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摘要
由于脆性材料抗冲击能力和抵抗动载荷的能力较差，且抗拉能力远低于抗压能力，因此实际生产过程中非常容易破碎。人造金刚石的合成原料叶蜡石块和叶蜡石环，都是易碎件，并且生产过程伴随着高强度、重粉尘污染的工作环境。实现生产过程的机械化和自动化能够提高生产效率。为了解决脆性材料生产中存在的难题，实现自动化和智能化生产，本文设计了一种内撑式抓取的机械手构型，并对手指结构进行优化分析，探讨了不同刚度匹配的手指骨构型与易碎件接触碰撞规律，具体研究内容如下：
本文首先通过分析叶蜡石生产原料的形状、材料特性和有效工作空间等方面的因素，提出了具有指掌协同特征的机械手构型，设计了适用于薄壁脆性材料的内撑式上下料机械手整体系统。然后，在机械手整体构型基础上，对采用等速推送气缸、等压推送气缸、伺服电动推杆为驱动模式的三类机械手结构及相应的控制系统进行了对比分析，并给出了三种驱动结构的适应场合。
为了探索机械手的最优构型以及运动参数，减小机械手手爪抓取工件的冲击速度，以设计的机械手结构参数关系为基础，连杆参数为变量，以不降低手爪整体运动的平均速度而降低手爪接触点的冲击速度为目标，建立优化模型，采用遗传算法进行寻优计算。
通过对机械手结构参数进行优化，减小了手指指尖接触易碎件的冲击速度，降低了机械手抓取易碎件过程中脆性材料破碎的概率，并提高了作业可靠性。
为了寻找适应于薄壁易碎件的内撑式抓取机械手手指骨构型和刚度匹配模型，探索抓取过程的接触-碰撞规律，设计了软性手指与刚性手指结合的手指指端结构，建立了刚性手指体与软性手指体的不同"肌骨"搭建构型，并研究和分析了不同构型的接触刚度变化规律。采用 Hypermesh 等软件集成建模的方法，建立了机械手指端零部件有限元模型，通过 LS-propost 软件对有限元模型施加相应的约束、载荷、接触类型等，并进行后处理，计算得到环形易碎件接触碰撞过程中的应力、应变云图，并以此为基础，设计和优化手指骨搭配模型。
为了验证机械手系统的实际工作性能，开发并搭建了机械手系统的实验平台，设计了控制系统的总体方案，并对各个控制模块的硬件型号进行分析和选择。通过 trio 控制卡对运动模块进行设计和编程，并开展其运动特性实验研究，证明了薄壁易碎件内撑式上下料机械手整体结构方案和设计参数的合理性。
本课题的研究成果将为薄壁易碎件上下料柔性机械手的设计提供新构型，对新理论与方法进行了探讨与实践，为推动生产过程中对薄壁易碎件作业的自动化和智能化提供基础。
关键字：内撑式机械手；薄壁易碎件；运动建模；结构优化；冲击仿真
ABSTRACT
Because of their poor impact resistance and resistance to dynamic loads, Brittle materialsare very easy to break in the actual production process. Artificial diamond's synthetic rawmaterials are pyrophyllite stone and pyrophyllite ring （both of them are fragile workpieces）。
The production process of diamond is accompanied by high intensity and heavy dust pollutionworking environment. To solve the above problems, we need to realize the mechanization andautomation of the production process of brittle materials. Therefore, we design a newmechanical hand structure of internal brace grab and optimize the finger structure. In addition,we discuss the contact collision law between finger bone configuration and fragile workpieceswith different stiffness matching. The specific research contents are as follows:
In this paper, the manipulator configuration with the characteristics of finger-palmcoordination is proposed by analyzing the shape, material characteristics and effectiveworking space of raw materials for pyrophyllite production. The overall configuration ofinternal brace loading and unloading manipulator suitable for thin-walled brittle material isdesigned On the basis of the overall configuration of the manipulator, the three kinds ofmanipulator structures and the corresponding control system which adopt the drive mode ofisokinetic push cylinder, isobaric push cylinder and servo electric push rod are compared andanalyzed.
So as to explore the optimal configuration of the manipulator and motion parameters,reduce the impact of the manipulator hand grab workpiece speed, based on the design of themanipulator structure relationship, connecting rod parameter as a variable, not to reduce theaverage gripper overall movement speed and reduce the impact of the gripper contact point asthe goal, the optimization model is established, the optimization procedure using geneticalgorithm to calculate.Reduces the impact speed of the fingertips in contact with the fragileworkpieces and improves the reliability of the workpiece operations.
The finger end structure of soft finger and rigid finger is proposed, and different "musclebone" structures are established, in order to find the matching model of finger bone structureand stiffness of inner brace grab manipulator suitable for thin-walled and fragile workpieces,and the contact-collision law of grab process was explored. A finite element model ofmechanical finger end workpieces is established, and the stress and strain cloud diagram ofannular fragile workpieces during contact collision is obtained by simulation calculation. Themethod of integrated modeling is adopted by Hypermesh and other software. Based on this, a finger bone matching model is designed and optimized.
So as to verify the actual performance of the manipulator system, the experimentalplatform of the manipulator system is built, and the overall scheme of the control system isdesigned. We design and program the motion program by trio control card, and carry out theexperimental study of its motion characteristics, it is proved that the overall structure schemeand design parameters of the thin-walled fragile inner braced loading and unloadingmanipulator are reasonable.
The research results of this paper will provide a new configuration for the design offlexible manipulator for loading and unloading thin-walled fragile parts, and discuss andpractice the new theory and method. It provides the basis for promoting the automation andintelligence of thin-walled fragile parts in the production process.
Keywords: Inner braced manipulator; Thin-walled fragile workpieces; Motion modeling;Structural optimization; Impact simulation
目录
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
本课题来源于国家自然科学基金面上项目"薄壁易碎件内撑式高速作业柔顺机械手刚度-构型匹配设计与运动创成研究"（52075500），河南省科技攻关重点项目"易碎件高速上料与装配柔顺机械手系统研发"（202102210086）。
脆性材料从受力破坏到断裂只出现极小的弹性变形，而不出现塑性变形，因此其极限强度一般不超过弹性极限，且脆性材料抵抗动载荷或冲击的能力较差，抗拉能力远低于抗压能力，通常具有易碎特性。脆性材料在日常生活中随处可见，应用极为广泛，比如玻璃、陶瓷等，尤其在安全防护领域占有重要地位，如陶瓷装甲、混凝土工事、防爆玻璃等。机械手针对薄壁易碎件的高速抓取与作业生产线在非金属材料加工、食品包装生产、轻工产品的加工，以及众多行业的物流过程等具有很大的应用需求[1-2].智能机械手的出现不仅解放了劳动力，加快了产品的生产速度，而且机械手按照既定的程序进行操作，产品的精准度也得到了质的提升[3].
以具有战略意义的人造金刚石合成过程为例，人造金刚石合成原料叶蜡石块的生产如图 1-1 所示，其原料及成品皆是易碎件。中国人造金刚石的产能已经占全球产能的 80%以上[4],但是由于叶蜡石块生产是高强度、重粉尘污染的重复工作，已经很难吸引新的工人就业，威胁到产业的正常运转。采用机械手上料和转运薄壁易碎件需满足产品生产过程的高速作业要求。
叶蜡石块是合成人造金刚石的原料，现有设备通常采用液压机来生产叶蜡石块。图1-1 显示了叶蜡石块的产生过程。图 1-1 （a）为叶蜡石环，它是易碎的，首先将其转运在模具上方（图 1-1 （b）），然后装配在模具的凸模上（图 1-1 （c））；在此之后，叶蜡石粉末被填充到模具腔中，液压机将叶蜡石环和粉料压制成叶蜡石压块（图 1-1 （d））；叶蜡石压块呈四棱形，其内径与叶蜡石环的内径大小一致，如图 1-1 （f）所示；然后利用可以上下移动的底模将叶蜡石压块推出，如图 1-1 （e）所示；最后，将易碎的叶蜡石压块转移到指定位置。
目前，在人工生产叶蜡石块的过程中，工人通过双手握住专用工具，依次完成叶蜡石环的抓取、组装和转移工作，生产效率非常低下。为提高作业效率，需研发相应的机械手系统来完成相应的操作过程。
在机械手抓取易碎件的作业过程中，易碎件的强度与受力条件限制了机械手与易碎件之间的接触应力，适用于薄壁易碎件作业的末端执行器存在较大的技术瓶颈，比如：
高速抓取过程中，抓取手指与薄壁易碎件之间的碰触冲击可能导致易碎件的破损；在装 配过程中，机械手与易碎件之间的"硬"施力易造成易碎件破损等问题。因此研究和解决薄壁易碎件高速作业机械手系统面临的技术难题，具有重要的理论和应用价值。
1.2 国内外机械手发展现状
1.2.1 国内外上料机械手和末端执行器发展现状
针对机械手上下料作业，世界上许多公司研发了适用于生产线的上下料机械手系统，包括瑞士 ABB 公司、德国 Muller Weingarten 公司、Honsberg 公司、瑞典 ASEA 公司等都对上下料机械手进行了系列研究[5],例如 ABB 公司开发的 IRB 系列自动上料机械手，如图 1-2 所示。德国 Muller Weingarten 公司研制的 KR-P 系列冲压机械手[6],如图 1-3所示。
在中国，相关领域也开展了众多的研究。如华中科技大学的于衍伟等研发了针对冲床的自动上下料机械手系统，该系统采用触摸屏和 PLC 控制，实现了生产过程的自动化，并集成了故障监控报警、板件双料检测等功能[7],很大程度上提高了冲压加工作业的生产效率，结构简图如图 1-4 所示。但是该自动送料机械手仅适用于小型冲压生产，应用范围具有局限性。
上海通用汽车张永春等人设计了针对汽车风窗玻璃安装过程的自动上下料系统，该系统包括装有提升吸盘的垂直提升装置，装有移栽吸盘的横向移栽装置，可以沿铝合金轨道移动的随性安装装置以及轨道电气组件等。但该系统主要解决单片重量超过 20kg的风窗玻璃上料运载问题[8],通过吸盘抓取整块玻璃。由于叶蜡石环本身结构的特殊性，因此无法采用类似的吸盘抓取设计方案。
河北科技大学研制的层压机上料机械手系统如图 1-5 所示，该系统基于视觉辅助，可以有效完成太阳能电池组件从组装完毕到层压前的全部搬运工作[9],其末端执行器采用气缸驱动的 U 型夹爪，如图 1-5（a）所示。该气动夹爪属于工业生产线中常见的上料机械手结构，但只能实现针对太阳能电池组件特定结构的抓取工作，而且抓取过程中也不需要对工件实现夹紧作用。
末端执行器是机械手系统实现特定抓取功能的关键部件，设计方案上多采用电机或气缸驱动的多连杆机构模型，该类执行器常用于工业生产线的搬运工作。典型的结构如德国 FESTO 公司的气动夹持器（图 1-6（a））、SCHUNK 公司的气动平行爪夹持器（图1-6（b））、Gimatic 公司气动手指夹爪（图 1-6（c））和亚德客手指气缸（图 1-6（d））等[10].大多数末端执行器对于特定的抓取对象，其设计方案是可行的，运动单一且稳定，但相对局限，缺乏灵活性，会由于物体的变形与环境的干扰而无法实现精准抓取[11].对于工件的抓取，抓取的方式可能有很多种，使用指尖实现物体的精确抓取，是一种可能实现的解决方案[12].有学者研究了手指与抓取工件的交互模型，为新型手指结构的设计及抓取模式的选择提供了新的思路。许多研究人员针对不同的手指设计方案进行了抓取分析研究[13],如对侧面抓取的策略、动力特性、抓取方式等方面进行了深入的研究[14],如：Vincent Babin 等对机器人抓取器进行了改进，使其能够抓取光滑坚硬表面上的大而薄的物体[15].
在上料机械手和末端执行器的设计和研究方面，国内外学者根据工件特定抓取要求、现场安装、工作条件等采用并联机械手构型或者串联运动模组构型与末端执行器配合完成工作，已取得了较大的进展和实际应用。但目前适用于薄壁易碎件作业的末端执行器和上料机械手还未涉及，存在较大的技术瓶颈。
1.2.2 国内外灵巧机械手研究现状
从实现灵活运动的机械手构型看，仿人手臂和灵巧手指具有代表性，目前的灵巧手已经能够实现人手的某些抓握操作[16].例如德国宇航中心 DLR 研制的"Hasy"机械手臂，是第一个基于变刚度驱动，采用仿生学关节进行手指设计的多指灵巧手，研究重点主要放在灵巧性、鲁棒性和动态性能上[17],如图 1-7 所示。
麻省理工学院的人工智能实验室和犹太大学的工程设计中心联合开发了一种作为研究机器灵巧通用研究工具的机器人末端执行器，Utah/M.I.T 机械手。该机械手具有多 种自由度、非常高的主动和被动性能，可用于研究各种触觉传感器系统[18],如图 1-8 所示。
美国 NASA/JSC 的 L. B. Bridgwater 等人先后研制了 Robonaut 1 和 Robonaut 2 机械手，研制的 Robonaut 2 型五指灵巧机械手更加接近人手大小[19].该机械手结构如图 1-9所示。Robonaut 2 机械手驱动方式是电机驱动，手指端产生大约 23KN 的拉力，并且在Robonaut 1 的基础上进行了结构优化，极大减小了 Robonaut 2 机械手的复杂程度。
Robonaut 2型机械手能够实现不同的抓取模式，完成对多种不同形态物体的手握式抓取，其抓取姿态如图 1-10 所示。
东京大学研制出的 Janken Robot 机械手[20],根据影像追踪技术识别复现人手的动作姿态，并且在机械手的指端位置安装有多个力、位移、温度传感器，可以测量各手指关节的位置、力矩以及抓取物体的温度，并且能够控制施力的大小。在剪刀石头布的游戏中可以快速识别出人手的手势并做出反应，保证了极高的获胜率，如图 1-11 所示。
深圳机器智能有限公司研发的多指灵巧手 DORAHAND 如图 1-12 所示，实现了手 指模块化、接触灵敏性、活动灵巧性的功能，每根手指都有独立的感知单元，可以实现独立工作，并且支持热拔插，解决了不易维护的问题。其每根手指拥有 14 个传感器，能够感知力的大小[21],可以适用于大部分物件的抓取需求，但由于其手指的结构特征，并不适用于抓取叶蜡石环等环状易碎件。
浙江工业大学特种装备制造重点实验室先后研发了气动驱动多指灵巧手 ZJUTHand 和全驱动无耦合柔性多指灵巧手[25-27].目前，仿人手臂与灵巧手指方面的研究在人工肌肉、抓取控制等多方面都有进展[28-29].但仿人灵巧机械手非常依赖传感器和控制交互，其结构冗杂笨重，难以控制，且装置成本较高，维护较难，因此在一定程度上限制了灵巧机械手在工业生产中的应用，如图 1-14 所示。
1.2.3 柔顺、软体构型机器人研究现状
具有柔顺结构的机械手，在众多领域都有着巨大的应用价值。典型的高性能机械手末端柔顺系统，包含：奥地利 KEBA 公司的主动柔顺法兰，美国 ATI 工业自动化公司的工业机械手柔顺抛光装置。国内对柔顺系统的研究也相当广泛，如：田利梅等设计了采用被动柔顺结构的高精度自动加液机器人，圆筒形柔顺结构位于机器人手臂与自动工具交换装置连接处，基体采用铝合金，中空结构采用柔性的橡胶，因此可以在前后高刚度安装面之间产生较大的弹性形变[30],结构如图 1-15 所示。
苗玉彬等通过在末端执行器上设置柔顺机构来实现果蔬采摘机器人无损采摘需求，即在驱动机构和弧面手指之间设置柔顺机构，柔顺机构在一定的位移范围内通过变形调控，产生类似于超弹性的效果[31],其柔顺梁模型结构示意图如图 1-16 所示。
在机器人领域，随着对柔顺性要求的不断提高，机器人领域的发展出现一个新的方向-软体机器人。近年以来，软材料被开发用于软穿戴机器人领域、医疗康复领域中[32-36],如图 1-17 所示。Xu 等[37]利用连续体机构原理进行拟人手的设计，实现了许多日常生活物品的稳定抓取和夹紧功能，为开发更为智能的柔顺机械手提供了一种新的思路。
在软体机械手方面，美国在软体机械手方面，美国的俄亥俄州立大学 SU 等[38]研制了一款驱动和传感内嵌在硅橡胶材料的 3D 印刷模具内的软体手，具有较强的适应性和柔顺特性，不仅可应用于复杂非结构环境中，而且对操作人员更加安全，如图 1-18 所示。
在机器人与目标物的接触与冲击作用机理方面的研究也比较广泛。为了减少撞击，Bruneau 等设计了具有柔性足的两足机器人，在脚和地面之间加入了弹簧阻尼元件，改变刚性固体之间单一接触点的情况[39].近年来，除了采用软脚法，还提出了一些其他的减震策略。如：对于平面机器人，可以采用人工肌肉和磁流变制动器[40].Schumann 等研究不同的脚设计材料[41],以在刚度和阻尼之间进行权衡，形成高能效的机器人的脚结构以减少冲击力。Hauser 等设计的 Oncilla 四足机器人采用基于生物灵感开发的软体材料设计脚垫，由包裹在柔性膜中的颗粒介质组成，以增强摩擦和阻尼[42],如图 1-19 所 示。
柔顺和软体机械手与刚体机械手的本质区别在于，在结构上结合了聚合物、橡胶、智能材料等软体材料的天然柔顺优势，在柔顺性、灵活性、控制方式等方面具有更多可能性[41],为开发抓取机械手提供了一种新的思路。
1.3 研究易碎件冲击方法的国内外现状
本课题研究对易碎件的抓取，涉及手指与易碎件之间的冲击问题。有关对易碎件冲击的研究，比较典型的研究方法如下：
Saurabh Rathod 等[43]对陶瓷-金属复合材料的弹道性能进行了数值分析，有限元建模是在 Abaqus 显式模型中进行的，通过 JH2 材料模型来模拟陶瓷的材料性能，如图 1-20所示。
Bresciani 等[44]提出了一种用三维拉格朗日有限元方法来模拟钨重合金钝头弹丸撞击氧化铝陶瓷瓦的新方法，采用有限元转化到 SPH[45]（光滑粒子流体动力学）单元来模拟陶瓷的模型，如图 1-21 所示。
Feli 和 Asgari 对陶瓷-金属复合材料结构的弹道性能进行了数值分析[46],运用 JH-2陶瓷模型模拟氧化铝陶瓷材料。Duane S. Cronin 等针对球体撞击陶瓷材料的实例，运用约翰逊和霍尔姆奎斯特开发的 JH-2 陶瓷模型在 LS-Dyna 中模拟陶瓷材料[47].XihongZhang 等人评估 PVB 夹层浮法玻璃对风吹木材碎片冲击的脆弱性[48],对层压玻璃窗在重量和速度不同的木块冲击下的易损性进行了实验和数值模拟，该研究采用约翰逊霍尔姆奎斯特陶瓷本构模型来模拟玻璃，如图 1-22 所示。
有限元模型，用 MAT_SILATED_GLASS 材料模型来定义材料属性。该模型使用了玻璃和 PVB 模型的不同组合，如图 1-23 模拟了事故中人头撞击玻璃的仿真图，具有不同的连接类型和两种网格尺寸（5 毫米和 10 毫米），研究了玻璃断裂应力对同一风挡模型的影响[49].
哈工程大学胡文进等人采用有限元软件 ANSYS 建立了冰区玻璃钢船舶与冰排的模型[50],如图 1-24 所示。用 SHELLl63 单元模拟玻璃钢铺层，然后进行船-冰碰撞的非线性有限元计算，研究在不同速度下玻璃钢船与冰的碰撞情况。
1.4 研究现状分析及总结
综上所述，研究人员对自动送料、灵巧手指、软体结构、抓取模式、柔顺构型、末端执行器等各方面的机械手进行了广泛研究，由于结构、材料等方面的不同，每种机械手都有适合的领域，各有优势和不足之处，如表 1-1 所示。 而对于薄壁易碎环状件，材料的抗拉能力远低于抗压能力，采用外部包络抓取的安全裕度更高；而采用内撑式抓取模式时，更容易使其碎裂，其作业可靠性更低。研究薄壁易碎环状件的机械手内撑式抓取模式存在更大的技术难度与挑战。而由于某些特定作业对象与作业空间的限制，机械手又必须采用内撑式抓取模式。
近年来，研究人员在机械手的手指构型[51]、力/位混合控制[52]、动态抓取[53]等方面均进行了一定的探讨。根据人手生物结构特征设计的仿人灵巧机械手具有代表性，结合基于视觉、触觉、力位传感的反馈控制系统可以进行复杂的轨迹规划，以实现多手指的灵活控制[54-56],国内外技术比较成熟，是最可能应用于易碎件作业的执行器。但其结构复杂及控制难度高，因此限制了其作为末端执行器在工业生产中的应用。并且，目前对机械手的作业研究较少涉及易碎件的高速内撑式抓取[57-58],以及研究夹持器与作用对象间的交互模型、构型与刚度匹配。
有关于脆性材料碰撞冲击的方法研究，由于陶瓷等许多脆性材料所固有的韧性低、易发生脆性断裂的缺点，使得在应用中需要对其抗冲击等多方面性能进行研究。目前已有的数值模拟研究方法中，有些学者采用有限元法（FEM）来模拟陶瓷，但不能很好地模拟冲击过程中易碎件的破碎以及易碎件的碎片对外体的磨蚀；SPH 方法适合脆性材料受冲击后破碎粉末的运动类似于流体的模拟；而有限元模拟易碎件受冲击过程，最常用的是基于 JH-2 本构模型进行建模[59],因为该模型包含了脆性材料的大变形、脆性破坏、高压效应和应变率，能够有效地模拟易碎件的材料特性。
1.5 主要研究内容
1.5.1 研究目标与内容
为了解决脆性材料生产中存在的难题，实现自动化和智能化生产，设计出一种内撑式抓取的机械手构型，具体工作如下：
（1）绪论。首先介绍课题的研究背景和意义，然后从上料机械手、灵巧机械手、柔顺和软体构型机械手、末端执行器机械手等几个方面介绍机械手的国内外发展现状， 并分析了国内外易碎件碰撞的研究方法。
（2）机械手总体结构设计。针对脆性材料易碎的材料特性，以人造金刚石合成原料叶蜡石块生产工艺要求为例，根据其安装位置及工作空间限定，采用内撑式抓取模式，设计了一款适用的薄壁圆柱易碎件的内撑式抓取与下压装配机械手，在对其整体构型进行设计的基础上，对关键部位-机械手手指机构设计进行了详细地介绍与分析，并详细分析不同的控制系统驱动机械手的利弊。
（3）等速驱动的机械手参数优化。对机械手构型进行运动学分析，根据优化目标建立结构优化的数学模型，按照设计目标，基于遗传算法理论，编写相应程序对手指体的结构参数进行优化。 （4）易碎件的柔顺机械手抓取作业冲击仿真分析。针对机械手指抓取易碎件过程中的碰撞冲击问题，运用 SolidWorks、Hyperworks、LS-DYNA 软件进行集成建模仿真，研究机械手抓取薄壁易碎件的构型与刚度匹配设计理论，分析柔性机械手的构型、材料、刚度、运动参数等对抓取作业过程的影响规律。
（5）薄壁易碎件柔顺内撑式机械手样机试制与实验。搭建薄壁易碎件内撑式上料机械手实验样机，设计适应作业环境的控制系统，验证机构的正确性。 （6）总结与展望。对全文进行概括总结，并分析工作中的不足之处，对本课题中机械手的未来研究方向做出归纳和展望。
1.5.2 论文框架
论文的整体框架如图 1-25 所示。
第二章 机械手总体结构设计
2.1 引言
2.2 机械手功能要求分析与运动实现
2.3 机械手手指构型设计
2.4 手指驱动系统设计与比较
2.4.1 等速气缸驱动
2.4.2 等压气缸驱动
2.4.3 伺服电机驱动
2.5 本章小结
第三章机械手参数优化
3.1 引言
3.2 优化问题的提出
3.3 内撑式机械手手指运动模型构建
3.4 基于遗传算法求解机械手机构参数优化模型
3.4.1 机械手机构优化模型的建立
3.4.2 遗传算法的基本思想及其步骤
3.4.3 遗传算法的关键参数
3.5 优化设计实例及其结果分析
3.5.1 基本参数赋值
3.5.2 优化过程与结果
3.6 本章小结
第四章 机械手抓取易碎件冲击仿真分析
4.1 引言
4.2 仿真分析的理论基础
4.2.1 相关软件介绍
4.2.2 有限元基本理论
4.3 集成建模仿真技术关键
4.4 机械手抓取易碎件的作业冲击过程的数值模拟理论基础
4.4.1 脆性材料力学性能研究
4.4.2 机械手稳定转运物料加持力的计算
4.4.3 材料模型及参数选择
4.4.4 沙漏控制和接触模型的定义
4.4.5 机械手指碰撞易碎件边界条件及施加载荷
4.4.6 机械手指碰撞易碎件基本控制方程
4.5 内撑式机械手指抓取易碎件作业碰撞仿真分析
4.5.1 正交仿真实验中的内外表面设计
4.5.2 单因素仿真设计
4.5.2 单因素仿真结果分析
4.5.3 仿真结果的讨论与对作业过程的优化改良
4.6 本章小结
第五章 薄壁易碎件柔性内撑式机械手样机试制与实验
5.1 引言
5.2 薄壁易碎件内撑式机械手控制系统总体方案
5.3 控制系统的硬件方案设计
5.3.1 电机的选型
5.3.2 运动控制卡选型
5.4 控制软件方案设计
5.4.1 上料机械手控制系统功能介绍
5.4.2 薄壁易碎件内撑式上料机械手控制系统运行模块设计
5.5 薄壁内撑式上料机械手样机实验
5.6 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 研究工作总结
本文在实验室原有上料机械手的基础上，在国家自然科学基金（52075500）《薄壁易碎件内撑式高速作业柔顺机械手刚度-构型匹配设计与运动创成研究》的资助下，围绕薄壁易碎件高速上料机械手这一课题开展了相关研究。通过分析作业对象叶蜡石环、叶蜡石块的力学特征，制定了相应的总体设计方案，并对该机械手系统的手指构型和结构参数进行了优化设计，对机械手和易碎件之间的碰撞过程进行了仿真分析。最后，按照设计方案制作了机械手样机，搭建了机械手抓取叶蜡石环的实验平台，并开展了相关实验，验证了薄壁易碎件内撑式柔顺机械手结构方案的可行性和高效性。
本文主要的研究内容和结论如下：
（1）对国内外各类上料机械手进行了调研，对于特殊应用领域的灵巧机械手、柔顺机械手、软体机械手等，国内外学者进行了较为深入的研究，但针对薄壁易碎件高速上料机械手的研究却相对滞后，目前并没有可以实现工业化应用的机械手装置。以生产金刚石的原料-叶蜡石块为例，存在生产过程机械化程度低，人工操作容易破碎等问题，难以实现高速作业的应用需求。因此，本文通过分析叶蜡石环的形状、材料特性、作业空间等多方面的因素，提出了内撑式的夹持方式，并结合机械手设计的基本理论和仿生学原理，原创性地设计了一种用于薄壁易碎件内撑式上料作业的柔顺机械手构型，并利 用相关软件完成了该机械手三维模型的构建。
（2）在内撑式柔顺机械手整体构型设计的基础上，建立了机械手系统运动学模型，并对其进行了运动学分析，对机械手各结构参数与手指末端速度、加速度运动关系进行了求解，验证了初始设计方案和结构参数的可行性。在此基础上建立了数学模型，并运 用遗传算法优化机械手关键结构参数，提高了机械手抓取易碎件的可靠性和高效性。
（3）在分析易碎件弹性模量、密度等关键力学特性的基础上，通过 SolidWorks、heperworks、LS-DYNA 等软件建立了薄壁易碎件内撑式上料机械手的有限元模型，对柔顺机械手和易碎件之间的碰撞过程进行了仿真分析。计算结果表明，薄壁易碎件受到的最大应力值小于材料的许用拉伸应力值，证明机械手的结构和材料设计满足薄壁易碎件的作业要求，设计方案合理；在此基础上研究了不同搭建组合的软、硬手指骨骼结构、抓取位置等因素在作业过程中对内力和形变的影响规律，进而确定了一组最佳的手指骨结构和材料形貌特征。
（4）最后，根据薄壁易碎件叶蜡石环的作业要求和特点，对控制系统的整体方案进行了设计，对于控制系统的关键硬件进行了选型和研究。基于控制系统的运行方式，设计和编写了机械手系统水平、竖直运动以及手指张合运动的控制程序，搭建了实验样机和实验平台，并开展了相关的叶蜡石环抓取实验，最终验证了该薄壁易碎件内撑式柔顺机械手控制系统和结构方案的可行性。
6.2 研究展望
本文针对薄壁易碎件高速作业所面临的科学与技术难题，设计的薄壁易碎件内撑式上料机械手硬件和软件系统在实际应用中基本满足使用要求，提出的优化结构和手指骨设计方案得到了验证，达到了预期的效果。但是该机械手在某些方面还存在着一些缺点和不足，需要进一步地改进和完善，主要包括：
（1）在抓取易碎件的作业过程中，会存在机械手与运动工件稍有错位的情况，如果机械手系统没有像手腕一样的自动位置调节空间，不能自适应补偿位移偏差，机械手硬施力会造成易碎件的破损。
（2）本文选用橡胶作为软性手指的弹性材料，也可以选用不同的材料，如 PVB 聚乙烯醇缩丁醛、硅胶等弹性材料，在抓取过程中，不同材料与易碎件之间产生的摩擦力及抗冲击能力也会有所不同，需要进一步的实验和仿真研究。
（3）由于本文研究的对象叶蜡石环与叶蜡石块的内壁都是直径相同的圆形内壁，因此设计一个机械手就可以完成整个上料过程的作业要求。但如果该机械手抓取内径大小不一样的易碎件，会出现曲率半径不一致的情况，导致该机械手指端与作业工件无法完全贴合，进而增大易碎件受到的应力值，这在高速作业过程中会增大易碎件破裂的可能性。因此，针对特定尺寸的作业工件需要设计相应尺寸规格的机械手结构，或者通过改进机械手爪的设计方案来提高机械手的通用性。
参考文献
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致 谢
马上要毕业了，有诸多感慨。说来话长，自从考研失利以后，自信心遭到了重创，虽然调剂学校的时候收到了很多通知书，但是还是觉得自己挺笨的，以后读博的道路也到此为止了。调剂学校时，通过网上了解，对王良文教授做的方向很感兴趣，最后也如愿成为王良文教授的学生。但是对于未来，自己是沮丧的，做什么事都没有太大的动力，因此工作效率也很低，但是很长一段时间以后，经过接触，王良文教授和王团辉师兄认真做科研的态度，让我发自内心的敬佩，感染到我。在我的眼中，王良文教授很朴素，也很敬业，到了大家认为快退休的年纪，依然保持着对科研的热爱，每时每刻想着科研问题，总是会有很多好的想法，沉浸在其中，感觉老师搞科研的时候是幸福的，那个时候才意识到，自己沉浸在一时的得失有多么愚蠢，慢慢有了动力和信心。硕导对自己的影响是深远的，特别感谢自己能够遇到这么一位可敬又可爱的老师，让我学到了很多珍贵的品格。希望自己能在科研的道路上走得更远，有一天成为王良文教授这样的人，我会为此更加努力的。王团辉师兄，他给予了我很大的帮助，无论什么问题，他总是会耐心地解答，踏实认真的科研态度，是我感受最深的一点。师娘和师姐，总是在见面的时候给予我们肯定，鼓励我们前行。张继豪、张士钊等各位师弟们，会一起认真地讨论一些科研过程中出现的问题，很喜欢这种氛围，各抒己见，一起学习，不忙的时候大家也会一起开玩笑，活跃气氛。自己的另一半刘方圆同志，是我的良师益友，教会我很多道理，让我学会了独处，内心变得更加强大，帮助我成长。总之，这三年学会了很多，也因为他们的存在感到开心、满足，我是幸运的。希望大家都会越来越好，希望老师能照顾好自己的身体，师弟们能走向想要的人生轨迹。
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