基于气动人工肌肉驱动的多关节机械手指动力学仿真毕业论文

毕业设计说明书(论文)题 目： 基于气动人工肌肉驱动的多关节机械手指动力学仿真 45 / 54毕业设计说明书（论文）中文摘要由于气动人工肌肉比重小、结构紧凑，占用空间小等优点，本文提出一种曲柄滑块机构来驱动手指弯曲，让气动人工肌肉驱动滑块运动，首先设计气动肌肉手指关节结构，并用SolidWorks绘制手指的三维图，利用ADAMS和MATLAB进行动力学联合仿真，在手指端设置一定的负载，输入手指三个关节的直线驱动，观察手指末端的角速度变化和三个驱动力的变化，最后根据气动肌肉的驱动原理进行了气动肌肉灵巧手关节运动的控制研究，利用比例压力阀对气动肌肉压力进行控制，使气动肌肉横向收缩带动滑动移动，从而实现对手指关节弯曲角度的控制。关键词：仿人灵巧手；关节设计；气动肌肉；动力学仿真毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Dynamic simulation of multi joint robotic fingers based on pneumatic muscle driven muscleAbstractBecause of the small proportion of pneumatic muscle, compact structure and small space occupancy, etc. In this paper, a slider crank mechanism drive the finger bending. The slider crank mechanism is driven by artificial muscles, Firstly, designing pneumatic muscle finger joint structure, And with the SolidWorks drawing fingers entity graph, using ADAMS and MATLAB co-simulation of the dynamics, the fingertip set certain load, input linear drive of the three joints of the fingers, to observe the change of the angular velocity of the finger tip and three driving force of change, finally according to the driving principle of the pneumatic muscle was analyzed by gas dynamic muscle dexterous hand joint movement control research, using the proportional pressure valve of pneumatic muscle pressure control, pneumatic muscle transverse shrinkage to drive the sliding movement, in order to realize the control of the flexion angles of finger joints.Keywords: Dexterous hand; Structural design; Pneumatic muscles; Dynamic simulation目录前言1第一章 绪论21.1课题项目的背景21.2气动人工肌肉多关节手指的国外发展现状21.3气动技术的介绍以与发展前景41.4论文研究的容和方法6第二章 多关节手指的结构设计与建模72.1 气动肌肉的介绍72.1.1 气动肌肉的部结构72.2 气动机械手指的基本结构92.2.1 绘图软件SoildWorks介绍92.2.2 整体设计方案的设计92.2.3 手指的关节设计102.2.4手指关节的建模132.3 灵巧手指的装配和三维模型的导出15第三章 多关节手指的动力学仿真分析163.1仿真软件ADAMS和MATLAB简介163.2 动力学仿真过程介绍183.2.1 ADAMS参数设置过程183.2.2 建立MATLAB控制模型273.3 动力学仿真结果分析以与结论29第四章 气动肌肉灵巧手指的控制系统设计314.1气动肌肉回路原理和设计314.1.1气动回路器件的选择324.2灵巧手指的关节控制系统344.2.1控制系统的原理344.2.2控制系统的硬件选择354.3 D/A控制界面的设计和程序的编写36|第五章 结论与总结41参考文献42致 44前言随着机器人技术的日益成熟，工业机器人极有可能最终取代机床，成为新一代工业生产的基础。服务机器人在近些年开始走进大众视野，并随着人工智能技术、先进制造技术和移动互联网的创新融合而飞速发展。越来越多的服务型机器人被研发出来，开始改变人类的社会生活方式。未来对机器人性能和稳定性要求越来越高，其中由于机器手作为机器人的末端执行器，机械手的功能直接影响着整个机器人的功能，因此机器人手指的研究成为了国外的热门，本文我们将提出一种曲柄滑块机构来驱动手指弯曲，其中滑块机构是由人工肌肉来推动，由于气动人工肌肉比重小、结构紧凑，占用空间小等优点，关于气动人工肌肉的灵巧手指的研究越来越多。如今，机器人的使用围已开始向国家安全、特殊环境服役、医疗辅助、科学考察等多个领域扩展。而一旦步入智能化阶段，机器人产业所构建的社会网络，将遍与社会生产、生活各领域，成为新一轮产业革命后的社会形态智能社会的基础。作为一种跨学科先进技术，机器人技术的突破需要其他技术支撑，尤以能源、材料、信息、生命科学与先进制造技术为重。这些技术被众多学者视为新一轮产业革命的支撑技术，它们的突破必然会促发机器人产业发展的一个高峰，从而推动新一轮产业革命进程。新型能源将有助于解决机器人的动力问题；新材料的使用有助于提升机器人的性能；信息技术的发展应用对机器人的控制系统至关重要；生命科学的发展有望使仿生学更多地运用到机器人产业，从而推动机器人“从机器到人”的转变；先进制造技术的应用则可解决结构复杂机器人的制造问题，有助于推动机器人的批量化生产和普与。 因此，气动人工肌肉机械灵巧手指正是在这种情况下出现。本文将提出一种接近于人手尺寸和运动围的灵巧手指，该灵巧手指采用气动人工肌肉来驱动，手指包含三个关节，能够进行多自由度的运动，具有良好的仿生性。第一章 绪论1.1课题项目的背景目前，机器人像人一样，需要利用它的“手”与周围发生接触。作为机器人与周围环境交互作用的末端环节和执行机构，机器人的“手”(末端执行器)的性能提高对机器人操作水平和自动化水平的提升具有非常重要的作用。以往的工业机器人通常只需要完成抓取/拿放这样简单的功能，因此功能单一、结构简单的单自由度专用末端执行器便可以满足日常任务要求。但是，伴随着科学技术的提高，机械手指的应用围不断增大，逐渐从传统的工业领域扩展到服务业、医学、以与农业领域中，其服务对象也变的更加多样化。因为以往的机器人末端夹持器在抓取的稳定性、灵活性以与通用性等方面都存在严重不足，这在很大程度制约了机器人的应用，这种情况下，国外的科学工作者开始研究具有多个关节和自由度的机器人多指灵巧手。目前，国外机器人多指灵巧手，大部分采用伺服电机驱动，这种驱动优势在于可以实现准确的控制，同时采用电机柔索动力传递方式，这样设计的目的在于得到了较大的之间输出力的同时又保证了灵巧手具有较小的尺寸。但是，电机柔索传动方案使得整个灵巧结构复杂， 而且柔索装置在传递动力的过程中会有摩擦、松弛、振颤等现象，不仅效率低下而且增加了控制难度。为了克服上述存在的问题，工业大学，工业大学等国院校已经进行了相关研究，本毕业设计研究一种基于气动人工肌肉驱动的多关节机械灵巧手指，并且进行动力学仿真。1.2气动人工肌肉多关节手指的国外发展现状 理工大学伟，余麟等针对气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的设计，提出应用气动人工肌肉的五指灵巧手设计方案包括各手指的结构设计以与手指与手掌的连接设计手指采腱传动方式，灵巧手总共具有17个自由度。手指端有滑觉传感手掌中有握紧力传感。该灵巧手具有充分的自由度，结构紧凑、新颖并具有力知觉能力仿生性好1。 理工大学王龙辉设计了一种多自由度的仿人手指，该手指采用气动肌肉作为驱动器。在设计手指之前，为了得到气动人工肌肉的基础模型，首先要通过实验来获得气动肌肉的静态特征，采用两个气动肌肉来带动滑轮转动的原理，设计出灵巧手指的基本关节模型，然后设计出灵巧手的基本机构，根据气动肌肉的驱动原理，设计手指关节的气路和控制系统；其次为了进行试验分析，必须构建气动肌肉手的实时反馈系统2。 科技大学王凯通过对人下指结构的分析,基于SolidWorks 三维软件设计了一种气动人工肌肉驱动的机器人灵巧手指，按照人手指结构比例进行了优化,并采用触力传感器和电位计来分别检测指尖接触力与三个关节转角为构成闭环控制产生反馈信号,对所设计的手指进行运动学分析，确定出手指各关节的运动空间与输出力,为进一步进行灵巧手模块化设计打下了基础3。理工大学光正研究并设计了气动人工肌肉驱动的多关节手。该手有5个手指，结合人体的构造，参考人手的外形和肌肉的运动形式，设计了19个自由度多指仿人灵巧手，该手指依靠气动肌肉带动柔索伸缩，从而使手指弯曲。通过实验数据分析可得,该手指的整体尺寸和运动空间接近人手，因此该手指拥有良好的柔顺性能4。工业大学樊绍巍提出了一种新型的类人化五指手被研制出来，手是由一个独立的手掌和五个一样的模块化的手指构成，手指的尺寸大约是第一代HIT/ DLR手的三分之一，手的大小和人类的相似包装件同结构功能件融合的设计思想不但进一步缩减的灵巧手的外形尺寸 ,而且使灵巧手外形更加类人化5。 科技大学朱玉乐根据气动人工肌肉驱动的HUST灵巧手的结构特点，采用标准DH参数法建立各手指指尖相对于手掌坐标系的运动方程，分析求解多指气动灵巧手的正逆运动学问题，基于MATLAB对灵巧手的工作空间进行仿真分析，得出了各手指在手掌坐标系下的操作可达空间，并通过抓取实例验证了运动学与仿真分析的正确性，为多指灵巧手的抓取规划提供了重要依据6。 理工大学武鹏飞对能抓取易碎物体的气动手指进行了研究 , 采用气动手指位置的夹持力自适应控制系统 , 建立了气动手指系统 模型 , 并通过AMESim 仿真分析, 利用PID控制技术提高了系统的稳定性7。 工业大学立彬提出了一种新型气动灵巧手指。由于该5D力传感器和非接触式角位移传感器被集成在手指中。一体化设计手指关节本体和 驱动器，减小了手指的整体尺寸；手指关节采用FPA直线驱动，直接输出驱动力矩，合理减少了松弛、颤抖等现象8。 Kanchana C.W和Thananchai L.采用拟合的试验方法得到了一个符合实际实验值的模型，他们在这个中增加理想情况下的偏差因素，能够适应实际情况下产生的误差，可以更好的反应气动肌肉的基本特征9。1.3气动技术的介绍以与发展前景 气动技术14、15是一项正在迅速发展而且热门新技术，气动技术中最重要的组成部分那就是气动元件了，气动技术是基于一个压缩气体（如压缩空气或惰性气体和热气体）作为工作介质来传递能量与信号，实现了生产过程的自动化的一项新技术，由气动元件构成的驱动系统和控制系统广泛应用于国民经济各部门的设备和自动化生产线，气动技术包括气动原理和气动控制两个方面。 气动技术发展历史，是从单个部件到控制系统，从简单的机械系统到复杂的机电一体化过程。人类使用的空气来能量传递介质可追溯到数千年。但气动技术的具体特性和基本原理进行系统研究是从本世纪初开始的，形成一中气压传播动力学和控制理论作为主要容的气动系统理论学科。目前，气动和液压驱动器是控制技术两个最普遍的应用，他们之间许多相似之处，也有很多不同点。之所以气动技术真正成为世界广泛接受和使用，是因为各地各工业部门由于日益紧迫的生产自动化和程序合理化必需的，还因为许多气动技术具有以下优点：（1） 空气技术用空气作为工作介质，空气到处可取的，低粘性，在管道集中供气和远距离输送流动阻力小。因此，大多数企业都有压缩空气的来源。作为工作介质的压缩空气，有着安全性能高，取用方便和获取成本低的优点，利用这些优点，使气动技术得到了广泛应用。压缩空气不会产生危险的电火花。所以，它可以用易燃易爆这些潜在危险的场所。（2） 气动元件运动速度高，速度一般钢瓶为0.050.68m/s，有些高达13m/s，高速气缸高达15m/s。（3）气动元件机构较为简单，成本低，易于取得，使用过的压缩空气可以直接排放到空气中，而不需要经过特殊的后置处理（4）气动系统非常环保，系启动系统能量储存比较方便，可以作为应急能量使用。统即使有气体泄漏，它也不会像的液压系统，造成严重的污染，与传统的电机控制相比，它不容易受电磁干扰。（5）充气系统维护简单，操作人员也不需要特别的训练和特殊实验室设备。（6）适应性强，现有的机器可以容易地改装来安装气动驱动缸，可以直接按照输出要求来安装。（7）气动系统本神拥有过载保护的功能。气动执行器可在满负荷下长期工作，过载时候自动停止工作。当然，气动技术也有它的缺点：（1） 压缩空气的必须净化，以便出去不必要的灰尘和水。（2） 系统运行会产生嘈杂的排气（3）空气的可压缩性使得系统效率和气动系统的稳定性产生变动，大多数情况下将会影响位置和速度控制。（4）气动系统的反应速度相对于电路控制，有一个较大的延迟和失真低，因而不适合于高速气动控制技术和复杂的信息系统和处理，而且气动信号传输距离也是有限的。虽然气动技术有一些缺点，但它也是一个主要的优点，所以气动技术可以越来越广泛地应用于各种工业领域。气动元件是一个具有成本效益高的机械化和理想的自动化元件。现在，气动技术和电子、液压技术，自动化技术一起在国民经济中的发挥作用越来越重要。从风能驱动技术和液压技术逐步发展为气动技术，虽然它才经历了50年的发展历史，但已充分显示了其在自动化领域强大的生命力，成为了20世纪发展最快、最受关注、应用最广泛的一门科学技术，气动技术已成为各个行业不可缺少的一部分。在其他国家，气动被称为“廉价的自动化技术。”气动技术经历了主要发展几个历史阶段。到上世纪50年代初，大部分从液压元件变换或演化在大体积的组件。 20世纪60年代左右，开始构成工业控制系统，应用到系统中，与现在的气动技术没有可比性。在20世纪70年代，由于电子技术在自动化领域已得到广泛推广，液压技术得到了大规模的应用。 20世纪80年代是集成化，小型化的时代。 90年代末和本世纪初，传统的死区气动技术的突破，气动技术开始经历了跨越式发展，精度为0.01mm组合式气动机械手已经被设计出来，5mm/ s的低速平稳和510m/s的高速运行气缸相继问世。随着计算机、电子、传感器、通讯等多种技术的发展，促使了智能气动（气动比例和伺服，智能阀岛，模块化机器人）的概念产生出来。气缸气动伺服定位技术可以实现高精度的自动定位，气动伺服定位技术可使气缸在气动机械手位置在伺服控制系统的高速运动3mm/s情况下实现任意点自动定位。智能阀门终端技术的全自动化生产线方案解决分散和集中控制问题。现代气动的发展趋势集成化、模块化、智能化、微型化10。1.4论文研究的容和方法 目前各种类型的机械手指被开发出来，主要是由伺服电机驱动。虽然目前的伺服电机已经达到所需的一些性能,但是它们的主要缺陷是既大又重而且需要复杂的传输机制，极大的地限制了机械手指的使用。事实上现有的机器手指由于驱动电机的重量和复杂的传输机制，实用性大打折扣。在现有的机械手指结构基础上，我们打算使用新型的气动人工肌肉以与驱动原理对它进行研究，提高机器手指的性能。本研究首先利用人工肌肉制作出直线驱动器，然后通过曲柄摇杆机构的逆向运用将直线驱动器的直线运动转换成手指关节的弯曲运动，设计制造出功能类似于人类手指的机械手指，对多关节机械手指的结构进行动力学仿真分析。 虽然ADAMS11拥有较强的运动学和动力学仿真能力，但是它不能够准确绘制复杂的三维实体模型。本论文使用SolidWorks12 三维绘图软件来建立较为复杂的机械手指三维模型。MATLAB具有强大的数据分析能力，又可以弥补ADAMS控制能力不足，没有复杂的控制模块，所以采取ADAMS和MATLAB联合仿真的方法对手指的动力学特性进行分析优化，观察手指在驱动力的作用下运动情况。第二章 多关节手指的结构设计与建模2.1 气动肌肉的介绍2.1.1 气动肌肉的部结构图2-1 气动肌肉的部结构1.管接螺母 4.盘形弹簧 2.法兰 5.气体密封圈3.部圆锥 6.隔膜软管 气动肌肉的材料，管接螺纹、法兰、部圆锥一般使用铝合金，而盘形弹簧一般用弹簧钢，气体密封圈常用腈基丁二烯橡胶（NBR），隔膜软胶管使用芳香烃类物质（CR)。2.1.2 气动肌肉的特性1） 气动肌肉的工作方式图2-2 气动肌肉 气动肌肉是一种伸缩驱动器，它是有部伸缩装置和外部连接器组成它能够人肌肉一样工作，部伸缩装置是由高强纤维的密封软管组成，当部充气时，隔膜软管逐渐膨胀为球体，气动肌肉纵向扩，横向收缩，带动负载直线运动，一开始充气时，气动人工肌肉的拉伸力非常大，随着时间推移，横向位移逐渐增大，拉伸力也随之减少。研究表明，气动肌肉的行程大约为额定长度的24%左右，气动肌肉只能横向拉伸运动，并不能纵向压缩，所以当充气压力过大时，可能导致橡胶管外部摩擦力增加，破坏气动肌肉的性能。2) 气动肌肉长度和负载的关系 定义气动人工肌肉在无负载、无压力的情况下的长度为额定长度，这就等于接口间可见的那部分气动肌肉的长度。当气动肌肉受外力作用预拉伸时，它的长度变长；另一方面，当气动肌肉受压时，气动肌肉收缩，它的长度减小13。如图2-3所示。图2-3 长度与力的关系2.2 气动机械手指的基本结构2.2.1 绘图软件SoildWorks介绍SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统，由于技术创新符合CAD技术的发展潮流和趋势，SolidWorks公司于两年间成为CAD/CAM产业中获利最高的公司。良好的财务状况和用户支持使得SolidWorks每年都有数十乃至数百项的技术创新，公司也获得了很多荣誉。该系统在1995-1999年获得全球微机平台CAD系统评比第一名；从1995年至今，已经累计获得十七项国际大奖，其中仅从1999年起，美国权威的CAD专业杂志CADENCE连续4年授予SolidWorks最佳编辑奖，以表彰SolidWorks的创新、活力和简明。至此，SolidWorks所遵循的易用、稳定和创新三大原则得到了全面的落实和证明，使用它，设计师大大缩短了设计时间，产品快速、高效地投向了市场。2.2.2 整体方案的设计多关节手指是一种可以在二维空间运动的构件，设计和建立手指的三维手指图首先必须考虑手指的运动和驱动装置，本文采取气动人工肌肉作为手指的驱动器，气动人工肌肉只能够直线运动，要想转化为手指的弯曲，一般可以采取绳索转动件的组合，也可以采用类似于曲柄滑块机构的关节，手指三个关节长度差别不大，一般为90100mm左右，手指应该包括近指节，中指节和远指节，因为远指节需要进行抓取工作，所以末端结构应该与其他两个关节有所不同，手指部还必须考虑气动人工肌肉安装位置，人工肌肉可以采取小型人工肌肉，便于安装在曲柄滑块上，考虑到气动人工肌肉纵向十分柔软，不具有导向性，还必须在曲柄滑块中间设置导向装置。我们以一个手指关节为研究对象，对手指关节结构进行设计和建模，手指的关节如图2-4所示。图2-4 手指的关节结构1. 手指的指节 4.手指末端 7.气动人工肌肉22. 滑块结构 5.弹簧 8.导向机构3. 手指关节连杆 6.气动人工肌肉12.2.3手指的关节设计A:关节机制气动肌肉驱动器能够完成其它任何机械无法替代的模拟人体肌肉的直线的运动。因此,有必要将直线运动推广到回转运动以应用于机器人领域。在本文中,选择了一个简单的曲柄滑块机构将直线运动转换成所需的回转运动。气动肌肉驱动器的主弹性力使曲柄沿垂直轴平移。这导致连杆旋转一个角度如图2-5所示。图 2-5 手指关节结构示意图B：系统分析 本节的目的是为了确定总输出力，位移与气动肌肉的驱动力的关系：1)位置分析:当肌肉气压加载， 气动肌肉压缩长度X,连杆L旋转角计算方式如下:连杆和曲柄半径分别为L1和L2,L0是初始位置曲柄和驱动器之间的距离。2) 受力分析:气动肌肉驱动器压缩引起的弹性力可以有气动肌肉的压缩量和输出力关系性能曲线获得。为了确定手指关节各部分的尺寸，我们根据手指的长度，我们可以设定连杆长度（L1）为18mm,手指初始位置曲柄和驱动器之间的距离（L0）为13mm，曲柄根据实际情况取15mm，10mm，6mm，分别比较他们的偏转角度和输出力(F0L/FL2)的大小。表2-1 不同长度曲柄下的转角和输出力曲柄长度L2(mm）偏转角度（0）输出力大小6087.50.09010053.50.11215038.10.146 可以根据以上公式，可以计算曲柄不同长度时的连杆的角度和最大受力，比较偏转角度和输出力，我们这里选择手指曲柄为10mm最符合要求。如表2-1所示表2-2 手指关节尺寸变量单位数值曲柄长度（L2)mm10连杆(L1)mm18 极限位置距离（ L0）mm13气动肌肉的位移围（X)mm010通过上面数据带入求解公式可得公式，手指的偏转角度的围为00-53.40满足设计要求，力的大小可以根据上面的F0公式进行计算。.2.2.4手指关节的建模因为手指有三个关节，每一个关节又有许多零件，三个手指关节的驱动原理和结构一样，所以这里以滑块简要的介绍手指建模过程。1. 打开solidworks，在菜单栏中找到草图绘制，然后选择草图绘制的基准面，一般选择前视基准面（XY为基准面）。如图2-6所示 图2-6基准面的建立2. 绘制如图2-7所示的草图，用鼠标选中刚刚绘制的长方形，然后在实体特征中选择实体拉伸，输入拉伸的距离，最后点击确定，得到一个长方体。图2-7绘制长方形过程3. 其他三个零件的绘制过程，和刚刚的长方体类似，一般都是先绘制零件草图，然后对草图进行旋转，拉伸，偏置，镜像等7处理，得到设计要求的三维图，如图2-8所示，零件滑块已经建立完成。图2-8 关节滑块图2.3 灵巧手指的装配和三维模型的导出 由于其他手指零件的绘制过程基本类似，当零件建立结束后，首先要进行零件图的装配，首先新建装配体，然后点击开始装配，浏览指向零件图的位置，并且选择其中一个零件作为基准件，单击插入新的零部件，浏览所要装配的零部件，选择两个零部件的配合形式，然后其他零件以此类推，最终建立一个三维实体手指图，本装配的过程涉与到配合，目前常见的配合有重合、同轴心、平行、相切、距离、垂直等，本装配主要涉与到同轴心、平行和接触，手指装配完成，检查没有问题后，便可以将装配图转化为ADAMS格式输出。在SolidWorks中把手指的装配图另存为ParaSolid格式（文件已.x_t结尾的）。图2-8 手指装配图第三章 多关节手指的动力学仿真分析3.1仿真软件ADAMS和MATLAB简介(1) ADMAS简介 ADAMS作为世界上使用最广泛的多体动力学（MBD）软件，ADAMS可以帮助工程师研究运动部件，在机械系统的动力学中载荷和力如何分布。产品制造商往往很难理解真正的系统性能，直到在设计过程结束时。机械，电力等子系统对他们的系统工程过程中的具体要求进行验证，但整个系统的测试和验证来得晚，导致返工，而且是风险更大，比那些提前设计变更的成本更大。 ADAMS作为世界上最有名的和广泛使用的多体动力学（MBD）软件，ADAMS提高工程效率，降低产品开发成本，使早期的系统级设计验证。工程师可以评估和管理学科，包括运动，结构，驱动和控制之间复杂的相互作用，以便更好地优化产品设计性能，安全性和舒适。凭着强大的分析能力和高性能计算的优势，ADAMS可以大规模地优化设计问题。利用多体动力学解决方案技术，ADMAS通过非线性动力学，用很少的时间有限元来分析解决方案。载荷和力通过ADAMS模拟计算，提供他们在整个全围运动和操作环境如何变优化为最佳状态，提高有限元分析的准确性。(2) MATLAB简介 MATLAB 拥有算法开发、数据分析、和模型建立的数值计算方法。MATLAB的数学函数部有处理器优化库，这样就可以使向量运算和矩阵运算快速地运行。 MATLAB 置的各种工具可以实现高效的算法开发，包括：1. MATLAB命令行窗口：能够以交互的方式输入数据，执行命令和程序，以与显示结果2. MATLAB编辑器：不仅可以设置程序断点与逐步调试各行代码，而且拥有编辑和调试功能3. 代码分析器：自动检查代码是否有问题，并提出修改建议，以最大限度地发挥性能以与可维护性4. MATLAB事件探查器：衡量 MATLAB 程序的性能，并确定需要修改加以改进的代码围其他工具可以对代码和数据文件进行比较，并提供显示文件相关性、注释提示和代码涵盖围的报告。3.2 动力学仿真过程介绍3.2.1 ADAMS参数设置过程1） 在ADAMS中的import选择文件类型parasolid（.x_t），指向保存的文件，在文件类型中中选择ASCII,因为保存的文件是组件，所以选model name，在后面的空格里单击右键，选model，再选create，默认名字，点击OK。如图3-1所示：图3-1 导入参数设置过程2） 在菜单栏点击connectors按钮，设置相关转动副和移动副，并将手指底部与锁定。如图3-2所示3）单击菜单栏里的motions，然后单击选择按钮translationnal joint motion，点击前面设置的滑动副，然后填写移动速度为1*time，点击ok，其他两个滑动副设置过程一样，如图3-3所示。 图3-2运动副设置图 图3-3 驱动设置过程4）单击菜单栏里的simulation，选择simulation controls，把end time 设置为0.01,其中steps设置为500，点击开始按钮，观察图形的运动过程，如果没有错误就可以开始输入输出参数的设置了。图3-4是手指在Adams的仿真参数设置过程，图3-5为仿真结果的显示。图3-4仿真过程参数设置图3-5仿真效果图模拟手指受理情况，在手指末端施加0.5N的里，这个力是随着手指移动的，这个时候给三个关节施加驱动，让手指开始弯曲，观察手指的运动，并且查看手指三个滑动副的受力情况，分析受力曲线，如图3-6所示，是手指的三个驱动器受力情况。由图可知，当手指一开始运动时，由于此时驱动器在初始位置，滑块和中间连杆的夹角很小，此时必需很大的驱动力才能推动手指运动，但是在实际情况下，手指一般都是弯曲过后才会有负载，所以真实情况下手指开始并不需要多大驱动力，只需要考虑手指弯曲后的情况即可，如图可知，手指弯曲后的驱动力接近于一个常量，joint10是在手指连接手掌的关节，所以一开始的力比其他两个关节的力要大。图3-6手指受负载时三个驱动受到的力其中 Joint10：下指节; Joint11：中指节; Joint12：上指节图3-7 手指末端角速度变化曲线图3-8 手指末端角加速度变化曲线图3-9 手指末端位移变化曲线图3-10三个关节的转矩图5）输入输出参数的选择过程是非常重要的，由于手指有三个关节，因此必须有三个参数的输入，我们这里把手指的滑动驱动设置为输入参数，多关节手指关节的指端角速度为输出参数。 1.建立输入变量单击菜单栏中建立按钮，打开System Elements选项，打开State Variable，点击New选项，创建状态变量对话框。将名称改成. MODEL_1.speed（ MODEL_1为文件名，speed为变量名）。单击OK按钮后创建状态变量speed1d作为输入变量。其他三个驱动设置为speed2，speed3，如图3-11所示图3-11创建输入状态变量2、将状态变量与模型关联 在手指右侧的motion菜单中选择joint motion选项，右击选择modifly选项，打开编辑对话框，在函数输入框中输入VARVAL(.MODEL_1.speed1)*time ，其中VARVAL（）是一个ADAMS函数，它返回变量.MODEL_1.speed1的值。通过Varval把状态变量speed1与速度关联起来，速度等于自于状态变量speed1的数值。如图3-12所示图3-12 将状态变量与模型关联3、 指定状态变量speed1为输入变量 单击菜单栏的建立按钮，选择窗口中的Controls Toolkit，点击Plant Input创建输入变量，弹出控制输入对话框，将状态输入名称 输入框改成.MODEL_1.speed1, 点击变量名称输入框中，可以使用右键鼠标快速输入状态变量.MODEL_1.speed1，.MODEL_1.speed2,.MODEL_1.speed3，单击OK按钮。如图3-13所示3-13指定状态变量speed1为输入变量4、创建输出变量单击菜单栏中建立按钮，打开System Elements选项，打开State Variable，点击New选项，跳出状态变量窗口。将名称输入框修改成Angle，在F(time,)后面点击按钮，然后选择WX函数，后面的参数填写(MARKER_55,MARKER_45,MARKER_45），点击应用按钮创建状态变量Angle作为输出变量，其中WX（）函数返回绕X轴旋转的角速度，这里代表手指末端的角速度。手指末端位移的设置与上面角速度设置类似，如图3-14所示图3-14 创建输出状态变量5、 指定状态变量angle为输出变量 单击菜单栏的建立按钮，选择窗口中的Controls Toolkit，点击Plant Input创建输出变量，弹出创建控制输出对话框。将名称输入框修改成. MODEL_1.PINPUT_output。在变量名称输入框中，用右键鼠标快速菜单输入状态变量Angel，单击OK按钮。如图3-15所示图3-15指定状态变量angle为输出变量6、导出控制参数单击菜单栏中的工具按钮，选择其中Plugin Manager，单击菜单Controls，选择Plant Export，弹出导出控制参数对话框。在File Prefix输入框中输入FIRE，在Plant Input输入框中用鼠标右键快捷菜单输入PINPUT_speed1，speed2，speed3，在Plant Output输入框中用鼠标右键快捷菜单输入.PINPUT_output，将Control package选择为MATLAB，类型选择为non_linear，Initial Static Analysis选择NO,ADAMS/Solver Choice选择为Fortran。单击OK按钮后，在ADAMS的工作目录下将生成fire.m、 fire.cmd、fire.adm这3个文件。图3-16导出控制参数3.2.2 建立MATLAB控制模型 1、导出ADAMS模型在MATLAB里的模块启动MATLAB ，先将MATLAB的工作目录指向ADAMS的工作目录，方法是单击工作栏中当前工作位置的按钮，弹出工作位置选择路径对话框。在MATLAB命令窗口的命令提示符提示符下，输如FIRE2，也就是FIRE2.m的文件名，在命令窗口会出现之前设置的输入输出参数。显示容如下： FIRE2ans =% INFO : ADAMS plant actuators names :1 speed12 speed23 speed3% INFO : ADAMS plant sensors names :1 jiaosudu2 weiyi在命令提示符下输入命令adams_sys ,adams_sys是ADAMS与MATLAB的接口指令。在输入adams_sys命令后，弹出一个新的窗口，该窗口是MATLAB/Simulink的选择窗口。如图3-16所示图3-16 导出ADAMS模型在MATLAB里的模块 2.控制系统的搭建在MATLAB/Simulink选择窗口中,选择菜单栏中的文件按钮，点击新建，然后选择模块，弹出一个新的窗口，单击工具栏中的保存按钮，将新窗口存盘为kongzhi.mdl,将ADAMS_sub方框拖动到kongzhi.mdl窗口中，并完成控制系统的搭建。如图3-14所示3、设置MATLAB与ADAMS之间的数据交换参数在kongzhi.mdl窗口中双击ADAMS_sub按钮，这时弹出的新的窗口，双击窗口中MSCSDoftware控制框，弹出数据传输参数设置对话框，将Interprocess设置为PIPE(DDE) ，将Communication Interval文本框中输入0.005，将Simulation Mode设定为continuous，Animation mode设定成interactive，表示两个软件间进行交互式计算，在仿真过程中会自动启动ADAMS/View，以便观察手指仿真画面，其他使用默认设置即可。其中控制模块Scope表示示波器，用来将手指末端角速度变化曲线的显示，模块constant表示输入固定值，框中的0.001表示0.001m/s，用来表示手指的直线滑动速度，从而转变为位移进行手指空间姿态的控制，如图3-17所示图3-17控制系统的搭建图3-18设置MATLAB与ADAMS之间的数据交换参数4仿真设置和仿真计算。单击窗口中菜单中的simulation按钮，选择configuration Parameters,弹出系统仿真设置对话框，在Solver输入框中将起始时间设置为0， 将S终止时间设置为1， 把类型置为变量步骤类型,其他全部使用默认选项，单击OK按钮，最后单击开始按钮，Matlab开始仿真，等待结果的输出。3.3 动力学仿真结果分析以与结论当点击开始按钮时，弹出ADAMS窗口，ADAMS开启，手指开始运动，手指的末端角速度不断变化，如图3-16和3-17，3-18所示图3-19 仿真调用的ADAMS运动窗口图3-20手指末端的角速度 图3-21手指末端的位移 结论：从手指的的运动和末端角速度图形可以看出，手指一开始伸直时，角速度非常大，这个也和我们预期是一样的，由于滑块和连杆之间的夹角小，导致手指转动的角速度很大，随着手指不断弯曲，手指末端角度变化量在减小。速度不断变小，和我们手指弯曲变化类似，因此该手指的仿真过程显示，手指具有良好的运动性能。手指位移随着弯曲逐渐变小，因此设计手指的时候尽量使手指中间连杆处于合理的弯曲状态，避免出现死点，起始运动角速度过大，起始驱动力过大等问题。第四章 气动肌肉灵巧手指的控制系统设计4.1气动肌肉回路原理和设计每个气动肌肉灵巧手指有三个关节，我们采用一对气动肌肉进行曲柄滑块的直线驱动工作，每个肌肉关节和人的肌肉工作方式类似，有由于每个关节的工作方式和工作原理一样，为了分析气动灵巧手指的控制系统的工作原理和工作过程。我们可以采取一个手指关节为研究对象的方式，手指气动控制回路如图4-1所示图4-1控制灵巧手指的气动回路设计的原理图和过程气动肌肉充放气过程是气动肌肉伸长和缩短，推动曲柄滑块产生滑动，然后曲柄滑块带动连杆进行转动，连杆将运动传动给指节进行弯曲工作，当两位三通阀1和两位三通阀2同时接电时，气源通电给整个气动回路通气，通过改变电子比例阀1和电子比例阀2设定的压力，将使气动肌肉1和2充气产生收缩，拉动曲柄滑块向后运动使手指产生弯曲和转矩，如果两位三通阀1和2同时关闭，则气动肌肉1和2释放气体，气动肌肉变长，曲柄滑块开始复位，手指不再弯曲也开始复位变直。气动灵巧手指的工作原理为，通过D/A转换装置，将计算机传来的数字信号转变为比例阀的工作电压，通过比例阀控制电压来控制气动回路的压力，两位三通开关阀，接通回路，气动肌肉伸缩带动滑块移动，从而能够控制手指的转角。4.1.1气动回路器件的选择根据上面分析可以得到，该气动回路主要包括气动三联件，空气压缩机，数字比例阀，两位三通开关阀，橡胶管等。下面我们进行气动元件的选择（1） 数字比例压力阀现在市面上主要是比例阀和伺服阀，由于比例阀是驱动装置为电磁铁，而后者主要驱动装置为力马达，虽然前者相对于后者来说结构较为简单，但是便于使用数据采集卡进行电压值的控制，控制起来简单。 这里我们使用的比例压力阀是日本的VYll00-01压力比例阀(如图42)，通过计算机输出的数字信号，然后经过D/A转换输出电压。通过输出的电压值的大小来调节比例阀压力的大小，从而来控制气动肌肉的伸缩量，进气时开关阀作用，当比例压力阀接受到电压信号时，由于接通的压力与电压信号成线性关系，控制起来十分方便，其主要性能参数如表4-1。 图4-2 VY1100-01型比例压力阀表4-1 VY1100-01比例压力阀的主要性能指标重复度输入电压信号灵敏度最大使用压力纯延迟时间1%F.S.1V5V1%F.S.0.78Mpa小于20ms(2) 开关阀 选择日本公司的VT302的两位三通开关阀，实现功能强大，具有频率大等优点，本气路利用了其快速通断的功能，工作围为01.00Mpa，主要性能参数见表4-2。表4-2 VT302两位三通开关阀的主要性能指标响应时间使用压力围最高运动频率小于20ms01.0Mpa10HZ(3) 气源和其他气动器件 压缩机使用宣亿WJ-5501无油静音空压机，最大压力为0.8Mpa，同时排气量为110L/min,因此主要性能满足使用要求，主要性能如表4.3所示表4-3 WJ-5501空气压缩机的性能参数型号功率电压排气量转数压力储气罐净重ModelWVL/minR.P.MMpaTak（Lt）KGWJ-5501550W220/5011014000.50.8916.5 其中气动三联件在主要气动回路中起稳压、过滤作用的4.2灵巧手指的关节控制系统4.2.1控制系统的原理 准确控制气动肌肉部压力的大小，就能够对气动肌肉的灵巧手指的精确控制，工作原理的硬件系统如图4-3所示， 其中工作原理：计算机输出控制信号，然后通过D/A转换器，将数字信号转化为比例阀可以接收的电压信号，然后通过电压值的大小，调节压力比例阀的设定压力值，改变气动回路的压力值后，使气动肌肉肉产生形变，推动曲柄滑块的运动，手指关节实现转动控制。在手指关节安装角度传感器，在计算机上输出手指的转角，与输出转角信号对比，检验系统的准确性。出于安全考虑，在液压回路中放置压力传感器，观测回路的压力大小，防止意外发生。要求手指的位置精度不是太高，因此该装置采用开环控制，因此不需要其他A/D处理装置。计算机多关节手指运动控制卡气动肌肉D/A气动阀气动肌肉气动阀图4-3 控制装置的硬件系统组成4.2.2控制系统的硬件选择气动手指的控制系统的硬件主要由气动肌肉，计算机，比例压力阀，和角度传感器组成。因此硬件控制系统的设计主要是数据采集卡选择和传感器的选则。（1） 运动控制卡由于手指是三个自由度，存在三个关节的转动，因此最少需要三路的模拟信号的输出，采用多路输入输出的D/A转换器。数据采集卡作为关键部件，必须精度要求高，功能强的优点。本文选择PCI7484控制板，本板适用于各种控制场合，具有集成度高，性能稳定，反应速度快，功能强大等优点，数据采集稳定，且价格低，深受用户欢迎。为了满足设计要求，PCI7484板上有4路12位独立D/A电压电流输出,符合最少有三路DA转换的要求。PCI7484主要的参数如表4-4所示：表4-4 PCI7484 主要参数D/A转换时间小于1uS输出通道4 路输出信号围电压方式：15v输出阻抗小于2D/A转换器件DAC7625D/A转换分辨率12位D/A转换时间小于1uS电压输出方式负载能力5毫安/每路电流输出方式负载电阻围小于400D/A转换码制二进制原码 本文采用电压围为05V，与上面的比例阀电压围基本一样，而且该板采用VB编程，使用起来十分方便。（2） 角位移传感器 作为手指关节转角实时监测的主要元件，角位移传感器在硬件系统中也同样的重要，因此角传感器的输出数据直接检验着整个手指是否能到达指定位置。本文采用米诺角度传感器基板，其中线性度和精度良好，满足设计要求。主要性能如表4-5所示。表4-5米诺角度传感器基板主要性能电阻误差%10线性度%0.10.25重复精度0.01最大工作电压V36V电流信号时分辨率无限小输出平滑性%0.1绝缘电阻M大于10工作温度-40+120寿命2000万次机械角度3604.3 D/A控制界面的设计和程序的编写 PCI-7484 有1片 DAC7625，DAC7625转换稳定高，反应快，转换稳定。DAC7625部4 路独立D/A转换通道，部可以上电自动清零 ，可以实现单/双极性清零。要想运放输出输出，首先控制信号选中一路D/A，那么这路就会从数据线上读取数据，开始D/A进行转换D/A 12位数据格式为：表4-6 D/A转换数据格式（X为有效位） HSB：高八位LSB：低八位0000XXXXXXXXXXXXD11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0PCI7484可以采用VB编程的方式来进行D/A转换，点击VB运行程序，跳出运动控制卡的调试界面,运行程序如下：End IfEnd SubDA转换初始化函数Private Sub Form_Load() hplx = 0 hplx = pci7484check(0, 0, False, 1) 为DA转换参数dacs赋值 danc1 = 10# danc2 = 0# For i = 0 To 3 Dadata(i) = Next iEnd SubDA转换操作帮助函数Private Sub HelpCom_Click() k = MsgBox(D/A数据输出转换步骤： + Chr(13) + 1.输入十进制电压给到其中一个文本框; + Chr(13) + 2.单击输入框的通道按扭。, vbOKOnly + vbQuestion, D/A输出操作帮助)End SubPrivate Sub Timer1_Timer() If danc(0).Value = True Then danc1 = 5# danc2 = 0# End If If danc(1).Value = True Then danc1 = 10# danc2 = 0# End If If danc(2).Value = True Then danc1 = 16# danc2 = 4# End If If danc(3).Value = True Then danc1 = 10# danc2 = -5# End If If danc(4).Value = True Then danc1 = 20# danc2 = -10# End If If danc(5).Value = True Then danc1 = 5# danc2 = -2.5 End IfEnd Sub将控制卡插入计算机中，安装驱动，当点击开始按钮后，调试窗口弹出，可以进行D/A转换的调试，如图4-4所示图4-4 运动控制卡PCI7484的vb控制界面点击DA测试按钮，然后会跳出DA测试的界面，在四个输入文本框一次输入数字，就可以测试DA转换的效果了，如图4-5所示图4-5 PCI7484的DA测试界面第五章 结论与总结通过上面研究，本论文主要有以下的结论：1. 本文所使用的驱动，相对于其他驱动方式，空间尺寸要求小，结构紧凑，成本也较低。2. 采用气压传动，反应迅速，对环境污染小，并且能够实现过载保护。3. 本文涉与了灵巧机械手指，从整体到关节以与手指零件涉与，通过理论计算和三维仿真，通过对各部分优化，来寻找最优结构。4. 硬件系统采用计算机和运动控制卡的组合，利用电路的DA转化，来快速响应计算机的请求，是手指到达指定位置。通过本次毕业设计，我学到好多，也感觉到自己还有好多不会的东西，系统的掌握所学容才能更好的运用知识。从开始选题到撰写毕业论文，从一知半解到基本掌握，这中间需要我们大量查阅资料，需要我们善于发现问题，并能够采用适当方法解决问题，我知道毕业设计不是代表学习的总结，而是一个新的开始，不管以后走到哪，都不能停止学习，学习如逆水行舟，不