前言：尋找寫作靈感？中文期刊網用心挑選的一種柔性機械手設計分析，希望能為您的閱讀和創作帶來靈感，歡迎大家閱讀并分享。
摘要：針對傳統機械手多為恒定力矩，抓取易碎物品，容易造成損壞、抓不牢摔壞，該機械手柔性關節用拉簧連接，用平帶拉伸傳動，起減震，緩沖效果，機械手彎曲時，手指骨節靈活、緩慢彎曲，使機械手手指緩慢彎曲，達到柔性特征，該機械結構使之具有軟屬性，表面附加一層軟硅膠，提高機械手的感知度、仿生能力、靈活性、柔性、軟抓取效果。
關鍵詞：機械手；柔性；軟抓取；Matlab結構設計
0引言
隨著時代科技的發展，機器人技術是高科技人工智能應用領域不可缺失的組成部分[1]，其中機械手也是重要的組成部分，所以機械手的屬性，直接影響機器人[2]。針對傳統機械手多為恒定力矩，當抓取易碎物品，容易造成損壞，因抓握不牢而把物品摔壞，或者抓取物品時無法得知抓取具體力度，沒有更精準地抓取。本文介紹柔性機械手通過機械結構、外加傳感器、硅膠改進機械手的柔性性能。該機械手使用拉簧連接手指骨節，有效緩沖手指彎曲的拉力，并非像傳統機械手通過電機或者舵機調節機械手關節轉動一定角度，而是采用直流電機驅動拉伸平帶，使手指慢慢彎曲直至抓取到物體，增加了機械手的柔性。柔性機械手具有載重高、低耗能、快速直接驅動、減震等優點[3]，可以直接驅動抓取物體，因其柔性特征，使抓取物體時達到減震效果，避免抓取力度過大損壞物體。
1柔性機械手機械結構設計
1.1柔性機械手的組成
該柔性機械手采用三維建模軟件Solidworks建立模型，如圖1所示，該柔性機械手初步樣機采用PLA材料3D打印各零部件，組裝建立模型如圖2所示。
1.2柔性關節設計
柔性關節是連接機械手手指骨節的重要部分，其作用是減震、緩沖拉力，本機械手的柔性關節的重點是用拉簧作為連接手指骨節。每個關節都有1組拉簧連接2個手指骨節，使用銷釘、螺絲還有固定裝置固定拉簧。機械手彎曲時，每個手指骨節有一定角度彎曲，此時因為拉簧具有彈性，緩沖了機械手手指彎曲的拉力，使手指骨節靈活、緩慢彎曲，從而達到其軟抓取。
1.3柔性機械手的工作原理
柔性機械手由直流電機提供動力驅動，通過環形壓扣結構使直流電機與平帶緊密相連，用STM32芯片作為控制核心，通過L298N電機驅動模塊驅動直流電機，直流電機拉伸平帶，平帶收縮，由于平帶槽位于手指內側，平帶收縮把力傳到手指上，手指內側受力大，外側受力小，如圖3所示。內側F1拉力大于外側拉力F2，手指會向內側彎曲，加上拉簧減震，緩沖拉力的作用，使手指向內側緩慢、平順彎曲，達到軟抓取效果，增加機械手的柔性。
2柔性機械手的傳動系統
2.1直流電機的選取
為了提高柔性機械手的抓取效率，動力源起著關鍵作用，為了給柔性機械手提供足夠動力、扭矩及功率，選擇合適的額定直流電機，是至關重要的，也能有效減低設計制作成本。
2.2柔性機械手電機與平帶裝置
該裝置如圖4所示是一種環形壓扣結構，環形外圍開條狀缺口，兩邊攻螺紋孔，環形扣和電機軸之間開槽。環形扣安裝在電機軸上，平帶通過條狀缺口嵌入環形扣與電機軸的槽間，最后扭緊螺絲固定平帶，使得電機與平帶緊密相連。
柔性機械手的傳動結構由3大部分組成，分別是動力源、固定平帶與電機位置裝置、平帶與拉簧傳動裝置。柔性機械手的傳動動力來源與JGB37-520直流減速電機，通過環形壓扣結構固定平帶，電機帶動平帶，平帶拉伸，帶動手指運動。又由于柔性機械手的關節由拉簧組成，關節柔軟，平帶收縮會使柔性機械手手指慢慢模仿人手一樣彎曲包裹物體。
3Matlab優化柔性機械手
柔性機械手包括機械手手指和關節，所以研究柔性機械手的運動學，需要研究機械手關節的運動以及機械手的運動。需要確立機械手的關節運動與機械手手指的運動的關系。確立獨立參數的的驅動個數，接下來對機械手手指機構進行位置正反解分析、速度分析，從而得到雅克比矩陣，最后討論一些特殊的位置、零點，得出優化機械手的要點。用笛卡兒坐標描述機械手手指空間坐標，表示出機械手手指關節位置，從而確定關節和手指的空間位置，再用運動方程求解[4]。
3.1柔性機械手手指的位置正解分析
具有封閉式鏈結構的機械手，決定機械手的末端位置、速度和加速度性能的主要連桿間的相對轉角中，有些是被間接驅動，有些關節運動由于結構上的原因會產生附加運動，因此求解的時候應該分析運動特點，直接找出決定末端位置、速度和加速度性能的關節角，分離這些數據，組成等價的開鏈機構，然后進行求解。
3.2柔性機械手手指的位置反解分析
我們通過末端點的位置求出能實現末端位置或者一系列關節輸入角的過程稱為位置反解過程。可以用幾何法求解位置反解。通過末端點的位置求出能實現末端位置或者一系列關節輸入角，驗證機械手所需的機械參數，得到機械手抓取的位置范圍以及其他關節的活動范圍。
3.3柔性機械手手指的運動空間分析與仿真
在機械手應用上有一個重要的因素就是機械手運動中達到的空間位置，這對于應用上有一定的實際意義，因此機械手的設計和研究應用階段都應該分析機械手的可達空間。
4結束語
針對傳統機械手多為恒定力矩，抓取易碎物品時容易造成損壞、因抓不牢而摔壞物品的問題，本文利用MAT⁃LAB軟件對柔性機械手的結構進行運動學分析仿真，獲得柔性機械手在運動學中合適的機械參數及運動過程中相應的動力學研究曲線[8-10]，能在預設范圍內得到機械手的運動情況，同時本文利用設計的機械結構，柔性關節用拉簧連接，用平帶拉伸傳動，起減震，緩沖效果，表面附加一層軟硅膠，達到柔性功能，使機械手利用機械結構具有軟抓取功能，提高了研發的效率以及降低了研究成本，提高機械手的感知度、仿生能力、靈活性、柔性、軟抓取效果。驗證了該柔性機械手在抓取過程中的可行性、實用性和適應行，潛在的市場價值較大。
作者:王作桓 莫浩明 梁國威 李宇凡 王可涵 周杰 單位:廣東工業大學華立學院