基于数值优化的机械手爪设计及运动仿真分析

王浩天

（南通大学，江苏南通 226019）

0 引言

社会经济的高速发展促使工业发展速度需要随之提升，应用到更加先进的自动化技术，能够提高工业生产效率，优化产品质量。因此，在新时代的生产发展中，以往所应用到的传统机器人算法呈现出一定弊端。尤其是较为复杂的航空、铁路等大中型企业，急需能够适应更加复杂工作环境的先进自动化机械手爪。随着相关研究人员不断围绕机械手爪优化设计进行研究探讨，促使机械手爪的自动化控制领域呈现出了全新发展趋势。基于这样的需求背景，本文将对机械手爪基于数值优化的设计以及仿真运动等进行综合研究，从而促使机械手爪呈现出全新设计效果。

1 机械手爪的数值优化

1.1 数值优化定义

基于机械手爪设计的数值优化，一般情况下是指满足机械手爪实际应用反应过程当中约束条件及工件拾取重量最小的结构参数。这些结构参数实施优化，一方面可以促使机械手爪在规定应用行程内以最短时间运送工件数量达到最大化，另一方面促使机械手爪应用效率提升，节约工业生产成本，使工业自动化呈现出更好的经济效益。

1.2 机械手爪定义

机械手爪本质上应用的是仿生技术，借助于科学技术仿造人类手部功能的自动化机械抓取装置，广泛用于工业企业生产运行。机械手爪的构造不仅需要执行器感知周围环境信息，同时也需要其中能够获取数据集中分析的高度集成机电系统，这样才能在智能分析当前环境数据的基础上，对机械手爪发出抓取指令，促使其精准完成行程任务。结合当前工业自动化生产当中常见应用到的机械手爪进行研究，发现其主要特征则是能够简单控制、精准抓取并具有良好适应性，适应不同环境下的生产工作需求。在运行过程当中，机械手爪一般分为平动及张角两种不同方式，相应地机械手爪也分为二指张角手爪及二指平动手爪两种不同形式。

2 机械手爪的结构设计

2.1 设计方案

研究基于数值优化下的机械手爪设计方案，最佳选择平行四边形索杆析架结构方式进行设计。这主要是由于其存在5 个以上的自由度，并且平行四边形索杆析架结构仅需两个电机同步驱动绳索完成机械手爪捕捉释放动作。作为欠驱动类型结构，应用这一设计模式能够促使机械手爪抓取空间拓展为最大化模式，从而确保在实际应用过程当中完成大型目标物捕捉，具有良好应用优势，完成捕捉任务时不需要确定目标形状即可完成。

设计时需要促使机械手爪各个杆件单元结合绳索进行串联，从而减轻结构质量。并且降低结构摩擦阻尼，不仅能对机械手爪运动顺序进行调整，同样也可以提高抓取力，确保机械手抓取目标时具有良好刚度保障。作为桁架结构当中相对较为简单的形式，平行四边形索杆在边界处布置刚性杆，促使杆件任意位置都能够接触捕捉目标。并且借助于机械手爪的摩擦关节，能够调节索杆单元运动顺序，缠绕绳索变化改变拉力传递方向，从而改变机械手爪最终传递的单元运动次序。这样能够确保机械手爪上下杆单元始终处于平衡状态，缩小单元结构运动角度，提高抓取精准度。

2.2 确定结构单元尺寸设计

该机械手爪的设计基本构造为圆柱物体，已知底圆半径为r0，代表机械手爪能够抓取目标的最大半径范围，对应位置则为整体机械手爪结构的圆心以及基点。结合实际当中对机械手爪优化设计方案的物体目标简图进行充分研究发现。基于在工业自动化生产中的应用需求，考虑到机械手爪在实际应用过程抓取目标的行程效果，则需要在该结构单元中设定与目标接触时，能够大于圆心设定目标。同时机械手爪的各个单元转动关节尺寸则需要设定为r，转动关节接触目标抓取物时所产生的单元间距则为s，这样可以设定机械手爪抓取物最大直径为1.5 m。

2.3 构建三维分析模型

欠驱动索杆析架其结构部件众多，包括基座、杆件相对测量装置、摩擦关节、平行四边形索杆析架以及限位关节等。基于这样的机械手爪三维模型，其中最为关键的是摩擦关节及限位关节。根据机械手爪数值优化设计下的三维结构模型研究发现，限位关节最主要的功能是促使限位块能够互相配合，从而达到良好协作作用[1]。避免机械手爪抓取物体时，由于单元杆相反，从而导致无法抓取物体。而有关三维模型当中机械手爪结构的摩擦关节及实际功能进行分析研究发现，摩擦块连接一侧杆件，使用压紧螺母对摩擦块进行压紧处理。

2.4 结构力学分析

进一步分析基于机械手爪的数值优化设计结构力学，其抓取力的控制一般情况下是设计整体结构中最为关键的指标，因此需要进一步分析其受力范围。假设机械手爪的每一摩擦块接头处对抗的摩擦力矩为M1-M5，则接触杆外部集中力则设定为F1-F5，摩擦力则对应为f1-f5，而集中力矩则表示为t1-t5。张拉索的向上拉力则设定为T1-T2。则为了能够更加清晰直观的分析基于数值优化下机械手爪其力学效果，可参考图1 中的结构构件及转动轴序号。

图1 机械手爪结构杆件及转轴

另外，在对机械手爪结构实时拆分的过程中，需要按照顺序节点以及接触构件逐项拆解。根据机械手爪结构构件以及节点所设立的方程式如下所示。

机械手爪单元1 结构当中的接触杆，应力的计算方程为：

其中，Z5、Z6表示在机械手爪单元1 当中的轴21 以及杆13上所形成的水平以及垂直力，相应地，Z3、Z4表示在轴11 以及杆13 上的水平以及垂直力，b0表示的则为机械手爪单元外部结构当中的作用点到轴11 上的距离。以此类推，数值优化下机械手爪设计中分析其轴12、杆12、张拉索、张紧拉线等水平角度的力学均可以应用这个公式进行计算，仅需替换代表值即可获取。按照这样的方程式迭代求解，如若最终表达式相对较为复杂，则可以利用到MATLAB 方式进行简化。考虑到实际机械手爪及应用过程当中的6 N·m 电机才能够确保输出最大扭矩，此时，假设集中力与外力二者参数值一致，则所能够控制的平均力表示为100 N，转轴材料45#钢，连杆为YL12 铝管。只有借助于这样的材料及受力效果，才能避免由于变形或断裂导致的机械手爪装置抓取失败。结合上述机械手爪数值优化的力学效果研究分析，当单元1 为100 N 张拉索拉力时，单元2 无张拉索拉力，则需要对摩擦块接头进行调整，从而确保其摩擦力矩能够符合5 个单元的实际接触需求。最高达到450 N 的加持力，相较于钢丝绳张力等于其5 倍数值，则证明基于数值优化下的机械手爪具有良好夹持力。

3 机械手爪运动仿真

3.1 运动仿真学

研究机械手爪的运动仿真模式，首先需要设定结构杆件参数以及捕捉目标。利用MATLAB 编程以及运动学计算原则，对机械手爪驱动绳索、转角节速度、结构末端位置等全面建立在三维模型当中。从而结合ADAMS 软件分析输出PROE 仿真模拟实例，分析其仿真运动学。其次，则需要在杆件间设计捕捉目标以及接触碰撞，模拟机械手爪获取目标时整体结构与接触碰撞杆件之间的极限运动[2]。需要在每一个关节转动处设置电机并模仿杆件间相对运动，并测定转动轴心距离。明确驱动绳长度，在关节转动过程当中所产生的变化求出其实际长度以及角速度等模拟数据。最后，对比计算结果与模拟结果，从而进一步验证机械手爪运动仿真研究理论。

3.2 静力学分析

在研究机械手爪运动仿真的过程中，同样需要研究其静力学仿真效果。设定相应研究程序。首先需要简化绳索拉力，确保机械手爪基础结构模型与运动仿真研究模型二者之间存在较高相似性。其次，处理三维模型，并将三维模型中的众多有关机械手爪静力学仿真数据输入到模拟软件当中。然后，当获取相应抓取目标后，机械手爪摩擦关节则会为了避免整体装置反方向移动而产生静摩擦阻力，形成运行驱动力。最后则是对当前测量结果进行检验，如若模拟结果与计算数值其处于一致状态，则进一步证明静力学仿真研究成果的成功性。

3.3 动力学分析

研究机械手爪的动力学仿真则与运动仿真存在较大一致性，同样需要在机械手爪每一关节处安装相应电机[3]。结合MATLAB 曲线拟合工具箱对理论计算值进行导入处理，完成多项式拟合处理之后，随即完成编辑处理驱动电机。其次，需要对机械手爪每一关节处电机的运行速度进行实时管控，关注其在每一环节当中不同的变化状态实时测量，包括运动角加速度、角速度以及等效关节扭矩等变化。最后，需要控制机械手爪关节电机，如果在短暂接触碰撞完成后，能够快速稳定波动并稳定关节电机位移状况，则进一步证明杆件运动的良好意义，证明动力学仿真理论完全正确。

4 结束语

综上所述，建立在数值优化的基础上，对于当前工业生产当中常用的机械手爪设计及运动仿真进行研究，建立三维模型，进一步印证了结构设计的有效性以及运动仿真的理论的可行性。