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欠驱动机械手末端执行器的设计与研究

作　者: 张飞
导　师: 俞亚新
学　校: 浙江理工大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 欠驱动末端执行器运动学参数化设计仿真优化
分类号: TP241
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

目前果蔬采摘机器人末端执行器多为纯吸盘式采摘、筒式采摘、振动式采摘、全驱动多指式采摘，由于执行器直接接触果蔬，往往会因抓取力或夹持力过大而压伤果蔬，因此为实现果蔬自动化采摘，研究一种更加可靠的末端执行器显得至关重要。近年来，采用欠驱动多指手作为果蔬采摘机器人的末端执行器是解决这一问题的新思路。本文以苹果为采摘对象，分析采摘机械手的研究现状，根据采摘农艺要求，设计出能够满足苹果采摘的机构——欠驱动采摘末端执行器机构，同时对机构作运动学与动力学分析，并研制出样机，本文的主要研究内容与结果如下：1、阐述了国内外末端执行器的研究现状，并提出本文的研究内容与研究方法。2、研究了红富士苹果的几何特性及力学性能，并按照采摘对象的基本要求，设计了一种齿轮连杆式欠驱动末端执行器，分析原理与功能，具体方案为：电机驱动丝杠转动，丝杠带动滑块移动，滑块与三个连杆铰接从而带动3个构型一致的手指运动，3个手指共同完成抓取与松开动作，实现了一个驱动器驱动7个自由度的欠驱动机构。3、建立了欠驱动末端执行器执行器机构的运动学模型，编制了机构运动学特性分析及仿真软件，采用人机交互优化方法对平面的机构尺寸进行了优化，以各结构参数对包络空间的影响为优化目标，得到一组较优的机构运动学参数为：第一关节初始角θ1为56°，扇形齿轮杆倾斜角θ2为109°，第三关节倾斜角θ3为104°，手指第二关节内曲柄长16mm，手指第三关节长29mm，连杆长度75mm。4、利用ADAMS的二次开发功能实现末端执行器的参数化建模，以确定的结构参数为基础建立模型分析接触力大小，并研究在不同电机转速下执行器接触力的变化情况，最终得出结果为接触力变化范围为10-20N；建立末端执行器各零部件的三维模型并虚拟装配；采用ADAMS对机构进行动态仿真分析，得到机构运动轨迹、位移曲线等虚拟试验结果。5、完成了末端执行器各零部件的工程图，并研制出样机，通过对不同尺寸的苹果的抓取与松开试验，分析苹果尺寸对末端执行器抓取效果的影响，并对比虚拟仿真数据与理论分析数据结果，进一步验证机构设计的合理性。采用Grip系统对抓取力进行测试，测试接触面积及接触力的大小验证了末端执行器的可靠性。6、总结全文，并对研究内容提出进一步的展望。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-22
  1.1 研究的目的和意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-19
    1.2.1 概述  11-12
    1.2.2 国外机械手末端执行器的研究现状  12-15
    1.2.3 国内机械手末端执行器的研究现状  15-19
  1.3 论文主要研究内容  19-20
  1.4 论文的主要研究方法  20-21
  1.5 本章小结  21-22
第二章欠驱动末端执行器工作原理分析  22-29
  2.1 苹果的物理特性  22-24
    2.1.1 苹果的几何特征  22-23
    2.1.2 苹果的力学性能  23-24
  2.2 欠驱动末端执行器的方案设计  24-25
  2.3 欠驱动末端执行器的工作原理  25-26
  2.4 执行器机构中传动设计  26-27
  2.5 欠驱动末端执行器的总体设计  27-28
  2.6 本章小结  28-29
第三章欠驱动末端执行器机构运动学模型的建立  29-53
  3.1 欠驱动末端执行器机构运动学模型的建立  29-31
    3.1.1 建立矢量方程  31
    3.1.2 建立位移方程  31
  3.2 欠驱动末端执行器机构运动特性分析  31-39
    3.2.1 位移分析  31-35
    3.2.2 速度分析  35-37
    3.2.3 加速度分析  37-39
    3.2.4 末端执行器运动学模型分析说明  39
  3.3 欠驱动末端执行器机构的优化设计  39-52
    3.3.1 优化方法  39-40
    3.3.2 优化目标  40
    3.3.3 优化软件平台  40-42
    3.3.4 末端执行器优化软件系统界面  42
    3.3.5 运动分析与优化模块  42-45
    3.3.6 参数对末端执行器机构优化目标的影响  45-51
    3.3.7 参数优化结果  51-52
  3.4 本章小节  52-53
第四章基于 ADAMS 的欠驱动末端执行器参数化设计与虚拟仿真分析  53-73
  4.1 建模方法的选择  53
  4.2 优化平台的开发  53-63
    4.2.1 模型简化  53-54
    4.2.2 定制对话框  54
    4.2.3 优化平台的操作界面及功能  54-55
    4.2.4 末端执行器机构模型参数化  55-57
    4.2.5 运动副参数化及驱动参数化  57-58
    4.2.6 其他设置  58
    4.2.7 末端执行器机构仿真及接触力分析  58-63
  4.3 欠驱动末端执行器虚拟样机的建立  63-66
    4.3.1 欠驱动末端执行器执行及传动系统整机结构设计  63-64
    4.3.2 手指部件的结构设计  64
    4.3.3 传动系统与支撑系统的模型设计  64-65
    4.3.4 三维装配体的建立  65-66
  4.4 欠驱动末端执行器虚拟仿真与测试  66-72
    4.4.1 模型建立与约束添加  66-68
    4.4.2 模型的动画仿真数据采集  68
    4.4.3 运动轨迹的分析  68-69
    4.4.4 运动仿真结果分析  69-72
  4.5 本章小结  72-73
第五章欠驱动末端执行器物理样机的研制及试验研究  73-84
  5.1 零部件的加工  73-74
  5.2 机构的装配及试验台的搭建  74
  5.3 末端执行器抓取试验验证  74-78
    5.3.1 试验材料  74
    5.3.2 试验结果分析及对比  74-78
  5.4 末端执行器抓取力的测量  78-83
    5.4.1 抓取力测试仪器  78-80
    5.4.2 抓取力测试方法  80-81
    5.4.3 结果及数据处理  81-83
  5.5 本章小结  83-84
第六章总结与展望  84-86
  6.1 总结  84-85
  6.2 进一步工作展望  85-86
参考文献  86-90
致谢  90-91
攻读学位期间的科研成果  91

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