摘要:本文首先综述了工业机械手、多指灵巧手的发展状况。现实中复杂抓取对象有：（a）易变形的软性物体（面包、软包装物品）；（b）易破碎的脆性物体（禽蛋）；（c）形状不规则的、尺寸差别大的物体（瓜果、蔬菜）；（d）异形的物体（酒瓶、化妆品瓶）。工业机械手采用夹钳式或平行移动式结构，抓取形状大小一致、抓取力不变会破损刚性工件。采用灵巧的仿人机械手，需感知复杂抓取对象的形状、位置空间，需精确控制运动和抓取力，由于制造成本高、使用环境差、维护要求高等因素，通常的精确控制机械手难以实际应用。针对复杂抓取对象，提出了自适应多指的仿生柔顺爪的新概念。

本论文的研究思路：因为动物运动是限制机构（关节）、动力器官（收缩肌肉）、控制系统（神经系统）的有机结合，所以从柔性关节骨架和驱动肌肉的结构，驱动系统和控制方式，到具有自适应柔性物流机械手的设计方法等多方面，本论文将深入系统地开展研究。

从结构上，研究提出了（1）具有柔顺性的橡胶波纹管轴向膨胀加载式人工肌肉驱动器（Bellows Expanse Pneumatic Muscle Actuator，简称B-EPMA肌肉）；（2）板弹簧骨架、单活页铰链骨架、二活页铰链串联骨架、单柔性铰链骨架、二柔性铰链串联骨架等5种柔性骨架；（3）弹性回复元件包括板弹簧、拉弹簧和扭弹簧3种；（4）驱动器有B-EPMA肌肉的弯曲膨胀驱动、B-EPMA肌肉直线和弯曲膨胀驱动、笔形气缸驱动、气动绳牵引驱动4种形式；（5）提出了采用高速开关阀伺服控制的4驱动方式的结构和工作原理；（6）设计了6种具有柔性自适应的末端抓持器。

从理论方法上，对板弹簧弯曲变形，对比总结了分别采用椭圆积分法和微分方程法解决其大挠度变形问题。对活页铰链内置拉弹簧的柔性关节，本人建立受力静态模型，详细分析铰链弯曲角度和气体压力的关系，并结合实例得到实例计算模型。

关键词：柔性骨架；柔性关节；驱动系统；柔性机械手

 

目录

摘要

ABSTRACT

第1章 绪论-1

1.1 引言-1

1.2 机械手的发展概况-1

1.2.1 工业机械手的发展-1

1.2.2 灵巧手的发展-4

1.3 气动驱动器的发展-7

1.3.1 Mckibben B-EPMA肌肉-7

1.3.2 褶皱式的B-EPMA肌肉驱动器-8

1.3.3 FMA驱动器-9

1.3.4 弯管驱动器-9

1.3.5 Bellows驱动器-10

1.4 研究内容-10

1.4.1 研究气动B-EPMA肌肉驱动器-11

1.4.2 研究三种柔性关节（手指）骨架的设计方法-11

1.4.3 研究柔性关节的四种驱动方式的设计方法-12

1.4.4 研究模块化柔性自适应机械手-12

1.4.5 研究基于壅塞流的两种驱动系统-12

参考文献-12

第2章 柔性关节的结构简图-15

2.1 板弹簧骨架的柔性关节-15

2.2 活页铰链骨架的柔性关节-16

2.2.1 活页铰链扭弹簧骨架的柔性关节-16

2.2.2 活页铰链内置拉弹簧的柔性关节-18

2.3 柔性铰骨架的柔性关节-19

2.3.1 单柔性铰骨架的柔性关节-19

2.3.2 串联柔性铰骨架的柔性关节-20

2.4本章小结：-21

第3章 板弹簧骨架的柔性关节的结构分析与设计方法-23

3.1 板弹簧骨架B-EPMA肌肉驱动的柔性关节-23

3.1.1 板弹簧骨架B-EPMA肌肉弯曲膨胀驱动的柔性关节-23

3.1.2 板弹簧骨架B-EPMA肌肉直线膨胀和弯曲膨胀结合驱动的柔性关节-30

3.2 板弹簧骨架笔形驱动的柔性关节-31

3.3 板弹簧骨架气动绳牵引驱动的柔性关节-31

3.4 本章小结-33

参考文献：-33

第4章 活页铰链骨架柔性关节的结构与原理分析-35

4.1 活页铰链单扭弹簧骨架的柔性关节-35

4.1.1 活页铰链单扭弹簧骨架B-EPMA肌肉驱动的柔性关节-35

4.1.2 活页铰链单扭弹簧骨架笔形气缸驱动的柔性关节-37

4.1.3 活页铰链单扭弹簧骨架气动绳牵引驱动的柔性关节-38

4.2 二活页串联铰链扭弹簧骨架的柔性关节-39

4.2.1 二活页串联铰链扭弹簧骨架B-EPMA肌肉驱动的柔性关节-39

4.2.2二活页串联铰链扭弹簧骨架笔形气缸驱动的柔性关节-41

4.2.3 二活页串联铰链扭弹簧骨架气动绳牵引驱动的柔性关节-42

4.3 活页铰链内置拉弹簧骨架的柔性关节-43

4.3.1 活页铰链内置拉弹簧骨架B-EPMA肌肉驱动的柔性关节-43

4.3.2 二活页铰链内置拉弹簧骨架B-EPMA肌肉驱动的柔性关节-45

4.4 本章小结：-47

参考文献:-48

第5章 柔性铰骨架的柔性关节-49

5.1 单柔性铰骨架的柔性关节-49

5.1.1 单柔性铰骨架B-EPMA肌肉驱动的柔性关节-49

5.1.2 柔性铰骨架笔形气缸驱动的柔性关节-51

5.1.3 柔性铰骨架气动绳牵引驱动的柔性关节-51

5.2 串联柔性铰骨架的柔性关节-53

5.2.1 串联柔性铰骨架B-EPMA肌肉驱动的柔性关节-53

5.2.2 串联柔性铰骨节笔形气缸驱动的柔性关节-55

5.2.3 串联柔性铰骨架气动绳牵引驱动的柔性关节-56

5.3 本章小结-57

参考文献:-58

第6章 组建柔性机械手的基于壅塞流的驱动系统-61

6.1 基于完全壅塞流和非完全壅塞流的并联气动系统[1]-61

6.1.1 基于完全壅塞流和非完全壅塞流并联气动系统的结构与工作原理-61

6.1.2 基于完全壅塞流和非完全壅塞流并联气动系统驱动单作用气缸的实施例-62

6.1.3 基于完全壅塞流和非完全壅塞流并联气动系统驱动双作用气缸的工作原理-63

6.2 气—液串联复合驱动系统[2]-64

6.2.1 气—液串联复合驱动系统的结构与工作原理-65

6.2.2 气—液串联复合驱动系统驱动单作用滑动缸的工作原理-66

6.2.3 气—液串联复合驱动系统驱动双作用滑动缸的工作原理-67

6.3本章小结：-67

参考文献：-67

第7章模块化组建的具有自适应性的柔性机械手-69

7.1 二活页铰链串联扭弹簧骨架B-EPMA肌肉驱动的六关节三指柔性自适应机械手-69

7.2 活页铰链串联扭弹簧骨架气动绳牵引驱动的柔性自适应机械手-70

7.2.1 两关节两指机械手的结构与工作原理-70

7.2.2 三关节三指机械手的结构与工作原理-72

7.2.3 六关节三指机械手的结构与工作原理-72

7.3 串联柔性铰链骨架气动绳牵引驱动的柔性机械手-74

7.4板弹簧骨架气动绳牵引驱动的柔性机械手-76

7.5本章小结：-78

参考文献：-79

第8章 结论与展望-80

8.1 结论-80

8.2 未来展望-80

致谢-80

附录A:-80