摘 要

本次毕业设计主要是完成可变刚度软体机械手的结构设计。首先对变刚度软体机械手的研究背景以及研究现状进行了介绍，并且介绍了形状记忆合金（SMA）的工作原理，然后对变刚度软体机械手的结构进行设计。本文了计算机械手成功抓握物体的条件，建立了单根手指的牵引力与抓握力的力学模型，然后对单根机械手指的三维模型进行了建模描述，并且对建立的三维模型进行有限元分析以检查建立的模型是否能够承受设计的牵引力。最后，本文描述了实物实验的实验结果，记录牵引力与抓握力的实验数据并绘制拟合曲线。

关键词：软体机械手；变刚度；SMA

Abstract

This graduation project is mainly to complete the structural design of the variable-stiffness soft manipulator. Firstly, the research background and research status of variable-stiffness soft manipulators are introduced, and the working principle of shape memory alloy (SMA) is introduced. Then the structure of variable-stiffness manipulators is designed. In this paper, the conditions for the successful grasping of the manipulator by the manipulator are calculated, and the mechanical model of the traction and grasping force of a single finger is established. Then the three-dimensional model of a single mechanical finger is modeled and described, and the finite element analysis of the established three-dimensional model is performed. To check whether the established model can withstand the designed traction. Finally, the experimental results of the physical experiment are described in this paper, and the mechanical model of the traction force and grip force of the single finger is verified by comparing the experimental structure with the mechanical model.

Keywords : Soft robot hand , Variable stiffness , SMA.

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 1

第1章 绪论 2

1.1研究背景 2

1.2国内外研究现状 3

1.4课题研究内容 5

1.5本章小结 6

第2章 变刚度软体机械手的设计方案 7

2.1驱动方式的选择 7

2.2方案论证 7

2.3变刚度软体机械手参数确定 8

2.4本章小结 9

第3章 变刚度软体机械手的力学模型 10

3.1成功抓取物体的条件 10

3.2单根手指的数学模型 10

3.3本章小结 13

第4章 变刚度软体机械手整体装置的结构设计 14

4.1单根手指的结构设计 14

4.1.1 SMA-3记忆合金丝的结构设计 14

4.1.2 SMA-2记忆合金丝的结构设计 14

4.1.3手指关节的结构设计 15

4.1.4手指指头的结构设计 17

4.1.5 手指指头关节的结构设计 17

4.1.6 手指的装配结构设计 19

4.2 变刚度软体机械手的装配结构设计 19

4.3 底座的设计 20

4.4 整体装置的装配设计 20

4.5 本章小结 21

第5章 主要零部件的有限元分析 22

5.1 有限元法的介绍 22

5.2有限元分析步骤 22

5.3 零部件材料的选择 22

5.3手指关节上板的有限元分析结果 23

5.4手指指头关节上板的有限元分析 24

5.5本章小结 24

第6章 单根手指的实物实验 25

6.1实验装置的搭建 25

6.2牵引力与抓握力实验 25

6.3本章小结 28

第7章 总结 29

致谢 30

参考文献 31

第1章 绪论

1.1研究背景

传统的刚性机械手已经被广泛应用于人类的生活以及工业的生产当中，这些机械手使得工业生产能够机械化和自动化。然而随着工业的发展。虽然传统的刚性机器手具有刚性强，抓握力足等优点，但是其对于环境的适应较弱，而软体机械手就能够弥补这个缺点。因此软体机械手的研发生产具有重要的研究意义。与传统的刚性机器人手相比，软体机械手对环境的适应性更强，能够适应愈发复杂的环境。然而，软体机械手也面临着刚性不足的问题，导致抓握力不足，无法实现对产品的有效抓取。为解决这一问题，许多研究人员已经研究了具有变刚度的软体机械手，由于刚度的改变，它可以通过改变自身刚度从而实现抓握力的改变。因此，研究变刚度软体机械手具有一定的研究意义。

1.2国内外研究现状

根据已发表的文献资料，软机器人手的驱动方式可分为气液驱动，柔绳驱动和记忆合金驱动三种类型。电机驱动是使用电机驱动柔绳，柔绳作为传输介质驱动机械手运动，气液驱动是以气体和液体作为传输介质，通过压力作用在密闭的腔体结构中传输，从而实现软体机械手的变形，而智能材料驱动是指例如SMA丝的材料在外力作用下或者受热情况下发生变形，进而带动软体机械手变形的驱动方式。

德国卡尔斯鲁厄研究中心提出了一种人工液压驱动的机械手^[1]。Brown等人设计了一个球形软机械手，通过改变手的气压来抓住物体^[2]。乔治等人开发了一种新型的气动机器人^[3]。东南大学的肖宇等人设计了由软关节和铰链式指骨粘结而成的气动式软机械手^[4]。这些压力驱动的机械手动作迅速，结构简单，但需要额外的电机或泵来提供拉力或压力，并且整个系统的功率密度较低。为此，杨等人设计了一个绳索驱动的软体机械手，拇指有三个关节，其他四个手指有两个关节^[5]。 但这种软体机械手由于使用电机，所以具有体积过大的缺点。而智能材料驱动往往能够实现机械手的轻量化，如EAP是一类受电场作用会发生形变的柔性智能材料^[6]。EAP驱动不需要使用电机或者气泵，从而实现轻量化，但其存在较多的失效形式，如应力松弛，电击穿。与此同时，许多研究人员采用电子共轭流体和SMA等智能材料^[7][8]，通过输入电流直接驱动软体机械手，这种驱动方式在具备EAP驱动的优点的同时，驱动也更为稳定。

除了驱动力之外，软体机械手还需要具有改变刚度的能力。 一些研究集中在用填充方法调整软体机械臂的刚度^[9]，但填充的流体和气体需要封装在软腔中，这增加了机械手的体积。一些研究人员使用电缆或腱来控制软机器人的刚度^[10]。 然而，这些方法也面临与电动机和泵的驱动方法相同的问题。一些智能材料，如SMP，低熔点合金拥有较大的可变刚度但其拉伸强度较低^[11][12]。 Chenal等人在软光纤中嵌入SMA^[13]。杨凯等人在硅胶棒中偏心嵌入SMA，并调整SMA的张力以实现不同的刚度^[14]。Wang等人通过封装SMA开发了一个可变刚度组件^[15]。