一种基于四构件变胞机构的气动柔性拿捏机械手的设计及其运动学分析.pdf

2 0 1 4年 1 1月 第4 2卷 第 2 1 期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS NO V ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 2l D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 2 1 ． 0 0 3 一 种基于四构件变胞机构的气动柔性拿捏 机械手的设计及其运动学分析 刘旭 东 ，马履 中 1 ． 连云港职业技术学院机电工程学院，江苏连云港 2 2 2 0 0 0 ； 2 ．江苏大学，江苏镇江 2 1 2 0 1 3 摘要变胞机构与常见的定自由度机构相比，具有特殊的性能。设计了一种以气体为驱动力的自适应四构件变胞拿捏 机械手，该机械手简化为 3个手指，以一个气缸驱动，每个手指有两个转动关节，在每个手指拿捏物体部位衬以硅胶并贴 以力传感器，控制气缸压力，致使拿捏力可在设定范围内进行调整，是一种具有一定柔性的执行器。该执行器将变胞机构 的工作原理和气体柔性驱动技术相结合，是一种基于四构件变胞机构的气动自适应柔性拿捏机械手。阐述了该拿捏机械手 的机构结构原理，并对该机械手进行了运动学分析。分析表明该机械手具有自适应性 ，适合用于在易碎的玻璃瓶抓取、人 体推拿执行器中等场合。 关键词四构件变胞机构；气动柔性 ； 拿捏机械手；扭簧 中图分类号T H1 1 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 2 1 0 1 0 3 De s i g n a nd Ki n e ma t i c Ana l y s i s o f On e Pn e uma t i c Se l f - a d a p t i o n Fl e x i b l e M a s t e r M a n i p ul a t o r Ba s e d o n Fo ur - c o ns t r uc t i o na l El e me n t M e t a mo r ph i c M e c h a ni s m LI U Xu do n g ， MA Lv z h o n g 1 ． S c h o o l o f M e c h a t r o n i c s E n g i n e e r i n g ， L i a n y u n g a n g T e c h n i c a l C o l l e g e ， L i a n y u n g a n g J i a n g s u 2 2 2 0 0 0 ，C h i n a ； 2 ． J i a n g s u U n i v e r s i t y ， Z h e n j i a n g J i a n g s u 2 1 2 0 1 3 ， C h i n a Ab s t r a c t As c o mp a r e d wi t h t h e c o mmo n fi x e d d e g r e e o f f r e e d o m me c h a n i s m，t h e me t a mo r p h i c me c h a n i s m h a s s p e c i a l p r o p e r t i e s ． O n e k i n d o f s e l f - a d a p t i o n f o u r c o n s t r u c t i o n a l e l e me n t me t a mo rp h i c ma s t e r ma n i p u l a t o r wa s d e s i g n e d，wh i c h wa s d ri v e n b y g a s ． T h i s ma n i p u l a t o r wa s s i mp l i fi e d a n d h a d o n l y t h r e e fi n g e r s ， wh i c h w e r e d r i v e n b y a p n e u ma t i c c y l i n d e r ，a n d e a c h fi n g e r h a d t w o r e v o l u t e j o i n t s ．I n o r d e r t o c o n t r o l t h e c y l i n d e r p r e s s u r e ， t h e p a r t o f e a c h fi n g e r w h i c h w o u l d b e u s e d t o h o l d o b j e c t w a s l i n e d w i t h s i l i c a g e l a n d f o r c e s e n s o r ， S O t h a t t h e h o l d i n g f o r c e c o u l d b e a d j u s t e d i n a c e r t a i n r a n g e ．T h i s m a n i p u l a t o r w a s a fl e x i b l e a c t u a t o r t o a c e rt a i n t y ． T h i s a c t u a t o r wa s c o mb i n e d o f t h e w o r k i n g p rin c i p l e o f me t a mo rph i c me c h a n i s m w i t h t h e t e c h n o l o g y o f t h e g a s fl e x i b l e d ri v e ，w h i c h wa s o n e k i n d o f p n e u ma t i c s e l f - a d a p t i o n f l e x i b l e ma s t e r ma n i p u l a t o r b a s e d o n f o u r c o n s t r u c t i o n a l e l e me n t me t a mo r p h i c me c h a n i s m． T h e s t r u c t u r e p ri n c i p l e o f t h e ma s t e r ma n i p u l a t o r w a s d e s c r i b e d ，a n d i t wa s a n a l y z e d i n k i n e ma t i c s ．T h e a n a l y s i s s h o ws t h a t t h e ma n i p u l a t o r h a s a b i l i t y o f s e l f - a d a p t i o n，w h i c h i s s u i t a b l e t o u s e i n c a t c h i n g f r a g i l e g l a s s b o t t l e s ，t h e h u ma n ma s s a g e a c t u a t o r a n d o t h e r s ． Ke y wo r d s F o u r c o n s t ruc t i o n a l e l e me n t me t a mo r p h i c me e h a n i s m P n e u ma t i c s e l f - a d a p t i o n fl e x i b l e ；Ma s t e r ma n i p u l a t o r ；T o r s i o n a l s p ring 0前 言 变胞机构 的种类很多 ，不一一列举 。文中研究 能 在 瞬时使某些构件发生合并／ 分离 、或出现几何奇 异 ， 并使机构有效构件数或 自由度数发生变化，从而产生 新构型的机构称之为变胞机构。由于该类机构在运动 的过程中自由度可以变化、设计巧妙、结构简单，因 而，它能解决定 自由度机构不能解决的一些难题，有 关这类机构的功能与应用 ，人们已进行了多方面的研 收稿 日期 2 0 1 3 0 8 1 8 基金项 目国家高科技研究发展计划重点项目 技术研究 2 0 0 6 A A 1 0 Z 2 5 4 1 作者简 介刘旭东 1 9 7 5 一 ，男 ，工学硕士 ， 究 。此外，由于气体的可压缩性，以气体为动力 的柔性关节执行器技术在工农业 生产领域 具有重大的 应用价值 。例如 ，对 于易碎 的玻璃瓶 拿取机器人 的机械手 ，推拿机器人的推拿手，其手指要有较高的 柔性 ，这样才能避免损坏器皿或人体。从工程应用实 际出发，只要能满足工程需要，机构越简单越好。考 虑工程中以实现拿、握或捏的动作为主，故将该机械 手总体结构简化为三手指型的结构，在拿捏过程 中， 8 6 3计划 2 0 1 0 A A 0 4 0 2 0 1 中医按 摩机器人果 树采摘机 器人机械 手关 键 副教授，研究方向为机械设计 ，机器人技术。E ma i l l y g h z l x d 1 6 3 ． c o rn。 第 2 1 期 刘旭东 等 一种基 于四构件变胞机构 的气动柔性拿捏机械手 的设计及 其运 动学分析 l l 每个手 指 依 次 有 两个 转 动关 节 ， 握或捏 的动作 。 就能满足实现拿、 1 ． 2 三指 变胞机构拿捏机械手的结构设计 本文作者是从单指原理论述其基于四构件机构结 构的动作原理，再论述总体结构为三指的拿捏机械手 结构 。由此还可引 申为 四指直 至五 指 的机 械手 结构 。 在每个手指的拿捏部位衬以硅胶 ，并贴以力传感器， 控制气缸压力，致使拿捏力成为在一定的设定范围内 具有可控的特性 。这类机械手成为具有一定柔性 的执 行器。 作者将变胞机构的工作原理和气体柔性驱动技术 相结合 ，设计 出一种基于 四构件变胞机构 的气动柔性 拿捏 机械手 。由于该机构的变胞特性 ，使手指拿捏位 置及运动位移后有一定 自适应性，该类基于四构件变 胞 自适 应气动驱动柔性拿捏机械手将有广 阔的应用前 景。 1 基于四构件变胞机构拿捏机械手的设计 1 ． 1 单指四构件变胞机构拿捏机械 手装置的原理 图 1 所示为单指 四构件变胞机构的运动原理图。 如 图 1 a 所示 ，B处 不 是普 通 的机 构铰链 ，而 是 带有扭簧的铰链。当滑块 4没有遇到被拿捏物时，扭 簧 B所受构件 2与 3的相对转动分离力矩为零或小于 扭簧的闭合力 ，杆 2和杆 3是一个整体构件，此时机 构 1 2 3 4可视为一个构件，当原动件滑块 1 左 右移动时，此时该机构的活动构件数 n1 ，低副数 1 ，机构 的 自由度 F3 n一2 p ． 31 21 1 ，该 机构的原动件数等于其 自由度数 ，有确定运动，构件 1 2 3 4在滑轨 5上作整体滑动。当滑块 4遇到 被拿捏物 时 ，如 图 1 b 所示 ，设 滑块 4被 拿捏物 所阻挡 ，不能运动 ，变为机架 ，而滑块 1 则继续 向右 运动，当其所产生的推动力使构件 2与构件 3相对转 动 的分离力矩超过扭簧 B的闭合力矩时 ，杆 2就会推 动杆 3旋转，其运动效果如图 1 b 所示，其实质 就是在滑块 1的驱动下，杆 2克服扭簧 B的闭合力 ， 使构件 3继续运动 ，完成变胞运动 。则此时该机构演 变为曲柄滑块机构 ，其活动构件数 n3 ，低副数 P 。 4 ，机 构的 自由度计算应 为 F3 n一2 p 3 3 2 41 ，该 机构 的 自由度数 等 于原动 件数 ，有 确定 运动 。构件 4的运动是受被拿捏物 的位置而变化 ，具 有 自适应性 。 B B 图 1 单指四构件变胞机构拿捏机械手原理图 结构如图 2 a 所示 ，气 缸 1 用 螺钉 固定 于底 座5上，整个变胞机构以气缸中心线为中心，呈 1 2 0 。 中心对 称结构。杆 2用铰链 A固定于气缸 1上 ，杆 2 和杆 3用带扭 簧的铰链 B相连 接 ，当杆 2推动杆 3的 力矩为 0或小 于扭簧 B的启 闭力矩 时 ，杆 2和杆 3问 为固定 连接 ，杆 3和滑块 4用 铰链 C连接 ，拿捏 头 6 用螺钉紧 固在连杆 3上。和上述 同样 的机构共 3个 ， 成 1 2 0 。 均布在气缸 1 上，从而形成了具有拿捏头 6 、 7 、8三个夹头的三指变胞机构机械手。当气缸 1做 上下移 动 ，滑块 4在没有任何阻挡时 ，机构未发生变 胞运 动 ，杆 2 、杆 3 、滑块 4和拿捏 头 6作 为一个 整 体构件做上下移动，同理 ，拿捏头 7和 8在滑块 1的 驱动下 ，和拿捏 头 6一样 ，同时做上下移动 。 l 一 气 缸 2 、卜 连 架 杆 4 _ 滑 块 5 _ ． 底座 6 、7 、8 一 拿捏 头 9 一 被拿 捏物 A 、c - 一铰 链 B - _ 带扭簧的铰链 图2 三指变胞机构拿捏机械手结构图 如 图 2 b 所示 ，当滑块 4碰到被拿捏物 9时 ， 滑块 4不能向前移动，而此时气缸 1 则继续推动杆 2 向前移动。当杆 2的推力矩大于扭簧 B的闭合力矩 时，杆 3带动拿捏头6完成向被拿捏物 9方向的旋转 运动 ，即该机构 完成 变胞 运动 。同理拿 捏 头 7和 8 ， 在气缸 1的推动下，同时也会发生同样的向着被拿捏 物 9 方 向 的旋转 运 动 ，整个 三指 机 械手完 成 变胞 运 动 。 由上分析 可 知 机 械 手拿 捏 头 6 、7 、8何 时运 动，是受工件 即被拿捏物何时被挡住所控制。 也就是 说 ，机械手夹头的运 动随被拿捏物 大小而具有 自适应 性 。 2 运动学分析 图 3为基 于四构件变胞机构拿捏机械手坐标 图。 如图 3 a 所示，在该机构未拿捏物体，即机 构未发生变胞时的机构运动简图及坐标系。该机构作 1 2 机床与液压 第 4 2卷 为一个整体构件，滑块 A向前移动的距离等于滑块 c 向前移动的距离。 图 3 b 可 以看 出 ，在 滑块 C碰 到被拿捏 物且 滑块 A向前移动的驱动力矩大于扭簧 B的闭合力矩 时 ，整个机构发生变胞运 动 ，形成 了一个 曲柄滑块机 构 。设滑块 移动的距 离 S A C ，建 立 和 曲柄 B C转 动角度 问的运动关系式 。 设 A B 4 e m，B C 3 e m AB BC 4 3 ⋯ 一s i n O js i n O ⋯ 一s 2 ∞刚 西一j∞ L 2 s i n 3 01 8 0 。一 4 8 一 I 9 I 1 Ij ， B 2 I A O[ 1 I b 图3 基于四构件变胞机构拿捏机械手坐标图 将式 2 ， 3 ， 4 代人式 1 得 6 s s i n ,／ 5 0 s 2 一 s 一 4 9 5 式 5 建立了气缸 1移动的位移 s 和杆 3所带 动的拿捏头 6的转角 间的运动轨迹关系方程。即 当 s 5 ． 6 e m时 1 3 7 。 ； 当 S 5 ． 5 e m时 1 3 5 。 ； 当 s 5 ． 3 e m时 1 3 2 。 ； 当 S 5 ． 0 c m时 1 2 8 。 ； 当 S 4 ． 8 e m时 1 2 4 。 。 图 4为位移 s 和转角 间的运 动轨迹关 系图。 图4 位移 和转角 间的运动轨迹关系图 3结束语 将变胞机构的工作原理和气体柔性驱动技术相结 合，设计出了一种基于四构件变胞机构的气动柔性拿 捏机械手 ；完成 了该机械手的运动学分析 ，建 立了气 缸移动 的位移 s 和拿捏头 的转角 问的运动轨迹关 系 方程，并且以一实例为例进行了参数分析。扭簧扭力 大小 的设 计 ，只需保 证 在 滑块 4没 有碰 到 拿 捏 物 9 时，构件 2与3的转动关节 B不转动，故只需大于构 件 2与 3自重引起的分离力矩即可。拿捏力大小 由拿 捏头 6 、7 、8与被拿捏物 9的接触部位的力传感器的 反馈信号来控制气缸压力的大小。该基于四构件变胞 气动柔性 自适应拿捏机械手在易碎 的玻璃瓶拿取 ，人 体推拿执行器中具有广阔的应用前景。 参考文献 [ 1 ]王德伦， 戴建生． 变胞机构及其综合的理论基础 [ J ] ． 机 械工程学报 ， 2 0 0 7， 4 3 8 3 2 4 2 ． [ 2 ]杨毅 ， 丁希仑， 戴建生． 一种伞式可折叠柔性变胞机构的 设计分析研究 [ J ] ． 航 空学报 ， 2 0 0 7 ， 2 8 4 1 0 1 4 1 01 7． [ 3 ]李瑞玲， 戴建生， 张启先， 等． 基于构态变换的变胞机构 结构综合 [ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 0 2 ， 3 8 7 1 2一l 6 ． [ 4 ]Y A N H S ． A Me t h o d o l o g y f o r C r e a t i v e Me c h a n i s m D e s i g n [ J ] ． Me c h a n i s m a n d Ma c h i n e T h e o r y ， 1 9 9 2 ， 2 7 3 2 3 5 2 4 2． [ 5]F A T H I G h o r b e l ， MA R K W S p o n g ．I n t e g r a l Ma n i f o l d s o f S i n g u l a r l y P e r t u r b e d S y s t e ms wi t h Ap p l i c a t i o n t o Ri g i d l i n k F e x i b l e - j o i n t M u l fi b o d y S y s t e m s[ J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u rna l o f No n L i n e a r Me c h a n i c s ， 2 0 0 0， 3 5 1 3 31 5 5 ． [ 6 ]刘迎春， 余跃庆， 姜春福． 柔性机器人研究现状[ J ] ． 机 械设计， 2 0 0 3 ， 2 0 1 2 48 ．