王浩天

（南通大學(xué)，江蘇南通 226019）

0 引言

社會經(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，在新時代的生產(chǎn)發(fā)展中，以往所應(yīng)用到的傳統(tǒng)機器人算法呈現(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)自動化機械手爪。隨著相關(guān)研究人員不斷圍繞機械手爪優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行研究探討，促使機械手爪的自動化控制領(lǐng)域呈現(xiàn)出了全新發(fā)展趨勢?；谶@樣的需求背景，本文將對機械手爪基于數(shù)值優(yōu)化的設(shè)計以及仿真運動等進(jìn)行綜合研究，從而促使機械手爪呈現(xiàn)出全新設(shè)計效果。

1 機械手爪的數(shù)值優(yōu)化

1.1 數(shù)值優(yōu)化定義

基于機械手爪設(shè)計的數(shù)值優(yōu)化，一般情況下是指滿足機械手爪實際應(yīng)用反應(yīng)過程當(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)實施優(yōu)化，一方面可以促使機械手爪在規(guī)定應(yīng)用行程內(nèi)以最短時間運送工件數(shù)量達(dá)到最大化，另一方面促使機械手爪應(yīng)用效率提升，節(jié)約工業(yè)生產(chǎn)成本，使工業(yè)自動化呈現(xiàn)出更好的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2 機械手爪定義

機械手爪本質(zhì)上應(yīng)用的是仿生技術(shù)，借助于科學(xué)技術(shù)仿造人類手部功能的自動化機械抓取裝置，廣泛用于工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)運行。機械手爪的構(gòu)造不僅需要執(zhí)行器感知周圍環(huán)境信息，同時也需要其中能夠獲取數(shù)據(jù)集中分析的高度集成機電系統(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，對機械手爪發(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)自動化生產(chǎn)當(dāng)中常見應(yīng)用到的機械手爪進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其主要特征則是能夠簡單控制、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。在運行過程當(dāng)中，機械手爪一般分為平動及張角兩種不同方式，相應(yīng)地機械手爪也分為二指張角手爪及二指平動手爪兩種不同形式。

2 機械手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計方案

研究基于數(shù)值優(yōu)化下的機械手爪設(shè)計方案，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。這主要是由于其存在5 個以上的自由度，并且平行四邊形索桿析架結(jié)構(gòu)僅需兩個電機同步驅(qū)動繩索完成機械手爪捕捉釋放動作。作為欠驅(qū)動類型結(jié)構(gòu)，應(yīng)用這一設(shè)計模式能夠促使機械手爪抓取空間拓展為最大化模式，從而確保在實際應(yīng)用過程當(dāng)中完成大型目標(biāo)物捕捉，具有良好應(yīng)用優(yōu)勢，完成捕捉任務(wù)時不需要確定目標(biāo)形狀即可完成。

設(shè)計時需要促使機械手爪各個桿件單元結(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，不僅能對機械手爪運動順序進(jìn)行調(diào)整，同樣也可以提高抓取力，確保機械手抓取目標(biāo)時具有良好剛度保障。作為桁架結(jié)構(gòu)當(dāng)中相對較為簡單的形式，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)。并且借助于機械手爪的摩擦關(guān)節(jié)，能夠調(diào)節(jié)索桿單元運動順序，纏繞繩索變化改變拉力傳遞方向，從而改變機械手爪最終傳遞的單元運動次序。這樣能夠確保機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)運動角度，提高抓取精準(zhǔn)度。

2.2 確定結(jié)構(gòu)單元尺寸設(shè)計

該機械手爪的設(shè)計基本構(gòu)造為圓柱物體，已知底圓半徑為r0，代表機械手爪能夠抓取目標(biāo)的最大半徑范圍，對應(yīng)位置則為整體機械手爪結(jié)構(gòu)的圓心以及基點。結(jié)合實際當(dāng)中對機械手爪優(yōu)化設(shè)計方案的物體目標(biāo)簡圖進(jìn)行充分研究發(fā)現(xiàn)?；谠诠I(yè)自動化生產(chǎn)中的應(yīng)用需求，考慮到機械手爪在實際應(yīng)用過程抓取目標(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，能夠大于圓心設(shè)定目標(biāo)。同時機械手爪的各個單元轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)尺寸則需要設(shè)定為r，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)接觸目標(biāo)抓取物時所產(chǎn)生的單元間距則為s，這樣可以設(shè)定機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)動索桿析架其結(jié)構(gòu)部件眾多，包括基座、桿件相對測量裝置、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)機械手爪數(shù)值優(yōu)化設(shè)計下的三維結(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]。避免機械手爪抓取物體時，由于單元桿相反，從而導(dǎo)致無法抓取物體。而有關(guān)三維模型當(dāng)中機械手爪結(jié)構(gòu)的摩擦關(guān)節(jié)及實際功能進(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)一步分析基于機械手爪的數(shù)值優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)力學(xué)，其抓取力的控制一般情況下是設(shè)計整體結(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)機械手爪的每一摩擦塊接頭處對抗的摩擦力矩為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T1-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)動軸序號。

圖1 機械手爪結(jié)構(gòu)桿件及轉(zhuǎn)軸

另外，在對機械手爪結(jié)構(gòu)實時拆分的過程中，需要按照順序節(jié)點以及接觸構(gòu)件逐項拆解。根據(jù)機械手爪結(jié)構(gòu)構(gòu)件以及節(jié)點所設(shè)立的方程式如下所示。

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

其中，Z5、Z6表示在機械手爪單元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表示的則為機械手爪單元外部結(jié)構(gòu)當(dāng)中的作用點到軸11 上的距離。以此類推，數(shù)值優(yōu)化下機械手爪設(shè)計中分析其軸12、桿12、張拉索、張緊拉線等水平角度的力學(xué)均可以應(yīng)用這個公式進(jìn)行計算，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)式相對較為復(fù)雜，則可以利用到MATLAB 方式進(jìn)行簡化?？紤]到實際機械手爪及應(yīng)用過程當(dāng)中的6 N·m 電機才能夠確保輸出最大扭矩，此時，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)致的機械手爪裝置抓取失敗。結(jié)合上述機械手爪數(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，單元2 無張拉索拉力，則需要對摩擦塊接頭進(jìn)行調(diào)整，從而確保其摩擦力矩能夠符合5 個單元的實際接觸需求。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)化下的機械手爪具有良好夾持力。

3 機械手爪運動仿真

3.1 運動仿真學(xué)

研究機械手爪的運動仿真模式，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 編程以及運動學(xué)計算原則，對機械手爪驅(qū)動繩索、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 仿真模擬實例，分析其仿真運動學(xué)。其次，則需要在桿件間設(shè)計捕捉目標(biāo)以及接觸碰撞，模擬機械手爪獲取目標(biāo)時整體結(jié)構(gòu)與接觸碰撞桿件之間的極限運動[2]。需要在每一個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動處設(shè)置電機并模仿桿件間相對運動，并測定轉(zhuǎn)動軸心距離。明確驅(qū)動繩長度，在關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動過程當(dāng)中所產(chǎn)生的變化求出其實際長度以及角速度等模擬數(shù)據(jù)。最后，對比計算結(jié)果與模擬結(jié)果，從而進(jìn)一步驗證機械手爪運動仿真研究理論。

3.2 靜力學(xué)分析

在研究機械手爪運動仿真的過程中，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。首先需要簡化繩索拉力，確保機械手爪基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模型與運動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，機械手爪摩擦關(guān)節(jié)則會為了避免整體裝置反方向移動而產(chǎn)生靜摩擦阻力，形成運行驅(qū)動力。最后則是對當(dāng)前測量結(jié)果進(jìn)行檢驗，如若模擬結(jié)果與計算數(shù)值其處于一致狀態(tài)，則進(jìn)一步證明靜力學(xué)仿真研究成果的成功性。

3.3 動力學(xué)分析

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

4 結(jié)束語

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