CN110170989A - 一种绳驱欠驱动抓取机构参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绳驱欠驱动抓取机构参数设计方法，对绳驱欠驱动抓取机构中的关节滑轮半径、关节扭簧刚度系数、初始扭矩以及绳索驱动力的变化形式提出了解析形式的详细设计方法，本发明避免直接仿真或试验等经验设计方法的重复修正，大大提高欠驱动系统的运动和控制精度。

Description

一种绳驱欠驱动抓取机构参数设计方法

技术领域

本发明属于机构设计的技术领域，具体涉及一种绳驱欠驱动抓取机构参数设计方法。

背景技术

绳驱欠驱动抓取机构可以灵活有效地抓取物体，其机构形式可以高度适应目标的形状，通过合理设计内部参数，可产生足够的抓取接触力，具有较高的稳定性以及可靠性。目前国内外主要对欠驱动手爪机械结构的设计进行了研究，对结构参数设计方法的研究较少。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种绳驱欠驱动抓取机构参数设计方法，能够在确定每根手指的指节长度与关节个数后，设计量化各个关节滑轮半径、扭簧刚度系数、关节初始扭矩以及绳驱拉力，以保证欠驱动系统的抓取稳定性。

实现本发明的技术方案如下：

一种绳驱欠驱动抓取机构参数设计方法，所述绳驱欠驱动抓取机构的每一关节转动副上都同轴安装有扭转弹簧，根据各个关节转动要求确定关节i处扭转弹簧的刚度系数K_i，根据K_i、关节i转角幅值A_i以及关节i处滑轮半径r_i确定设计系数p，根据关节i处初始扭矩M_i0以及r_i确定设计系数q；其中，最后，根据设计系数p和q得到随时间t的变化的绳驱拉力F，其中，T为手爪收拢的总时长。

在抓取机构上施加绳驱拉力F，即可实现抓取。

有益效果：

1、本发明提出一种定量设计绳驱欠驱动抓取机构参数的设计方法，避免直接仿真或试验等经验设计方法的重复修正，并且能够基于本发明设计方法得到机构抓取过程中的动力学特性，便于分析与执行抓取任务。

2、本发明对绳驱欠驱动抓取机构中的关节滑轮半径、关节扭簧刚度系数、初始扭矩以及绳索驱动力的变化形式提出了解析形式的详细设计方法，大大提高欠驱动系统的运动和控制精度。

3、本发明提出了一种绳驱欠驱动抓取机构收拢靠近目标的轨迹规划方法，通过对绳驱拉力的周期性的变化设计，实现关节的零转速起停，大大增加了欠驱动系统的运动稳定性。

附图说明

图1是参数设计流程。

图2是抓取机构设计示意图。

图3是关节传动分析示意图。

图4是关节转角轨迹规划示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种绳驱欠驱动抓取机构参数设计方法，附图2中的绳驱欠驱动抓取机构形式是适用于本发明方法的其中一种机构形式，抓取机构的手指由绳索驱动，相邻指节之间的转动副安装一个关节轮，转动副同轴安装一个扭转弹簧抵抗绳拉力，每个指节内部也安装有一个导向轮用于绳驱动方向转向，其中，关节轮和导向轮的设定是为了使得每个指节的转动角度更大。

如图1所示，参数设计过程分为以下四个步骤进行：

步骤一、分离抓取机构任一相连两指节，对连接这两个指节的关节进行传动受力分析(见附图3)。由于两指节通过同一滑轮连接构成关节，以关节滑轮固定于一个指节为例进行分析。

关节滑轮固连于指节i+1后，分离指节i与指节i+1。在该关节处，假设绳索未作用力时，关节转轴处作用力与反作用力分别为N_i与N_i'，分解到正交方向分别N_ix与N_iy和N′_ix与N′_iy。当关节i+1处绳索拉力对指节i作用力为F_i，对指节i+1作用力为F_i'，指节i+1同时受到对应的旋转副支持力为N′_F。

则关节i+1传递力矩τ_i+1大小为：

τ_i+1＝F·r_i+1 (1)

其中，F为绳索上的拉力，r_i+1为关节i+1处滑轮半径。

从而分析得到：绳驱滑轮系统关节处传递力矩大小等于绳索拉力与关节滑轮半径的乘积，并且该力矩等大反向地作用于关节前后两个指节。

步骤二、根据关节i转动方程可以得到：

其中，F表示绳索传递的拉力大小，r_i表示关节i处关节滑轮半径，M_i0和K_i分别表示关节i处初始扭矩和关节扭簧刚度系数，θ_i表示关节i转角大小，J_i表示关节i处驱动的转动惯量。

从抓取机构关节运动效果出发，考虑到在绳索力矩、扭簧力矩以及关节初始扭矩共同作用下，抓取机构的关节需按照一定的加速度变化规律转动，与传统关节电机作用相同，即电机提供一定大小的转动输出力矩，驱动关节按一定规律转动。为了跟踪关节规划轨迹，采用电机驱动的PID控制方法，仅通过K_P(比例参数)对绳驱系统进行等效设计。

假设当采用电机驱动的PID控制对抓取机构进行驱动时，关节i的力矩τ_i＝K_pi·(θ_di-θ_i)，其中K_pi为关节i的控制系数，存在K_pi＝K_i。化简得到：

步骤三、抓取机构收拢过程中，由于系统为欠驱动，为了保持收拢过程的稳定性，需要设计关节平滑的起始转角和转动轨迹，同时要保证指节接触目标体时相对速度较小(也可设计欠驱动系统启动和接触目标时指节的相对速度为0)，以减小接触碰撞力。考虑到三角函数存在周期性零斜率的特性，对余弦函数进行改进，设计得到关节转角轨迹规划方法。从而将θ_di规划为：

其中T为手爪收拢时间，即手爪收拢到期望包络构型的时间，A_i为关节i转角幅值，轨迹规划示意图见附图4。

步骤四、结合公式(3)和公式(4)，设定设计系数p和q满足：

则绳驱拉力F满足

实际参数设计过程中，根据K_i、关节i转角幅值A_i以及r_i确定设计系数p，其中，关节i处滑轮半径根据抓取机构的用途及结构特点会有个区间范围可供选择，关节i转角幅值A_i根据抓取机构的结构也是已知的，假如某个关节上没有导向轮或者关节轮，则转角幅值A_i就较小，反之，转角幅值A_i较大，根据关节i处初始扭矩M_i0以及r_i确定设计系数q；其中，初始扭矩M_i0是根据扭转弹簧的初始转角和K_i来确定，扭转弹簧的初始转角可根据需求设定，最后，根据设计系数p和q得到随时间t的变化的绳驱拉力F，其中，T为手爪收拢的总时长。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种绳驱欠驱动抓取机构参数设计方法，所述绳驱欠驱动抓取机构的每一关节转动副上都同轴安装有扭转弹簧，其特征在于，根据各个关节转动要求确定关节i处扭转弹簧的刚度系数K_i，根据K_i、关节i转角幅值A_i以及关节i处滑轮半径r_i确定设计系数p，根据关节i处初始扭矩M_i0以及r_i确定设计系数q；其中，最后，根据设计系数p和q得到随时间t的变化的绳驱拉力F，其中，T为手爪收拢的总时长。