气动柔性五指机械手结构设计及其抓取实验

小型气动机械手的设计摘要：本文主要进行了气动机械手的总体结构设计和气动设计。

机械手的机械结构由气缸、气爪和连接件组成，可按预定轨迹运动，实现对工件的抓取、搬运和卸载。

气动部分的设计主要是选择合适的控制阀，设计合理的气动控制回路,通过控制和调节各个气缸压缩空气的压力、流量和方向来使气动执行机构获得必要的力、动作速度和改变运动方向，并按规定的程序工作.气动机械手作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、可靠、节能和不污染环境等优点而被广泛应用。

关键词:气动机械手；气缸；控制阀；回路；设计Design of Small Pneumatic ManipulatorAbstract:This article mainly has carried on the overall structural design and aerodynamic design of pneumatic manipulator。

Robot mechanical structure is composed of a cylinder, a pneumatic claw and a connecting piece，according to a predetermined trajectory, on a workpiece gripping，conveying and unloading。

Pneumatic main part of the design is to choose appropriate control valve, the rational design of pneumatic control circuit，the control and regulation of each cylinder of compressed air pressure，flow and direction to the pneumatic actuator to obtain the necessary force, speed of action and change the direction of movement，and according to the prescribed procedures work.Pneumatic machinery as a manipulator, which has the advantages of simple structure, light weight，quick action, stable, reliable, energy saving and no pollution to environment has been widely used.Key words：Pneumatic manipulator；cylinder; control valve; Circuit; the design1 前言机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。

第10期（总第382期）2021年10月No.10 OCT文章编号：1673-887X(2021)10-0035-02果实采摘机器人柔性机械手的设计田宝连（江西工业职业技术学院，江西南昌330000）摘要为解决果实自动采摘的精准控制问题，设计了一款机器人柔性采摘机械手。

详细介绍了机械手爪、连接件、气动控制等机构的设计原理，并基于西门子S7-200型PLC设计了机械手的电气控制回路和循环采摘程序，通过在果园现场采摘试验发现：该款机械手运行的柔性效果良好，采摘成功率为100%，没有出现掉果、漏摘等问题。

关键词农作物果实；采摘机器人；柔性机械手；PLC中图分类号S225.93文献标志码A doi:10.3969/j.issn.1673-887X.2021.10.014Design of Flexible Manipulator of Crop Fruit Picking RobotTian Baolian(Jiangxi Vocational and Technical College of Industry,Nanchang330000,Jiangxi,China)Abstract：The design principles of manipulator claws,connecting parts,pneumatic control and other mechanisms are introduced in detail,and the electrical control circuit and cyclic picking program of the manipulator are designed based on Siemens S7-200PLC. The picking test in the orchard shows that the manipulator is running.The flexible effect is good,the success rate of harvesting crops is100%,and there are no problems such as fruit dropping or missing picking,and it has a good application prospect in the field of ag‐ricultural picking automation.Key words：crop fruits,picking robot,flexible manipulator,PLC1柔性机械手整体设计果实采摘机器人柔性机械手主要包含PLC自动控制模块、机械手爪构件、机械手连接件、气动控制部件、主体机械承载机构、报警模块等6个部分。

五自由度机械手的抓取设计一、本文概述随着现代工业自动化程度的不断提高，机械手作为实现自动化生产的关键设备之一，其设计和应用日益受到重视。

其中，五自由度机械手因其灵活的操作能力和广泛的适用范围，成为了研究和应用的热点。

本文旨在探讨五自由度机械手的抓取设计，包括其结构特点、抓取策略、运动规划与控制等方面，以期为实现高效、精确的抓取操作提供理论支持和实践指导。

本文将简要介绍五自由度机械手的基本结构和运动特点，包括其各个关节的转动范围和自由度分配，为后续的设计和分析奠定基础。

本文将重点分析五自由度机械手的抓取策略，包括抓取力的计算、抓取姿态的确定以及抓取过程中的稳定性分析等内容。

在此基础上，本文将探讨五自由度机械手的运动规划与控制方法，包括路径规划、速度控制、力位混合控制等方面，以实现快速、准确的抓取操作。

本文将通过实例分析，展示五自由度机械手在实际应用中的抓取效果，并总结其设计要点和注意事项。

本文的研究成果将为五自由度机械手的设计和应用提供有益的参考和借鉴，同时也为相关领域的研究和发展提供新的思路和方法。

二、五自由度机械手的抓取设计原理五自由度机械手的抓取设计主要基于机械臂的运动学和动力学原理，以及物体的形状、尺寸和重量等特性。

通过合理的设计，五自由度机械手可以实现精准、稳定、高效的抓取操作。

五自由度机械手的运动学设计是关键。

运动学主要研究物体的运动规律，而不考虑引起这些运动的力和力矩。

在五自由度机械手的抓取设计中，我们需要根据目标物体的位置和姿态，通过运动学计算，确定机械手的各个关节角度，使机械手的末端执行器能够准确地到达并适应物体的形状和尺寸。

动力学设计也是必不可少的。

动力学主要研究物体的运动状态和引起这些状态的力和力矩。

在抓取过程中，五自由度机械手需要克服物体的重力和摩擦力等外部力，因此，我们需要通过动力学计算，确定适当的关节力矩，以保证机械手能够稳定地抓取物体。

抓取设计还需要考虑物体的形状、尺寸和重量等特性。

一、概述菠萝是一种香甜可口的热带水果，它的采摘一直是一个需要大量人力成本和劳动力的过程。

为了提高采摘效率和降低成本，设计并试验了一种菠萝采摘机械手。

本文将介绍该机械手的结构设计以及试验结果。

二、机械手结构设计1. 机械手结构概述为了满足菠萝采摘的需求，机械手需要具备柔软兼具力度的特点以适应菠萝不同形状的茎和果实，同时还要能够快速且精确地进行抓取和切割操作。

机械手的结构设计需要兼顾这些因素。

2. 机械手结构分析机械手结构主要包括机械手臂、抓取器和切割器。

机械手臂需要具有柔韧性和稳定性，以适应菠萝的不规则形状。

抓取器需要具有足够的力度和灵活性，能够牢固地抓取菠萝，同时也要避免对果实造成损伤。

切割器要能够快速并且精确地进行切割操作，以保证菠萝采摘的效率和质量。

3. 机械手结构设计方案根据上述需求和分析，设计了一种机械手结构方案，采用柔性材料制作机械手臂，并配备有气动抓取器和快速切割器。

机械手臂采用多节段设计，能够在不同位置和角度进行伸缩和旋转，以适应不同形状的菠萝。

抓取器和切割器采用先进的材料和技术，能够在短时间内完成抓取和切割操作。

三、机械手试验1. 试验设计为了验证机械手的设计方案和性能，进行了一系列的试验。

试验主要包括机械手的灵活性和稳定性测试、抓取和切割操作的效率和准确性测试、以及对菠萝的损伤程度测试。

2. 试验结果分析通过试验发现，机械手的结构设计确实能够满足菠萝采摘的需求。

机械手臂的柔性和稳定性能够很好地适应菠萝的形状，抓取器和切割器的性能也能够满足快速和精确的操作。

机械手的操作也很少对菠萝造成损伤。

四、结论通过机械手的结构设计和试验结果分析，证明了该机械手的确能够提高菠萝采摘的效率和降低成本，为菠萝种植业的发展提供了有力支持。

然而，机械手在实际应用中仍存在一些问题，需要进一步的改进和优化。

在未来的研究中，将继续探索机械手在菠萝采摘中的应用，以便更好地服务于农业生产。

五、机械手的优化改进1. 机械手柔性材料的选择在实际应用中，发现机械手臂柔性材料的选择至关重要。

一、实训目的本次实训旨在通过实际操作和理论学习，使学生了解和掌握气动机械手指的结构、工作原理及操作方法。

通过实训，使学生能够熟练地运用气动机械手指进行简单的抓取、放置等操作，提高学生的实际动手能力和综合素质。

二、实训内容1. 气动机械手指的组成及工作原理（1）组成气动机械手指主要由以下几个部分组成：1）气动元件：包括气源、气管、减压阀、电磁阀等。

2）机械结构：包括手指主体、手指关节、手指末节等。

3）控制系统：包括控制器、传感器、执行器等。

（2）工作原理气动机械手指的工作原理是利用压缩空气作为动力，通过气压控制手指的运动。

当压缩空气进入手指内部时，手指关节和末节会产生相应的运动，实现抓取、放置等功能。

2. 气动机械手指的操作方法（1）连接气源1）将气管连接到气源。

2）调节减压阀，使气压稳定在设定值。

（2）安装手指1）将手指主体安装在适当的位置。

2）根据手指的形状和大小，调整手指关节和末节的相对位置。

（3）调试手指1）打开控制器，检查手指的运动是否顺畅。

2）根据实际需求，调整手指关节和末节的运动范围。

3. 气动机械手指的实训操作（1）抓取操作1）将手指放置在目标物体上方。

2）通过控制器控制手指关节和末节的运动，使手指夹紧目标物体。

3）将手指移动到指定位置，释放目标物体。

（2）放置操作1）将手指放置在目标物体上方。

2）通过控制器控制手指关节和末节的运动，使手指放松。

3）将手指移动到指定位置，完成放置操作。

4. 气动机械手指的维护与保养（1）定期检查气动元件，确保气源、气管、减压阀、电磁阀等部件正常工作。

（2）定期清洁手指关节和末节，防止灰尘和杂物进入。

（3）定期检查控制系统，确保控制器、传感器、执行器等部件正常工作。

三、实训心得通过本次实训，我对气动机械手指有了更深入的了解，以下是我的一些心得体会：1. 气动机械手指在工业生产中具有广泛的应用前景，能够提高生产效率，降低劳动强度。

2. 气动机械手指的操作相对简单，但需要掌握一定的技巧，才能实现高效的抓取和放置操作。

第26卷　第7期2006年7月北京理工大学学报T ransactions of Beijing Institute of T echnolog y Vol .26　No .7Jul .2006 文章编号:1001-0645(2006)07-0593-05气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的结构设计彭光正,　余麟,　刘昊(北京理工大学信息科学技术学院自动控制系,北京　100081)摘　要:研究一种气动人工肌肉驱动的多指仿人灵巧手的结构设计.通过分析正常人体解剖学,针对人类手掌的外形结构、驱动形式及运动规则,设计了一种5指仿人灵巧手.该灵巧手有5个手指、19个自由度,在外观和功能上与人手接近;手指采用气动人工肌肉驱动,以柔索传动.实验结果表明,该仿人灵巧手具有很好的柔顺性,并且整体外形和手指关节的运动范围均能达到拟人的效果.关键词:灵巧手;人工肌肉;仿生学中图分类号:T P 242 文献标识码:AStructural Design of a Dexterous Hand Actuated byPneumatic Artificial MusclePENG Guang -zheng ,　YU Lin ,　LIU H ao(Department of Automatic Control ,School of Info rma tio n Science and T echnology ,Beijing I nstituteof Technology ,Beijing 100081,China )A bstract :A structural devise of a dexterous hand w ith multi -fingers driven by pneumatic artifical mus -cle is introduced .By studying the shape ,structure ,driving -model and the rules of movement of hu -man hand from anthropotomy ,a dex terous hand close to a hum an hand in structure and functions w ith 5fingers and 19DOFs is desig ned .Ex peimental results show that the adoption of pneumatic artifical muscle and artifical tendons makes it mo re flexible .Besides ,this so rt of dex terous hand can match upw ith the effect of personification both in ex ternal shape and the range of movement .Key words :dexterous hand ;pneumatic artificial muscle ;bionics 收稿日期:20051229基金项目:国家自然科学基金资助项目(50475163)作者简介:彭光正(1964-),男,教授,博士生导师,E -mail :s mcpeng @bit .edu .cn . 机器人灵巧手是一个高度集成化的机电系统,涉及机械、电子、计算机、控制等多个学科领域.20世纪80年代以来,由于气动人工肌肉技术的发展,将气动人工肌肉作为机器人的驱动装置越来越受到研究者的注意,具有代表性的是英国Shadow 公司研制的人工肌肉驱动的人工假肢[1].将人工肌肉运用于灵巧手的设计,可以使灵巧手更接近于人手.在国家自然科学基金资助下,作者对人工肌肉驱动特性做了大量的研究工作,设计出了气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手,并对气动肌肉手指关节做了实验.1　仿人灵巧手驱动的选择驱动系统是机器人灵巧手的重要组成部分,用以产生运动和力,对系统的性能和操作能力具有决定性的作用.到目前为止,绝大多数多指灵巧手采用电机驱动[2-3].但是电机输出功率和它的体积是一对矛盾.大功率电机体积大,不便于集成在灵巧手中,减速和力矩传递也是个难题.体积小的电机输出功率不够,难以提供给手指关节足够的握持力.气动人工肌肉(PMA )结构简单、紧凑,在小型、轻质的机械手开发中具有突出优势;它的高度柔性使其在机器人柔顺性方面很有应用潜力;它安装简便、不需要复杂的机构及精度要求,甚至可以沿弯角安装;无滑动部件,动作平滑,响应快,可实现极慢速的,更接近于自然生物的运动;同时,它还具备价格低廉、输出力/自重比高、节能、自缓冲、自阻尼、防尘、抗污染等优点,所以在灵巧手的设计中采用PMA 驱动的方式.在实际应用中一般使用成对的PMA 构成各种形式的驱动关节,其驱动力靠相互抗衡的一对PMA 的压力差产生,不用减速机构,可以直接驱动,也可以将其中一只PMA 用弹簧代替.2　整体结构设计灵巧手的整体结构采用一体化设计,将驱动手指的人工肌肉放置于前臂,驱动手腕的人工肌肉放置于上臂,通过人造腱来传递动力和运动,加强了仿生的效果,同时可以有效地减小手掌和手指的体积和质量[4].所设计的仿人灵巧手外形如图1所示.图1　仿人灵巧手外形图Fig .1　A figure of the dexterous hand作为仿人机械手,所设计的灵巧手有5根手指.虽然4指灵巧手,甚至3指灵巧手同样能出色地完成抓取动作,但是5指灵巧手能更好地完成抓取动作,使得抓取控制更简单.抓取物体时,每个手指所负责的任务就不必划分得十分明确,控制算法自然会比较简单[5].驱动装置采用英国Shadow 公司的Mckibben 型气动人工肌肉,传动方式采用人工腱传动.所有手指由柔索驱动,而人工肌肉则固定于前臂上,柔索穿过手掌与人工肌肉相连(图2).驱动手腕动作的人工肌肉固定于大臂上.图2　气动肌肉安装位置示意图Fig .2　Fixing of PM A采用一对气动人工肌肉驱动.每根人工肌肉直径6mm ,长150mm ,质量10g ,最大拉力达70N .灵巧手有5根手指,不包括腕部在内一共有17个自由度(图3).其中拇指4个关节,4个自由度;食指4个关节,3个自由度;中指4个关节,3个自由度;无名指4个关节,3个自由度;小指5个关节,4个自由度,一共由34根气动人工肌肉驱动.腕部2个关节,2个自由度,由4根气动人工肌肉驱动.除拇指外,4指远端的2个关节采用机械耦合,使2个自由度合并为1个,即减少了驱动器的数量,同时又使得手指的运动更像人类的手指[6].图3　灵巧手自由度示意图Fig .3　DOF of the dexterous hand灵巧手由手掌、手指组成(图4).手掌由3部分组成:拇指掌骨、中间掌、小指掌骨,其中中间掌是食指、中指和无名指掌骨的合并掌.这一简化设计使得灵巧手的机械结构简单,同时提供了一个传感器信号调理电路的空间,而且它不会影响整个手的仿生运动.5根手指分别是拇指、食指、中指、无名指和小指,其中食指、中指和无名指在结构和长度上均相同,小指与其它3指相比,结构相同,长度略短.当5指伸直且4指平行时,中心线间距20mm ,给佩戴人工皮肤留下足够的空间;拇指与食指呈20°角.拇指有4个关节:拇指指间关节、拇指掌指关节、拇指腕掌关节,其中拇指腕掌关节设计为拇指远端腕掌关节和拇指近端腕掌关节.拇指远端腕掌关节实现拇指横向摆动,拇指近端腕掌关节实现拇指靠掌运动,它们共同作用实现拇指腕掌关节的功能,即将实际594北京理工大学学报 第26卷关节在两个自由度方向分解并分别设计;其它4指均有4个关节:远端指间关节、近端指间关节、指掌关节、横向摆动关节,其中指掌关节和横向摆动关节共同作用实现指掌关节的功能.图4　灵巧手背面与正面示意图Fig .4　Back and palm of the dexterous hand 拇指远端腕掌关节横向摆动范围为0°～60°,4指指根横向摆动关节运动范围为-15°～+15°,其它关节运动范围均为0°～90°.灵巧手的尺寸与人类的手接近,如表1所示.表1　灵巧手主要尺寸表Ta b .1　Main size of dexterous handmm拇指食指中指无名指小指掌宽掌长掌厚80106106106879090203　手指的结构设计3.1　设计思想目前灵巧手手指的设计有两种主流设计思想,即内骨骼设计和外骨骼设计.外骨骼设计的手指外部只能安装很薄的用于增加摩擦力的橡胶皮,用于柔性接触的厚衬垫只能装于手掌上,而且难于安装触觉传感器;内骨骼设计有利于安装触觉或力传感器以及柔性衬垫.仿人灵巧手采用内骨骼设计.肌腱是人手实现运动的关键.仿照人类手指的自然设计采用两条PMA 驱动一个关节,一根PMA 的收缩力通过柔索传到手指腹面,做屈指运动,另一根的PMA 收缩力通过柔索传到手指背面,做伸指运动.人手的肌腱穿过附着于骨骼上的内部具有润滑脂的腱鞘,腱鞘具有很好的弹性,在骨骼弯曲时具有良好的适应性,最大限度地减少了关节连接处的部件.在仿人灵巧手的设计中运用了这种思想,所有的柔索(人工腱)均带有腱鞘,靠腱鞘的柔性变形来适应各种弯曲,使柔索能顺利地将人工肌肉的运动从小臂传递到手指上.在灵巧手的设计中,采用橡胶软管作为柔索的腱鞘,以减少关节旋转给柔索带来的摩擦.3.2　设计结构拇指是最灵活的手指,其外形如图5所示.图5　拇指外形图Fig .5　Figure of the thumb拇指的结构如图6所示,可以看到,拇指由远端指节骨、近端指节骨和拇指侧掌骨构成.在5指并拢时,拇指指肚与手掌掌心面成45°,4指指肚与掌心面平行.这样设计的好处是,在抓取物体时,拇指可以用正面来接触物体表面,可以更好地传递力,使触觉传感器更好地反馈接触面上产生的信号;另一方面也符合人手的形状[7].图6　拇指的结构Fig .6　S tructure of the thumb拇指远端腕掌关节实现拇指横向摆动,拇指近端腕掌关节实现拇指靠掌运动,它们共同作用实现595第7期 彭光正等:气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的结构设计拇指腕掌关节的功能.人手拇指腕掌关节是一个可以绕2个自由度方向转动的关节,而所设计的拇指腕掌关节将实际关节在2个自由度方向分解并分别设计,这样既降低机械结构的复杂性,又能实现所需的功能.拇指远端腕掌关节横向摆动的范围在0°～60°之间.如果加上拇指伸直时与4指的20°夹角,可以做到几乎垂直地竖起大拇指,这样设计的目的可使灵巧手更像人手,做出像张开5指、竖起大拇指等动作.第1指节与第2指节之间由滑轮与轴承连接,构成拇指指间关节,驱动该关节的柔索在第1指节的滑轮上缠绕2到3圈,起到固定的作用(图7),并向后穿过第2、第3指节以及手掌和手腕,最后与固定于小臂上的人工肌肉相连.拇指上其它关节的驱动方式同拇指指间关节的驱动方式,每个关节由一对人工肌肉驱动.图7　指关节柔索驱动示意图Fig .7　Finger joint driven by flexible rigging其它4个手指均各有4个关节,3个自由度.这4个手指采用相同的结构,只是小指在长度上比食指、中指及无名指短一些(图8).图8　其它4指外形图Fig .8　A figure of the other fingers以中指为例,共有远端指骨间关节、近端指骨间关节、掌指关节以及横向摆动关节4个关节.人类手指的掌指关节有2个自由度,所以近端的2个关节实际上是对人类手指的掌指关节的分解.远侧2个关节由柔索实现联动,有1个自由度.其它关节各由一对人工肌肉驱动,各有1个自由度.其中横向摆动关节的自由度用于实现手指的横向摆动,它与指掌关节的转轴是相互垂直的,可以使指端在空中画圆.在日常生活中人们都有这样的经验,在没有外力作用的情况下,手指远侧的两个关节几乎不可能独立运动,它们在弯曲或伸直过程中,两个关节转角存在着某种联动关系.在仿人灵巧手的设计上(图9),绕R 1的柔索固定在中指节骨上,绕R 2的柔索固定在远指节骨上,R 3固定于近指节骨上,当人工肌肉产生X 1方向上的形变量时,柔索带动R 2即近端指间关节转动产生θ1角度.R 3是通过轴承和R 1同轴的,它不随R 1转动,实际上可以说R 3根本不转动,它只是提供一个比较光滑的柔索通道.R 3轴和R 2轴通过交叉型的柔索串联起来,所以,当近端指间关节转动时,交叉型柔索在R 3上的切点会相对于原来的位置发生移动,从而带动R 2即远端指间关节转动θ2角.图9　单个手指运动示意图Fig .9　M ovement of a finger仿人灵巧手的抓取动作是靠整只手来完成的,手指、手掌都会参与到这一动作中.考虑到掌骨和腕掌关节在抓持物体时起到重要的作用,在拇指和小指侧各设计有掌骨,由此带来的腕掌关节使得灵巧手的动作更加丰富,在对物体包围抓握时可以与物体贴合得更好些,有助于手中所抓物体的稳定,物体不会轻易从手中滑落.食指、中指和无名指近侧的掌骨被设计成一个整块,构成了手掌,并且可以提供安装传感器信号调理电路的空间.图10　柔索在手掌中的布局Fig .10　Tendons in palm4　柔索的布局手掌内部主要包含柔索挡件,它们用于连接并支撑手掌上下2片,起到限制柔索的活动范围、引导柔索走向的作用(图10).596北京理工大学学报 第26卷5　结　论仿人灵巧手在设计上尽量体现了仿生的要求,其外形小巧,结构简单.由于采用气动人工肌肉作为驱动装置,该手具有很好的柔顺性.针对所设计的机器人灵巧手,建立了以工控机为核心的控制系统,采用SMC公司ITV0050比例阀控制每根肌肉的动作,对手指的驱动进行了实验.实验结果表明采用一对气动人工肌肉驱动手指关节是可行的,而且关节联动部分的设计是可行的,此种灵巧手在外形和手指关节的运动空间方面达到了拟人的效果.参考文献:[1]W alker R.Shadow dextrous hand technical specifica tio n[M].London:The Shadow Robot Company,2005. 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