第一章 绪论
1.1 课题背景及意义
中国自古以来就是农业大国，农副产品的多样性、生产加工过程的复杂性使现有的工业机器人很难适用于农业[4-5]。需要耗费大量的人力、物力来进行瓜果蔬菜的采摘、分选和收储工作。这些工作劳动强度大、工作环境差、工作的重复度高，需要使用工业机器人来替代人力。
食品是人们生活中必不可少的一部分，在食品行业中为了避免工作人员对食品原材料、食品加工半成品、食品成品的污染，工作人员需进行消毒、杀菌等步骤并穿着制服并佩戴口罩和手套才能进行操作。食品行业每年需要耗费大量的一次性的手套、口罩。但食品行业中待抓取物体物性多样、形状尺寸变化范围大的特点，因此现有的机械手无法满足食品行业中产品的抓持需求。
近年来电子商务行业的快速发展也改变了人们的生活方式，电子商务行业给人们的生活带来了巨大的便利。其主要流程分为：配货、仓储、包装以及配送等流程。配货流程：用户在网上下达了订单，工作人员根据订单到电商储存仓库中取出对应的货物；仓储流程：工作人员将待存储的货物贴上可识别的标签并登记入数据库；包装流程：工作人员将取出的货物、商品的发票与缓冲件一起装到瓦楞纸箱中。配送流程：工作人员将包装好的货物送至购买者的手中的流程。由于被抓物体的多样性，配货与包装这两个流程很难依靠现有的机械手来操作。
应用于轻工业、食品行业及农业等的工业机械手的抓取对象不仅仅是形状、尺寸一致的刚性物体。传统的简易加持器已经无法满足抓取尺寸及形状变化大、材质物性变化大、摆放位置混乱的被抓物体的抓取需求。多指的仿人灵巧手不但可以灵活、精确的抓取各种复杂的被抓物体，还可以对物体进行操作。但多指仿人灵巧手价格昂贵，需要在灵巧手上安装了大量的传感器，并且灵巧手的控制系统比较复杂。灵巧手难以应用于复杂的工作环境中，灵巧手的使用及维护成本较高。为了解决这些场景中的复杂待抓取对象的抓取问题，需要设计一种新型的通用型机械手。
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1.2 欠驱动机械手国内外研究现状
欠驱动机械手只需较少的驱动元件就可以实现对多个自由度进行可靠的控制，因此具有很高的研究意义。欠驱动机械手结构主要分为手掌结构与手指结构，手掌结构的功能主要是提供手指、驱动源与传动机构的安装位置，可变的机械手手掌结构可以扩大机械手的抓取范围[6]。机械手手指与物体接触并可靠的抓取物体，机械手的操作灵巧程度受到机械手的手指结构影响，与刚性机械手相比，柔性手指具有质量轻、体积小和反应速度快等优点。
1.2.1 可变手掌机械手研究现状
可变手掌机械手具有结构简单、性价比高等优点，有很高的实用价值。通过使用齿轮机构、槽轮机构、空间连杆机构等都可以使机械手手掌具有独立自由度。将变掌机械手按照手掌构型变化的形式划分，可以分为机械手动手指变位与动手指转位，手指转位又可分为动手指相对手掌中心转位与动手指相对手掌中心偏心转位两种方式。
如图 1-1 所示，在 2005 年日本广岛大学和东京大学联合研发了一种手掌采用双回转机构的新型机械手[7]，该机械手的手掌具有两个自由度。机械手的四个手指分为两组，分别为内圈手指和外圈手指。内圈手指与外圈手指可以分别绕手掌中心转动。每个手指具有两个自由度，通过外圈手指和外圈手指的配合操作，仅需一个机械手可以完成拧开瓶盖的操作。但无法精确的控制机械手手指与物体间的接触力。
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第二章 复合驱动柔性欠驱动机械手结构设计与分析
2.1 复合驱动柔性欠驱动机械手结构设计与工作原理
2.1.1 可变手掌与刚柔耦合骨架手指驱动方式选择
机械手的驱动方式有两种，分别是间接驱动与直接驱动[21]。间接驱动是指驱动器输出与动力转换装置相连，将驱动器的动力间接得传给机械手关节。直接驱动是指驱动器输出端直接驱动机械手的关节运动。
气压驱动、液压驱动及电机驱动[22]是机械手最常用的三种驱动方式。液压驱动功率质量比大，但无法应用于环境温度变化大的场合；气压驱动动态响应高、环境适应性好，但定位精度低并且提供的驱动力较小。电机驱动结构简单、控制精度高，但动态响应相对较慢。
机械手对驱动源的要求较高，需要在高的控制精度的同时，具有很高反应速度。因此本文选择电机作为机械手的指根节转动的驱动源，可以精确调整指根节与水平面的转动角度，满足机械手对物体尺寸大小的适应性需求，并可控制手指各指节与被抓物体间的接触力大小与接触点位置。
为了提高机械手手指响应速度，并且从简化传动链的角度考虑，选择笔形内导向气缸驱动手指弯曲，从而快速抓取物体，满足抓取对象尺寸的适应性需求；气动的驱动柔性与刚柔耦合骨架手指的关节柔性结合，使机械手具有良好的柔性。同时选择了单作用气缸作为指根节转位的驱动器，满足因抓取对象形状不同产生的适应性需求。
手指驱动气缸直接驱动机械手手指的中指节、指尖节克服扭弹簧转动。机械手与物体间无需安装传感器，依靠中指节、指尖节心轴上小、大扭弹簧的协调变形来自适应物体的尺寸变化及材质差别。
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2.2 刚柔耦合骨架手指运动学分析
在前文中设计了机械手的结构，为了研究机械手抓取物体过程中各个指节的运动规律，需要建立机械手手指的数学模型，并建立机械手上各个点与机械手三个指节转动角度间的数学关系。
2.2.1 刚柔耦合骨架手指数学建模
机械手单个手指计算模型如图2-13所示，原点O为底盘中心点，A点为手指座铰链中心，B、C两点为两个铰链的中心，以通过机械手手掌中心的垂线为z轴、过O点的水平线为y轴，建立坐标系。
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第三章 复合驱动柔性欠驱动机械手性能分析与仿真 ......................................... 31
3.1 复合驱动柔性欠驱动机械手尺寸参数优化 ............................................ 31
3.1.1 优化目标与优化参数选取 ...................... 31
3.1.2 尺寸参数优化过程 .................................. 31
第四章 复合驱动柔性欠驱动机械手控制系统设计 ............................................. 51
4.1 气动控制回路设计...................................... 51
4.1.1 气动回路结构组成 ...................................... 51
4.2 关键元器件选型 ................................. 52
第五章 复合驱动柔性欠驱动机械手抓取实验 ................................ 65
5.1 实验平台搭建 ..................................... 65
5.1.1 复合驱动柔性欠驱动机械手组成介绍 ......................................... 65
5.1.2 复合驱动柔性欠驱动机械手抓取控制 ......................................... 66
第五章 复合驱动柔性欠驱动机械手抓取实验
5.1 实验平台搭建
在前文中进行了机械手结构设计及其控制系统的软硬件设计，在本章对机械手实物进行试验测试。以试验的方法检验前文的机械手计算模型，并测试机械手实际的抓取性能。
5.1.1 复合驱动柔性欠驱动机械手抓取控制
机械手的抓取控制过程：机械手抓取物体主要分为两种工作模式（自动工作模式与手动调试模式）。
自动工作模式：在初始化程序中有机械手的初始化控制参数（经常抓取物体的控制参数），在触摸屏上按下开始执行按钮，机械手自动抓取物体，当更换了被抓物体后，需要根据被抓物体的尺寸与接触力要求计算电机转动角度、手指驱动气缸与转位驱动气缸气压。在触摸屏上输入这些控制参数，机械手完成抓取物体操作。
手动调试模式：机械手的手动调试模式主要用于抓取对接触力要求较小的物体，可以以点动的方式完成对被抓物体的抓取。由于机械手手指上没有接触力传感器，在自动抓取模式可能无法抓取物体时，可以通过手动微调的方式抓取该物体。
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第六章 总结与展望
6.1 主要结论
对机械手抓取物体的性能进行了研究，主要实现了机械手具有较大的抓取范围（尺寸及形状），同时实现了对机械手手指与被抓物体间的接触力进行详细的分析。 本文的主要内容如下：
1.查阅了国内外的欠驱动机械手的有关资料，通过对现阶段轻工业、食品业以及农业等机械手的应用情况的调查，阐述了新型欠驱动机械手的应用背景及意义；
2.研究了现有的欠驱动机械手的结构及特点，在总结了实验室师兄的研究成果的基础上提出了新的机械手结构，并针对机械手手抓取圆柱体、长方体和椭圆柱作了静力学分析；
3.选择抓取常见的最重的罐装饮料时机械手手指驱动气缸的推力最小为优化目标，优化了机械手与扭弹簧的尺寸参数。并在 Adams 软件中对进行了机械手的空载与静载两种状态的静力学仿真分析，验证了机械手运动学、静力学模型的正确性。
4.完成了机械手控制系统的软硬件设计，主要包括：气动控制回路与电气控制回路的设计，并通过编程实现了手动微调功能与手动输入控制参数抓取物体。
5.完成了电、气控制回路的搭建，并测试了气压控制的可靠性。完成了机械手的空载工作状态测量，验证了指根节转动模型的正确性。通过机械手的抓取适应性实验，验证了机械手的抓取可靠性与对被抓物体的形状、尺寸适应性。
参考文献（略）