 递 动 力 的 过 程 中 会 有 摩 擦 、 松 弛 、
18、振 颤 等 现 象 ， 不仅 效 率 低 下 而 且 增 加 了 控 制 难 度 。 为 了 克 服 上 述 存 在 的 问 题 ， 浙 江 工 业大 学 ， 哈 尔 滨 工 业 大 学 等 国 内 院 校 已 经 进 行 了 相 关 研 究 ， 本 毕 业 设 计 研 究一 种 基 于 气 动 人 工 肌 肉 驱 动 的 多 关 节 机 械 灵 巧 手 指 ， 并 且 进 行 动 力 学 仿 真 。1.2 气 动 人 工 肌 肉 多 关 节 手 指 的 国 内 外 发 展 现 状北 京 理 工 大 学 范 伟 ， 余 麟 等 针 对 气 动 人 工 肌 肉 驱 动 仿 人 灵 巧 手 的 设
19、 计 ， 提出 应 用 气 动 人 工 肌 肉 的 五 指 灵 巧 手 设 计 方 案 包 括 各 手 指 的 结 构 设 计 以 及 手 指 与手 掌 的 连 接 设 计 手 指 采 腱 传 动 方 式 ， 灵 巧 手 总 共 具 有 17 个 自 由 度 。 手 指 端 有南 京 工 程 学 院 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ）第 2 页滑 觉 传 感 手 掌 中 有 握 紧 力 传 感 。 该 灵 巧 手 具 有 充 分 的 自 由 度 ， 结 构 紧 凑 、 新 颖并 具 有 力 知 觉 能 力 仿 生 性 好 1。 浙 江 理 工 大 学 王 龙 辉 设 计 了 一 种 多
20、 自 由 度 的 仿 人 手 指 ， 该 手 指 采 用 气 动 肌肉 作 为 驱 动 器 。 在 设 计 手 指 之 前 ， 为 了 得 到 气 动 人 工 肌 肉 的 基 础 模 型 ， 首 先 要通 过 实 验 来 获 得 气 动 肌 肉 的 静 态 特 征 ， 采 用 两 个 气 动 肌 肉 来 带 动 滑 轮 转 动 的 原理 ， 设 计 出 灵 巧 手 指 的 基 本 关 节 模 型 ， 然 后 设 计 出 灵 巧 手 的 基 本 机 构 ， 根 据 气动 肌 肉 的 驱 动 原 理 ， 设 计 手 指 关 节 的 气 路 和 控 制 系 统 ； 其 次 为 了 进 行 试 验 分
21、 析 ，必 须 构 建 气 动 肌 肉 手 的 实 时 反 馈 系 统 2。河 南 科 技 大 学 王 凯 通 过 对 人 下 指 结 构 的 分 析 ,基 于 SolidWorks 三 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 节 转 角 为 构成 闭 环 控 制 产 生 反 馈 信 号 ,对 所 设 计 的 手 指 进 行 运 动 学 分 析 ， 确 定 出 手 指 各 关节
22、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 3。北 京 理 工 大 学 彭 光 正 研 究 并 设 计 了 气 动 人 工 肌 肉 驱 动 的 多 关 节 手 。 该 手 有 5个 手 指 ， 结 合 人 体 的 构 造 ， 参 考 人 手 的 外 形 和 肌 肉 的 运 动 形 式 ， 设 计 了 19 个自 由 度 多 指 仿 人 灵 巧 手 ， 该 手 指 依 靠 气 动 肌 肉 带 动 柔 索 伸 缩 ， 从 而 使 手 指 弯 曲 。通 过 实 验 数 据 分 析 可 得 ,该 手 指 的 整 体 尺 寸 和 运
23、动 空 间 接 近 人 手 ， 因 此 该 手 指 拥有 良 好 的 柔 顺 性 能 4。哈 尔 滨 工 业 大 学 樊 绍 巍 提 出 了 一 种 新 型 的 类 人 化 五 指 手 被 研 制 出 来 ， 手 是由 一 个 独 立 的 手 掌 和 五 个 相 同 的 模 块 化 的 手 指 构 成 ， 手 指 的 尺 寸 大 约 是 第 一 代HIT/ DLR 手 的 三 分 之 一 ， 手 的 大 小 和 人 类 的 相 似 包 装 件 同 结 构 功 能 件 融 合 的 设计 思 想 不 但 进 一 步 缩 减 的 灵 巧 手 的 外 形 尺 寸 ,而 且 使 灵 巧 手 外 形 更
24、加 类 人 化5。河 南 科 技 大 学 朱 玉 乐 根 据 气 动 人 工 肌 肉 驱 动 的 HUST 灵 巧 手 的 结 构 特 点 ，采 用 标 准 DH 参 数 法 建 立 各 手 指 指 尖 相 对 于 手 掌 坐 标 系 的 运 动 方 程 ， 分 析 求 解多 指 气 动 灵 巧 手 的 正 逆 运 动 学 问 题 ， 基 于 MATLAB 对 灵 巧 手 的 工 作 空 间 进 行 仿真 分 析 ， 得 出 了 各 手 指 在 手 掌 坐 标 系 下 的 操 作 可 达 空 间 ， 并 通 过 抓 取 实 例 验 证了 运 动 学 与 仿 真 分 析 的 正 确 性 ， 为 多 指 灵 巧 手 的 抓 取 规 划 提 供 了 重 要 依 据 6。昆 明 理 工 大 学 武 鹏 飞 对 能 抓 取 易 碎 物 体 的 气 动 手 指 进 行 了 研 究 , 采 用
