气动柔性末端执行器设计及其抓持模型研究

末端执行器的设计末端执行器（End effector）是机器人系统中的最后一部分，它连接到机器人臂的末端，负责与环境进行交互和完成特定任务。

末端执行器的设计对于机器人的性能和功能起着至关重要的作用。

本文将探讨末端执行器的设计原则、常见类型以及相关应用。

1.末端执行器的设计原则：a.功能性：末端执行器应能够实现所需的任务。

不同的任务可能需要不同的末端执行器设计，如抓取器、钻头、喷涂器等。

b.灵活性：末端执行器应具备适应性和灵活性，可以适应不同的工件形状和尺寸，并能完成不同的操作。

c.高精度：末端执行器应具备高精度和稳定性，以确保任务能够以准确的方式完成。

d.安全性：末端执行器设计应考虑安全因素，以防止误操作或对人员和环境造成伤害。

2.常见类型的末端执行器：a.机械手爪：机械手爪是最常见的末端执行器之一，具备可调节的爪状结构，可以通过夹爪抓住和释放物体。

机械手爪可以根据抓取对象的形状和尺寸进行调整。

b.吸盘：吸盘末端执行器使用真空或气流来固定和释放物体。

它适用于平面或光滑工件的抓取任务，如玻璃板、金属板等。

c.刀具：刀具末端执行器可以用于加工、切割和打磨任务。

它们可以是旋转刀具、磨石或剪切器等。

d.喷嘴：喷嘴末端执行器用于涂覆、喷涂和喷射任务。

它们可以是喷枪、喷嘴或涂装墨斗等。

3.末端执行器的相关应用：a.工业自动化：末端执行器在工业自动化中广泛应用。

例如，机器人装配线上的机械手爪可以用来抓取和放置零件，以实现自动化装配。

b.医疗领域：末端执行器可以用于手术机器人和康复机器人中。

例如，手术机器人的末端执行器可以用于精确的手术操作，康复机器人的末端执行器可以用于辅助患者进行康复训练。

c.服务机器人：末端执行器可以用于服务机器人中，用于抓取和搬运物体，如无人送餐机器人或清洁机器人。

d.农业领域：末端执行器可以用于农业机器人中，用于收割、种植和灌溉等任务。

总结：末端执行器的设计在机器人系统中起着重要的作用。

《采摘机器人末端执行器设计与抓取特性研究》一、引言随着科技的进步和农业现代化的推进，采摘机器人成为了提高农业生产效率和减少人工成本的重要工具。

而末端执行器作为采摘机器人的核心部分，其设计和抓取特性直接影响着机器人的工作效率和准确性。

因此，对采摘机器人末端执行器设计与抓取特性的研究具有重要的现实意义。

二、采摘机器人末端执行器设计1. 设计要求与目标采摘机器人末端执行器设计需满足以下要求：适应不同形状和大小的果实，确保抓取的稳定性和准确性，同时要保证轻便、耐用和低能耗。

设计目标是通过精确的机械结构和智能控制系统，实现自动化、高效化的果实采摘。

2. 结构设计末端执行器主要由夹持机构、驱动机构和控制机构三部分组成。

夹持机构负责与果实接触并实现夹持动作，驱动机构提供夹持动作的动力，控制机构则负责整个执行器的控制与协调。

其中，夹持机构的设计是关键，需根据果实的形状和大小进行定制化设计。

3. 材料选择执行器的材料选择需考虑其强度、耐磨性、耐腐蚀性以及轻量化等因素。

常用的材料包括高强度合金、工程塑料等。

此外，为保证执行器的耐用性，还需对关键部件进行表面处理，如喷涂防腐漆等。

三、抓取特性研究1. 抓取稳定性研究抓取稳定性是评价末端执行器性能的重要指标。

通过优化夹持机构的结构和材料，以及合理设置夹持力的大小和方向，可提高抓取的稳定性。

此外，还可通过引入视觉系统和力觉传感器，实现精确的定位和力控制，进一步提高抓取的稳定性。

2. 抓取速度与效率研究为提高采摘机器人的工作效率，需对末端执行器的抓取速度与效率进行研究。

通过优化驱动机构的传动方式和控制策略，可实现更快的夹持动作和更高的工作效率。

同时，结合智能控制算法，可实现多任务并行处理和优化调度，进一步提高机器人的工作效率。

四、实验与分析为验证设计的合理性和抓取特性的有效性，我们进行了大量的实验和分析。

实验结果表明，优化后的末端执行器能够适应不同形状和大小的果实，具有较高的抓取稳定性和工作效率。

末端执行器毕业设计引言末端执行器是机器人学中的重要组成部分。

它位于机器人的末端，负责完成各种任务，比如抓取、搬运、装配等。

在毕业设计中，我们将设计一种末端执行器，并研究其性能和应用。

目标本毕业设计的目标是设计一个具有多功能的末端执行器，能够完成不同的任务。

同时，我们还将研究该末端执行器的关键性能指标，并探索其在工业自动化、医疗护理等领域的应用。

设计方案1. 机械结构设计末端执行器的机械结构设计是设计过程中的重要环节。

我们将采用三维建模软件进行设计，并考虑以下几个方面：•结构稳定性：保证末端执行器在操作过程中具有足够的稳定性，以防止意外发生。

•线性运动范围：确保末端执行器在各个方向上具备足够的线性运动范围，以适应不同任务的需求。

•承载能力：考虑末端执行器需要承载的最大负荷，从而确定机械结构的强度和稳定性。

2. 电气控制设计末端执行器不仅要具备机械结构的设计，还需要合适的电气控制设计。

我们将采用微控制器进行电气控制，并考虑以下几个方面：•电机驱动：选择适当的电机类型，并设计合适的电机驱动电路。

•传感器应用：利用合适的传感器来监测末端执行器的位置、力量等信息，并输出给微控制器进行相应的控制。

•通信接口：为了方便控制和监测，我们将设计合适的通信接口，如串口或无线通信。

3. 控制算法设计末端执行器的控制算法设计是本设计中的关键环节。

我们将研究现有的控制算法，并根据末端执行器的特点和任务需求进行适当的改进和优化。

•位置控制算法：设计合适的位置控制算法，保证末端执行器能够准确地到达目标位置。

•力控制算法：针对负载变化较大的任务，设计合适的力控制算法，确保末端执行器能够稳定地抓取和搬运物体。

•路径规划算法：针对复杂的任务情境，设计合适的路径规划算法，使末端执行器能够高效地完成任务。

性能测试为了验证末端执行器的性能，我们将进行一系列的性能测试。

测试内容包括：•位置精度测试：通过设定不同位置，测试末端执行器是否能够精确到达目标位置。

第26卷第7期农业工程学报V ol.26 No.72010年7月Transactions of the CSAE Jul. 2010 107 黄瓜抓持特性与末端采摘执行器研究钱少明，杨庆华，王志恒，鲍官军，张立彬※（浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室，杭州 310014）摘 要：为了设计用于黄瓜采摘的末端执行器，首先测定了黄瓜的抗压特性、表面摩擦系数和果柄切断阻力等物理特性。

针对黄瓜抓持模型进行了力学分析，建立了气动驱动器中的气压值与抓持能力之间的关系。

最后，研制了可用于黄瓜采摘的末端执行器，由抓持器和切割器组成，抓持器由2个基于气动柔性驱动器的弯曲关节构成，切割器由旋转气缸和刀片构成。

该采摘执行器机械结构简单，输出力较大。

试验结果表明：黄瓜抓持成功率为90%，黄瓜果柄割断成功率为100%，采摘时间为3 s。

该采摘执行器采摘黄瓜效果良好，具有较好的实际应用前景。

关键词：农业机械，机器人，研究，黄瓜，抓持特性，采摘执行器doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2010.07.019中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2010)-07-0107-06钱少明，杨庆华，王志恒，等. 黄瓜抓持特性与末端采摘执行器研究[J]. 农业工程学报，2010，26(7)：107－112.Qian Shaoming, Yang Qinghua, Wang Zhiheng, et al. Research on holding characteristics of cucumber and end-effector of cucumber picking[J]. Transactions of the CSAE, 2010, 26(7): 107－112. (in Chinese with English abstract)0 引 言果品采摘作业是水果生产链中最耗时、最费力的一个环节。

气动柔性末端执行器设计及其抓持模型研究鲍官军;高峰;荀一;都明宇;杨庆华【期刊名称】《农业工程学报》【年(卷),期】2009(025)010【摘要】针对目前刚性结构的农业果实采摘机械手柔顺性不足而易损伤抓取目标的缺点,设计了一种柔性末端执行器结构.该末端执行器由3个气动柔性弯曲关节作为手指部分、1个气动柔性扭转关节作为腕部,给出了手指部分和腕部的数学模型.分析了该末端执行器抓取圆柱形目标时的夹持模式和抓取球形目标时的抓握模式.仿真分析并试验研究了抓取目标物体重力和半径变化对末端执行器内腔压力的影响.结果表明建立的抓持模型能够反映该末端执行器的基本特性,研制的柔性末端执行器能够应用于农业果实的采摘作业.%Taking into account the disadvantages of rigid grasping end-effectors for agricultural fruits, such as low complaisance and easy to hurt the grasping object, authors designed a type of flexible end-effector, which took three pneumatic flexible bending joints as its fingers and one flexible pneumatic torsion joint as its wrist. The mathematical models for fingers and wrist of the end-effector were presented. According to the shapes of grasping objects, the end-effector's gripping model for grasping columniform objects and holding model for grasping spheroidal objects were analyzed in detail. Simulation and experiments were conducted to study the impact of weight and radius of the grasping object to the air pressure inside the end-effector. The results showed that the mathematical models can represent the essentialcharacteristics of the end-effector. The flexible end-effector can be applied in agricultural fruits picking task.【总页数】6页(P121-126)【作者】鲍官军;高峰;荀一;都明宇;杨庆华【作者单位】浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室,杭州,310032;浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室,杭州,310032;浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室,杭州,310032;浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室,杭州,310032;浙江工业大学机械制造及自动化教育部重点实验室,杭州,310032【正文语种】中文【中图分类】TP241【相关文献】1.苹果采摘机器人末端执行器抓持规划研究 [J], 罗大伟;姬伟;李俊乐;赵德安2.黄瓜抓持特性与末端采摘执行器研究 [J], 钱少明;杨庆华;王志恒;鲍官军;张立彬3.3自由度气动柔性手指包络抓持力模型研究 [J], 钱少明;都明宇;杨庆华4.基于气动柔性驱动器的球果采摘末端抓持器 [J], 鲍官军;张水波;陈亮;杨庆华5.基于气动式机械末端执行器主动柔性接触研究 [J], 邵曙;吕志翼因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

北京航空航天大学科技成果——气动软体抓持装置成果简介柔性是生物体本质而普适的重要属性。

绝大部分生物都具有柔软的组织，这些生物依靠自身柔性，能够高效、和谐地与自然界交互。

“软体”的机器人也能像生物体一样，主动或被动地改变自身形状、刚度和运动，从而更加安全高效地与环境交互。

传统柔性铰链原理的机器人是依靠多个微小刚性单元的连接以及弹簧等刚性元件的使用来达到“柔性”的目的，但控制方式与传统刚性机器人没有本质的区别，故这类机器人虽然在一定程度上解决一些刚性机器人存在的问题，依旧有其局限性，依然应该划分于“刚性”机器人的范畴。

本项目研发了一种基于软体材料和气动控制的气动软体抓持装置，以代替传统机械手执行末端进行高效而安全的作业。

本项目手指设计为叠层排布的褶皱式柔性结构体，通过向手指内部的通道进行充气或吸气，从而实现手指向外弯曲或者向内弯曲的姿态变形，抓起和释放球状、片状、立方体状、锥刺表面以及各种复杂外形的实体，并且可以抓起于自身重量3倍的物体的物品。

与刚性机器手相比，本项目没有类似刚性机器手的连杆、铰链和电机等结构上的限制，没有复杂的控制系统，在抓持易碎、形状复杂的工件时具有不可替代的优势。

在未来的空间站小型机械臂作业，工业生产线以及医疗康复等领域具有潜在的应用前景。

技术描述及优势本项目突破了常规机构和控制方法的限制，采用了软体材料（杨氏模量小于1MPa），通过气动控制方式来控制软体手指的运动，实现了制造工艺和驱动方式的创新。

气动软体机械手采用软体材料浇铸而成，整体呈现出足够的柔性；其外形、气腔经过合理的设计，具备很好的性能，在与人和工件的交互中有很好的实用性和安全性。

气动软体抓持装置的控制采用气动方式，通过单片机来控制阀的状态，使气腔能够自如地充气和放气，实现气动软体机械手的不同姿态运动。

本项目研发的手指，通过气动控制方式来实现向内弯曲运动或者向外弯曲运动。

向内弯曲时，通过调节向气动软体机械手中充气的气压来调节手指的弯曲程度，来达到抓取不同重量物体的目的；向外弯曲时，通过对气动软体机械手抽真空来实现，这是传统机械手乃至人体手指不能完成的动作，这个特殊的运动方式能够使得气动软体抓持装置能够抓取的物体的体积范围大大增加，大大的提高了其在生产生活中的适应性。

末端执行器结构设计和仿真摘要随着航天技术的发展，空间对接技术得到迅速发展和广泛应用，其中对连接在两个航天器的机械对接机构系统的技术要求也越来越高，同时也增加了对接机构的复杂性。

根据航天器对接的不同用途,有多种不同形式的对接机构。

而与对接机构特点相匹配的对接方式有两种：一种是直接捕获与对接方式，称为在轨对接，另一种是先停靠后由机械臂抓获（捕获），然后依靠机械臂帮助实现对接.随着“神州七号”宇宙飞船的成功发射,我国下一步的航天计划是实现太空对接和未来空间站的搭建等目标，这些任务的实现都将借助于在轨捕获系统,而捕获系统的作业能力和作业效率依赖于捕获系统末端执行机构作业能力的大小，例如空间机械臂末端操作器.抓取可靠、环境适应性好、控制简单、自适应性强、自主能力高是衡量捕获系统末端执行机构设计水平的重要标志。

性能优良的捕获系统末端执行机构可以实现可靠、快速和精确地抓取。

研究和开发一个性能优良的捕获系统末端执行机构是一项艰巨的任务。

本报告主要对航天器捕获系统末端执行机构进行了系统调研,介绍了多种捕获系统末端执行机构。

使用航天器捕获系统末端执行机构代替宇航员进行太空作业，风险低,安全系数高，受太空条件的制约小，在经济性和安全性方面都具有重要的意义。

关键词航天器;捕获系统；机械手；末端执行器Design for the structure of end effectorAbstractAlong with the development of space technology, docking technology rapid development and application of the connection, including two spacecraft docking in the mechanical system of more and more is also high technical requirements, but also increase the complexity of the docking institutions。

经支气管诊疗机器人设计及其柔性末端执行器位姿研究
张艳平;姜洁;付治国;姜晓宇;王泊鸥
【期刊名称】《工程设计学报》
【年(卷),期】2024(31)3
【摘要】经呼吸道活检是肺结节诊断中较为常见的手术,但由于呼吸道疾病存在传染风险以及手动操作时关节受限等,医工结合的诊疗方式逐渐成为发展趋势。

为实现柔性体在支气管腔道内复杂弯曲动态环境下灵活运动、精准定位与稳定介入,采用主从协同式远程控制机器人机构设计,模拟传统手术中医生的操作习惯,设计并搭建能够操控支气管镜、活检钳的集成机构原理样机,以实现经支气管进行微创诊疗的双器械协同操控。

然后,基于Cosserat杆理论,利用MATLAB软件对机器人柔性末端执行器的力-位映射关系、位姿和工作空间进行仿真求解,并通过实验分析机器人柔性末端执行器在经支气管的远程微创活检手术中的真实位姿以及机器人的实际运行效果,验证了仿真结果的准确性。

研究结果可为经自然腔道活检术的多器械协同控制提供理论基础。

【总页数】13页(P319-331)
【作者】张艳平;姜洁;付治国;姜晓宇;王泊鸥
【作者单位】辽宁工程技术大学机械工程学院;中国科学院深圳先进技术研究院医疗机器人与微创手术器械研究中心
【正文语种】中文
【中图分类】TH777
【相关文献】
1.基于UKF的机器人末端执行器位姿实时估算方法
2.采摘机器人柔性末端执行器抓取策略研究
3.关节间隙对机器人末端执行器位姿误差的影响
4.基于IGCF算法和CSF-PPSO-ESN算法的工业机器人末端执行器位姿重复性检测
5.基于数据驱动的冗余机器人末端执行器位姿控制方案
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基于气动柔性驱动器的球果采摘末端抓持器鲍官军;张水波;陈亮;杨庆华【摘要】为实现球果的安全、可靠采摘,基于气动柔性驱动器(FPA)设计了球果采摘末端执行器,主要由3个FPA驱动的手指和基座构成.建立了手指指端在基座坐标系内的运动学方程,分析了末端抓持器在任意姿态下进行球果抓握的力学过程,建立了球果抓持数学模型.实验结果表明,所设计的球果采摘末端执行器可对成熟球果进行任意姿态的抓握,建立的数学模型可用于实际的采摘过程控制.【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2013(044)005【总页数】5页(P242-246)【关键词】采摘机器人;末端执行器;气动柔性驱动器【作者】鲍官军;张水波;陈亮;杨庆华【作者单位】浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室,杭州310032;浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室,杭州310032;浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室,杭州310032;浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室,杭州310032【正文语种】中文【中图分类】TP241引言果实采摘季节性强、时间短、劳动强度大、费用高，是水果生产整个周期中最耗时、最费力的一个环节。

目前果实采摘基本上还是人工作业，自动化程度低、时效性差、易损伤果实，并且采摘费用占成本的33% ～50%［1］。

故进行农业果实的自动化采摘设备研制是非常有必要的。

由于一般农业果实较为脆弱或敏感，并且形状各异、生长环境相对复杂，因此农业果实采摘末端抓持器/执行器的设计通常被认为是农业机器人研制的核心技术之一［2］。

国内外的果蔬采摘末端执行器基本都是刚性的机械手指结构，为保护目标果实，在刚性手指内侧设置柔性衬垫［3 ～20］。

但即便如此，由于抓持力检测及控制上的困难，其使用过程中依然可能对果实造成损伤。

文献［21］提出了完全由气动柔性驱动器(Flexible pneumatic actuator，FPA)作为手指设计的自适应柔性末端执行器，虽然安全性和适应性好，但是其刚度明显不足。

收稿日期:2002-10-28 修订日期:2002-11-20作者简介:周泉(1978-),男,浙江工业大学机电学院2000级硕士研究生,研究方向:智能控制。

⊥综 述⊥柔性气动执行器的研究现状和趋势周　泉,张立彬,杨庆华,阮　建(浙江工业大学机电学院,浙江　杭州310014)摘　要:介绍了当前各种柔性气动执行器的研究背景、结构原理和最新研究进展,并对其发展趋势作了进一步的展望。

关键词:柔性气动执行器;FM A ;PM A ;气动人工肌肉中图分类号:TH138151 文献标识码:A 文章编号:1001-4551(2003)01-0058-04Advance and Prospect of R esearch on Flexible Pneum atic ActuatorsZH OU Quan ,ZH ANGLi 2bin ,Y ANG Qing 2hua ,RUAN Jian(College o f Mechanical Engineering ,Zhejiang Univer sity o f Technology ,Hangzhou 310014)Abstract :In this paper ,the advance of current research on flexible pneumatic actuator is presented by elaborating the researchbackground ,structures and principles and recent progress.The prospect of flexible pneumatic actuator is als o discussed.K ey w ords :flexible pneumatic actuator ;F M A ;P M A ;pneumatic artificial muscle1　前　言进入20世纪90年代以来,一般功能的传统工业机器人的应用趋向饱和,而智能机器人获得了较为迅速的发展。