基于氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的多關(guān)節(jié)機(jī)械手指動(dòng)力學(xué)仿真

基于氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的多關(guān)手指動(dòng)力學(xué)仿真南京工程學(xué)院 201110815 械電子工程 力學(xué)仿真 2015年5月南京由于氣動(dòng)人工肌肉比重小、結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，本文提出一種曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)手指彎曲，讓氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)滑塊運(yùn)動(dòng)，首先設(shè)計(jì)氣進(jìn)行動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真，在手指端設(shè)置一定的負(fù)載，輸入手指三個(gè)關(guān)節(jié)的直線驅(qū)動(dòng)，觀察手指末端的角速度變化和三個(gè)驅(qū)動(dòng)力的變化，最后根據(jù)氣動(dòng)肌肉的驅(qū)動(dòng)原理進(jìn)行了氣動(dòng)肌肉靈巧手關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的控制研究，利用比例壓力閥對(duì)氣動(dòng)肌肉壓力進(jìn)行控制，使氣動(dòng)肌肉橫向收縮帶動(dòng)滑動(dòng)移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)手指關(guān)節(jié)彎關(guān)鍵詞：仿人靈巧手；關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)；氣動(dòng)肌肉；動(dòng)力學(xué)仿真南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)TitleDynamicsimulationofmultijointroboticfingersbasedonpneumaticmuscledrivenmuscleAbstractBecauseofthesmallproportionofpneumaticmuscle,compactstructureandsmallspaceoccupancy,etc.Inthispaper,asliderfingerjointstructure,AndwiththeSolidWorksdrawingfingerscsthedrivingprincipleofthepneumaticmusclewasanalyzedbygasKeywords:Dexteroushand;Structuraldesign;Pneumaticmuscles;Dynamicsimulation南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文) 1.2氣動(dòng)人工肌肉多關(guān)節(jié)手指的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 21.3氣動(dòng)技術(shù)的介紹以及發(fā)展前景 41.4論文研究的內(nèi)容和方法 6第二章多關(guān)節(jié)手指的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建模 72.1氣動(dòng)肌肉的介紹 72.1.1氣動(dòng)肌肉的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 72.2氣動(dòng)機(jī)械手指的基本結(jié)構(gòu) 92.2.1繪圖軟件SoildWorks介紹 92.2.2整體設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì) 93手指的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 10節(jié)的建模 132.3靈巧手指的裝配和三維模型的導(dǎo)出 15第三章多關(guān)節(jié)手指的動(dòng)力學(xué)仿真分析 163.1仿真軟件ADAMS和MATLAB簡介 163.2動(dòng)力學(xué)仿真過程介紹 183.2.1ADAMS參數(shù)設(shè)置過程 183.2.2建立MATLAB控制模型 273.3動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果分析以及結(jié)論 29第四章氣動(dòng)肌肉靈巧手指的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 314.1氣動(dòng)肌肉回路原理和設(shè)計(jì) 314.1.1氣動(dòng)回路器件的選擇 324.2靈巧手指的關(guān)節(jié)控制系統(tǒng) 34統(tǒng)的原理 34南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)4.2.2控制系統(tǒng)的硬件選擇 354.3D/A控制界面的設(shè)計(jì)和程序的編寫 36|第五章結(jié)論及總結(jié) 41 南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)前言隨著機(jī)器人技術(shù)的日益成熟，工業(yè)機(jī)器人極有可能最終取代機(jī)床，成為新一代工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)。服務(wù)機(jī)器人在近些年開始走進(jìn)大眾視野，并隨著人工智能技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新融合而飛速發(fā)展。越來越多的服務(wù)型機(jī)器人被研發(fā)出來，開始改變?nèi)祟惖纳鐣?huì)生活方式。未來對(duì)機(jī)器人性能和穩(wěn)定性要求越來越高，其中由于機(jī)器手作為機(jī)器人的末端執(zhí)行器，機(jī)械手的功能直接影響著整個(gè)機(jī)器人的功能，因此機(jī)器人手指的研究成為了國內(nèi)外的熱門，本文我們將提出一種曲柄滑塊機(jī)構(gòu)來驅(qū)動(dòng)手指彎曲，其中滑塊機(jī)構(gòu)是由人工肌肉來推動(dòng)，由于氣動(dòng)人工肌肉比重小、結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小等優(yōu)點(diǎn)，關(guān)于氣動(dòng)人工肌肉的靈巧手指的研究越來越多。如今，機(jī)器人的使用范圍已開始向國家安全、特殊環(huán)境服役、醫(yī)療輔助、科學(xué)考察等多個(gè)領(lǐng)域擴(kuò)展。而一旦步入智能化階段，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)所構(gòu)建的社會(huì)網(wǎng)絡(luò)，將遍及社會(huì)生產(chǎn)、生活各領(lǐng)域，成為新一輪產(chǎn)業(yè)革命后的社會(huì)形態(tài)——智能社會(huì)的基作為一種跨學(xué)科先進(jìn)技術(shù)，機(jī)器人技術(shù)的突破需要其他技術(shù)支撐，尤以能源、材料、信息、生命科學(xué)及先進(jìn)制造技術(shù)為重。這些技術(shù)被眾多學(xué)者視為新一輪產(chǎn)業(yè)革命的支撐技術(shù)，它們的突破必然會(huì)促發(fā)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)高峰，從而推動(dòng)新一輪產(chǎn)業(yè)革命進(jìn)程。新型能源將有助于解決機(jī)器人的動(dòng)力問題；新材料的使用有助于提升機(jī)器人的性能；信息技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用對(duì)機(jī)器人的控制系統(tǒng)至關(guān)重要；生命科學(xué)的發(fā)展有望使仿生學(xué)更多地運(yùn)用到機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，從而推動(dòng)機(jī)器人“從機(jī)器到人”的轉(zhuǎn)變；先進(jìn)制造技術(shù)的應(yīng)用則可解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜機(jī)器人的制造問題，有助于推動(dòng)機(jī)器人的批量化生產(chǎn)和普及。因此，氣動(dòng)人工肌肉機(jī)械靈巧手指正是在這種情況下出現(xiàn)。本文將提出一種接近于人手尺寸和運(yùn)動(dòng)范圍的靈巧手指，該靈巧手指采用氣動(dòng)人工肌肉來驅(qū)動(dòng)，手指包含三個(gè)關(guān)節(jié)，能夠進(jìn)行多自由度的運(yùn)動(dòng)，具有良好的仿生性。0第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)第一章緒論1.1課題項(xiàng)目的背景目前，機(jī)器人像人一樣，需要利用它的“手”與周圍發(fā)生接觸。作為機(jī)器人與周圍環(huán)境交互作用的末端環(huán)節(jié)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)器人的“手”(末端執(zhí)行器)的性能提高對(duì)機(jī)器人操作水平和自動(dòng)化水平的提升具有非常重要的作用。以往的工業(yè)機(jī)器人通常只需要完成抓取/拿放這樣簡單的功能，因此功能單一、結(jié)構(gòu)簡單的單自由度專用末端執(zhí)行器便可以滿足日常任務(wù)要求。但是，伴隨著科學(xué)技術(shù)的提高，機(jī)械手指的應(yīng)用范圍不斷增大，逐漸從傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域擴(kuò)展到服務(wù)業(yè)、醫(yī)學(xué)、以及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，其服務(wù)對(duì)象也變的更加多樣化。因?yàn)橐酝臋C(jī)器人末端夾持器在抓取的穩(wěn)定性、靈活性以及通用性等方面都存在嚴(yán)重不足，這在很大程度制約了機(jī)器人的應(yīng)用，這種情況下，國內(nèi)外的科學(xué)工作者開始研究具有多個(gè)關(guān)節(jié)和自由度的機(jī)器人多指靈巧手。目前，國內(nèi)外機(jī)器人多指靈巧手，大部分采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)優(yōu)勢(shì)遞方式，這樣設(shè)計(jì)的目的在于得到了較大的之間輸出力的同時(shí)又保證了靈巧手具有較小的尺寸。但是，電機(jī)—柔索傳動(dòng)方案使得整個(gè)靈巧結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且柔索裝置在傳遞動(dòng)力的過程中會(huì)有摩擦、松弛、振顫等現(xiàn)象，不僅效率低下．而且增加了控制難度。為了克服上述存在的問題，浙江工業(yè)大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)等國內(nèi)院校已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研究，本畢業(yè)設(shè)計(jì)研究一種基于氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的多關(guān)節(jié)機(jī)械靈巧手指，并且進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。1.2氣動(dòng)人工肌肉多關(guān)節(jié)手指的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀北京理工大學(xué)范偉，余麟等針對(duì)氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)仿人靈巧手的設(shè)計(jì)，提出應(yīng)用氣動(dòng)人工肌肉的五指靈巧手設(shè)計(jì)方案包括各手指的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及手1第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)指與手掌的連接設(shè)計(jì)手指采腱傳動(dòng)方式，靈巧手總共具有17個(gè)自由度。手指端有滑覺傳感手掌中有握緊力傳感。該靈巧手具有充分的自由度，結(jié)構(gòu)緊湊、新穎并具有力知覺能力仿生性好[1]。浙江理工大學(xué)王龍輝設(shè)計(jì)了一種多自由度的仿人手指，該手指采用氣動(dòng)肌肉作為驅(qū)動(dòng)器。在設(shè)計(jì)手指之前，為了得到氣動(dòng)人工肌肉的基礎(chǔ)模型，首先要通過實(shí)驗(yàn)來獲得氣動(dòng)肌肉的靜態(tài)特征，采用兩個(gè)氣動(dòng)肌肉來帶動(dòng)滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)的原理，設(shè)計(jì)出靈巧手指的基本關(guān)節(jié)模型，然后設(shè)計(jì)出靈巧手的基本機(jī)構(gòu)，根據(jù)氣動(dòng)肌肉的驅(qū)動(dòng)原理，設(shè)計(jì)手指關(guān)節(jié)的氣路和控制系統(tǒng)；其次為了進(jìn)行試驗(yàn)分析，必須構(gòu)建氣動(dòng)肌肉手的實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)[2]。河南科技大學(xué)王凱通過對(duì)人下指結(jié)構(gòu)的分析,基于SolidWorks三維軟件設(shè)計(jì)了一種氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人靈巧手指，按照人手指結(jié)構(gòu)比例進(jìn)行了優(yōu)化,并采用觸力傳感器和電位計(jì)來分別檢測(cè)指尖接觸力及三個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角．為構(gòu)成閉環(huán)控制產(chǎn)生反饋信號(hào),對(duì)所設(shè)計(jì)的手指進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定出手指各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)空間及輸出力,為進(jìn)一步進(jìn)行靈巧手模塊化設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)[3]。北京理工大學(xué)彭光正研究并設(shè)計(jì)了氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的多關(guān)節(jié)手。該手有5個(gè)手指，結(jié)合人體的構(gòu)造，參考人手的外形和肌肉的運(yùn)動(dòng)形式，設(shè)計(jì)了19個(gè)自由度多指仿人靈巧手，該手指依靠氣動(dòng)肌肉帶動(dòng)柔索伸縮，從而使手指彎曲。通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得,該手指的整體尺寸和運(yùn)動(dòng)空間接近人手，因此該手指擁有良好的柔順性能[4]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)樊紹巍提出了一種新型的類人化五指手被研制出來，手是由一個(gè)獨(dú)立的手掌和五個(gè)相同的模塊化的手指構(gòu)成，手指的尺寸大約是第一代HIT/DLR手的三分之一，手的大小和人類的相似包裝件同結(jié)構(gòu)功能件融合的設(shè)計(jì)思想不但進(jìn)一步縮減的靈巧手的外形尺寸,而且使靈巧手外形更加類人化[5]。河南科技大學(xué)朱玉樂根據(jù)氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的HUST靈巧手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用標(biāo)準(zhǔn)D—H參數(shù)法建立各手指指尖相對(duì)于手掌坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)方程，分析求解多指氣動(dòng)靈巧手的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題，基于MATLAB對(duì)靈巧手的工作空間進(jìn)行仿真分析，得出了各手指在手掌坐標(biāo)系下的操作可達(dá)空間，并通過抓取實(shí)例驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)與仿真分析的正確性，為多指靈巧手的抓取規(guī)劃提供了重要依2第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)據(jù)據(jù)昆明理工大學(xué)武鵬飛對(duì)能抓取易碎物體的氣動(dòng)手指進(jìn)行了研究,采用氣動(dòng)手指位置的夾持力自適應(yīng)控制系統(tǒng),建立了氣動(dòng)手指系統(tǒng)模型,并通過AMESim仿真分析,利用PID控制技術(shù)提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[7]。浙江工業(yè)大學(xué)張立彬提出了一種新型氣動(dòng)靈巧手指。由于該5D力傳感器和非接觸式角位移傳感器被集成在手指中。一體化設(shè)計(jì)手指關(guān)節(jié)本體和驅(qū)動(dòng)器，減小了手指的整體尺寸；手指關(guān)節(jié)采用FPA直線驅(qū)動(dòng)，直接輸出驅(qū)動(dòng)力矩，合理減少了松弛、顫抖等現(xiàn)象[8]。KanchanaC.W和ThananchaiL.采用擬合的試驗(yàn)方法得到了一個(gè)符合實(shí)際實(shí)驗(yàn)值的模型，他們?cè)谶@個(gè)中增加理想情況下的偏差因素，能夠適應(yīng)實(shí)際情況下產(chǎn)生的誤差，可以更好的反應(yīng)氣動(dòng)肌肉的基本特征[9]。1.3氣動(dòng)技術(shù)的介紹以及發(fā)展前景氣動(dòng)技術(shù)[14、15]是一項(xiàng)正在迅速發(fā)展而且熱門新技術(shù)，氣動(dòng)技術(shù)中最重要的組成部分那就是氣動(dòng)元件了，氣動(dòng)技術(shù)是基于一個(gè)壓縮氣體(如壓縮空氣或惰性氣體和熱氣體)作為工作介質(zhì)來傳遞能量及信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的自動(dòng)化的一項(xiàng)新技術(shù)，由氣動(dòng)元件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)各部門的設(shè)備和自動(dòng)化生產(chǎn)線，氣動(dòng)技術(shù)包括氣動(dòng)原理和氣動(dòng)控制兩個(gè)方面。氣動(dòng)技術(shù)發(fā)展歷史，是從單個(gè)部件到控制系統(tǒng)，從簡單的機(jī)械系統(tǒng)到復(fù)雜的機(jī)電一體化過程。人類使用的空氣來能量傳遞介質(zhì)可追溯到數(shù)千年。但氣動(dòng)技術(shù)的具體特性和基本原理進(jìn)行系統(tǒng)研究是從本世紀(jì)初開始的，形成一中氣壓傳播動(dòng)力學(xué)和控制理論作為主要內(nèi)容的氣動(dòng)系統(tǒng)理論學(xué)科。目前，氣動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)器是控制技術(shù)兩個(gè)最普遍的應(yīng)用，他們之間許多相似之處，也有很多不同點(diǎn)。之所以氣動(dòng)技術(shù)真正成為世界廣泛接受和使用，是因?yàn)楦鞯馗鞴I(yè)部門由于日益緊迫的生產(chǎn)自動(dòng)化和程序合理化必需的，還因?yàn)樵S多氣動(dòng)技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)空氣技術(shù)用空氣作為工作介質(zhì)，空氣到處可取的，低粘性，在管道集中供氣和遠(yuǎn)距離輸送流動(dòng)阻力小。因此，大多數(shù)企業(yè)都有壓縮空氣的來源。作3第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)為工作介質(zhì)的壓縮空氣，有著安全性能高，取用方便和獲取成本低的優(yōu)點(diǎn)，利用這些優(yōu)點(diǎn)，使氣動(dòng)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。壓縮空氣不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)的電火花。所以，它可以用易燃易爆這些潛在危險(xiǎn)的場(chǎng)所。 (2)氣動(dòng)元件運(yùn)動(dòng)速度高，速度一般鋼瓶為0.05?0.68m/s，有些高達(dá)1?3m/s，高速氣缸高達(dá)15m/s。 (3)氣動(dòng)元件機(jī)構(gòu)較為簡單，成本低，易于取得，使用過的壓縮空氣可以直接排放到空氣中，而不需要經(jīng)過特殊的后置處理 (4)氣動(dòng)系統(tǒng)非常環(huán)保，系啟動(dòng)系統(tǒng)能量儲(chǔ)存比較方便，可以作為應(yīng)急能量使用。統(tǒng)即使有氣體泄漏，它也不會(huì)像的液壓系統(tǒng)，造成嚴(yán)重的污染，與傳統(tǒng)的電機(jī)控制相比，它不容易受電磁干擾。(5)充氣系統(tǒng)維護(hù)簡單，操作人員也不需要特別的訓(xùn)練和特殊實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。 (6)適應(yīng)性強(qiáng)，現(xiàn)有的機(jī)器可以容易地改裝來安裝氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)缸，可以直接按照輸出要求來安裝。(7)氣動(dòng)系統(tǒng)本神擁有過載保護(hù)的功能。氣動(dòng)執(zhí)行器可在滿負(fù)荷下長期工作，過載時(shí)候自動(dòng)停止工作。當(dāng)然，氣動(dòng)技術(shù)也有它的缺點(diǎn)： (1)壓縮空氣的必須凈化，以便出去不必要的灰塵和水。 (2)系統(tǒng)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生嘈雜的排氣 (3)空氣的可壓縮性使得系統(tǒng)效率和氣動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生變動(dòng)，大多數(shù)情況下將會(huì)影響位置和速度控制。 (4)氣動(dòng)系統(tǒng)的反應(yīng)速度相對(duì)于電路控制，有一個(gè)較大的延遲和失真低，因而不適合于高速氣動(dòng)控制技術(shù)和復(fù)雜的信息系統(tǒng)和處理，而且氣動(dòng)信號(hào)傳輸距離也是有限的。雖然氣動(dòng)技術(shù)有一些缺點(diǎn)，但它也是一個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)，所以氣動(dòng)技術(shù)可以越來越廣泛地應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。氣動(dòng)元件是一個(gè)具有成本效益高的機(jī)械化和理想的自動(dòng)化元件?，F(xiàn)在，氣動(dòng)技術(shù)和電子、液壓技術(shù)，自動(dòng)化技術(shù)一起在國民經(jīng)濟(jì)中的發(fā)揮作用越來越重要。從風(fēng)能驅(qū)動(dòng)技術(shù)和液壓技術(shù)逐步發(fā)展為氣動(dòng)技術(shù)，雖然它才經(jīng)歷了50年的發(fā)展歷史，但已充分顯示了其在自動(dòng)化領(lǐng)域強(qiáng)大的生命力，成為了20世紀(jì)發(fā)展最快、最受關(guān)注、應(yīng)用最廣泛的一門科學(xué)技術(shù)，氣動(dòng)技術(shù)已成為各個(gè)行業(yè)不可缺少的一部分。在其他國家，氣動(dòng)被稱為“廉價(jià)的自動(dòng)化技術(shù)。”4第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)氣動(dòng)技術(shù)經(jīng)歷了主要發(fā)展幾個(gè)歷史階段。到上世紀(jì)50年代初，大部分從液壓元件變換或演化在大體積的組件。20世紀(jì)60年代左右，開始構(gòu)成工業(yè)控制系統(tǒng)，應(yīng)用到系統(tǒng)中，與現(xiàn)在的氣動(dòng)技術(shù)沒有可比性。在20世紀(jì)70年代，由于電子技術(shù)在自動(dòng)化領(lǐng)域已得到廣泛推廣，液壓技術(shù)得到了大規(guī)模的應(yīng)用。20世紀(jì)80年代是集成化，小型化的時(shí)代。90年代末和本世紀(jì)初，0.01mm組合式氣動(dòng)機(jī)械手已經(jīng)被設(shè)計(jì)出來，5mm/s的低速平穩(wěn)和5?10m/s的高速運(yùn)行氣缸相繼問世。隨著計(jì)算機(jī)、電子、傳感器、通訊等多種技術(shù)的發(fā)展，促使了智能氣動(dòng)(氣動(dòng)比例和伺服，智能閥島，模塊化機(jī)器人)的概念產(chǎn)生出來。氣缸氣動(dòng)伺服定位技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高精度的自動(dòng)定位，氣動(dòng)伺服定位技術(shù)可使氣缸在氣動(dòng)機(jī)械手位置在伺服控制系統(tǒng)的高速運(yùn)動(dòng)3mm/s情況下實(shí)現(xiàn)任意點(diǎn)自動(dòng)定位。智能閥門終端技術(shù)的全自動(dòng)化生產(chǎn)線方案解決分散和集中控制問題。現(xiàn)代氣動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)集成化、模塊化、智能化、微型化[10]。1.4論文研究的內(nèi)容和方法目前各種類型的機(jī)械手指被開發(fā)出來，主要是由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。雖然目前的伺服電機(jī)已經(jīng)達(dá)到所需的一些性能,但是它們的主要缺陷是既大又重而且需要復(fù)雜的傳輸機(jī)制，極大的地限制了機(jī)械手指的使用。事實(shí)上現(xiàn)有的機(jī)器手指由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的重量和復(fù)雜的傳輸機(jī)制，實(shí)用性大打折扣。在現(xiàn)有的機(jī)械手指結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，我們打算使用新型的氣動(dòng)人工肌肉以及驅(qū)動(dòng)原理對(duì)它進(jìn)行研究，提高機(jī)器手指的性能。本研究首先利用人工肌肉制作出直線驅(qū)動(dòng)器，然后通過曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的逆向運(yùn)用將直線驅(qū)動(dòng)器的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成手指關(guān)節(jié)的彎曲運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)制造出功能類似于人類手指的機(jī)械手指，對(duì)多關(guān)節(jié)機(jī)械手指的結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。雖然ADAMS[11]擁有較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真能力，但是它不能夠準(zhǔn)確繪制復(fù)雜的三維實(shí)體模型。本論文使用SolidWorks[12]三維繪圖軟件來建立較為復(fù)雜的機(jī)械手指三維模型。MATLAB具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力，又可以彌補(bǔ)ADAMS控制能力不足，沒有復(fù)雜的控制模塊，所以采取ADAMS和MATLAB聯(lián)合仿真的方法對(duì)手指的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析優(yōu)化，觀察手指在驅(qū)動(dòng)力的作用下5第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)運(yùn)動(dòng)情況。第二章多關(guān)節(jié)手指的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及建模2.1氣動(dòng)肌肉的介紹2.1.1氣動(dòng)肌肉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2-1氣動(dòng)肌肉的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.管接螺母2.法蘭4.盤形彈簧5.氣體密封圈6.隔膜軟管氣動(dòng)肌肉的材料，管接螺紋、法蘭、內(nèi)部圓錐一般使用鋁合金，而盤形彈簧一般用彈簧鋼，氣體密封圈常用腈基丁二烯橡膠(NBR)，隔膜軟膠管使用芳香烴類物質(zhì)(CR)。2.1.2氣動(dòng)肌肉的特性1)氣動(dòng)肌肉的工作方式6第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)圖2-2氣動(dòng)肌肉氣動(dòng)肌肉是一種伸縮驅(qū)動(dòng)器，它是有內(nèi)部伸縮裝置和外部連接器組成它能夠人肌肉一樣工作，內(nèi)部伸縮裝置是由高強(qiáng)纖維的密封軟管組成，當(dāng)內(nèi)部充氣時(shí)，隔膜軟管逐漸膨脹為球體，氣動(dòng)肌肉縱向擴(kuò)張，橫向收縮，帶動(dòng)負(fù)載直線運(yùn)動(dòng)，一開始充氣時(shí)，氣動(dòng)人工肌肉的拉伸力非常大，隨著時(shí)間推移，橫向位移逐漸增大，拉伸力也隨之減少。研究表明，氣動(dòng)肌肉的行程大約為額定長度的24%左右，氣動(dòng)肌肉只能橫向拉伸運(yùn)動(dòng)，并不能縱向壓縮，所以當(dāng)充氣壓力過大時(shí)，可能導(dǎo)致橡膠管外部摩擦力增加，破壞氣動(dòng)肌肉的性能。2)氣動(dòng)肌肉長度和負(fù)載的關(guān)系定義氣動(dòng)人工肌肉在無負(fù)載、無壓力的情況下的長度為額定長度，這就等于接口間可見的那部分氣動(dòng)肌肉的長度。當(dāng)氣動(dòng)肌肉受外力作用預(yù)拉伸時(shí)，它的長度變長；另一方面，當(dāng)氣動(dòng)肌肉受壓時(shí)，氣動(dòng)肌肉收縮，它的長度減小[13]。如圖2-3所示。圖2-3長度與張力的關(guān)系7第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)2.2氣動(dòng)機(jī)械手指的基本結(jié)構(gòu)2.2.1繪圖軟件SoildWorks介紹SolidWorks軟件是世界上第一個(gè)基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)，由于技術(shù)創(chuàng)新符合CAD技術(shù)的發(fā)展潮流和趨勢(shì)，SolidWorks公司于兩年間成為CAD/CAM產(chǎn)業(yè)中獲利最高的公司。良好的財(cái)務(wù)狀況和用戶支持使得SolidWorks每年都有數(shù)十乃至數(shù)百項(xiàng)的技術(shù)創(chuàng)新，公司也獲得了很多榮譽(yù)。該系統(tǒng)在1995-1999年獲得全球微機(jī)平臺(tái)CAD系統(tǒng)評(píng)比第一名；從1995年至今，已經(jīng)累計(jì)獲得十七項(xiàng)國際大獎(jiǎng)，其中僅從1999年起，美國權(quán)威的CAD專業(yè)雜志CADENCE連續(xù)4年授予SolidWorks最佳編輯獎(jiǎng)，以表彰SolidWorks的創(chuàng)新、活力和簡明。至此，SolidWorks所遵循的易用、穩(wěn)定和創(chuàng)新三大原則得到了全面的落實(shí)和證明，使用它，設(shè)計(jì)師大大縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，產(chǎn)品快速、高效地投向了市場(chǎng)。2.2.2整體方案的設(shè)計(jì)多關(guān)節(jié)手指是一種可以在二維空間運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件，設(shè)計(jì)和建立手指的三維手指圖首先必須考慮手指的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)裝置，本文采取氣動(dòng)人工肌肉作為手指的驅(qū)動(dòng)器，氣動(dòng)人工肌肉只能夠直線運(yùn)動(dòng)，要想轉(zhuǎn)化為手指的彎曲，一般指三個(gè)關(guān)節(jié)長度差別不大，一般為90~100mm左右，手指應(yīng)該包括近指節(jié)，中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)，因?yàn)檫h(yuǎn)指節(jié)需要進(jìn)行抓取工作，所以末端結(jié)構(gòu)應(yīng)該與其他兩個(gè)關(guān)節(jié)有所不同，手指內(nèi)部還必須考慮氣動(dòng)人工肌肉安裝位置，人工肌肉可以采取小型人工肌肉，便于安裝在曲柄滑塊上，考慮到氣動(dòng)人工肌肉縱向十分柔軟，不具有導(dǎo)向性，還必須在曲柄滑塊中間設(shè)置導(dǎo)向裝置。我們以一個(gè)手指關(guān)節(jié)為研究對(duì)象，對(duì)手指關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建模，手指的關(guān)節(jié)如圖2-4所示。8第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)圖2-4手指的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)1.手指的指節(jié)2.滑塊結(jié)構(gòu)4.手指末端7.氣動(dòng)人工肌肉25.彈簧8.導(dǎo)向機(jī)構(gòu)3.手指關(guān)節(jié)連桿6.氣動(dòng)人工肌肉19第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)2.2.3手指的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)A:關(guān)節(jié)機(jī)制氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器能夠完成其它任何機(jī)械無法替代的模擬人體肌肉的直線的運(yùn)動(dòng)。因此,有必要將直線運(yùn)動(dòng)推廣到回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域。在本文中,選擇了一個(gè)簡單的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成所需的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器的主彈性力使曲柄沿垂直軸平移。這導(dǎo)致連桿旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度θ圖2-5手指關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖B：系統(tǒng)分析第頁第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)本節(jié)的目的是為了確定總輸出力，位移與氣動(dòng)肌肉的驅(qū)動(dòng)力的關(guān)系：1)位置分析:南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)當(dāng)肌肉氣壓加載，氣動(dòng)肌肉壓縮長度X,連桿L旋轉(zhuǎn)角θ計(jì)算方式如下:(L+x)2+L2一L(L+x)2+L2一L22(L+x)L02連桿和曲柄半徑分別為L1和L2,L0是初始位置曲柄和驅(qū)動(dòng)器之間的距離。2)受力分析:L2F=Fcosacos(9一a)0LL=F2cosa(cos9cosa+sin9sina)Lcosa=210122(L+x)2(L+x)L02第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器壓縮引起的彈性力可以有氣動(dòng)肌肉的壓縮量和輸出力關(guān)系性能曲線獲得。為了確定手指關(guān)節(jié)各部分的尺寸，我們根據(jù)手指的長度，我們可以設(shè)定連桿長度(L1)為18mm,手指初始位置曲柄和驅(qū)動(dòng)器之間的距離(L0)為13mm，曲柄根據(jù)實(shí)際情況取15mm，10mm，6mm，分別比較他們的偏轉(zhuǎn)角度和輸出力2表2-1不同長度曲柄下的轉(zhuǎn)角和輸出力曲柄長度曲柄長度L2(mm)6偏轉(zhuǎn)角度θ(0)0~87.50~53.50~38.1輸出力大小0.0900.1120.146可以根據(jù)以上公式，可以計(jì)算曲柄不同長度時(shí)的連桿的角度和最大受力，比較偏轉(zhuǎn)角度和輸出力，我們這里選擇手指曲柄為10mm最符合要求。如表2-1所示表2-2手指關(guān)節(jié)尺寸變量變量單位數(shù)值曲柄長度(L2)mm連桿(L1)mm極限位置距離(L0)mm氣動(dòng)肌肉的位移范圍(X)mm0~10通過上面數(shù)據(jù)帶入θ求解公式可得公式，手指的偏轉(zhuǎn)角度的范圍為00-53.40滿足設(shè)計(jì)要求，力的大小可以根據(jù)上面的F0公式進(jìn)行計(jì)算。第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文).2.2.4手指關(guān)節(jié)的建模因?yàn)槭种赣腥齻€(gè)關(guān)節(jié)，每一個(gè)關(guān)節(jié)又有許零件，三個(gè)手指關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)原理和結(jié)構(gòu)一樣，所以這里以滑塊簡要的介紹手指建模過程。1.打開solidworks，在菜單欄中找到草圖繪制，然后選擇草圖繪制的基準(zhǔn)面，一般選擇前視基準(zhǔn)面(XY為基準(zhǔn)面)。如圖2-6所示圖2-6基準(zhǔn)面的建立2.繪制如圖2-7所示的草圖，用鼠標(biāo)選中剛剛繪制的長方形，然后在實(shí)體特征中選擇實(shí)體拉伸，輸入拉伸的距離，最后點(diǎn)擊確定，得到一個(gè)長方體。第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)圖2-7繪制長方形過程3.其他三個(gè)零件的繪制過程，和剛剛的長方體類似，一般都是先繪制零件草圖，然后對(duì)草圖進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，拉伸，偏置，鏡像等7處理，得到設(shè)計(jì)要求的三維圖，如圖2-8所示，零件滑塊已經(jīng)建立完成。圖2-8關(guān)節(jié)滑塊圖2.3靈巧手指的裝配和三維模型的導(dǎo)出由于其他手指零件的繪制過程基本類似，當(dāng)零件建立結(jié)束后，首先要進(jìn)行零件圖的裝配，首先新建裝配體，然后點(diǎn)擊開始裝配，瀏覽指向零件圖的位置，并且選擇其中一個(gè)零件作為基準(zhǔn)件，單擊插入新的零部件，瀏覽所要裝配的零部件，選擇兩個(gè)零部件的配合形式，然后其他零件以此類推，最終建立一個(gè)三維實(shí)體手指圖，本裝配的過程涉及到配合，目前常見的配合有重合、同軸心、平行、相切、距離、垂直等，本裝配主要涉及到同軸心、平行和接觸，手指裝配完成，檢查沒有問題后，便可以將裝配圖轉(zhuǎn)化為ADAMS格式輸出。在SolidWorks中把手指的裝配圖另存為ParaSolid格式(文件已.x_t結(jié)尾的)。第頁第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)圖2-8手指裝配圖第三章多關(guān)節(jié)手指的動(dòng)力學(xué)仿真分析3.1仿真軟件ADAMS和MATLAB簡介(1)ADMAS簡介ADAMS作為世界上使用最廣泛的多體動(dòng)力學(xué)(MBD)軟件，ADAMS可以幫南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)助工程師研究運(yùn)動(dòng)部件，在機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)中載荷和力如何分布。產(chǎn)品制造商往往很難理解真正的系統(tǒng)性能，直到在設(shè)計(jì)過程結(jié)束時(shí)。機(jī)械，電力等子系統(tǒng)對(duì)他們的系統(tǒng)工程過程中的具體要求進(jìn)行驗(yàn)證，但整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試和驗(yàn)證來得晚，導(dǎo)致返工，而且是風(fēng)險(xiǎn)更大，比那些提前設(shè)計(jì)變更的成本更大。ADAMS作為世界上最有名的和廣泛使用的多體動(dòng)力學(xué)(MBD)軟件，ADAMS提高工程效率，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，使早期的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)驗(yàn)證。工程師可以評(píng)估和管理學(xué)科，包括運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)和控制之間復(fù)雜的相互作用，以便更好地優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能，安全性和舒適。憑著強(qiáng)大的分析能力和高性能計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，ADAMS可以大規(guī)模地優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。利用多體動(dòng)力學(xué)解決方案技術(shù)，ADMAS通過非線性動(dòng)力學(xué)，用很少的時(shí)間有限元來分析解決方案。載荷和力通過ADAMS模擬計(jì)算，提供他們?cè)谡麄€(gè)全范圍運(yùn)動(dòng)和操作環(huán)境如何變優(yōu)化為最佳狀態(tài)，提高有限元分析的準(zhǔn)確性。(2)MATLAB簡介MATLAB的數(shù)學(xué)函數(shù)內(nèi)部有處理器優(yōu)化庫，這樣就可以使向量運(yùn)算和矩陣運(yùn)算快速地運(yùn)行。MATLAB內(nèi)置的各種工具可以實(shí)現(xiàn)高效的算法開發(fā)，包括：1.MATLAB命令行窗口：能夠以交互的方式輸入數(shù)據(jù)，執(zhí)行命令和程序，以及顯示結(jié)果2.MATLAB編輯器：不僅可以設(shè)置程序斷點(diǎn)及逐步調(diào)試各行代碼，而且擁有編輯和調(diào)試功能3.代碼分析器：自動(dòng)檢查代碼是否有問題，并提出修改建議，以最大限度地發(fā)揮性能以及可維護(hù)性4.MATLAB事件探查器：衡量MATLAB程序的性能，并確定需要修改加以改進(jìn)的代碼范圍其他工具可以對(duì)代碼和數(shù)據(jù)文件進(jìn)行比較，并提供顯示文件相關(guān)性、注釋提示和代碼涵蓋范圍的報(bào)告。第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)3.2動(dòng)力學(xué)仿真過程介紹3.2.1ADAMS參數(shù)設(shè)置過程1)在ADAMS中的import選擇文件類型parasolid(.x_t)，指向保存的文件，在文件類型中中選擇ASCII,因?yàn)楸４娴奈募墙M件，所以選modelname，在后面的空格里單擊右鍵，選model，再選create，默認(rèn)名字，點(diǎn)擊OK。如圖圖3-1導(dǎo)入?yún)?shù)設(shè)置過程2)在菜單欄點(diǎn)擊connectors按鈕，設(shè)置相關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副，并將手指底部與大地鎖定。如圖3-2所示motion，點(diǎn)擊前面設(shè)置的滑動(dòng)副，然后填寫移動(dòng)速度為1*time，點(diǎn)擊ok，其他兩個(gè)滑動(dòng)副設(shè)置過程相同，如圖3-3所示。第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)圖3-2運(yùn)動(dòng)副設(shè)置圖圖3-3驅(qū)動(dòng)設(shè)置過程4)單擊菜單欄里的simulation，選擇simulationcontrols，把endtime設(shè)置為0.01,其中steps設(shè)置為500，點(diǎn)擊開始按鈕，觀察圖形的運(yùn)動(dòng)過程，如果沒有錯(cuò)誤就可以開始輸入輸出參數(shù)的設(shè)置了。圖3-4是手指在Adams的仿真參數(shù)設(shè)置過程，圖3-5為仿真結(jié)果的顯示。第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)圖3-4仿真過程參數(shù)設(shè)置效果圖模擬手指受理情況，在手指末端施加0.5N的里，這個(gè)力是隨著手指移動(dòng)第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)的，這個(gè)時(shí)候給三個(gè)關(guān)節(jié)施加驅(qū)動(dòng)，讓手指開始彎曲，觀察手指的運(yùn)動(dòng)，并且查看手指三個(gè)滑動(dòng)副的受力情況，分析受力曲線，如圖3-6所示，是手指的三個(gè)驅(qū)動(dòng)器受力情況。由圖可知，當(dāng)手指一開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于此時(shí)驅(qū)動(dòng)器在初始位置，滑塊和中間連桿的夾角很小，此時(shí)必需很大的驅(qū)動(dòng)力才能推動(dòng)手指運(yùn)動(dòng)，但是在實(shí)際情況下，手指一般都是彎曲過后才會(huì)有負(fù)載，所以真實(shí)情況下手指開始并不需要多大驅(qū)動(dòng)力，只需要考慮手指彎曲后的情況即可，如圖可知，手指彎曲后的驅(qū)動(dòng)力接近于一個(gè)常量，joint10是在手指連接手掌的關(guān)節(jié)，所以一開始的力比其他兩個(gè)關(guān)節(jié)的力要大。圖3-6手指受負(fù)載時(shí)三個(gè)驅(qū)動(dòng)受到的力其中Joint10：下指節(jié);Joint11：中指節(jié);Joint12：上指節(jié)圖3-7手指末端角速度變化曲線第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)圖3-8手指末端角加速度變化曲線圖3-9手指末端位移變化曲線圖3-10三個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩圖第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)5)輸入輸出參數(shù)的選擇過程是非常重要的，由于手指有三個(gè)關(guān)節(jié)，因此必須有三個(gè)參數(shù)的輸入，我們這里把手指的滑動(dòng)驅(qū)動(dòng)設(shè)置為輸入?yún)?shù)，多關(guān)節(jié)手指關(guān)節(jié)的指端角速度為輸出參數(shù)。1.建立輸入變量Variable，點(diǎn)擊New選項(xiàng)，，創(chuàng)建狀態(tài)變量對(duì)話框。將名稱改成.MODEL_1.speed 作為輸入變量。其他三個(gè)驅(qū)動(dòng)設(shè)置為speed2，speed3，如圖3-11所示圖3-11創(chuàng)建輸入狀態(tài)變量2、將狀態(tài)變量與模型關(guān)聯(lián)第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)在手指右側(cè)的motion菜單中選擇jointmotion選項(xiàng)，右擊選擇modifly選項(xiàng)，打開編輯對(duì)話框，在函數(shù)輸入框中輸入VARVAL(.MODEL_1.speed1)*time，其中VARVAL()是一個(gè)ADAMS函數(shù)，它返回變量.MODEL_1.speed1的值。通過Varval把狀態(tài)變量speed1與速度關(guān)聯(lián)起來，速度等于自于狀態(tài)變量speed1的數(shù)值。如圖3-12所示圖3-12將狀態(tài)變量與模型關(guān)聯(lián)3、指定狀態(tài)變量speed1為輸入變量單擊菜單欄的建立按鈕，選擇窗口中的ControlsToolkit，點(diǎn)擊PlantInput創(chuàng)建輸入變量，彈出控制輸入對(duì)話框，將狀態(tài)輸入名稱輸入框改成.MODEL_1.speed1,點(diǎn)擊變量名稱輸入框中，可以使用右鍵鼠標(biāo)快速輸入狀態(tài)變量.MODEL_1.speed1，.MODEL_1.speed2,.MODEL_1.speed3，單擊OK按鈕。南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)3-13指定狀態(tài)變量speed1為輸入變量4、創(chuàng)建輸出變量單擊菜單欄中建立按鈕，打開SystemElements選項(xiàng)，打開StateVariable，點(diǎn)擊New選項(xiàng)，跳出狀態(tài)變量窗口。將名稱輸入框修改成Angle，WXWX函數(shù)，后面的參數(shù)填寫按鈕，然后選擇(MARKER_55,MARKER_45,MARKER_45)，點(diǎn)擊應(yīng)用按鈕創(chuàng)建狀態(tài)變量Angle作為輸出變量，其中WX()函數(shù)返回繞X軸旋轉(zhuǎn)的角速度，這里代表手指末端的角速度。手指末端位移的設(shè)置與上面角速度設(shè)置類似，如圖3-14所示圖3-14創(chuàng)建輸出狀態(tài)變量5、指定狀態(tài)變量angle為輸出變量單擊菜單欄的建立按鈕，選擇窗口中的ControlsToolkit，點(diǎn)擊PlantMODEL_1.PINPUT_output。在變量名稱輸入框中，用右鍵鼠標(biāo)快速菜單輸入狀第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)態(tài)變量Angel，單擊OK按鈕。如圖3-15所示圖3-15指定狀態(tài)變量angle為輸出變量6、導(dǎo)出控制參數(shù)Controls，選擇PlantExport，彈出導(dǎo)出控制參數(shù)對(duì)話框。在FilePrefix輸入框中輸入FIRE，在PlantInput輸入框中用鼠標(biāo)右鍵快捷菜單輸入PINPUT_speed1，speed2，speed3，在PlantOutput輸入框中用鼠標(biāo)右鍵快捷菜單輸入.PINPUT_output，將Controlpackage選擇為MATLAB，類型選擇為non_linear，InitialStaticAnalysis選擇NO,ADAMS/SolverChoice選擇為Fortran。單擊OK按鈕后，在ADAMS的工作目錄下將生成fire.m、fire.cmd、fire.adm這3個(gè)文件。第頁第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)圖3-16導(dǎo)出控制參數(shù)3.2.2建立MATLAB控制模型1、導(dǎo)出ADAMS模型在MATLAB里的模塊啟動(dòng)MATLAB，先將MATLAB的工作目錄指向ADAMS的工作目錄，方法是單MATLAB命令窗口的命令提示符提示符下，輸如FIRE2，也就是FIRE2.m的文件名，在命令窗口會(huì)出現(xiàn)之前設(shè)置的輸入輸出參數(shù)。顯示內(nèi)容如下：>>FIRE2ans=%%%INFO:ADAMSplantactuatorsnames:1speed12speed23speed3%%%INFO:ADAMSplantsensorsnames:1jiaosudu2weiyi在命令提示符下輸入命令adams_sys,adams_sys是ADAMS與MATLAB的接MATLAB/Simulink的選擇窗口。如圖3-16所示南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)圖3-16導(dǎo)出ADAMS模型在MATLAB里的模塊2.控制系統(tǒng)的搭建在MATLAB/Simulink選擇窗口中,選擇菜單欄中的文件按鈕，點(diǎn)擊新建，然后選擇模塊，彈出一個(gè)新的窗口，單擊工具欄中的保存按鈕，將新窗口存盤為kongzhi.mdl,將ADAMS_sub方框拖動(dòng)到kongzhi.mdl窗口中，并完成控制系統(tǒng)的搭建。如圖3-14所示3、設(shè)置MATLAB與ADAMS之間的數(shù)據(jù)交換參數(shù)在kongzhi.mdl窗口中雙擊ADAMS_sub按鈕，這時(shí)彈出的新的窗口，雙Interprocess設(shè)置為PIPE(DDE)，將CommunicationInterval文本框中輸入0.005，將SimulationMode設(shè)定為continuous，Animationmode設(shè)定成interactive，表示兩個(gè)軟件間進(jìn)行交互式計(jì)算，在仿真過程中會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)ADAMS/View，以便觀察手指仿真畫面，其他使用默認(rèn)設(shè)置即可。其中控制模塊Scope表示示波器，用來將手指末端角速度變化曲線的顯示，模塊constant表示輸入固定值，框中的0.001表示0.001m/s，用來表示手指的直線滑動(dòng)速度，從而轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰七M(jìn)行手指空間姿態(tài)的控制，如圖3-17所示圖3-17控制系統(tǒng)的搭建第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)圖3-18設(shè)置MATLAB與ADAMS之間的數(shù)據(jù)交換參數(shù)4仿真設(shè)置和仿真計(jì)算。單擊窗口中菜單中的simulation按鈕，選擇configurationParameters,彈出系統(tǒng)仿真設(shè)置對(duì)話框，在Solver輸入框中將起始時(shí)間設(shè)置為0，將S終止時(shí)間設(shè)置為1，把類型置為變量步驟類型,其他全部使用默認(rèn)選項(xiàng)，單擊OK按鈕，最后單擊開始按鈕，Matlab開始仿真，等待結(jié)果的輸出。3.3動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果分析以及結(jié)論當(dāng)點(diǎn)擊開始按鈕時(shí)，彈出ADAMS窗口，ADAMS開啟，手指開始運(yùn)動(dòng)，手指的末端角速度不斷變化，如圖3-16和3-17，3-18所示第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)圖3-19仿真調(diào)用的ADAMS運(yùn)動(dòng)窗口圖3-20手指末端的角速度第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)圖3-21手指末端的位移結(jié)論：從手指的的運(yùn)動(dòng)和末端角速度圖形可以看出，手指一開始伸直時(shí)，角速度非常大，這個(gè)也和我們預(yù)期是一樣的，由于滑塊和連桿之間的夾角小，導(dǎo)致手指轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度很大，隨著手指不斷彎曲，手指末端角度變化量在減小。速度不斷變小，和我們手指彎曲變化類似，因此該手指的仿真過程顯示，手指具有良好的運(yùn)動(dòng)性能。手指位移隨著彎曲逐漸變小，因此設(shè)計(jì)手指的時(shí)候盡量使手指中間連桿處于合理的彎曲狀態(tài)，避免出現(xiàn)死點(diǎn)，起始運(yùn)動(dòng)角速度過大，起始驅(qū)動(dòng)力過大等問題。第四章氣動(dòng)肌肉靈巧手指的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1氣動(dòng)肌肉回路原理和設(shè)計(jì)每個(gè)氣動(dòng)肌肉靈巧手指有三個(gè)關(guān)節(jié)，我們采用一對(duì)氣動(dòng)肌肉進(jìn)行曲柄滑塊的直線驅(qū)動(dòng)工作，每個(gè)肌肉關(guān)節(jié)和人的肌肉工作方式類似，有由于每個(gè)關(guān)節(jié)的工作方式和工作原理相同，為了分析氣動(dòng)靈巧手指的控制系統(tǒng)的工作原理和工作過程。我們可以采取一個(gè)手指關(guān)節(jié)為研究對(duì)象的方式，手指氣動(dòng)控制回路如圖4-1所示第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)圖4-1控制靈巧手指的氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)的原理圖和過程氣動(dòng)肌肉充放氣過程是氣動(dòng)肌肉伸長和縮短，推動(dòng)曲柄滑塊產(chǎn)生滑動(dòng)，然后曲柄滑塊帶動(dòng)連桿進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿將運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)給指節(jié)進(jìn)行彎曲工作，當(dāng)兩位三通閥1和兩位三通閥2同時(shí)接電時(shí)，氣源通電給整個(gè)氣動(dòng)回路通氣，通過改變電子比例閥1和電子比例閥2設(shè)定的壓力，將使氣動(dòng)肌肉1和2充氣產(chǎn)生收縮，拉動(dòng)曲柄滑塊向后運(yùn)動(dòng)使手指產(chǎn)生彎曲和轉(zhuǎn)矩，如果兩位三通閥1和2同時(shí)關(guān)閉，則氣動(dòng)肌肉1和2釋放氣體，氣動(dòng)肌肉變長，曲柄滑塊開始復(fù)位，手指不再彎曲也開始復(fù)位變直。氣動(dòng)靈巧手指的工作原理為，通過D/A轉(zhuǎn)換裝置，將計(jì)算機(jī)傳來的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楸壤y的工作電壓，通過比例閥控制電壓來控制氣動(dòng)回路的壓力，兩位三通開關(guān)閥，接通回路，氣動(dòng)肌肉伸縮帶動(dòng)滑塊移動(dòng)，從而能夠控制手指的轉(zhuǎn)角。4.1.1氣動(dòng)回路器件的選擇根據(jù)上面分析可以得到，該氣動(dòng)回路主要包括氣動(dòng)三聯(lián)件，空氣壓縮機(jī)，數(shù)字比例閥，兩位三通開關(guān)閥，橡膠管等。下面我們進(jìn)行氣動(dòng)元件的選擇第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)(1)數(shù)字比例壓力閥現(xiàn)在市面上主要是比例閥和伺服閥，由于比例閥是驅(qū)動(dòng)裝置為電磁鐵，而后者主要驅(qū)動(dòng)裝置為力馬達(dá)，雖然前者相對(duì)于后者來說結(jié)構(gòu)較為簡單，但是便于使用數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行電壓值的控制，控制起來簡單。這里我們使用的比例壓力閥是日本的VYll00-01壓力比例閥(如圖4．2)，通過計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換輸出電壓。通過輸出的電壓值的大小來調(diào)節(jié)比例閥壓力的大小，從而來控制氣動(dòng)肌肉的伸縮量，進(jìn)氣時(shí)開關(guān)閥作用，當(dāng)比例壓力閥接受到電壓信號(hào)時(shí)，由于接通的壓力與電壓信號(hào)成線性關(guān)系，控制起來十分方便，其主要性能參數(shù)如表4-1。圖4-2VY1100-01型比例壓力閥表4-1VY1100-01比例壓力閥的主要性能指標(biāo)重復(fù)度(2)開關(guān)閥輸入電壓信號(hào)1V~5V靈敏度1%F.S.最大使用壓力0.78Mpa純延遲時(shí)間小于20ms選擇日本公司的VT302的兩位三通開關(guān)閥，實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大，具有頻率大等優(yōu)點(diǎn)，本氣路利用了其快速通斷的功能，工作范圍為0~1.00Mpa，主要性能參數(shù)見表4-2。第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)表4-2VT302兩位三通開關(guān)閥的主要性能指標(biāo)響應(yīng)時(shí)間小于20ms使用壓力范圍0~1.0Mpa最高運(yùn)動(dòng)頻率10HZ(3)氣源和其他氣動(dòng)器件壓縮機(jī)使用宣億WJ-5501無油靜音空壓機(jī)，最大壓力為0.8Mpa，同時(shí)排氣量為110L/min,因此主要性能滿足使用要求，主要性能如表4.3所示表4-3WJ-5501空氣壓縮機(jī)的性能參數(shù)型型號(hào)功率電壓排氣轉(zhuǎn)數(shù)壓力儲(chǔ)氣罐凈重量ModelWVL/minR.P.MMpaTak(Lt)KGWJ-5501550W220/511014000.5~916.500.8其中氣動(dòng)三聯(lián)件在主要?dú)鈩?dòng)回路中起穩(wěn)壓、過濾作用的4.2靈巧手指的關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)4.2.1控制系統(tǒng)的原理準(zhǔn)確控制氣動(dòng)肌肉內(nèi)部壓力的大小，就能夠?qū)鈩?dòng)肌肉的靈巧手指的精確控制，工作原理的硬件系統(tǒng)如圖4-3所示，其中工作原理：計(jì)算機(jī)輸出控制信號(hào)，然后通過D/A轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化為比例閥可以接收的電壓信號(hào)，然后通過電壓值的大小，調(diào)節(jié)壓力比例閥的設(shè)定壓力值，改變氣動(dòng)回路的壓力值后，使氣動(dòng)肌肉肉產(chǎn)生形變，推動(dòng)曲柄滑塊的運(yùn)動(dòng)，手指關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)控制。在手指關(guān)節(jié)安裝角度傳感器，在計(jì)算機(jī)上輸出手指的轉(zhuǎn)角，與輸出轉(zhuǎn)角信號(hào)對(duì)比，檢驗(yàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。出于安全考慮，在液壓回路中放置壓力傳感器，觀測(cè)回路的壓力大小，防止意第頁第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)外發(fā)生。要求手指的位置精度不是太高，因此該裝置采用開環(huán)控制，因此不需要其他A/D處理裝置。氣動(dòng)氣動(dòng)氣動(dòng)D圖4-3控制裝置的硬件系統(tǒng)組成4.2.2控制系統(tǒng)的硬件選擇氣動(dòng)手指的控制系統(tǒng)的硬件主要由氣動(dòng)肌肉，計(jì)算機(jī)，比例壓力閥，和角度傳感器組成。因此硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是數(shù)據(jù)采集卡選擇和傳感器的選則。(1)運(yùn)動(dòng)控制卡由于手指是三個(gè)自由度，存在三個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此最少需要三路的模擬信號(hào)的輸出，采用多路輸入輸出的D/A轉(zhuǎn)換器。數(shù)據(jù)采集卡作為關(guān)鍵部件，必須精度要求高，功能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。本文選擇PCI7484控制板，本板適用于各種控制場(chǎng)合，具有集成度高，性能穩(wěn)定，反應(yīng)速度快，功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定，且價(jià)格低，深受用戶歡迎。為了滿足設(shè)計(jì)要求，PCI7484板上有4路12位獨(dú)立D/A電壓電流輸出,符合最少有三路DA轉(zhuǎn)換的要求。PCI7484主要的參數(shù)如表4-4所示：表4-4PCI7484主要參數(shù)4路電壓方式：1~5vD/A轉(zhuǎn)換時(shí)間輸出通道輸出信號(hào)范圍南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)輸出阻抗輸出阻抗D/A轉(zhuǎn)換器件DAC7625D/A轉(zhuǎn)換分辨率D/A轉(zhuǎn)換時(shí)間電壓輸出方式負(fù)載能力5毫安/每路電流輸出方式負(fù)載電阻范圍D/A轉(zhuǎn)換碼制二進(jìn)制原碼本文采用電壓范圍為0~5V，與上面的比例閥電壓范圍基本一樣，而且該板采用VB編程，使用起來十分方便。(2)角位移傳感器作為手指關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的主要元件，角位移傳感器在硬件系統(tǒng)中也同樣的重要，因此角傳感器的輸出數(shù)據(jù)直接檢驗(yàn)著整個(gè)手指是否能到達(dá)指定位置。本文采用米諾角度傳感器基板，其中線性度和精度良好，滿足設(shè)計(jì)要求。主要性能如表4-5所示。表4-5米諾角度傳感器基板主要性能%0.1~0.25°0.01V36V電流信號(hào)時(shí)無限小%0.1MΩ大于10℃-40+~120000萬次°360°電阻誤差線性度重復(fù)精度最大工作電壓分辨率輸出平滑性絕緣電阻工作溫度壽命機(jī)械角度4.3D/A控制界面的設(shè)計(jì)和程序的編寫PCI-7484有1片DAC7625，DAC7625轉(zhuǎn)換穩(wěn)定高，反應(yīng)快，轉(zhuǎn)換穩(wěn)定。DAC7625內(nèi)部4路獨(dú)立D/A轉(zhuǎn)換通道，內(nèi)部可以上電自動(dòng)清零，可以實(shí)現(xiàn)單第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)/雙極性清零。要想運(yùn)放輸出輸出，首先控制信號(hào)選中一路D/A，那么這路就會(huì)從數(shù)據(jù)線上讀取數(shù)據(jù)，開始D/A進(jìn)行轉(zhuǎn)換D/A12位數(shù)據(jù)格式為：表4-6D/A轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式(X為有效位)HSBHSB：高八位LSB：低八位0000XXXXXXXXXXXXD11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0PCI7484可以采用VB編程的方式來進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，點(diǎn)擊VB運(yùn)行程序，跳出運(yùn)動(dòng)控制卡的調(diào)試界面,運(yùn)行程序如下：EndIfEndSub'DA轉(zhuǎn)換初始化函數(shù)PrivateSubForm_Load()hplx=0hplx=pci7484check(0,0,False,1)danc1=10#danc2=0#Fori=0To3Dadata(i)=""NextiEndSub'DA轉(zhuǎn)換操作幫助函數(shù)PrivateSubHelpCom_Click()k=MsgBox("D/A數(shù)據(jù)輸出轉(zhuǎn)換步驟："+Chr(13)+"1.輸入十進(jìn)制電第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)vbOKOnly+vbQuestion,"D/A輸出操作幫助")EndSubPrivateSubTimer1_Timer()Ifdanc(0).Value=TrueThendanc1=5#danc2=0#EndIfIfdanc(1).Value=TrueThendanc1=10#danc2=0#EndIfIfdanc(2).Value=TrueThendanc1=16#danc2=4#EndIfIfdanc(3).Value=TrueThendanc1=10#danc2=-5#EndIfIfdanc(4).Value=TrueThendanc1=20#danc2=-10#EndIf第頁南京工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)Ifdanc(5).Value=TrueThendanc1=5#danc2=-2.5EndIfEndSub將控制卡插入計(jì)算機(jī)中，安裝驅(qū)動(dòng)，當(dāng)點(diǎn)擊開始按鈕后，調(diào)試窗口彈出，可以進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的調(diào)試，如圖4-4所示圖4-4運(yùn)動(dòng)控制卡PCI7484的vb控制界