三指欠驱动机器人抓手的设计与分析

### 三指欠驱动机器人抓手的设计与分析 在机器人领域，抓手的设计至关重要，它直接影响机器人完成各种任务的能力。目前已经有多种类型的抓手设计，各有其特点和局限性。本文将介绍一种新颖的三指自适应抓手的设计，它具有独特的结构和工作原理，在自适应抓取方面表现出色。 #### 现有抓手设计概述 - **传统机械抓手**： - **下颌式抓手**：Chen等人开发的新型下颌式抓手具有拟人特征，能对不同表面材料的圆柱形装配物体施加特定力，并在高速运动中精确定位或转动。 - **组合结构抓手**：Harada等人提出的组合结构抓手有两种形状自适应机制，即颗粒干涉机制和单线驱动多指机制，可使抓取物体的位置和姿态保持不变。 - **智能自锁欠驱动装置**：Hsu等人设计的带有平行执行器的智能自锁欠驱动装置，通过差动齿轮调节抓手和制动器之间的动力分配，达到所需抓力时触发锁定。 - **内外组合抓手**：Nie等人将使用曲柄滑块机构进行精确定位的内抓手和使用平行四连杆机构进行稳定夹紧的外抓手结合，为定位和抓取物体提供了低成本解决方案，但仅限于抓取圆柱形物体和有圆柱孔的物体。 - **单执行器四指自适应抓手**：Sun等人利用基于X形连杆的差动机构和两个跷跷板设计的单执行器四指自适应抓手，能有效抓取不规则形状的扁平物体，且无需任何传感器。 - **软质材料抓手**： - **海葵灵感软质抓手**：Yang等人受海葵形状和运动的启发，开发了具有多个柔性臂的软质抓手，可适应各种目标尺寸。 - **模块化软质抓手**：Achilli等人使用热塑性聚氨酯等软质材料设计的模块化结构抓手，提高了对物体形状和尺寸的适应性。然而，由于软质材料易变形的特性，这类抓手存在刚性不足、负载能力低和抓取稳定性差等缺点。 #### 新型三指自适应抓手设计 基于上述现有抓手的优缺点，本文提出了一种具有一个主动输入和三个被动输出的新型三指自适应抓手设计，采用SITO柔性差动机构。该抓手的三个手指相对于差动机构并联连接，运动互不干扰，实现自适应抓取，同时利用挠性铰链的材料特性在抓取后保持中心位置。 ##### 机械结构 - **电机驱动部分**： - 驱动部分包括线性步进电机和控制器。选用的Haydn 43000系列线性电机工作电压为DC 5V，最大行程19.05mm，产生的驱动力可达300N。 - 控制板有隔离模块、控制器模块和驱动模块，其系统控制图展示了具体的控制流程。 - **手指结构**： - 抓手有三个间隔120°的手指，采用平行四连杆结构并固定在抓手基座上。 - 柔性电缆用于连接手指和差动机构，电缆轴向刚度大，弯曲方向刚度小，能有力地拉动手指上下移动。 - 电缆一端固定在四连杆机构的半圆形滑轮上，另一端连接挠性铰链，且电缆缠绕在滑轮的圆形表面，滑轮旋转时电缆始终保持拉紧。 - 半圆形滑轮有两个电缆槽，用于引导电缆运动，电缆一端固定在上下紧固螺钉的针孔上，可通过旋转紧固螺钉调节电缆张力，调节后拧紧锁定槽以保持设定的张力。 - 指尖通过两个交叉板簧连接到平行四连杆机构，这种设计提供了相对柔软的旋转顺应性，同时在垂直和水平方向保持较大的线性刚度，有助于更好地适应不同形状的物体。指尖的模块化设计还允许通过更换不同指尖来处理不同材料，安装交叉板簧也为插入操作提供了必要的顺应性。 - **柔性差动机构**： - 差动机构作为中间运动/力传递单元，将线性电机的输入运动转换为三个手指的输出运动，并平衡驱动力分配到三个手指。 - 它由挠性铰链和三个用于安装电缆的支架组成，每个支架通过两条交叉电缆连接一个手指。 - 挠性铰链是一个两自由度万向节，由两个垂直的缺口挠性件制成，避免了运动传递机构的复杂性，确保了抓手的紧凑尺寸。此外，挠性铰链具有内置刚度，可使差动机构在倾斜