基于气动人工肌肉驱动的多关节机械手指动_力学仿真毕业论文(编辑修改稿)

基于气动人工肌肉驱动的多关节机械手指动_力学仿真毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

说明书（论文） 第 10 页 图 24 手指的关节结构 2 1 手指的关节设计 A:关节机制 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 11 页 气动肌肉驱动器能够完成其它任何机械无法替代的模拟人体肌肉的直线的运动。 因此 ,有必要将直线运动推广到回转运动以应用于机器人领域。 在本文中 ,选择了一个简单的曲柄滑块机构将直线运动转换成所需的回转运动。 气动肌肉驱动器的主弹性力使曲柄沿垂直轴平移。 这导致连杆旋转一个角度θ如图 25 所示。 图 25 手指关节结构示意图 B：系统分析 本节的目的是为了确定总输出力，位移与气动肌肉的驱动力的关系： 1)位置分 析 : 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 12 页 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 13 页 当肌肉气压加载， 气动肌肉压缩长度 X,连杆 L 旋转角θ计算方式如下 : 连杆和曲柄半径分别为 L1和 L2,L0 是初始位置曲柄和驱动器之间的距离。 2)受力分析 : ）（   c o sc o s20 LLFF)s i ns i nc o s( c o sc o s2   LLF202122202)c osLxLLLxLar）（（ 212021222)(c o sLLxLLL  2c o s1s in 202122202)c osLxLLLxL）（（南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 14 页 气动肌肉驱动器 压缩引起的弹性力可以有气动肌肉的压缩量和输出力关系性能曲线获得。 为了确定手指关节各部分的尺寸，我们根据手指的长度，我们可以设定连杆长度（ L1）为 18mm,手指 初始位置曲柄和驱动器之间的距离（ L0） 为 13mm，曲柄 根据 实际情况取 15mm， 10mm， 6mm，分别比较他们的偏转角度和输出力(F0L/FL2)的大小。 表 21 不同长度曲柄下的转角和输出力 曲柄 长度 L2(mm） 偏转 角度 θ（ 0） 输出 力大小 6 0~ 10 0~ 15 0~ 可以根据以上公式，可以计算 曲柄不同长度时的连杆的角度和最大受力 ，比较偏转角度和输出力，我们这里选择手指曲柄为 10mm 最符合要求。 如表 21所示 表 22 手指关节尺寸 变量 单位 数值 曲柄长度（ L2) mm 10 连杆 (L1) mm 18 极限位置距离（ L0） mm 13 气动肌肉的位移范围（ X) mm 0~10 通过上面数据带入 θ 求解公式可得公式，手指的偏转角度的范围为 满足设计要求，力的大小可以根据上面的 F0 公式进行计算。  2c o s1s in 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 15 页 . 手指关节的建模 因为手指有三个关节，每一个关节又有许多零件，三个手指关节的驱动原理和结构一样，所以这里以滑块简要的介绍手指建模过程。 solidworks，在菜单栏中找到草图绘制，然后选择草图绘制的基准面，一般选择前视基准面（ XY 为基准面）。 如图 26 所示 图 26 基准面的建立 27 所示的草图，用鼠标选中刚刚绘制的长方形，然后在实体特征中选择实体拉伸，输入拉伸的距离，最后点击确定，得到一个长方体。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 16 页 图 27 绘制长方形过程 ，和刚刚的长方体类似，一般都是先绘制零件草图，然后对草图进行旋转，拉伸，偏置，镜像等 7处理，得到设计要求的三维图，如图 28 所示，零件滑块已经建立完成。 图 28 关节滑块图 灵巧手指的装配和三维模型的导出 由于其他手指零件的绘制过程基本类似，当零件建立结束后， 首先要进行零件图的装配，首先新建装配体，然后点击开始装配，浏览指向零件图的位置，并且选择其中一个零件作为基准件，单击插入新的零部件，浏览所要装配的零部件，选择两个零部件的配合形式，然后其他零件以此类推，最终建立一个三维实体手指图，本装配的过程涉及到配合，目前常见的配合有重合、同轴心、平行、相切、距离、垂直等，本装配主要涉及到同轴心、平行和接触，手指装配完成，检查没有问题后，便可以将装配图转化为 ADAMS 格式输出。 在SolidWorks 中把手指的装配图另存为 ParaSolid 格式（文件已 .x_t 结尾的）。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 17 页 图 28 手指装配图 第三章 多关节手指的动力学仿真分析 仿真软件 ADAMS 和 MATLAB 简介 (1) ADMAS 简介 ADAMS 作为世界上使用最广泛的多体动力学（ MBD）软件， ADAMS 可以帮助工程师研究运动部件，在机械系统的动力学中载荷和力如何分布。 产品制造南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 18 页 商往往很难理解真正的系统性能，直到在设计过程结束时。 机械，电力等子系统对他们的系统工程过程中的具体要求进行验证，但整个系统的测试和验证来得晚，导致返工，而且是风险更大，比那些提前设计变更的成本更大。 ADAMS 作为 世界上最有名的和广泛使用的多体动力学（ MBD）软件， ADAMS提高工程效率，降低产品开发成本，使早期的系统级设计验证。 工程师可以评估和管理学科，包括运动，结构，驱动和控制之间复杂的相互作用，以便更好地优化产品设计性能，安全性和舒适。 凭着强大的分析能力和高性能计算的优势， ADAMS 可以大规模地优化设计问题。 利用多体动力学解决方案技术， ADMAS通过非线性动力学，用很少的时间有限元来分析解决方案。 载荷和力通过ADAMS模拟计算，提供他们在整个全范围运动和操作环境如何变优化为最佳状态，提高有限元分析的准确性。 (2) MATLAB 简介 MATLAB 拥有算法开发、数据分析、和模型建立的数值计算方法。 MATLAB 的数学函数内部有处理器优化库，这样就可以使向量运算和矩阵运算快速地运行。 MATLAB 内置的各种工具可以实现高效的算法开发，包括： 1. MATLAB 命令行窗口：能够以交互的方式输入数据，执行命令和程序，以及显示结果 2. MATLAB 编辑器：不仅可以设置程序断点及逐步调试各行代码，而且拥有编辑和调试功能 3. 代码分析器：自动检查代码是否有问题，并提出修改建议，以最大限度地发挥性能以及可维护性 4. MATLAB 事件探查器 ：衡量 MATLAB 程序的性能，并确定需要修改加以改进的代码范围 其他工具可以对代码和数据文件进行比较，并提供显示文件相关性、注释提示和代码涵盖范围的报告。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 19 页 动力学仿真过程介绍 ADAMS 参数设置过程 1） 在 ADAMS 中的 import 选择文件类型 parasolid（ .x_t），指向保存的文件，在文件类型中中选择 ASCII,因为保存的文件是组件，所以选 model name，在后面的空格里单击右键，选 model，再选 create，默认名字，点击 OK。 如图31 所示： 图 31 导入参数设置过程 2） 在菜单栏点击 connectors 按钮，设置相关转动副和移动副，并将手指底部与大地锁定。 如图 32 所示 3）单击菜单栏里的 motions，然后单击选择按钮 translationnal joint motion，点击前面设置的滑动副，然后填写移动速度为 1*time，点击 ok，其他两个滑动副设置过程相同，如图 33 所示。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 20 页 图 32 运动副设置图 图 33 驱动设置过程 4）单击菜单栏里的 simulation，选择 simulation controls，把 end time 设置为 ,其中 steps 设置为 500，点击开始按钮，观察图形的运动过程，如果没有错误就可以开始输入输出参数的设置了。 图 34 是手指在 Adams 的仿真参数设置过程，图 35 为仿真结果的显示。 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 21 页 图 34 仿真过程参数设置 图 35 仿真效果图 模拟手指受理情况，在手指末端施加 的里，这个力是随着手指移动南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 22 页 的，这个时候给三个关节施加驱动，让手指开始弯曲，观察手指的运动，并且查看手指三个滑动副的受力情况，分析受力曲线，如图 36 所示，是手指的三个驱动器受力情况。 由图可知，当手指一开始运动时，由于此时驱动器在初始位置，滑块和中间连杆的夹角很小，此时必需很大的驱动力才能推动手指运动，但是在实际情况下，手指一般都是弯曲过后才会有负载，所以真实情况下手指开始并不需要多大驱动力，只需要考虑手指弯曲后的情况即可，如图可知，手指弯曲后的驱动力接近于一个常量， joint10 是在手指连接手掌的关节，所以一开始的力比其他两个关节的力要大。 图 36 手指受负载时三个驱动受到的力 其中 Joint10：下指节。 Joint11：中指节。 Joint12：上指节 图 37 手指末端角速度变化曲线 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 23 页 图 38 手指末端角加速度变化曲线 图 39 手指末端位移变化曲线 图 310 三个关节的转矩图 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 24 页 5）输入输出参数的选择过程是非常重要的，由于手指有三个关节，因此必须有三个参数的输入，我们这里把手指的滑动驱动设置为输入参数，多关节手指关节的指端角速度为输出参数。 单击菜单栏中建立按钮，打开 System Elements 选项，打 开 State Variable，点击 New 选项，创建状态变量对话框。 将名称改成 . （ MODEL_1 为文件名， speed 为变量名）。 单击 OK 按钮后创建状态变量 speed1d作为输入变量。 其他三个驱动设置为 speed2， speed3，如图 311 所示 图 311 创建输入状态变量 将状态变量与模型关联 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 25 页 在手指右侧的 motion 菜单中选择 joint motion 选项，右击选择 modifly选 项 ， 打 开 编 辑 对 话 框 ， 在 函 数 输 入 框 中 输 入VARVAL(.)*time ，其中 VARVAL（）是一个 ADAMS 函数，它返回变量 . 的值。 通过 Varval 把状态变量 speed1 与速度关联起来，速度等于自于状态变量 speed1 的数值。 如图 312 所示 图 312 将状态变量与模型关联 指定状态变量 speed1 为输入变量 单击菜单栏的建立按钮，选择窗口中的 Controls Toolkit，点击 Plant Input 创建输入变量，弹出控制输入对话框，将状态输入名称 输入框改成 ., 点击变量名称输入框中，可以使用右键鼠标快速输入状态变量 .， .,.，单击 OK按钮。 如图 313 所示 南京工程学院毕业设计说明书（论文） 第 26 页 313 指定状态变量 speed1 为输入变量 创建输出变量 单击菜单栏中建立按钮，打开 System Elements 选项，打开 State Variable，点击 New选项，跳出状态变量窗口。 将名称输入框修改成 Angle，在 F(time,… )后面点击 按钮，然后选择 WX 函数，后面的参数填写(MARKER_55,MARKER_45,MARKER_45），点击应用按钮创建状态变量 Angle作为输出变量，其中 WX（）函数返回绕 X 轴旋转的角速度，这里代表手指末端的角速度。 手指末端位移的设置与上面角速度设置类似，如图 314 所示 图 314 创建输出状态变量 指定状态变量 angle 为输出变量 单击菜单栏的建立按钮，。