摘要
机械手作为机器人主要的末端执行机构之一，其性能对于机器人完成工作任务满足人们的使用需求具有重要影响。传统的刚性机械手，多为刚性连杆机构的机械手或夹爪，具有结构简单、操作方便、刚性好、精度高、夹持力大抓握牢固且可靠性好的优点。但也由于其柔顺性差，难以对物体形成可靠的包络，限制了其工作场景。在需要抓取柔软易碎物体时，刚性机械手易抓取力过大造成对物体的损坏，或者抓取力过小抓取失败。而柔性手由于具有被动柔顺性，对任意形状任意尺寸的物体具有形状自适应性，在如蔬果采摘等应用场景下，较传统的刚性机械手具有明显的优势，越来越多的得到了人们的关注。 但是，对于柔性手爪或柔性手指的准确建模是一项较为艰巨的挑战，目前针对柔性材料的手指建模多采用有限元分析或Cosserat杆模型,而对于刚性材料构成的、结构基本固定的欠驱动手指多采用伪刚体模型。 本文针对柔性铰链刚性材质的形状自适应仿生鱼鳍手首先提出了结构设计思路，即实现柔性铰链刚性材质的形状自适应仿生鱼鳍手的制作材料及工艺，制作了仿生鱼鳍手样机。本文所设计的这一仿生鱼鳍手不同于以往常见的柔性材料一体化制成的形状自适应仿生鱼鳍手或通过刚性连杆机构实现的欠驱动仿生鱼鳍手，而是刚性材料与柔性材料结合，兼具柔性材料柔顺性好的特点与刚性材料刚度好的特点。 针对这一类手提出了基于有限元框架模型的静力学模型与基于虚功原理的刚体模型两种静力学模型。所提出的静力学模型可根据实际设计实现任意给定指节数量对仿生鱼鳍手指进行几何分析计算其可达的工作空间后结合所提出的两种静力学模型提出指导仿生鱼鳍手设计的抓取特性评价指标。本文的有限元模型不同于以往以柔性机械手为对象建立的有限元模型，是对柔性铰链刚性材质的形状自适应机械手进行静力学建模。基于虚功原理的刚体模型也不同于以往以刚性连杆机构为对象建立的静力学模型，是对柔性铰链的刚性材料机械手建立静力学模型。 通过单指杨氏模量标定及力感知实验、双指手爪抓取力感知实验对两种静力学模型的正确性进行了验证。实验结果表明所提出的两种静力学模型与真实手指受力变形均能很好的吻合，且能满足特定应用场景下的使用需求。
NETL