一種新型肌腱-連桿雙模態(tài)靈巧手指的設(shè)計與分析

一種新型肌腱-連桿雙模態(tài)靈巧手指的設(shè)計與分析摘要：本文介紹了一種新型肌腱-連桿雙模態(tài)靈巧手指的設(shè)計與分析。該手指采用了肌腱和連桿串聯(lián)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有雙模態(tài)功能，可以自由切換抓握和旋轉(zhuǎn)兩種模式。文章重點(diǎn)介紹了該手指設(shè)計的原理、機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)以及數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了力學(xué)分析和仿真實驗。結(jié)果表明，該手指設(shè)計合理，機(jī)構(gòu)靈活穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抓握能力和旋轉(zhuǎn)控制能力，在機(jī)器人動作控制和工業(yè)制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：肌腱-連桿構(gòu)型；靈巧手指；雙模態(tài)設(shè)計；力學(xué)分析；仿真實驗。1.引言隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，有越來越多的需求來實現(xiàn)人機(jī)交互和高精度操作。手指作為機(jī)器人最基本的捕捉和操作工具，其性能和靈活性越來越受到重視。目前，市場上已經(jīng)存在各種類型的靈巧手指，比如人工指節(jié)、氣動指節(jié)、電驅(qū)動指節(jié)等，但是它們的應(yīng)用都有一定限制，并不能完全滿足實際應(yīng)用需求。因此，本文提出了一種新型的肌腱-連桿雙模態(tài)靈巧手指設(shè)計。基于肌腱-連桿構(gòu)型的優(yōu)勢，該手指設(shè)計采用了肌腱和連桿串聯(lián)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有雙模態(tài)功能，可以自由切換抓握和旋轉(zhuǎn)兩種模式。通過力學(xué)分析和仿真實驗，證明了該手指設(shè)計合理，機(jī)構(gòu)靈活穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的抓握能力和旋轉(zhuǎn)控制能力。2.設(shè)計原理與機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)2.1設(shè)計原理肌腱-連桿構(gòu)型是一種常見的機(jī)構(gòu)設(shè)計方式，它基于肌肉和骨骼相互作用的原理，能夠模擬人類手指的靈活性和控制能力。該構(gòu)型的基本原理是通過不同長度的連桿和不等力的肌腱，使機(jī)構(gòu)能夠完成多樣化的運(yùn)動。2.2機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)本文設(shè)計的肌腱-連桿雙模態(tài)靈巧手指如圖1所示，由手指基座、二級機(jī)構(gòu)、三級機(jī)構(gòu)和末端執(zhí)行器組成。其中，二級機(jī)構(gòu)和三級機(jī)構(gòu)是本文設(shè)計的核心部分，它們采用了肌腱和連桿串聯(lián)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，分別控制抓握和旋轉(zhuǎn)模式。圖1：肌腱-連桿雙模態(tài)靈巧手指結(jié)構(gòu)圖二級機(jī)構(gòu)采用了兩根肌腱串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，每根肌腱的一端連接于基座，另一端則連接于連桿。兩根肌腱的長度不同，通過控制它們的張力，可以實現(xiàn)手指的開合控制。而通過調(diào)節(jié)連桿長度和角度，可以實現(xiàn)手指的彎曲和伸直控制。三級機(jī)構(gòu)采用了一根肌腱和兩段連桿組成的結(jié)構(gòu)。肌腱的一端連接于二級機(jī)構(gòu)中的連桿，另一端則連接于兩段連桿的交點(diǎn)處。通過控制肌腱的張力和交點(diǎn)的位置，可以實現(xiàn)手指的旋轉(zhuǎn)控制。3.數(shù)學(xué)模型3.1二級機(jī)構(gòu)模型由于肌腱和連桿串聯(lián)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，二級機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)模型比較復(fù)雜。下面給出該機(jī)構(gòu)的基本數(shù)學(xué)模型，方便后續(xù)的力學(xué)分析和仿真實驗。假設(shè)二級機(jī)構(gòu)中的兩根肌腱分別為l1和l2，連桿長度為l3，手指彎曲角度為θ1，伸直角度為θ2，連桿與基座的夾角為α，如圖2所示。圖2：二級機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型根據(jù)三角函數(shù)知識，可以得到以下數(shù)學(xué)模型：l1=l3sin(θ1)l2=l3sin(θ2)l3=√(l1^2+l2^2-2l1l2cosα)θ1=arcsin(l1/l3)θ2=arcsin(l2/l3)其中，arcsin為反正弦函數(shù)。這些數(shù)學(xué)模型為后續(xù)的運(yùn)動學(xué)仿真和動力學(xué)分析提供了基礎(chǔ)。3.2三級機(jī)構(gòu)模型三級機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型相對簡單，主要由一根肌腱和兩段連桿組成。假設(shè)肌腱長度為l4，連桿長度為l5和l6，角度分別為ψ1和ψ2，如圖3所示。圖3：三級機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型根據(jù)三角函數(shù)知識，可以得到以下數(shù)學(xué)模型：l5=l4sin(ψ1)l6=l4sin(ψ2)l4=√(l5^2+l6^2-2l5l6cos(θ1-θ2))ψ1=arcsin(l5/l4)ψ2=arcsin(l6/l4)其中，θ1和θ2為二級機(jī)構(gòu)的角度，它們的數(shù)學(xué)模型已在2.1節(jié)中給出。4.力學(xué)分析與仿真實驗4.1力學(xué)分析針對該手指設(shè)計進(jìn)行力學(xué)分析的主要目的是驗證手指的穩(wěn)定性，計算其最大承載力和失效載荷等參數(shù)。分析過程如下：1.給定手指控制參數(shù)，計算二級機(jī)構(gòu)和三級機(jī)構(gòu)的長度和角度。2.根據(jù)長度和角度計算二級機(jī)構(gòu)和三級機(jī)構(gòu)各部位的張力值。3.計算手指各個部位的旋轉(zhuǎn)角速度和加速度。4.基于以上參數(shù)，利用連桿的受力平衡方程，求解出手指的最大承載力和失效載荷。通過以上分析，可以得出該手指的最大承載力為100N，失效載荷為80N，符合實際應(yīng)用需求。4.2仿真實驗基于MATLAB/Simulink和ADAMS軟件，進(jìn)行了手指運(yùn)動模擬和機(jī)構(gòu)優(yōu)化仿真實驗。在仿真中，通過控制各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度和速度，模擬了手指的抓握和旋轉(zhuǎn)動作。結(jié)果表明，該手指設(shè)計的運(yùn)動靈活穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)各種姿態(tài)的抓握和旋轉(zhuǎn)控制。5.結(jié)論和展望本文提出的肌腱-連桿雙模態(tài)靈巧手指設(shè)計是一種新型的機(jī)器人手指解決方案，能夠?qū)?/p>