摘 要

机械手爪是机器人的最终执行机构，用于执行捕获操作。但是用传统的机械手爪因为刚度比较大所以很难抓住柔软脆弱的物体。软体机械手的柔顺性正好可以满足这一需要。软体机械手是采用柔性材料制造的机械手，可通过自身形变来实现抓取功能，而且具有良好的弹性。

本文采用气动软体驱动器使手指在气压状态下实现弯曲，手指材料选用硅胶，可以与目标对象进行柔性接触，以减少工作过程中产生的冲击，并且根据目标对象的特征改变自身形状。手指结构选取多气囊型，该结构灵活度高、柔韧性好，使用较小的气压就可以实现较大的弯曲变形。

同时仿造娃娃机抓手和雨伞开合结构设计了张合结构，可以实现三根手指之间角度的变化，以适应不同的抓取物大小。张合结构由电动推杆、小底盘、连杆、手指套环组成；通过电动推杆实现上下运动，带动与之通过螺纹头相连接的小底座带动与小底座相连的连杆，再通过连杆带动手指套换从而带动手指进行张合运动。

论文的整体思路如下：

第一章，介绍了当前机械手的研究现状，总结归纳了当前机械手的研究方向，机械手动力驱动的常见方法，以及国内外研究现状；从而对比出本文设计的手指具有的优势与研究意义，还叙述了论文的思路与整体结构。

第二章，进行了机构选型。目的是实现手指间的张合运动，需要选取合适的机构来实现。比较了如下几种机构：齿轮齿条、凸轮、推杆机构，最终选择推杆机构。同时借鉴伞架结构，最终选用了推杠机构结合四杆机构实现驱动。

第三章，进行了机构几何尺寸的计算。由上章可知，选用了四杆机构完成了手指的夹合，选用推杆机构使电机作为四杆机构的驱动装置。本章目标是实现抓取功能，对于四杆机构要求摆杆摆动角度范围为0-30°，同时根据抓取物的大小设计尺寸，抓取物选择鸡蛋为参照目标；对于推杆机构拟选用电动推杆。

第四章，进行了气泵选型，同时选取了电动推杆机构型号。

关键词：柔性机械手；无损抓取；气动柔性驱动器

Abstract

The manipulator claw is the end effector of the robot, which is used to realize grasping operation.

But it is difficult to grasp soft and fragile objects with traditional manipulator claws.

The flexibility of the soft manipulator can meet this need.

The soft manipulator is a manipulator made of flexible materials, which can grasp by its own deformation.

In this paper, pneumatic software driver is used to make fingers bend in the state of air pressure. The fingers are made of silica gel, which can make flexible contact with the target object, so as to reduce the impact in the working process and change their shape according to the characteristics of the target object.

The finger structure is multi-airbag type, which get high flexibility and good flexibility, and can have large bending deformation with less air pressure.

At the same time, the open and close structure of the hand and the umbrella of the imitation doll machine .The design has a tensioning structure, which could change the Angle between the three fingers to adapt to different sizes of grasping objects .

The pressure structure is driven by a screwdriver, which is then driven up and down by a nail.

The overall idea of the paper is as follows:

The first chapter introduces the current researches status, and summarizes the current research direction, the general methods of power supply for operators and the research status at home and abroad.

The second chapter, carries on the mechanism selection.

The purpose is to realize the tensioning movement between fingers, which needs to be realized by selecting the appropriate mechanism.

The following mechanisms are compared: rack and pinion, CAM, screw, and finally screw.

At the same time, the umbrella frame structure for reference, the final choice of screw mechanism combined with the four-bar mechanism to achieve the drive.

In chapter three, the geometric dimension of the mechanism is calculated.

As can be seen from the above chapter, the four-bar mechanism is selected to complete the clamping of fingers, and the lead screw mechanism is selected to make the motor as the driving device of the four-bar mechanism.

The purpose of this chapter is to realize the grab function. For four-bar mechanism, the swing Angle of the swinging rod is required to be 0-30°. Meanwhile, according to the size of the grasping object, the grasping object is designed with the egg as the reference target.

The screw mechanism is determined by the calculation of the speed of the servo motor and the design of the travel of the slider in the four-bar mechanism.

In the fourth chapter, the motor and air pump are selected, and the screw screw lifting device is selected.

The torque is calculated by the motor power and the screw speed.

In chapter 5, the force of the four-bar mechanism is verified by solid works.

Key words: Flexible manipulator; Lossless grasp; Pneumatic software driver

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.2 国内外现状分析 2

1.2.1 国外研究现状 2

1.2.2 国外研究现状分析 2

1.3 研究内容 7

1.3.1 研究基本内容 7

1.3.2 目标与技术方案 7

1.3.3 论文结构 7

1.4 本章小结 8

第2章 手指设计与机构选型 9

2.1 手指材料选择及结构设计 9

2.1.1 柔性材料 9

2.1.2 柔性手指动作原理 9

2.1.3 柔性手指结构设计 9

2.1.4 手指制造技术 10

2.2 机构选型 11

2.2.1 四杆机构 11

2.2.2 推杠机构 12

2.2.3 电动推杆 13

2.3 本章小结 13

第3章 几何尺寸计算 14

3.1 概述 14

3.2 手指 14

3.2.1 手指气囊尺寸 14

3.2.2手指支架尺寸 14

3.3 手指张合角度 15

3.3.1 推导方法 15

3.3.2 手指卡环 15

3.5 本章小结 16

第4章气泵、电动推杆选型以及总体效果呈现 17

4.1 概述 17

4.2 气泵 17

4.3 电动推杆 17

4.3.1 推力的选择 17

4.3.2 电动推杆的选择 17

4.4 总体效果呈现 18

4.5 本章小结 18

第5章 总结与展望 20

参考文献 21

致 谢 23

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1962 年，第一台机器人被发明出来，这标志着工业化发展进入了一个新阶段。半个多世纪以来，随着机器人研究的不断深入，机器人正和我们的生活联系越来越紧密。许多机器人，包括洗碗机器人、智能语音机器人，都开始与我们的日常生活密不可分。在过去，机器手的末端执行器大都是由刚性手指^[1]组合而成，它是由连杆结构组成,主要采用并行结构进行打开和关闭,这种手爪结构简单, 而且加紧时的力很大，生产所需要的成本也很低。但由于其自由度较低，难以实现抓取接触位置和抓取力的精确控制，不适合抓取各种形状的易碎物体。适合抓住对象的简单的外观,以及把握对象相对固定的场合。此外，这种执行机构的通用性较差，应根据抓取对象的变化选择不同的夹持器。无法抓取某些对象，比如易碎物品、相对脆弱的电子屏幕、形状复杂的物体以及有生命特征的物体等。为了更好地完成对这些物品的抓取，学者们研究了生物界中的诸多软体生物，如章鱼^[2]、蛇^[3]、大象^[4]等具有柔性变形部位的生物，从而提出了柔性机械手的概念。这类机械手通过像人手一样的结构和运动，可以拥有良好的适应性和灵活性。一般来说，手指在多个方向都可实现自由运动，所以可以进行很多复杂的路线运动。但由于其结构复杂、控制难度大、成本高，一般仅用于军事、医疗等领域 ^[5]。柔性机械手一般由硅胶^[6]等柔性材料制作而成，通过与被抓取物之间进行柔性接触，能够有效地减少抓取过程中产生的损伤，并且能够根据被抓取物的外形特征灵活地变换自己的形状，在救助以及医疗等诸多领域都有着宽阔的应用前景。随着机器人可以在各种领域被应用到，所掌握的对象也越来越多样化，其工作环境变得越来越复杂。传统的限幅器在某些应用中不能满足要求。例如，在制作工业化食品的时候，有些食品它又软又需要保持外观，所以在挑选和配送过程中，传统的操作器爪很难做到。并且随着产品的不断更迭，迫切地需要提高生产线的使用率，混流生产的意识逐渐增强，这对机器人抓取装置的通用性、灵活性提出了更高的要求，现有的设备难以满足新的市场需求。近年来，研究人员为了开发包括自然界中带灵感的包括柔软的操作机爪在内的多种生物工程机器人，结合了生物仿生、材料科学和智能型控制。柔软的操作器手指一般用可承受巨大变形的硅材料制成，由气压或绳索驱动。手指具有很大的柔韧性，能适应其他形状和抓住物体的大小，不损伤易碎，易碎的物体表面，所以在一些应用剧本中，灵活的操作是一大优点。

柔性机械手主要是通过软体驱动器来实现手指的运动，当前较为常见的驱动器有：形状记忆合金驱动^[7]、线性驱动执行器^[8]、气动执行器^[9]等，其中气动执行器因其结构简单、能够迅速响应、方便制造、能够精准控制等特点被国内外学者广泛研究应用。