基于欠驱动机构的水下作业机械手仿真研究

中　国　工　程　机　械　学　报

CHINESEJOURNALOFCONSTRUCTIONMACHINERYVol.5No.4

　Oct.2007

基于欠驱动机构的水下作业机械手仿真研究

谭定忠,乔锋华,姚　昕,朱丽丹,宋瑞涵

(哈尔滨工程大学机电学院,黑龙江哈尔滨　150001)

摘要:建立了机械手的三维模型,对机械手运动学和动力学性能进行了仿真研究,分析了运动部件之间的相对关系,完成了机械手抓取不同目标物时的运动学、动力学仿真;机械手采用液压驱动方式,驱动力大、结构简单;机械手有3个手指,采用4个驱动元件实现对机械手11个自由度的驱动,3个手指之间的相对位置可根据抓取目标物的形状而改变,抓取物体时具有形状自适应能力.关键词:欠驱动;水下;作业机械手;柔顺抓取

中图分类号:TP241.3　　　　文献标识码:A　　　　文章编号:1672-5581(2007)04-0379-05

SimulationofunderwatermanipulatorbasedonunderactuatingmechanismTANDing2zhong,QIAOFeng2hua,YAOXin,ZHULi2dan,SONGRui2han

(CollegeofMechanicalandElectrical,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

Abstract:A3Dmanipulatormodelisfirstdevelopedbasedonkinematicsanddynamics.Thecorrelationbe2tweenmotionalelementsisthenanalyzedtorealizethekinematicalanddynamicalsimulations.Accordingly,thehydraulicdrivingisappliedintermsofpowerfulactuationandsimplestructure.Indetails,fouractuatorsareusedforathree2fingermanipulatortohandleelevendegreesoffreedom(DOF).Finally,thereciprocalposi2tionsofmanipulatorfingerscanbeadaptedtothecontoursofgrabbedobjects.Keywords:underactuation;underwater;manipulator;complaisantgrabbing

　　在地球表面上,70%左右的面积为海水所覆盖,在这浩瀚无际的海洋下面,蕴藏着取之不尽、用之不竭的丰富资源.随着科学技术日新月异的发展,世界各个国家都十分重视对海洋资源的开发和利用.海中进行的作业任务可分成三类[1,2]:

(1)应急情况下的任务:由于事故导致载人潜水器沉入海底或潜艇发生故障必须将潜水员迅速营救出来,或极贵重或很危险的物件失落于海中,必须采取措施收回,如炸弹、导弹、鱼雷、弹头、飞机、船只、泄漏的管道或有毒、有害放射性物质.为了处理这种应急情况,便提出了海下搜索、检查、回收、打捞、装配、改装和修理等水下作业任务.

(2)商业开发活动:包括开发海底石油、天然气及矿物资源;收集海中水产、海藻及其他海生物;通过铺设海底电缆及油气管线进行通讯和运输,以及水下旅游观光等.(3)科学考察活动:包括海底资源考察、海洋水文考察、地震测量及海洋生物研究等活动.

这些工作的完成需要借助于水下机器人,机械手对于扩大水下机器人有效工作能力具有重要意义.目前使用的水下作业机械手大多采用单自由度夹持器,只能完成一些简单的操作,这类夹持器结构简单、控制方便、负载能力强、可靠性高,但是功能单一、缺少灵活性,只能针对特定的任务进行工作,一旦任务改

作者简介:谭定忠(1970-),男,教授,工学博士.E2mail:tdzh@mail.hl.cn

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变,需要更换末端执行器;多关节多手指的灵巧手具有形状适应能力强、智能程度高的优点,能适应多种不同任务的需要,但是由于采用大量的串联关节,导致结构复杂、控制困难、负载能力差、可靠性低等缺点,目前只限于陆用或太空环境应用,要适应水下作业环境,还需要考虑机械手的密封、驱动等结构布置上的复杂问题[3～5].

1　机械手总体结构设计

　　机械手的三维实体模型如图1所示,机械手的机械本体部分由3个手指、手掌、手指旋转机构、机架、驱动系统等构成,具有多种抓取模式,可以抓取任意形状的物体.包括手指位置旋转自由度在内,该机械手共有11个自由度,通过4个传动连杆和4个微型液压缸的活塞杆相连,1个液压缸负责手指位置调整,另外3个负责手指开合,既可以用手指末关节指面捏取的方式精确抓取,又可完成包络抓取.

机械手含有3个三关节的手指分别为指节1、指节2、指节3,指节长度分别为40,50,55mm,手指的结构除了手指座不同外,其余部分完全相同.手指结构如图2所示,手指各关节几何关系如图3所示.整个手指由两套串联四连杆机构和平行精确抓取机构组成,在手指指节的3个关节处分别通过机械限位来限制手指各关节的图1　机械手模型Fig.1　Modelofthe

manipulator

运动角度,为避免整个手指在弯曲和伸直过程中运动的无序状态,

在平行机构的两端分别装有弹簧,该手指具有一定的形状适应性,且出力大、负载性好.手指零件采用硬铝合金,强度高、刚度好、质量轻,转动的销轴采用不锈钢材料制作.手掌可以增加对物体的约束,为手指转向提供导向,并作为驱动元件布置和安装手指旋转机构的安装基体,由两块通过挡块隔开的不规则平板组成,上、下手掌的内部为一空腔,便于安装手指旋转机构和手指根指座,手掌的掌心处为一平面,便于与手指配合抓握物体,上、下手掌相对的面上有凹槽,能固定不动的手指,并使转动手指能在槽中转动.机械手有2个手指可以绕手指座做相对的转动,使手指从3指向心相对状态转动到1个手指和其余2手指平行相对状态.转动机构由曲柄滑块机构和滑块连杆机构组合而成,把由液压缸活塞杆传来的相对手掌垂直方向的运动转变成2个手指相对手掌为平行方向的转动,给2手指提供相反的转动力.机架用来安装驱动机构和手掌由固定底板、保持板、上支撑和下支撑通过螺栓连接而成,分上下两部分,下部主要安装4个液压油缸和油路,并为与机械臂的连接设计有连接装置.上部主要放置活塞杆和手指之间的传动连杆、限位装置和信号放大器[6,7].

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2　机械手仿真研究

2.1　单个机械手指建模与仿真

运动仿真分析分4个阶段进行:前处理,创建分析方案;定义运动驱动,定义驱动元件、驱动力或力矩等;进行机构仿真,运行分析过程,生成内部数据文件;后处理,分析数据,并转换成动画、图表和报表文件.通过运动仿真可以对机构进行静力学分析、机构运动学和机构动力学分析,机构的运动过程可以生成照片级动画和MPEG格式的电影文件,运动分析的数据可以以电子表格及图表来表示和输出.运动分析模块还可以进行机构和零件间的干涉分析,跟踪零件的运动轨迹,分析机构中零件的速度、加速度、作用力、反作用力和力矩等.

在手指的三维实体模型成功导入后,指定构件质量属性.质量属性将确定仿真分析程序运行时,机构如何阻碍其速度和位置的改变.机构的质量属性由其密度、体积、质量、重心和惯量所组成.对零件可指定其质量、重心及惯量,如果零件的体积为非零值,则只需指定其密度;对组件,则只能指定要进行计算的质量、密度,然后系统会自动计算其余量.注意在质量设置过程中需要保持单位的一致性.

各零件的运动关系在装配时已经定义,机械手的连接方式主要是旋转副连接和滑动杆连接,这样就消除了系统的冗余自由度.在“连接轴定义”中定义手指3个关节轴的初始位置和极限位置.用定义凸轮机构的方式,模仿面接触,使其在受力时不会切入模型.通过“重力”设置重力加速度的方向大小;通过“弹簧”设置方式给每个手指设置4根弹簧,并定义弹簧的属性,通过“阻尼器”设置转动轴的阻尼因子;通过“定义力/扭矩”设置输入力的大小.

仿真的目的是为了得到单个手指的各个指关节的角位移、角速度、角加速度、关节受到的力和力矩以及运动过程是否与预期的相同,运动中各零件间有无干涉,对以前的设计做分析.为了简化模型,各连接轴中的销钉由阻尼器设置的阻尼所取代,由旋转运动的特性可知这不影响手指关节的运动速度和加速度.

仿真是在手指不接触任何物体情况下的分析,仿真分析时可以采用多种分析方式,如:运动学、动态、静态、力平衡等,因为运动学研究在不考虑力作用下的运动,动力学研究作用在系统上的力.而欠驱动关节是由弹簧和限位机构来驱动的,在不考虑力作用下的运动是无序的,所以机械手进行动力学仿真分析,即在“运行分析”中建立“动态”分析并设定分析时间和初始条件状态后,点击“运行”开始分析.为了能更好地显示模型的运动过程,对各部分零件进行了着色处理.仿真分析的参数设置设定驱动力为150N,方向指向y轴正方向,重力加速度为9.8m・s-2,方向指向y轴负方向;设定时间为0.0355s,帧频:10000,仿真方式:动态,在“外部负荷”中起用重力加速度,不起用阻尼.驱动力大小为一恒定值150N.关节2在关节3没有受限制的情况下与关节3保持相对静止,而关节1由于受平行杆机构和弹簧的保持作用下与关节2反方向运动;随着关节3到达极限位置,关节2开始相对关节3转动,关节1继续相对关节2反转,直到关节1到达极限位置.当转动遇到限位机构后停止转动,并在一定角度范围内有抖动.当关节2到达极限位置时关节1的转角有些偏大,这与双平行机构上的弹簧的设置有关系.从结果看,模型各关节的运动过程和预期设计相符合.

图4是关节轴1,2,3接触反作用力与时间的关

图4　关节轴1,2,3接触反作用力与时间的关系

Fig.4　Relationshipbetweentheforceonaxisandtime

系.结合图4和图5,当关节3未运动到极限位置时,

关节轴的作用力随着时间而增大,直到关节3到达极限位置,此时从受力图上可以看到一个跳跃,之后经过一阵振荡,关节轴的受力平缓下降,这与驱动力的方向始终竖直向上,使驱动力臂减小有关.当关节2到达极限位置时又出现一个跳跃.从结果看随着手指弯曲程度加大,驱动力转化到各个关节的分量也随之相

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应减小,这符合设计要求.

图5与图6分别是手指3个关节在外加载荷F=150N作用下运动时的角速度和角加速度曲线.经分析该机械手手指在给定作用力下运动时,各关节的运动速度和加速度符合设计要求.

综合以上的分析结果可知,在给定的驱动力条件下,手指的运动轨迹、各关节之间的作用力、各关节的角速度和角加速度都符合设计要求.同时对手指进行了各零件间的干涉分析,分析结果表明该机械手指的各零件间没有干涉产生,零件的结构设计符合要求.

2.2　机械手抓取作业建模与仿真

机械手指平行抓取细杆的抓取过程仿真分析中外加载荷为F=100N,每个手指上、下弹簧对的系数K分别为2N・mm-1和3N・mm-1,分析时间t=0.04s,帧频为1000,凸轮分离系数取0.01.因为最后成型的手指面要贴上橡胶层,所以静摩擦系数取0.9,动摩擦系数取0.6.先把细杆固定在一个适合的位置,分析的目的是研究机械手的运动过程是否符合设计要求和在给定载荷下手指在接触物体时的冲击力.图7是其中一个手指在抓取过程中指节表面和细杆从不接触到接触后的受力图,手指接触细杆的瞬间受力从0N直接变化到19N左右,之后受力基本保持不变,手指接触细杆后在t=0.0276s时受力约为19.5N,各关节的受力变化如图8所示.　　机械手对心抓取圆球的抓取过程仿真外加载荷为F=100N,每个手指上、下弹簧对的系数K分别为2N・mm-1和3N・mm-1,分析时间t=0.04s,帧频为1000,凸轮分离系数取0.01,因为这个抓取过程是包络抓取,抓持力不再主要是摩擦力,所以可不设定摩擦系数,圆球直径为110mm.先把圆球放在手掌上,分析的目的是研究手爪包络抓取的运动过程是否符合设计要求和在给定载荷下手指在接触物体时的冲击力.开始只有

图7　指节1接触力

Fig.7　Forceonfinger1whenittouchingtheobject

指节3、手掌和球接触,有反作用力,当指节2和球接触时,由于指节2在球表面滑动,它和手掌给球的作

用力使指节3与球分离(与球的直径偏小有关),此时手掌上的反作用力在增加.指节1也接触到球之后,经过调整,受力平稳,3个手指的指节1,2和手掌共7个力形成一个力封闭,使手爪能稳定地抓取圆球.

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　　机械手平行抓取长柱体的过程仿真外加载荷为F=130N,每个手指上、下弹簧对的系数K分别为2N・mm-1和3N・mm-1,分析时间t=0.06s,帧频为1000,凸轮分离系数取0.01,因为包络抓取,抓持力不再是摩擦力,可不设定摩擦系数,柱体直径为80mm.先把柱体球放在手掌上,分析机械手包络抓取的运动过程是否符合设计要求,在给定载荷下手指在接触物体时力的大小.柱体放于机械手的手掌上,随着手指的运动完成对柱体的包络抓取,看出稳定后指节3基本不受力,3个手指的指节1,2和手掌共7个力形成一个力封闭,使手爪能稳定地抓取柱体.

3　结论

图8　手指各关节的受力

Fig.8　Forceonjoints

本文对机械手的工作原理进行了研究,完成

了机械手结构设计,对机械手的运动学和力学特性进行研究、分析和仿真.得到了在驱动力作用下,手指各关节加速度、速度和位移变化曲线,并对抓取不同形状物体的过程和性能参数进行了仿真分析.该机械手有效解决了自由度数目和驱动方式、重量、灵活性之间的矛盾,具有形状自适应能力,抓取物体时,手指能够完全包络物体,并且能够适应物体的形状,结构简单、重量轻,能完成捏拿、抓握等动作,采用液压驱动,可用于水下机器人完成诸如水下救生打捞、清除废物以及装配、修理、连接海下装置等任务.参考文献:

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