仿人指绳驱机械手结构设计与运动学仿真分析.pdf

第5期（总第2 4 0 期）2023年10 月机械工程与自动化MECHANICAL ENGINEERING A U T O M A T I O NNo.5Oct.文章编号：16 7 2-6 4 13（2 0 2 3)0 5-0 0 6 8-0 2仿人指绳驱机械手结构设计与运动学仿真分析赵建豪，全伟才，冯家琪，刘（湖南科技大学海洋矿产资源探采装备与安全技术国家地方联合工程实验室，湖南湘潭4 112 0 1)摘要：机械手在水下资源开发与科考活动中发挥着重要作用，针对刚性连杆机械手抓取方式单一和抓取柔顺性差的问题，设计了一种仿人指绳驱机械手。基于D-H参数法构建了手指运动学模型，完成正运动学求解；通过蒙特卡洛法生成手部的工作空间，对三种抓取模式下手指的运动轨迹进行仿真分析。研究结果表明，机械手具有良好的自适应抓取能力。关键词：仿人指绳驱机械手；运动学；仿真中图分类号：TP241：T P3 9 1.9J博，唐炫铭文献标识码：A0引言机械手是水下机器人作业的重要执行机构，主要应用于水下设备的检查维护、样品采集等方面。水下刚性机械手能够对物体进行稳定夹持操作，但自适应能力差，作业过程中易对抓取物表面造成损伤；在柔性物体的适应性抓取方面，高自由度的多指手适用度更高。根据传动方式不同，多指手可以分为齿轮传动、连杆传动、腱传动等。其中，腱传动多指手腱绳排布灵活，空间占比小，具有自适应性柔性抓取的优势，成为近些年水下机械手的研究热点。国内外学者对绳驱机械手的研究多面向陆地或太空领域的设备安装与维护，然而水下环境复杂多变，在水下柔性宏生物抓取方面对机械手的抓取适应性要求更高。“Ocean one执行器简化手指关节处结构，单个驱动电机即能完成三根手指对目标的自适应性稳定抓取，但指尖捏取等精细操作方面存在不足。Mura等3 在同一套驱动装置上研制出四指夹钳式和类人形五指机械手两种末端执行器，分别应用于高负载抓取和精细作业。刘辰辰等4 调整手指关节刚度使各关节顺序转动，实现了最大范围的包络抓取，但无法对细小物体进行定姿态抓取。樊绍巍5 考虑到手指构型对抓取操作的影响，对二指以及多指抓取运动学进行分析，以提高多指手精确操作的能力。目前的水下绳驱机械手在抓取方式和柔顺性方面还需做进一步的改进，本文仿照人类手指结构研发一款仿人指绳驱机械手，通过更改手指关节的旋转顺序实现多种抓取方式。1手部结构及腱绳布置手部整体结构如图1所示，机械手共三根相同的手指，其中同侧两根手指弯曲方向向内偏移15，手指各指节尺寸约为人手的1.5倍。本文采用了“N十1”型的腱绳驱动方式（N为关节数目），如图2 所示，伸展腱绳9 位于手指背部，依次穿过各指节；中指节弯曲腱绳7 与近指节弯曲腱绳10 则位于手指内侧，约束中米湖南省教育厅资助科研项目（19B184）收稿日期：2 0 2 3-0 2-14；修订日期：2 0 2 3-0 6-2 1作者简介：赵建豪（1994-），男，河南周口人，在读硕士研究生，研究方向为水下绳驱机械手。指节2 与近指节6 转动；此外，在远指节1与中指节2之间布置有耦合腱绳3，中指节2 转动时，远指关节和近指关节转角比例近似于1：1。手指关节处设计为纯滚动运动形式，图2 中手指关节接触面为等径的半圆体，通过连接件4 紧密贴合，并在关节处设置约束带防止接触面相对滑动。同时在指节各处灵活插人不锈钢销钉8，便于驱动腱绳路径布置。1一同侧左指；2 一中指；3 一同侧右指；4 一掌板图1手部整体结构-237-5-678-9-10-111一远指节；2 一中指节；3 一耦合腱绳；4 一连接件；5一柱销；6一近指节7 一中指节弯曲腱绳；8 一销钉；9 一伸展腱绳；10一近指节弯曲腱绳；11一指根图2 单手指结构及腱绳布置1232023年第5期2运动学分析单手指运动学模型如图3 所示，将单根手指视为串联的六连杆机构，根据D-H参数法建立单手指各个指节的坐标系。Oiy为定参考系，各连杆的长度为ai-1,连杆偏距为di,连杆扭转角为i-1，关节转角为;，指节间的相对转角为i，末端位置在定参考系中的位置坐标为（pa，y，p）。单手指D-H连杆参数如表1所示。X坐标系间的齐次变换矩阵为：c;一S;0ai-1c;Ti-1=S;001000180160160140u/z120806010004050200/mm050（a）三手指三维工作空间3抓取运动学仿真为验证模型合理性，对机械手进行了三种抓取状态下的运动学仿真7。建立三根手指的仿真模型，初始状态时，各关节旋转角度均为0，手指处于伸展状态。包络抓取时，近指关节由0 旋转至最大角110远指关节与中指关节同步旋转至90，三根手指同时向内弯曲与目标物接触形成包络空间，如图5（a)所赵建豪，等：仿人指绳驱机械手结构设计与运动学仿真分析(C123456S123456T=00其中:s;=sind:;c;=cos;S;=sin(0:十6,);cg=cos(0:+,),i,j=1,2,3,4,5,6,7;p,=20c1+40c12+20c123+28C1234+20c12345+38C123456;p,=20s1+40S12+20S123+2851234+20S12345+385123456;p=0,。人6yy602y图3单手指运动学模型C;0ai-1S;01201000-200100X/mm69一S1234560C123456001001表1单手指D-H连杆参数表关节ai-i(mm)d;(mm)10220340420528620738将；作为变量，利用蒙特卡洛法在其取值范围内随机取组，求得三手指工作空间。机械手工作空间及平面内的投影如图4 所示，机械手能够对直径390mm以内的物体进行抓取操作。-平面内三指(1)外侧工作空间部分区域相互重叠，最外侧区域内机械手能够实现对小型物体的指尖捏取等精细操作。180160-100-500/50100150 x/mm（b）单手指x-z平面工作空间图4 机械手工作空间及平面内的投影示；指尖捏取时，仅近指关节旋转，此时手指末端在-平面内的投影重合，如图5（b）所示；定姿态抓取时，根据抓取物形状调节远指关节与中指关节旋转角度（如3 0），随后驱使近指关节旋转，末端轨迹曲线曲率位于前两种抓取模式之间，如图5（c)所示。根据指尖运动轨迹可以看出，手指在弯曲抓取过程中运动平稳，各参数变化平滑无突变，能够实现多种抓取模式。(2)i-i()0:（)00000000000000180160m/z-15050050150 x/mm（c）三手指x-z平面工作空间投影关节范围010,55020,55030,45040,450,450,45-80-40y/mm（d）三手指y-2平面工作空间投影04080100502-50-100-150200L2001000y/mm-100-200-200100 x/mm(a）包络抓取4结语本文针对抓取方式与柔顺性设计了一种水下仿人指绳驱机械手。通过手指结构设计以及腱绳布置，机械手具备适应性柔顺抓取的基础功能。手部整体的工作空间和抓取的运动学仿真结果表明：机械手结构设计合理，具备对直径3 90 mm以内的物体进行抓取的150100502-50-100-150-200L100200100y/mm-100-200-200(b)指尖捏取图5不同抓取模式下指尖轨迹曲线能力，抓取方式包括包络抓取、指尖捏取和定姿态抓取等多种模式，抓取过程中各手指运动平稳，适用于水下作业环境。参考文献：1陈言壮，张奇峰，田启岩，等.水下多指手研究现状J.机器人，2 0 2 0,4 2（6)：7 4 9-7 6 8.(下转第7 2 页)15010050N-50-100-150-2982801001000y/mm0100100 x/mm1000100 x/mm0-200-2001（c）定姿态抓取机械工程与自动化一致。M85指令的分频信号R0400.0触发XMOVB述了换刀过程中刀套号数据与刀具号数据在控制程序指令，在D0094总分具数的数据表中，C0002记录的中的信息流转。是刀盘换刀位置的刀套号，将当前换刀位置刀套号写R0006.4R0400.1人刀具数据表的第一个数据D0100地址。M85指令的分频信号R0400.0触发MOVE逻辑乘（与逻辑）指令，将F0026目标刀具号写人刀具数据表D0100地址内主轴刀具号，刷新刀具数据表的目的就是保证D0100地址内存放的刀具号与主轴上刀具号一致、D0100地址与刀盘当前换刀位置刀套号一致。R9091.1BYTR0026.4SUB160001R9091.1ACTCOINC0002DO090R9091.1BYTSUB160001R9091.1ACTCOINc0002F0026R0026.4X0009.7F0007.3RO027.0TF换刀动作的其他控制如刀臂动作、打刀缸松紧动作、刀套倒刀回刀动作都需要实现互锁保护及信号到达延时确认。F0096.2是主轴返回第二参考点确认信号，刀臂动作、倒刀动作的前提必须保证主轴返回第二参考点动作完成。6结语本文分析了圆盘式刀库配以换刀机械手的换刀动作和控制时序，设计了宏程序自定义调用指令，基于随机找刀模式设计了刀盘找刀PMC控制流程，重点阐PMC Design of Manipulator Tool Change in FANUC Machining Center(School of Mechano-Electric Engineering,Suzhou Vocational University,Suzhou 215104,China)Abstract:This paper analyzes the control logic of the tool change action of the disc tool magazine with the manipulator tool changer,designs the control interface signals and the user-defined M codes,and compiles the tool change macro program and PMC programbased on FANUC NC system.The tool change control action includes location of the target tool,spindle orientation,tool sleevecontrol,tool arm control and tool cylinder control.,The tool change macro program is called by the tool change command,and thePMC tool change program executes the user-defined M action codes to realize the tool change action.It focuses on the control logic oflocation of random cutter system and the interlocking logic of the whole tool change action.Keywords:machining center manipulator;PMC;FANUC(上接第6 9 页）2Stuart H,Wang S,Khatib O,et al.The ocean onehands:An adaptive design for robust marine manipulationJ.The International Journal of Robotics Research,2017,36(2)：150-16 6.3Mura D,Barbarossa M,Dinuzzi G,et al.A soft modularend effector for underwater manipulation:A gentle,adaptable grasp for the ocean depthsJJ.IEEE Robotics&Automation Magazine,2018,25(4):45-56.Structure Design and Kinematics Simulation Analysis of Rope-Driven(National-Local Joint Engineering Laboratory for Marine Mineral Resources Exploration Equipment and Safety Technology,Hunan University ofScience and Technology,Xiangtan 411201,China)Abstract:Manipulators play an important role in underwater resource development and scientific research activities.The rigid linkmanipulator has a single grasping mode and poor grasping flexibility.In this paper,a humanoid finger rope drive manipulator isdesigned.The finger kinematics model is built based on the D-H parameter method,and the forward kinematics solution iscompleted;the Monte Carlo method is used to generate the workspace of the hand,and the motion simulation analysis of the threegrasping modes is carried out.The results show that the manipulator has good adaptive grasping ability.Keywords:anthropomorphic finger rope-driven manipulator;kinematics;simulation2023年第5期R0400.0R0006.4R0400.1ROOO.ORWR0302.0SUB3500011F0001.1RSTRSTR0400.0ACTR0400.0ACTSUBB1111RO027.0MOVE1111OF0026D0100图6 刷新刀套号指令RO026.5参考文献：1张佳琦，舒启林.基于PLC的圆盘式刀库电控系统设计J.机床与液压，2 0 16(7：2 9-3 2.2杨伯金，张跃明.基于PLC刀库控制系统研究J.组合机图5COIN一致性判断指令床与自动化加工技术，2 0 15（2）：10 7-10 9.3李明.加工中心机械手换刀控制程序的设计.天津职业大学学报，2 0 15（4)：8 4-8 6.4楚德义.加工中心自动换刀过程PLC编程技巧J.机床电器，2 0 0 9(4)：4 2-4 4.5卢勇，陈岸雨.圆盘式刀库控制逻辑分析.金属加工，2012(10):50-51.6潘晓贝.基于PLC在HNC-818加工中心换刀故障的应用J.组合机床与自动化加工技术，2 0 18（5）：111-115.7雷楠南.西门子8 0 2 D系统数控机床电动刀架PLC控制J.襄阳职业技术学院学报，2 0 18(17)：57-6 1.DONG Xiao-lan4刘辰辰，张奇峰，孙斌.深海力感知多指手结构设计与仿真分析J.现代制造工程，2 0 19（11）：4 2-4 9.5樊绍巍.类人型五指灵巧手的设计及抓取规划的研究D.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2 0 10：55-6 0.6周康，邹树梁，王湘江，等.六自由度检修机器人工作空间仿真分析.机械工程与自动化，2 0 18（6）：6 4-6 6.7主阳，郭林福.轻型协作机械臂运动学及工作空间分析J.机械工程与自动化，2 0 17（1)：4 4-4 6.Manipulator of Anthropomorphic FingerZHAO Jian-hao,QUAN Wei-cai,FENG Jia-qi,LIU Bo,TANG Xuan-mingXMOVBD0094D010OD0100c0002