欠驅(qū)動采摘末端執(zhí)行器的設計論文[不全]

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘 要錯誤!未定義書簽。</p><p>　　ABSTRACT錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　第一章 緒論3</b></p><p>　　1.1 課題研究意義3</p><p>　　1

2、.2 農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展概況3</p><p>　　1.2.1國外研究成果及現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2.2 國內(nèi)研究成果及現(xiàn)狀6</p><p>　　1.3 末端執(zhí)行機構的研究現(xiàn)狀6</p><p>　　1.3.1 國外末端執(zhí)行器研制進展情況7</p><p>　　1.3.2 國內(nèi)研制的末端執(zhí)行器概述8

3、</p><p>　　1.4 欠驅(qū)動技術研究發(fā)展8</p><p>　　1.5 主要內(nèi)容和研究方法10</p><p>　　1.5.1 主要研究內(nèi)容10</p><p>　　1.5.2 技術路線11</p><p>　　第二章 欠驅(qū)動采摘末端執(zhí)行器的設計12</p><p>　　2.1

4、 欠驅(qū)動采摘末端執(zhí)行器的總體結構設計12</p><p>　　2.1.1手指結構設計14</p><p>　　2.1.2轉動機構及機架的設計15</p><p>　　2.1.3驅(qū)動方案的選擇16</p><p>　　2.2手腕關節(jié)的設計17</p><p>　　2.3 執(zhí)行器的控制方案設計19</p&

5、gt;<p>　　2.4本章小結20</p><p>　　第三章 末端執(zhí)行器靜力學分析23</p><p>　　3.1 欠驅(qū)動手指的工作原理23</p><p>　　3.2 包絡抓取時的靜態(tài)力學模型23</p><p>　　3.3 運動學分析26</p><p>　　3.4 利用MATLAB軟件

6、進行手指綜合結構參數(shù)確定27</p><p>　　3.5手部的夾持誤差計算28</p><p>　　3.6手指的有限元分析30</p><p>　　3.7本章小結34</p><p>　　第四章 末端執(zhí)行器虛擬設計與仿真研究1</p><p>　　4.1 軟件概述1</p><p>

7、　　4.2機械手的虛擬設計與裝配2</p><p>　　4.2.1模型的建立2</p><p>　　4.2.2虛擬裝配4</p><p>　　4.3手指運動仿真4</p><p>　　4.4 模塊化設計9</p><p>　　4.4.1模塊化設計概念9</p><p>　　4.4.2

8、手指的模塊化設計10</p><p>　　4.5本章小結11</p><p>　　第五章 控制系統(tǒng)設計錯誤!未定義書簽。</p><p>　　5.1系統(tǒng)硬件組成錯誤!未定義書簽。</p><p>　　5.1.1單片機的選用錯誤!未定義書簽。</p><p>　　5.1.2 AVR ATmega16型單片機簡

9、介錯誤!未定義書簽。</p><p>　　5.1.3 步進電機錯誤!未定義書簽。</p><p>　　5.1.4步進電機驅(qū)動器錯誤!未定義書簽。</p><p>　　5.1.5傳感器錯誤!未定義書簽。</p><p>　　5.1.6 系統(tǒng)軟件方案分析錯誤!未定義書簽。</p><p>　　5.2 系統(tǒng)工作原理

10、和工作過程錯誤!未定義書簽。</p><p>　　5.3本章小結錯誤!未定義書簽。</p><p>　　第六章 實驗分析錯誤!未定義書簽。</p><p>　　6.1 手抓適應性實驗12</p><p>　　6.2壓力傳感器實驗錯誤!未定義書簽。</p><p>　　6.3 果實抓取力實驗分析錯誤!未定義書

11、簽。</p><p>　　6.3.1壓力傳感器標定實驗錯誤!未定義書簽。</p><p>　　6.3.2 不同脈沖頻率下力的變化實驗錯誤!未定義書簽。</p><p>　　6.3.3 不同成熟度情況下力的變化實驗錯誤!未定義書簽。</p><p>　　6.3.4夾持效率實驗錯誤!未定義書簽。</p><p>　

12、　6.4本章小結錯誤!未定義書簽。</p><p>　　第七章 結論和建議錯誤!未定義書簽。</p><p>　　7.1結論錯誤!未定義書簽。</p><p>　　7.2 創(chuàng)新點錯誤!未定義書簽。</p><p>　　7.3后續(xù)研究建議錯誤!未定義書簽。</p><p>　　攻讀碩士期間發(fā)表的論文錯誤!未定

13、義書簽。</p><p>　　致謝錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究意義</p><p>　　水果是人類生活中必不可少的食物，水果的種植比例也在逐年增多，2002年中國果品種植面積893萬hm2，產(chǎn)量6225萬t，占世界果品產(chǎn)量的13%[1]。目前

14、我國的水果總產(chǎn)量躍居世界第一位，其中以蘋果、柑橘和梨的種植面積為最大。在我國，蘋果栽培有著悠久的歷史，是我國11大優(yōu)勢農(nóng)產(chǎn)品之一。我國蘋果生產(chǎn)在世界蘋果產(chǎn)業(yè)中占有舉足輕重的地位。據(jù)統(tǒng)計，2004年我國蘋果栽培面積187.7萬公頃、產(chǎn)量2367.5萬噸，分別占世界蘋果栽培面積41.5%和產(chǎn)量的7.5%。近10多來年，我國對世界蘋果產(chǎn)量增長的貢獻率高達84%[2]。這使得果園收獲作業(yè)機械化、自動化成為廣大果農(nóng)們最為關注的熱點問題。發(fā)展機械化

15、收獲技術，研究開發(fā)果蔬采摘機器人, 不僅對于適應市場需求、降低勞動強度、提高經(jīng)濟效率有著一定的現(xiàn)實意義，而且對于促進我國農(nóng)業(yè)科技進步，加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程有著重大的意義。</p><p>　　在果實類的水果采摘生產(chǎn)作業(yè)過程中，需要人工不定時的對果實進行成熟度判斷和收獲，并不時地移動梯子登高或彎腰，因此果品采摘作業(yè)是水果生產(chǎn)鏈中最耗時、最費力的一個環(huán)節(jié)、具有一定危險性的作業(yè)。目前，國內(nèi)水果采摘作業(yè)基本上都是人工進行，

16、其費用約占成本的50%~70%，并且時間較為集中。隨著水果大面積的推廣與種植，研究水果采摘機器人既可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力、改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式、解決勞動力不足問題等方面又可以減輕勞動強度、提高生產(chǎn)效率，而且具有廣闊的市場應用前景。</p><p>　　1.2 農(nóng)業(yè)機器人發(fā)展概況</p><p>　　1.2.1國外研究成果及現(xiàn)狀</p><p>　　農(nóng)業(yè)機器人是一種集傳感技術

17、、監(jiān)測技術、人工智能技術、通訊技術、圖像識別技術、精密及系統(tǒng)集成技術等多種前沿科學技術于一身的機器人[4]。農(nóng)業(yè)機器人是一門邊緣交叉學科，是多領域技術的綜合，其發(fā)展需要各相關學科的配合與支援[3]。農(nóng)業(yè)機器人又可以分為：施肥機器人、除草機器人、收摘機器人、嫁接機器人等。日本是研究農(nóng)業(yè)機器人最早的國家之一，早在20世紀70年代后期，隨著工業(yè)機器人的發(fā)展，對農(nóng)業(yè)機器人的研究工作逐漸啟動[5,6,7]。</p><p>

18、;　　收獲作業(yè)的自動化和機器人的研究始于20世紀60年代的美國(1968年) ，采用的收獲方式主要是機械震搖式和氣動震搖式，其缺點是果實易損，效率不高，特別是無法進行選擇性的收獲[8]。</p><p>　　自1983 年第1臺西紅柿采摘機器人在美國誕生以來，采摘機器人的研究和開發(fā)歷經(jīng)20多年，日本和歐美等國家相繼立項研究采摘蘋果、柑桔、西紅柿、西瓜和葡萄等智能機器人[9]。</p><p&g

19、t;　　1.2.1.1 西紅柿采摘機器人</p><p>　　日本Kondo-N[10,12,13] 等人研制的西紅柿收獲機器人由機械手、末端執(zhí)行器、視覺傳感器和移動機構等組成，如圖1.1所示。</p><p>　　圖 1-1 西紅柿采摘機器人 圖 1-2 美國的番茄采摘機器人</p><p>　　Fig.1-1 Tomato har

20、vesting robot Fig.1-2 Tomato picking-robot made in America</p><p>　　機器人的采摘機械手采用7自由度的SCORBOT－ER工業(yè)機器人，能夠形成指定的采摘姿態(tài)進行采摘。用彩色攝像機作為視覺傳感器來尋找和識別成熟果實，利用雙目視覺方法對目標進行定位；移動機構采用4 輪結構，能在壟間自動行走。</p><p>

21、　　在2004年2月10日美國加利福尼亞州圖萊里開幕的世界農(nóng)業(yè)博覽會上，美國加利福尼亞西紅柿機械公司展出2臺全自動西紅柿采摘機(圖1.2)，這種西紅柿采摘機首先將西紅柿連枝帶葉割倒后卷入分選倉，倉內(nèi)能識別紅色的光譜分選設備挑選出紅色的西紅柿，并將其通過輸送帶送入隨行卡車的貨艙內(nèi)，然后將未成熟的西紅柿連同枝葉一道粉碎，噴撒在田里作肥料[14]。</p><p>　　1.2.1.2 蘋果采摘機器人</p>

22、<p>　　韓國研制的蘋果采摘機器人，其機械手工作空間達到3m，具有4個自由度，包括3個旋轉關節(jié)和1個移動關節(jié)，采用三指夾持器作為末端執(zhí)行器，內(nèi)有壓力傳感器避免損傷蘋果。利用CCD攝像機和光電傳感器識別果實，從樹冠外部識別蘋果時識別率達85%，速度達5個/s[15]。</p><p>　　圖1-3 蘋果采摘機器人</p><p>　　Fig.1-3 Apple harvest

23、ing robot</p><p>　　2008年JohanBaeten和Sven Boedrij等人研制的蘋果采摘機器人[16](圖1.3)，利用松下VR006L型六自由度手臂作為機械手主體，在果園作業(yè)時，機械手由一臺拖拉機牽引，其機器人整體占地面積較大，機械手重量較重，且成本較高，只適于植株較矮小的蘋果樹。</p><p>　　1.2.1.3 多功能葡萄采摘機器人</p>

24、<p>　　日本岡山大學研制出了一種多功能葡萄采摘機器人(圖1.4)[17]。葡萄采摘機器人采用5自由度的極坐標機械手，末端的臂可以在葡萄架下水平勻速運動。視覺傳感器一般采用彩色攝像機，采用PSD三維視覺傳感器效果更佳，可以檢測成熟果實及其距離信息的三維信息。采摘時，用于葡萄采摘的末端執(zhí)行器有機械手指和剪刀機械手指抓住果房，剪刀剪斷穗柄。</p><p>　　1.2.1.4 蘑菇采摘機器人</p

25、><p>　　英國Silsoe研究所研制的蘑菇采摘機器人[18]，可自動測量蘑菇的位置大小，并選擇性地采摘和修剪。它的機械手由2個氣動移動關節(jié)和1個步進電機驅(qū)動的旋轉關節(jié)組成，末端執(zhí)行器是帶有軟襯墊的吸引器，視覺傳感器采用TV攝像頭，安裝在頂部用來確定蘑菇的位置和大小。采摘成功率75%左右，采摘速度6～7個/s。</p><p>　　圖1.4 多功能葡萄采摘機器 圖1

26、.5 草莓采摘機器人</p><p>　　Fig.1-4 Multi-operation robot for grapevine Fig.1-5 Strawberry harvesting robot </p><p>　　1.2.1.5 柑橘收獲機器人</p><p>　　法國和西班牙尤利卡合作的工程項目—“CIT2RUS”是比較成功的研究成果[19,20

27、]。該項目1988年開始啟動,其研制的收獲機器人。其最高能達到80%的采摘率，采摘率一般為60% ~65%。由于其無法商業(yè)化,加上過多的費用損耗,缺乏資金投入，該項目在1997年便中止了。</p><p>　　1.2.1.6 草莓采摘機器人</p><p>　　Kondo N等人針對草莓越來越多采用高架栽培模式[11]，研制出了5自由度的采摘機器人，如1.5所示。草莓采摘機器人的視覺系統(tǒng)與

28、番茄采摘機器人相似，末端執(zhí)行器采用真空系統(tǒng)加螺旋加速切割器。收獲時，3對光電開關檢測草莓的位置，視覺系統(tǒng)計算空間位置，控制機械手移動到預定位置，末端執(zhí)行器將草莓吸入；當草莓位于合適的位置時，腕關節(jié)移動，果梗進入指定位置，螺旋加速驅(qū)動切割器旋轉切斷果梗，完成采摘。</p><p>　　1.2.2 國內(nèi)研究成果及現(xiàn)狀</p><p>　　果樹采摘機器人的研究在我國尚處于起步階段。在采摘機械手和

29、末端執(zhí)行器的設計研究方面：中國農(nóng)業(yè)機械化科學研究院謝建新等人為解決機器人靈巧避障問題，研究設計了6自由度的關節(jié)型機械手臂。梁喜鳳等為分析并改善番茄收獲機械手運動學特性，進行了番茄收獲機械手運動學優(yōu)化與仿真試驗，取得了較好的效果。東北林業(yè)大學的路懷民研制了林木球果采摘機器人，中國農(nóng)業(yè)大學的趙金英等（2006年）對西紅柿采摘機器人整體進行了研究。</p><p>　　1.3 末端執(zhí)行機構的研究現(xiàn)狀</p>

30、<p>　　末端執(zhí)行件通常由機械裝置和傳感器組成。末端執(zhí)行件必須保證不傷害目標作物，不惡化生物生產(chǎn)的質(zhì)量，與工業(yè)機器人的末端執(zhí)行器相比，由于其作業(yè)對象和環(huán)境的柔嫩性、不規(guī)則性和復雜多變性特征，采摘機器人的末端執(zhí)行器具有明顯的特殊性和更高的智能化要求。目前果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器基本都是專用的，只能對一種果實進行收獲,即是采摘機器人效率難以提高的主要原因，也是制約采摘機器人未來發(fā)展與應用推廣的瓶頸。解決末端執(zhí)行器的通用性、靈

31、活性和成本之間的矛盾,是果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器研究發(fā)展的方向。</p><p>　　1.3.1 國外末端執(zhí)行器研制進展情況</p><p>　　Kutz 等人（1987）基于CAD系統(tǒng)設計了移栽機器人[21-22]。如圖1.6其末端執(zhí)行件是一個并行夾取式夾持器，由1個氣缸和1個并行的夾取抓手組成。其抓取手只有張開和合攏兩種狀態(tài)，這兩種位置的距離差是20mm，兩個夾片長3mm。在3.3mi

32、n內(nèi)能完成36個苗的移植，存活率可達96%。</p><p>　　圖1.6 SNS 夾取器 圖1.7柑橘采摘末端執(zhí)行器</p><p>　　Fig.1-6 SNS Clip extractor Fig.1-7 Orange harvesting end-effector</p><p>　　美國佛羅里達大學研究員研制了用于

33、小樹林的柑橘采摘機械手[19]，如圖1.7所示，依靠1個CCD攝像機和超聲波傳感器置于末端執(zhí)行器的內(nèi)部來探測水果的位置。該機械手為球形坐標形式,有7個自由度。其末段執(zhí)行器最高速率為508mm / s，最大載荷量大約為9. 07kg，圖像處理和視覺伺服所花的時間為15~80ms。</p><p>　　Ryu等人（2000）設計了一種由氣動系統(tǒng)驅(qū)動的夾取裝置[14]。該末端器由步進電機、氣缸、氣動卡盤和夾取指組成，如

34、圖1.8所示。其末端執(zhí)行件由步進電機帶動旋轉，并根據(jù)植株的方位確定針狀夾取指的位置，避免抓取時對植株葉片的傷害。</p><p>　　Peter P.Ling等人（2004）設計了一種4個手指的末端執(zhí)行件[23]，如圖1.9。該末端執(zhí)行件主要由數(shù)字線性步進電機、4個手指和吸引器組成。手指利用纜繩和筋腱使其彎曲，利用扭矩彈簧使其伸展。數(shù)字線性步進電機驅(qū)動筋腱，增強了末端執(zhí)行件運動的可控性和精確性。</p>

35、;<p>　　圖1-8 執(zhí)行器 圖1-9 手指末端執(zhí)行</p><p>　　Fig.1-8 end-effector Fig.1-9 finger end-effector</p><p>　　2008年Johan Baeten和Sven Boedrij等人研制了蘋果采摘機器人末端執(zhí)行器[16](圖1.1

36、0)。其硅樹脂管里裝有微型攝像頭，用于獲取末端執(zhí)行器正前方蘋果圖像。真空泵提供動力，吸盤用于吸取蘋果。</p><p>　　圖1-10蘋果采摘末端執(zhí)行器</p><p>　　Fig.l-10 Apple harvesting end-effector</p><p>　　1.3.2 國內(nèi)研制的末端執(zhí)行器概述</p><p>　　與國外相比，國

37、內(nèi)在果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器的研究方面起步較晚，成果相對較少。其中，中國農(nóng)業(yè)大學對茄子采摘機器人末端執(zhí)行器進行了研制，其采摘成功率達到92.76%。江蘇大學農(nóng)業(yè)工程研究院研制了一種基于多傳感器信息融合和開放式控制的智能控制的番茄采摘機器人末端執(zhí)行器，系統(tǒng)設計質(zhì)量僅為1.12kg，末端執(zhí)行器完成采摘動作的時間為35s。到目前為止，國內(nèi)還沒有研制出蘋果采摘機器人的末端執(zhí)行器。因此，開發(fā)一種具有采摘效率和成功率高，具有輕便性，通用性強的蘋果采

38、摘末端執(zhí)行器具有重要的意義。</p><p>　　1.4 欠驅(qū)動技術研究發(fā)展</p><p>　　當一種機械機構的驅(qū)動器數(shù)量少于這種機械機構的自由度數(shù)量時，這種機械機構就稱為欠驅(qū)動機構[24,25]。這種機構具有形狀自適應能力,欠驅(qū)動手指抓取物體時，它能夠完全包絡物體，并且能夠適應物體的形狀。在機械手爪上的欠驅(qū)動機構與機器人系統(tǒng)上的欠驅(qū)動機構是不同的概念。欠驅(qū)動機器人通常是指含有一個或多個

39、無驅(qū)動關節(jié)的操作器，而欠驅(qū)動機械手通常使用彈性元件來設計欠驅(qū)動關節(jié)，這就是說這些關節(jié)可以理解為無法控制或被動控制，而不是沒有驅(qū)動。</p><p>　　美國麻省理工學院和猶他大學于1980年聯(lián)合研制成功了Utah/MIT手爪[26,27,28]。手爪采用模塊化結構設計，手指的配置方式類似于人手，有四個手指: 拇指、食指、中指和無名指，四個手指結構完全相同，每個手指有4個自由度。手指關節(jié)采用伺服氣動缸作為驅(qū)動元件，

40、由腱和滑輪傳動。</p><p>　　加拿大MDROBOTICS公司與Laval大學合作研制了非擬人手通用欠驅(qū)動手爪SARAH（Self-Adapting Robotic Auxiliary Hand）[29]，如圖1.11示。該手爪有3個手指，每個手指有3個關節(jié)，加上1個轉動自由度，共10個自由度，而只用兩個電機驅(qū)動，一個電機負責手爪的開合，另一個負責手指的轉向。采用平面直齒輪差動方式，形成一路輸入三路輸出，分

41、別去驅(qū)動三個手指開合。通過槽輪機構對三個手指中的兩個進行位置調(diào)整，進行轉向，以適合不同形狀物體的抓取。</p><p>　　圖1.11欠驅(qū)動手爪SARAH　 圖1.12基于錐齒輪差動機構的欠驅(qū)動手爪</p><p>　　Fig.l-10 Self-Adapting Robotic Auxiliary Hand Fig.l-12 Under-actuated robot

42、 hand based on cone gear differential mechanism</p><p>　　國內(nèi)研究單位主要有哈爾濱工業(yè)大學、清華大學、北京航空航天大學、合肥智能機械研究所等。</p><p>　　北京航空航天大學機器人研究所于80年代末開始的靈巧手研究與開發(fā)[28,30]。最初研究出來的BH-1靈巧手是一種仿JPL的靈巧手，功能相對簡。在隨后的幾年中又不斷改進，研

43、制出BH-3 型靈巧手。如圖1.14所示。</p><p>　　中科院合肥智能機械研究所開發(fā)了基于錐齒輪差動的欠驅(qū)動三指機器人手爪[27,]，圖1.12所示。這兩個手爪在結構上與加拿大開發(fā)的SARAH手爪有些相似，它集成了SARAH手爪的靈巧手指機構,采用兩級錐齒輪差動方式，機構簡潔高效，結構緊湊，維護方便主動適應性和智能化程度上較SARAH有所提高。</p><p>　　2003年，哈爾

44、濱工業(yè)大學和德國宇航中心合作，研制成功HIT/DLR多指靈巧手，圖1.13示，大大促進了我國在靈巧手技術方面的發(fā)展[31,32,33]。</p><p>　　目前國內(nèi)外欠驅(qū)動多指手的應用背景主要是人工假手、海底探測 、宇航器倉內(nèi)欠驅(qū)動手爪及太空機器人的末端操作器等,尚未見到將欠驅(qū)動多指手爪應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。</p><p>　　圖1-13 HIT/DLR多指靈巧手 圖

45、1-14北航BH-3多指手</p><p>　　Fig.l-13 HIT/DLR Multi-finger dexterous hand Fig.l-14 BH-3 Multi-finger dexterous hand</p><p>　　1.5 主要內(nèi)容和研究方法</p><p>　　1.5.1 主要研究內(nèi)容</p><p>　　本課

46、題的研究目的在于設計一種結構較簡單、控制方便、質(zhì)量輕巧的新型采摘機械手以配合機械臂完成果實的采摘。主要內(nèi)容包括：</p><p>　　分析研究采摘過程中存在的問題。</p><p>　　對欠驅(qū)動機構進行研究、分析與設計、對欠驅(qū)動機構的工作原理進行研究設計滿足功能目標要求的欠驅(qū)動機械手，對欠驅(qū)動機械手的運動學、靜力學與動力學特性進行研究分析，以柔順抓取為目標進行設計。包括手指、手掌、手指驅(qū)動

47、機構、機架的設計。</p><p>　　關鍵零部件的靜力學分析和強度校核。</p><p>　　虛擬樣機的運動學建模和仿真分析。</p><p>　　1.5.2 技術路線</p><p>　　機械手的設計技術路線如圖1-15所示。</p><p>　　圖1-15 技術路線</p><p>　　F

48、ig1-15 Technical Route</p><p>　　第二章 欠驅(qū)動采摘末端執(zhí)行器的設計</p><p>　　2.1 欠驅(qū)動采摘末端執(zhí)行器的總體結構設計</p><p><b>　　蘋果采摘方式分析</b></p><p>　　目前，實現(xiàn)采摘的方式主要有以下幾種，第一種是利用吸盤將果實牢牢吸住，再利用剪刀等工

49、具將果柄剪斷，這種方法需要檢測好果柄的位置，并要精確的調(diào)整好末端執(zhí)行器的姿態(tài)，從而增加了系統(tǒng)控制的難度和機構的復雜性[1]。第二種是利用剪刀將果柄剪斷，這種方法需要檢測好果柄的位置，并要精確的調(diào)整好末端執(zhí)行器的姿態(tài)，從而增加了系統(tǒng)控制的難度和機構的復雜性。第三種利用激光對果梗進行切斷[2]，這種方法同樣需要檢測好果柄的位置，對視覺系統(tǒng)提出了很高的要求。</p><p>　　人工采摘蘋果時，用手輕輕握住果實，食指按

50、住果柄，然后向上掀，使果柄與果枝從離層部位斷開，輕輕取下果實。蘋果的果梗比較脆弱，很容易分離，故本設計采用模擬人工采摘蘋果的方式利用腕關節(jié)的垂直方向上的轉動或旋轉運動來模擬人折斷柄的動作，實現(xiàn)果柄與果實的分離。這種方式實現(xiàn)簡單，對視覺系統(tǒng)要求不高。</p><p><b>　　設計要求</b></p><p>　　本課題所設計的機械手應該具有制造成本低、控制簡單、機械

51、結構簡單、通用性好等特點同時機械手的整機設計，要遵循以下的設計原則：</p><p>　　采摘果實直徑范圍：70mm～100mm；</p><p>　　其他要求：體積小巧、操作簡單、安全可靠、適應性強、成本低廉；</p><p>　　加工制造簡單，工藝性好。</p><p><b>　　總體設計</b></p>

52、;<p>　　末端執(zhí)行器是安裝在機械臂前端，直接與采摘目標相接觸，以實現(xiàn)果蔬采摘所需運動和附加功能的裝置，是采摘機器人實現(xiàn)果蔬采摘的關鍵執(zhí)行部分。手指是直接與果實接觸的機構。常用的手指運動形式有回轉型和平移型。回轉型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形物體時，物體直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件[3]。</p><p

53、>　　根據(jù)采摘蘋果的具體要求，提出了一種蘋果采摘末端執(zhí)行器，其結構如圖2.1所示。該執(zhí)行器由手指、手掌、機架等組成。手抓有2個手指，2個手指平行對稱布置，即每側一個手指。每個手指有2個關節(jié)。在電機控制下，通過傳動機構實現(xiàn)2個手指的聯(lián)動，以及對不同形狀物體的夾持。欠驅(qū)動機械手具有多種抓取模式，可以抓取任意形狀的物體，即可以用手指末關節(jié)指面捏取的方式精確抓取，又可用欠驅(qū)動的方式完成包絡抓取。圖2.1所示是采用Pro/E軟件設計的欠驅(qū)動

54、采摘機械手的三維實體模型。</p><p>　　機械臂將機械手送達到果實附近，機械手上的位置傳感器檢測機械手與蘋果的相對位置，當果實進入機械手中心位置時，位置傳感器觸發(fā)單片機控制信號，步進電機開始正向轉動使機械手開始加緊果實，壓力傳感器檢測手指加緊果實時的壓力并判斷是否達到壓閾值，閾值有實驗所得出。若達到此閾值則機械手停止運動，機械臂模擬人工采摘運動，完成果實與果柄的分離。機械臂將果實送到指定位置后，步進電機反轉

55、，手指松開，恢復到初始位置，完成果實的采摘。</p><p>　　1 第一關節(jié) 2 第二關節(jié) 3 四桿機構 4 手指連桿1 5 手指連桿2 6 連桿 7 中間盤 8 電機固定桿</p><p>　　9 電機 10 底盤 11 通桿 12 下連桿 13 上連桿 14 驅(qū)動桿 15 傳動軸 16 手掌</p><p>　　圖2-1 機械手機構

56、圖 </p><p>　　Fig .2-1 Structure of manipulator</p><p>　　2.1.1手指結構設計</p><p>　　欠驅(qū)動手指具有抓取力大、負載能力強、通用性好的特點，能夠?qū)θ我庑螤畹奈矬w進行抓取，應用范圍更廣泛，同時能夠減少驅(qū)動源的數(shù)目，從而使系統(tǒng)結構變得簡單易于控制。欠驅(qū)動手指傳遞運動和動力的方式在目前主要是采用滑輪和繩

57、索機構，凸輪和鍵肌機構，也可以采用鋼絲軟軸加螺旋傳動或四連桿傳動，前三者的主要問題是傳動的功率損耗大、效率低、夾持力小；而連桿傳動的效率高，產(chǎn)生的夾持力大[4,5]。</p><p><b>　　手指數(shù)量</b></p><p>　　果實的外形有規(guī)則的和不規(guī)則的。對于規(guī)則的小型果實, 多數(shù)收獲機器人采用帶有吸盤的2個直手指的末端執(zhí)行器直接抓取果實[6,7]。相對2個手

58、指，3個手指的收獲機器人也有一些研究，3指機械手抓取果實的穩(wěn)固更好。而采用具有4個手指和一個吸盤的西紅柿收獲機器人，效果更好，但控制較難。此外，還有一些特殊的手指，它采用梳刷原理，將果實分離。</p><p><b>　　手指關節(jié)數(shù)量</b></p><p>　　末端執(zhí)行器關節(jié)的數(shù)量與抓取效果密切相關,關節(jié)數(shù)量越多,末端執(zhí)行器的自由度就越多,抓取動作越靈活,抓取效果越

59、好[8]。因此增加關節(jié)的數(shù)量同時意味著驅(qū)動器數(shù)目得增加,驅(qū)動器數(shù)目的增加就會增加控制的難度，同時導致系統(tǒng)結構復雜，可靠性差，從而產(chǎn)生負面影響。</p><p>　　本文所設計的欠驅(qū)動采摘機械手就采用四連桿機構作為驅(qū)動機構，手指采用兩關節(jié)欠驅(qū)動型手指，并裝有力傳感器和橡膠材料，以測量抓取力和增大摩擦阻力。其本身的自適應特性，可以對蘋果、番茄、桔子等進行很好的抓取。</p><p>　　按《中

60、華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準》，除三級蘋果外，果實橫切面最大直徑要大于或等于70mm[9]。這里設計機械手所抓取的蘋果直徑在80mm～100mm之間，故取蘋果半徑為40mm≤R≤50mm，故取手指的總長度L=120mm，令第一關節(jié)L1=70mm，第二關節(jié)L2=50mm。手指結構如圖2.2所示。</p><p><b>　　手指的材料</b></p><p>　　手指材料的

61、恰當選用，對機械手的使用效果影響很大。為了符合手部的結構尺寸，同時保證手指有足夠的強度及較輕的質(zhì)量，本系統(tǒng)手部材料選用尼龍。尼龍具有很高的機械強度，耐熱，磨擦系數(shù)低，耐磨損，自潤滑性，吸震性，耐油，耐弱酸等特點。</p><p>　　圖2-2 手指結構 圖2-3 傳動軸</p><p>　　Fig.2-2 Struc

62、ture of finger Fig.2-3 Transmission shaft</p><p>　　2.1.2轉動機構及機架的設計</p><p>　　本設計以軸（圖2.3）作為動力的傳動載體，通過絲杠實現(xiàn)傳動的傳遞，絲杠傳動本身有自鎖功能，在夾緊后，即使電機不工作，果實也不會因松動而掉落。</p><p&

63、gt;　　機架主要用來安裝驅(qū)動機構和手掌，在設計上要求機構緊湊，體積小重量輕。本文設計的機架為一個柱狀體，由固定底板、中間板、支撐柱組成，下部主要安裝驅(qū)動電機。上部主要放置手指、限位裝置。機架結構如圖2.4所示。</p><p>　　機械手可分為有手掌型和無手掌型兩類。手掌可以增加對物體的約束，有手掌的機械手具有廣泛的適用性，操作方便的特點。無手掌的機械手也能抓取物體，但所加持的物體一般都是形狀比較規(guī)則的，它對物

64、體的形狀尺寸特性要求高，無手掌型機械手被普遍應用在專用夾持機構中。所以本文設計的機械手采用有手掌的結構如圖2.5所示。</p><p>　　圖2-4 機架結構 圖2-5 手掌結構</p><p>　　Fig.2-4 Structure of rack Fig.2-5 Structure

65、 of Palm</p><p>　　2.1.3驅(qū)動方案的選擇</p><p>　　目前的手爪的驅(qū)動源主要是采用氣壓驅(qū)動、電驅(qū)動、液壓驅(qū)動這三種[10]。</p><p>　　氣壓驅(qū)動系統(tǒng)是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構運動的，通常使用空氣壓縮機作為動力源。氣壓驅(qū)動過載安全性大、結構簡單、污染小、成本低，通過調(diào)節(jié)氣流，就可實現(xiàn)無級變速，但工作速度的穩(wěn)定性差、裝置體積

66、大、定位精度不高、抓持力小。</p><p>　　液壓驅(qū)動系統(tǒng)以油液的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構，輸出力大、驅(qū)動平穩(wěn)、系統(tǒng)的固有效率高、速度反應快，調(diào)速簡單，能在大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速，易于適應不同的工作要求，傳動平穩(wěn)，能吸收沖擊力，可以實現(xiàn)較頻繁而平穩(wěn)的換向，但易漏油、污染環(huán)境、成本高 ，定位精度比氣動高，但比電機低；油液的溫度和粘度變化影響傳動性能。</p><p>　　電氣驅(qū)動方式包括步進電機

67、、直流伺服電機、交流伺服電機和步進電機以及力矩電機等驅(qū)動方式[11]。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件，具有控制簡單、響應速度快、工作可靠、無累計誤差等優(yōu)點。伺服電機轉子慣量小、動態(tài)特性好，由伺服電動機所構成的機器人驅(qū)動系統(tǒng)具有運行精度高、調(diào)速范圍廣、速度運行平滑、具有高可靠性并易于控制等優(yōu)點。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機也越來越多地應用于數(shù)字控制系統(tǒng)中，但是交流伺服電機必須采用閉環(huán)控制方式，這種

68、復雜的控制系統(tǒng)造成控制成本大大提高。通過搜集調(diào)查大量電機資料，本設計中采用雷塞57HS09型步進電機。雷塞57HS09型步進電機具有體積小、重量輕、輸出力大、響應速度快、精確度</p><p>　　2.2手腕關節(jié)的設計</p><p>　　手腕部件設置于機械手和機械臂之間，它的作用主要是在機械臂運動的基礎上進一步改變或調(diào)整手部在空間的位置，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變得更靈巧，適應

69、性更強，另一方面模擬人工采摘蘋果的方法，實現(xiàn)果實與果樹的分離。</p><p>　　手腕的運動形式可以有:繞X軸轉動稱為回轉運動；繞Y軸轉動稱為上下擺動；繞Z軸轉動稱為左右擺動；是沿Y軸或Z軸的橫向移動。一般手腕設有回轉或再增加一個上下擺動即可滿足工作要求[12]。</p><p>　　在目前常見的四大類手腕傳動方式包括帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動和蝸桿傳動，在這里將對以上4種傳動方式分別進行

70、比較說明。</p><p><b>　　帶傳動</b></p><p>　　帶傳動通常是由主動輪、從動輪和張緊在兩輪上的傳動帶所組成的。當主動輪回轉時，依靠帶與帶輪接觸面間的摩擦力拖動從動輪一起回轉，從而傳遞一定的運動和動力。</p><p>　　帶傳動具有的優(yōu)點有：良好的饒性和彈性，吸振和緩沖作用，因而使帶傳動平穩(wěn)、噪聲??；有過載保護作用，當

71、過載時引起帶在帶輪上發(fā)生相對滑動，可防止其他零件的損壞；制造和安裝精度與齒輪傳動相比較低，結構簡單，制造、安裝、維護均較方便；適合于中心距較大的兩軸間傳動。</p><p>　　帶傳動的主要缺點：由于彈性滑動的存在，使得傳動效率降低，不能保證準確的傳動比：由于帶傳動需要初始張緊，因此，當傳遞同樣大的圓周力時，與嚙合傳動相比軸上的壓力較大；結構尺寸較大，不緊湊；傳動帶壽命較短。</p><p&g

72、t;<b>　　鏈傳動</b></p><p>　　鏈傳動是通過鏈條將具有特殊齒形的主動鏈輪的運動和動力傳遞到具有特殊齒形的從動鏈輪的一種傳動方式。</p><p>　　鏈傳動是屬于帶有中間饒性件的嚙合傳動。鏈傳動有許多優(yōu)點，與帶傳動相比，無彈性滑動和打滑現(xiàn)象，平均傳動比準確，工作可靠，效率高；傳遞功率大，過載能力強，相同工況下的傳動尺寸小；所需張緊力小，作用于軸上的

73、壓力??；能在高溫、潮濕、多塵、有污染等惡劣環(huán)境中工作。</p><p>　　鏈傳動的缺點主要有：僅能用于兩平行軸間的傳動；成本高，易磨損，易伸長，傳動平穩(wěn)性差，運轉時會產(chǎn)生附加動載荷、振動、沖擊和噪聲，不宜用在急速反向的傳動中。因此，鏈傳動多用在不宜采用帶傳動與齒輪傳動，而兩軸平行，且距離較遠，功率較大，平均傳動比準確的場合。</p><p><b>　　齒輪傳動</b&g

74、t;</p><p>　　齒輪傳動是利用兩齒輪的輪齒相互嚙合傳遞動力和運動的機械傳動。</p><p>　　齒輪傳動的優(yōu)點是：傳動比精確，傳動效率高，在常用的機械傳動中，齒輪傳動的效率是最高的。一級圓柱齒輪傳動在正常潤滑條件下效率可達到99%以上；結構緊湊，在同樣使用條件下，齒輪傳動所需要空間尺寸比帶傳動和鏈傳動小得多;工作可靠、壽命長，齒輪傳動在正確安裝，良好潤滑和正常維護條件下，具有其

75、他機械傳動無法比擬的高可靠性和壽命。</p><p>　　齒輪傳動的主要缺點有:對齒輪制造、安裝要求高。</p><p><b>　　蝸桿傳動</b></p><p>　　蝸桿傳動是在空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力的一種傳動，兩軸線間的夾角可為任意值，常用的為90°。蝸桿傳動用于在交錯軸間傳遞運動和動力。蝸桿傳動由蝸桿和蝸輪組成，一般

76、蝸桿為主動件。</p><p><b>　　蝸桿傳動的優(yōu)點是</b></p><p>　　傳動比大，結構緊湊。</p><p>　　傳動平穩(wěn)，無噪音。因為蝸桿齒是連續(xù)不間斷的螺旋齒，它與蝸輪齒嚙合時是連續(xù)不斷的，蝸桿齒沒有進入和退出嚙合的過程，因此工作平穩(wěn)，沖擊、震動、噪音小。</p><p>　　具有自鎖性。蝸桿的螺旋

77、升角很小時，蝸桿只能帶動蝸輪傳動，而蝸輪不能帶動蝸桿轉動。</p><p>　　蝸桿傳動的主要缺點是:</p><p>　　蝸桿傳動效率低，一般認為蝸桿傳動效率比齒輪傳動低。</p><p>　　發(fā)熱量大，齒面容易磨損，成本高。</p><p>　　本文設計的機械手腕部結構傳動方式選擇蝸輪蝸桿傳動，蝸輪蝸桿傳動具有自鎖特性，可以實現(xiàn)任意位置的

78、啟停，電機置于機械臂內(nèi)與腕部傳動軸垂直。蝸輪蝸桿減速器如圖2.6。</p><p>　　圖2-6 蝸輪蝸桿減速機</p><p>　　Fig.2-6 Worm gear motor</p><p>　　2.3 執(zhí)行器的控制方案設計</p><p>　　單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨

79、機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)，屬于第四代電子計算機。它具有功能強大、運算速度快、體積小巧、價格低廉、穩(wěn)定可靠等特點。采用單片機設計控制系統(tǒng)，即可以降低開發(fā)成本，精簡系統(tǒng)結構，又可以提高系統(tǒng)的兼容性和可移植性。本系統(tǒng)從降低成本和方便實驗的角度出發(fā)，選擇以AVR ATmega16為核心器件組成該控制系統(tǒng)。</p><p>

80、<b>　　圖2-7 主控電路</b></p><p>　　Fig.2-7 Main control circuit </p><p><b>　　2.4本章小結</b></p><p>　　根據(jù)提出的設計要求，對末端執(zhí)行器功能進行分析。</p><p>　　設計末端執(zhí)行器需要考慮的要素有手指數(shù)量、

81、機架結構、驅(qū)動方式及控制。 根據(jù)上述要素提出各部分設計方案，并提出最終設計方案。</p><p>　　確定軟、硬件系統(tǒng)以實現(xiàn)控制功能。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 楊文亮.蘋果采摘機器人機械手結構設計與分析[D].鎮(zhèn)江:江蘇大學,2009.</p><p>　　[2] 劉繼展

82、,李萍萍,李智國.番茄采摘機器人末端執(zhí)行器的硬件設計[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2008,3, 39(3):110-111.</p><p>　　[3] 干秦湘.BY-6機器人腕部結構與分析[D].南京:南京理工大學,2006.</p><p>　　[4] 喬鋒華.基于欠驅(qū)動機構的機械手的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2007.</p><p>　　[5] 楊軍.變

83、抓取力欠驅(qū)動機械手控制系統(tǒng)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2008.</p><p>　　[6] 徐麗明,張鐵中.果蔬果實收獲機器人的研究現(xiàn)狀及關鍵問題和對策[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2004,20(5):40.</p><p>　　[7] Naoshi Kondon,Ting K C.Robotics for bioproduction system[R].ASAE Paper,1998

84、.</p><p>　　[8] 李秦川,胡挺,武傳宇,胡旭東,應義斌.果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器研究綜述[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2008,39(3):177.</p><p>　　[9] 高微.蘋果包裝抓取搬運機械手的研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學,2006.</p><p>　　[10] 李濤.基于欠驅(qū)動機構的仿人機器人手爪研究[D].合肥:中國科學技術大學,20

85、09.</p><p>　　[11] 李桂莉.物料抓取機械手結構與控制系統(tǒng)研究[D].山東:山東科技大學,2005.</p><p>　　[12] 朱駿.移動機器人操作機械手設計與分析[D].南京:京理工大學,2006.</p><p>　　第三章 末端執(zhí)行器靜力學分析</p><p>　　3.1 欠驅(qū)動手指的工作原理</p>

86、<p>　　(a)是手指的初始結構,手指無接觸外力，整個手指以單一剛體繞支點運動；(b)表示指節(jié)1接觸物體；(c) 表示指節(jié)2相對指節(jié)1的轉動，指節(jié)2向物體方向彎曲，這時驅(qū)動力需克服彈簧作用力；(d)兩指節(jié)接觸物體，手指完成形適合階級,驅(qū)動件的驅(qū)動力傳遞到兩指節(jié)上。</p><p>　　圖3.1 欠驅(qū)動手指工作原理 </p><p>　　Fig.3-1　Principle o

87、f under-actuated finger </p><p>　　3.2 包絡抓取時的靜態(tài)力學模型</p><p>　　欠驅(qū)動機構是指獨立驅(qū)動器數(shù)目少于自由度數(shù)目的機構[1]。欠驅(qū)動機械手既可以完成包絡抓取，又可以用末關節(jié)指面捏取的方式完成精確抓取。依靠被動柔順方式，欠驅(qū)動手指對被抓取物體具有形狀自適應的能力[2]。</p><p>　　包絡抓取時手指的第1個

88、關節(jié)首先接觸到物體，并受到物體的反作用力，由于反作用力的存在，第1關節(jié)的運動就會受到約束，而手指的第2關節(jié)由于沒有被約束在驅(qū)動傳動機構的作用下繼續(xù)靠近物體,最終2個指節(jié)都和物體表面相接觸。</p><p>　　精確抓取是在彈簧、機械限位以及平行四邊形機構的共同作用下實現(xiàn)的操作。手爪通過拇指和食指末端關節(jié)對物體施加一對方向相反的力，達到限制物體運動的作用以實現(xiàn)抓取操作。</p><p>　　

89、包絡抓取的靜力學模型如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 手指靜力學模型</p><p>　　Fig.3-2 Static model of finger</p><p>　　圖3.2中為輸入轉矩，、分別為關節(jié)1、2所受的力，、為接觸點、到、的距離。為關節(jié)2相對于關節(jié)1轉過的角度，水平軸的夾角。為摩擦約束力矩。三角構件邊的夾角，h桿與桿c的反向延長線交點到

90、的距離。、為關節(jié)1、2的長度。為桿與水平軸的夾角。為摩擦約束力矩。</p><p>　　根據(jù)虛功原理可得[3,4,5]</p><p><b>　　(3.1)</b></p><p>　　T為手指機構的輸入轉矩向量，由驅(qū)動力矩以及摩擦力矩組成；為手指機構各關節(jié)與力矩相關的連桿的虛擬角速度向量，由驅(qū)動連桿的角速度以及末關節(jié)加速度構成；F為作用在手

91、指上的抓取接觸力組成的向量，由接觸力、構成；V為外力作用點在外力作用方向上的虛擬速度向量，由各接觸點的y方向的速度分量構成，即：</p><p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　由機構學理論，可知各關節(jié)的接觸點速度可以通過雅可比矩陣用各關節(jié)的角速度來表示，即： (3.3

92、)</p><p>　　又 (3.4)</p><p><b>　　為傳遞矩陣 </b></p><p>　　將式(3.2)、(3.3)、(3.4)帶入(3.1)約去得：</p><p><

93、;b>　　(3.5)</b></p><p><b>　　(3.6)</b></p><p>　　將上式與式(3.3)對比可知</p><p><b>　　(3.7)</b></p><p><b>　　(3.8)</b></p><p&g

94、t;<b>　　(3.9)</b></p><p><b>　　(3.10)</b></p><p><b>　　(3.11)</b></p><p>　　當手指以直指方式抓取物體時,僅有短關節(jié)觸及物體,這時,只要令F1=0、T1=0 ，則手指受力為：</p><p><

95、b>　　(3.12)</b></p><p><b>　　3.3 運動學分析</b></p><p>　　欠驅(qū)動機械手的每個手指都是由兩套四連桿機構構成的。圖3.3所示為一個四連桿機構。</p><p>　　圖 3.3四連桿機構原理</p><p>　　Fig.3-3 Principle of four

96、-bar linkage</p><p>　　各桿構成的矢量封閉方程為[6]，寫成坐標軸上分量形式有： </p><p><b>　　(3.13)</b></p><p>　　化簡上式，消去b得：</p><p><b>　　(3.14)</b></p><p>　　對式3.

97、14兩邊求導并化簡，可得4桿機構L1與L3角速度之間的關系：</p><p><b>　　(3.15)</b></p><p>　　3.4 利用MATLAB軟件進行手指綜合結構參數(shù)確定</p><p>　　MATLAB是矩陣實驗室（Matrix Laboratory）的簡稱，是美國Math Works公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可

98、視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，它是為滿足工程計算的要求應運而生的，經(jīng)過不斷的發(fā)展，目前己成為國際公認的優(yōu)秀的數(shù)學應用軟件之一[7,8,9,10,11]。MATLAB具有友好的工作平臺和編程環(huán)境；簡單易用的程序語言；強大的科學計算機數(shù)據(jù)處理能力等特點，它的使用很大程度上降低了工程強度，使原本繁雜的工作變得簡單，從而大大地提高了工作效率。</p><p>　　在確定指節(jié)的基本長度尺寸后，運

99、用MATLAB對手指的其他結構參數(shù)進行優(yōu)化，包括關節(jié)的厚度尺寸b，傳力桿長度a、c等。 </p><p><b>　　目標函數(shù)及設計變量</b></p><p>　　根據(jù)式(3.8)，各指節(jié)的接觸力為：</p><p>　　根據(jù)手指機構應盡量實現(xiàn)各指節(jié)接觸力均勻分布的綜合要求，令目標函數(shù)為：</p><p>　　Fz =

100、| F1-F2 |</p><p>　　給定a的范圍為[40~60]；b的范圍為[40~80]；c的范圍為[10~20]。</p><p><b>　　MATLAB函數(shù)：</b></p><p>　　%ww=zeros(1,5*5*5);</p><p><b>　　i=1;</b></p&g

101、t;<p>　　for a=40:2:60</p><p>　　for b=40:2:80</p><p>　　for c=10:2:30</p><p>　　ww(1,i)=subs(w); </p><p>　　aa(1,i)=a;</p><p>　　bb(1,i)=b;</

102、p><p>　　cc(1,i)=c;</p><p><b>　　i=i+1;</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p><p><b>　　end</b></p>

103、;<p>　　[C,I]=min(ww)</p><p>　　aaa=aa(1,I)</p><p>　　bbb=bb(1,I)</p><p>　　ccc=cc(1,I)</p><p>　　經(jīng)過計算可知 a=55；b=65；c=20</p><p>　　3.5手部的夾持誤差計算</p>

104、<p>　　回轉型手指在夾持不同直徑尺寸的工件時,則會產(chǎn)生軸心位置的變化,從而導致夾持誤差[12]。欠驅(qū)動手指的夾持原理與雙支點回轉型手指夾持原理類似，因此可以按照雙支點回轉型手指的加持誤差計算。</p><p>　　圖3.4 雙支點回轉型手指簡圖</p><p>　　Fig.3.4 Sketch of double fulcrum revolving finger</p&

105、gt;<p>　　圖中：l－手指長度;</p><p><b>　?。璙型槽的夾角；</b></p><p><b>　?。D角；</b></p><p>　　2 s－兩回轉支點間距離;</p><p><b>　　根據(jù)幾何關系，可得</b></p>

106、<p><b>　　(3.16)</b></p><p><b>　　(3.17)</b></p><p>　　該方程亦為雙曲線方程，另；</p><p>　　圖3.5 x與半徑R的關系曲線</p><p>　　Fig 3.5 Relationship between distance

107、 X and radius R</p><p>　　根據(jù)雙曲線特點,對應附近的曲線變化率較小,故在處附近對應的夾持誤差最小。</p><p>　　當時，手指夾持誤差計算如下:</p><p><b>　　(3.18) </b></p><p><b>　　(3.19)</b></p>

108、<p><b>　　最佳偏角的計算</b></p><p>　　取V型槽的夾角=，根據(jù)式（3-9）求得最佳偏轉角為 故</p><p><b>　　夾持誤差的計算</b></p><p>　　因為和關于對稱，所以=，故</p><p>　　經(jīng)過計算手指的夾持誤差為0.88mm。</

109、p><p>　　3.6手指的有限元分析</p><p>　　有限元法起源于上世紀四十年代初期，是隨計算機應用而發(fā)展起來的一種以結構矩陣分析為理論基礎，應用廣泛的數(shù)值分析方法。ANSYS軟件是著名的有限元軟件，它是位于美國匹茲堡的ANSYS公司開發(fā)的功能十分強大的軟件。ANSYS可以用于結構分析、熱分析、電磁分析、流體分析和耦合場分析，提供先進的三維實體建模、零件裝配、有限元網(wǎng)格自動劃分、材料特

110、性定義、可視化處理等功能，是進行結構力學分析的理想工具，它能與多數(shù)CAD軟件(如Pro/Engineer，Solidworks，UG，AutoCAD等)接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中的高級CAD工具之一。</p><p>　　ANSYS由前處理、求解計算和后處理三個部分組成，ANSYS分析過程主要包含三個的步驟[13]。</p><p>　　創(chuàng)建有限元模型，其中包括創(chuàng)建或讀入幾

111、何模型、定義材料屬性和劃分網(wǎng)格。</p><p>　　施加載荷及載荷選項、設定約束條件并求解。</p><p>　　察看分析結果及檢驗結果。</p><p>　　根據(jù)ANSYS的分析過程，首先將實體建?；蚰Ｐ蛯?，由于已經(jīng)建好了各零部件的三維模型，只需從Pro/E軟件中把需要進行靜力學分析的零件導入到ANSYS中進行分析就行。選擇輸出受力或轉矩最大的四桿機構的連桿、

112、傳動連桿和手指關節(jié)作為靜力學研究對象。</p><p>　　Pro/E與ANSYS之間的接口方法</p><p>　　將Pro/E中所建立的幾何模型導入ANSYS中的方法主要由以下2種[14,15,16]。</p><p>　　設置ANSYS與Pro/E的接口。選擇“程序”ANSYS10.0|Utilities |ANS_ADMIN，打開ANS_ADMIN 10.0

113、管理器，點擊“OK”確定，在配置選項對話框中選擇與Pro/E的連接。確定后在隨之打開的對話框中將圖形顯示設備設置為“3D”，最后在行。用安裝信息對話框中輸入Pro/E在本計算機中的安裝路徑，點擊“OK’，完成ANSYS與Pro/E的接口設置。</p><p>　　ANSYS和PRO/E通過IGES(*.igs)文件實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。</p><p>　　本文采用上述的第2種方法將模型導入ANS

114、YS，選擇主菜單【File】下的子菜單【Import】的次級子菜單【IGES...】，彈出導入IGES屬性設置對話框, 輸入IGES文件路徑后，點擊【OK】按鈕完成IGES文件導入。</p><p><b>　　定義單元類型</b></p><p>　　在ANSYS中選擇Main Menu | Preprocessor | Element Type | add/edi