王浩天

（南通大學(xué)，江蘇南通 226019）

0 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展促使工業(yè)發(fā)展速度需要隨之提升，應(yīng)用到更加先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)，能夠提高工業(yè)生產(chǎn)效率，優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量。因此，在新時(shí)代的生產(chǎn)發(fā)展中，以往所應(yīng)用到的傳統(tǒng)機(jī)器人算法呈現(xiàn)出一定弊端。尤其是較為復(fù)雜的航空、鐵路等大中型企業(yè)，急需能夠適應(yīng)更加復(fù)雜工作環(huán)境的先進(jìn)自動(dòng)化機(jī)械手爪。隨著相關(guān)研究人員不斷圍繞機(jī)械手爪優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究探討，促使機(jī)械手爪的自動(dòng)化控制領(lǐng)域呈現(xiàn)出了全新發(fā)展趨勢(shì)。基于這樣的需求背景，本文將對(duì)機(jī)械手爪基于數(shù)值優(yōu)化的設(shè)計(jì)以及仿真運(yùn)動(dòng)等進(jìn)行綜合研究，從而促使機(jī)械手爪呈現(xiàn)出全新設(shè)計(jì)效果。

1 機(jī)械手爪的數(shù)值優(yōu)化

1.1 數(shù)值優(yōu)化定義

基于機(jī)械手爪設(shè)計(jì)的數(shù)值優(yōu)化，一般情況下是指滿(mǎn)足機(jī)械手爪實(shí)際應(yīng)用反應(yīng)過(guò)程當(dāng)中約束條件及工件拾取重量最小的結(jié)構(gòu)參數(shù)。這些結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)施優(yōu)化，一方面可以促使機(jī)械手爪在規(guī)定應(yīng)用行程內(nèi)以最短時(shí)間運(yùn)送工件數(shù)量達(dá)到最大化，另一方面促使機(jī)械手爪應(yīng)用效率提升，節(jié)約工業(yè)生產(chǎn)成本，使工業(yè)自動(dòng)化呈現(xiàn)出更好的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 機(jī)械手爪定義

機(jī)械手爪本質(zhì)上應(yīng)用的是仿生技術(shù)，借助于科學(xué)技術(shù)仿造人類(lèi)手部功能的自動(dòng)化機(jī)械抓取裝置，廣泛用于工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行。機(jī)械手爪的構(gòu)造不僅需要執(zhí)行器感知周?chē)h(huán)境信息，同時(shí)也需要其中能夠獲取數(shù)據(jù)集中分析的高度集成機(jī)電系統(tǒng)，這樣才能在智能分析當(dāng)前環(huán)境數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)械手爪發(fā)出抓取指令，促使其精準(zhǔn)完成行程任務(wù)。結(jié)合當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)當(dāng)中常見(jiàn)應(yīng)用到的機(jī)械手爪進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其主要特征則是能夠簡(jiǎn)單控制、精準(zhǔn)抓取并具有良好適應(yīng)性，適應(yīng)不同環(huán)境下的生產(chǎn)工作需求。在運(yùn)行過(guò)程當(dāng)中，機(jī)械手爪一般分為平動(dòng)及張角兩種不同方式，相應(yīng)地機(jī)械手爪也分為二指張角手爪及二指平動(dòng)手爪兩種不同形式。

2 機(jī)械手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案

研究基于數(shù)值優(yōu)化下的機(jī)械手爪設(shè)計(jì)方案，最佳選擇平行四邊形索桿析架結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。這主要是由于其存在5 個(gè)以上的自由度，并且平行四邊形索桿析架結(jié)構(gòu)僅需兩個(gè)電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)繩索完成機(jī)械手爪捕捉釋放動(dòng)作。作為欠驅(qū)動(dòng)類(lèi)型結(jié)構(gòu)，應(yīng)用這一設(shè)計(jì)模式能夠促使機(jī)械手爪抓取空間拓展為最大化模式，從而確保在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中完成大型目標(biāo)物捕捉，具有良好應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，完成捕捉任務(wù)時(shí)不需要確定目標(biāo)形狀即可完成。

設(shè)計(jì)時(shí)需要促使機(jī)械手爪各個(gè)桿件單元結(jié)合繩索進(jìn)行串聯(lián)，從而減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。并且降低結(jié)構(gòu)摩擦阻尼，不僅能對(duì)機(jī)械手爪運(yùn)動(dòng)順序進(jìn)行調(diào)整，同樣也可以提高抓取力，確保機(jī)械手抓取目標(biāo)時(shí)具有良好剛度保障。作為桁架結(jié)構(gòu)當(dāng)中相對(duì)較為簡(jiǎn)單的形式，平行四邊形索桿在邊界處布置剛性桿，促使桿件任意位置都能夠接觸捕捉目標(biāo)。并且借助于機(jī)械手爪的摩擦關(guān)節(jié)，能夠調(diào)節(jié)索桿單元運(yùn)動(dòng)順序，纏繞繩索變化改變拉力傳遞方向，從而改變機(jī)械手爪最終傳遞的單元運(yùn)動(dòng)次序。這樣能夠確保機(jī)械手爪上下桿單元始終處于平衡狀態(tài)，縮小單元結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)角度，提高抓取精準(zhǔn)度。

2.2 確定結(jié)構(gòu)單元尺寸設(shè)計(jì)

該機(jī)械手爪的設(shè)計(jì)基本構(gòu)造為圓柱物體，已知底圓半徑為r0，代表機(jī)械手爪能夠抓取目標(biāo)的最大半徑范圍，對(duì)應(yīng)位置則為整體機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)的圓心以及基點(diǎn)。結(jié)合實(shí)際當(dāng)中對(duì)機(jī)械手爪優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的物體目標(biāo)簡(jiǎn)圖進(jìn)行充分研究發(fā)現(xiàn)?；谠诠I(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中的應(yīng)用需求，考慮到機(jī)械手爪在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程抓取目標(biāo)的行程效果，則需要在該結(jié)構(gòu)單元中設(shè)定與目標(biāo)接觸時(shí)，能夠大于圓心設(shè)定目標(biāo)。同時(shí)機(jī)械手爪的各個(gè)單元轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)尺寸則需要設(shè)定為r，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)接觸目標(biāo)抓取物時(shí)所產(chǎn)生的單元間距則為s，這樣可以設(shè)定機(jī)械手爪抓取物最大直徑為1.5 m。

2.3 構(gòu)建三維分析模型

欠驅(qū)動(dòng)索桿析架其結(jié)構(gòu)部件眾多，包括基座、桿件相對(duì)測(cè)量裝置、摩擦關(guān)節(jié)、平行四邊形索桿析架以及限位關(guān)節(jié)等?；谶@樣的機(jī)械手爪三維模型，其中最為關(guān)鍵的是摩擦關(guān)節(jié)及限位關(guān)節(jié)。根據(jù)機(jī)械手爪數(shù)值優(yōu)化設(shè)計(jì)下的三維結(jié)構(gòu)模型研究發(fā)現(xiàn)，限位關(guān)節(jié)最主要的功能是促使限位塊能夠互相配合，從而達(dá)到良好協(xié)作作用[1]。避免機(jī)械手爪抓取物體時(shí)，由于單元桿相反，從而導(dǎo)致無(wú)法抓取物體。而有關(guān)三維模型當(dāng)中機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)的摩擦關(guān)節(jié)及實(shí)際功能進(jìn)行分析研究發(fā)現(xiàn)，摩擦塊連接一側(cè)桿件，使用壓緊螺母對(duì)摩擦塊進(jìn)行壓緊處理。

2.4 結(jié)構(gòu)力學(xué)分析

進(jìn)一步分析基于機(jī)械手爪的數(shù)值優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)力學(xué)，其抓取力的控制一般情況下是設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)中最為關(guān)鍵的指標(biāo)，因此需要進(jìn)一步分析其受力范圍。假設(shè)機(jī)械手爪的每一摩擦塊接頭處對(duì)抗的摩擦力矩為M1-M5，則接觸桿外部集中力則設(shè)定為F1-F5，摩擦力則對(duì)應(yīng)為f1-f5，而集中力矩則表示為t1-t5。張拉索的向上拉力則設(shè)定為T(mén)1-T2。則為了能夠更加清晰直觀的分析基于數(shù)值優(yōu)化下機(jī)械手爪其力學(xué)效果，可參考圖1 中的結(jié)構(gòu)構(gòu)件及轉(zhuǎn)動(dòng)軸序號(hào)。

圖1 機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)桿件及轉(zhuǎn)軸

另外，在對(duì)機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)實(shí)時(shí)拆分的過(guò)程中，需要按照順序節(jié)點(diǎn)以及接觸構(gòu)件逐項(xiàng)拆解。根據(jù)機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及節(jié)點(diǎn)所設(shè)立的方程式如下所示。

機(jī)械手爪單元1 結(jié)構(gòu)當(dāng)中的接觸桿，應(yīng)力的計(jì)算方程為：

其中，Z5、Z6表示在機(jī)械手爪單元1 當(dāng)中的軸21 以及桿13上所形成的水平以及垂直力，相應(yīng)地，Z3、Z4表示在軸11 以及桿13 上的水平以及垂直力，b0表示的則為機(jī)械手爪單元外部結(jié)構(gòu)當(dāng)中的作用點(diǎn)到軸11 上的距離。以此類(lèi)推，數(shù)值優(yōu)化下機(jī)械手爪設(shè)計(jì)中分析其軸12、桿12、張拉索、張緊拉線(xiàn)等水平角度的力學(xué)均可以應(yīng)用這個(gè)公式進(jìn)行計(jì)算，僅需替換代表值即可獲取。按照這樣的方程式迭代求解，如若最終表達(dá)式相對(duì)較為復(fù)雜，則可以利用到MATLAB 方式進(jìn)行簡(jiǎn)化?？紤]到實(shí)際機(jī)械手爪及應(yīng)用過(guò)程當(dāng)中的6 N·m 電機(jī)才能夠確保輸出最大扭矩，此時(shí)，假設(shè)集中力與外力二者參數(shù)值一致，則所能夠控制的平均力表示為100 N，轉(zhuǎn)軸材料45#鋼，連桿為YL12 鋁管。只有借助于這樣的材料及受力效果，才能避免由于變形或斷裂導(dǎo)致的機(jī)械手爪裝置抓取失敗。結(jié)合上述機(jī)械手爪數(shù)值優(yōu)化的力學(xué)效果研究分析，當(dāng)單元1 為100 N 張拉索拉力時(shí)，單元2 無(wú)張拉索拉力，則需要對(duì)摩擦塊接頭進(jìn)行調(diào)整，從而確保其摩擦力矩能夠符合5 個(gè)單元的實(shí)際接觸需求。最高達(dá)到450 N 的加持力，相較于鋼絲繩張力等于其5 倍數(shù)值，則證明基于數(shù)值優(yōu)化下的機(jī)械手爪具有良好夾持力。

3 機(jī)械手爪運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 運(yùn)動(dòng)仿真學(xué)

研究機(jī)械手爪的運(yùn)動(dòng)仿真模式，首先需要設(shè)定結(jié)構(gòu)桿件參數(shù)以及捕捉目標(biāo)。利用MATLAB 編程以及運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算原則，對(duì)機(jī)械手爪驅(qū)動(dòng)繩索、轉(zhuǎn)角節(jié)速度、結(jié)構(gòu)末端位置等全面建立在三維模型當(dāng)中。從而結(jié)合ADAMS 軟件分析輸出PROE 仿真模擬實(shí)例，分析其仿真運(yùn)動(dòng)學(xué)。其次，則需要在桿件間設(shè)計(jì)捕捉目標(biāo)以及接觸碰撞，模擬機(jī)械手爪獲取目標(biāo)時(shí)整體結(jié)構(gòu)與接觸碰撞桿件之間的極限運(yùn)動(dòng)[2]。需要在每一個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)處設(shè)置電機(jī)并模仿桿件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并測(cè)定轉(zhuǎn)動(dòng)軸心距離。明確驅(qū)動(dòng)繩長(zhǎng)度，在關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中所產(chǎn)生的變化求出其實(shí)際長(zhǎng)度以及角速度等模擬數(shù)據(jù)。最后，對(duì)比計(jì)算結(jié)果與模擬結(jié)果，從而進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)械手爪運(yùn)動(dòng)仿真研究理論。

3.2 靜力學(xué)分析

在研究機(jī)械手爪運(yùn)動(dòng)仿真的過(guò)程中，同樣需要研究其靜力學(xué)仿真效果。設(shè)定相應(yīng)研究程序。首先需要簡(jiǎn)化繩索拉力，確保機(jī)械手爪基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型與運(yùn)動(dòng)仿真研究模型二者之間存在較高相似性。其次，處理三維模型，并將三維模型中的眾多有關(guān)機(jī)械手爪靜力學(xué)仿真數(shù)據(jù)輸入到模擬軟件當(dāng)中。然后，當(dāng)獲取相應(yīng)抓取目標(biāo)后，機(jī)械手爪摩擦關(guān)節(jié)則會(huì)為了避免整體裝置反方向移動(dòng)而產(chǎn)生靜摩擦阻力，形成運(yùn)行驅(qū)動(dòng)力。最后則是對(duì)當(dāng)前測(cè)量結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，如若模擬結(jié)果與計(jì)算數(shù)值其處于一致?tīng)顟B(tài)，則進(jìn)一步證明靜力學(xué)仿真研究成果的成功性。

3.3 動(dòng)力學(xué)分析

研究機(jī)械手爪的動(dòng)力學(xué)仿真則與運(yùn)動(dòng)仿真存在較大一致性，同樣需要在機(jī)械手爪每一關(guān)節(jié)處安裝相應(yīng)電機(jī)[3]。結(jié)合MATLAB 曲線(xiàn)擬合工具箱對(duì)理論計(jì)算值進(jìn)行導(dǎo)入處理，完成多項(xiàng)式擬合處理之后，隨即完成編輯處理驅(qū)動(dòng)電機(jī)。其次，需要對(duì)機(jī)械手爪每一關(guān)節(jié)處電機(jī)的運(yùn)行速度進(jìn)行實(shí)時(shí)管控，關(guān)注其在每一環(huán)節(jié)當(dāng)中不同的變化狀態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量，包括運(yùn)動(dòng)角加速度、角速度以及等效關(guān)節(jié)扭矩等變化。最后，需要控制機(jī)械手爪關(guān)節(jié)電機(jī)，如果在短暫接觸碰撞完成后，能夠快速穩(wěn)定波動(dòng)并穩(wěn)定關(guān)節(jié)電機(jī)位移狀況，則進(jìn)一步證明桿件運(yùn)動(dòng)的良好意義，證明動(dòng)力學(xué)仿真理論完全正確。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，建立在數(shù)值優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對(duì)于當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中常用的機(jī)械手爪設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真進(jìn)行研究，建立三維模型，進(jìn)一步印證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性以及運(yùn)動(dòng)仿真的理論的可行性。