摘 要

随着软体材料和机器人技术的不断发展，越来越多的人展开了对软体机器人的研究。软体机器人具有柔性大、结构简单、自由度多的特点，可以改变其形状和尺寸，以适应工作环境。目前，软体机器人技术在医疗服务、工业生产、救灾救援等领域都有着非常广阔的应用前景。柔性机器人夹持器是软体机器人技术研究的一个子方向，具有较好的柔韧性和环境适应性，能够完成对易碎易损物品的分拣。本文将对柔性机器人夹持器的结构进行设计，将涉及材料力学、模具设计及制造、机电一体化、液压传动、微机原理等多种学科。首先，用SolidWorks做出软体机器人执行单元的效果图，并作出对应的模具图；然后用3D打印机完成模具的制作，并对硅胶材料进行选择，利用模具制作出执行单元的实物；接着利用ABAQUS对执行单元进行了充气模拟仿真，分析执行单元的受力及形变，讨论其可行性；其次，使用C51单片机，在Keil5中进行控制程序的编写，并在proteus中绘制硬件电路图进行电路模拟仿真，并使用SMCdraw绘制了气路图；最后将执行单元、控制单元、法兰盘、气路等部分组装起来，进行实物测试。

关键词：软体机器人；柔性夹持器；有限元分析；单片机控制

Title

ABSTRACT

With the continuous development of software materials and robotics technology, more and more people begin to study software robots. Software robot has the characteristics of large flexibility, simple structure and many degrees of freedom. It can change its shape and size to adapt to the working environment. At present, the software robot technology has a very broad application prospect in the fields of medical services, industrial production, disaster relief and rescue. Flexible robot gripper is a sub-direction of software robot technology research. It has good flexibility and environmental adaptability, and can complete the sorting of fragile and vulnerable items. In this paper, the structure of the flexible robot gripper will be designed, which will involve many disciplines, such as material mechanics, die design and manufacturing, mechatronics, hydraulic transmission, computer principle and so on. Firstly, SolidWorks is used to draw the effect diagram of the execution unit of the software robot, and the corresponding die diagram is made. Secondly, 3D printer is used to complete the production of the die, and the silica gel material is selected, and the object of the execution unit is made by the die. Thirdly, ABAQUS is used to simulate the inflatability of the execution unit, analyze the force and deformation of the execution unit, and discuss its feasibility. Fourthly, use C51 microchip to compile the control program in Keil5, and the hardware circuit diagram is drawn in Proteus to simulate the circuit, and SMCdraw is used to draw the gas circuit diagram. At last, the execution unit, control unit, flange, gas circuit and other parts are assembled to carry out physical testing.

Key words: Software Robot; Flexible Clamper; Finite Element Analysis; Microchip control

目 录

1 绪论 - 1 -

1.1研究的目的及意义 - 1 -

1.2国内外同类研究现状 - 3 -

1.2.1典型案例 - 3 -

1．2.2技术难题 - 6 -

1.2.3研究方案与创新 - 6 -

2 结构设计方案 - 7 -

2.1执行单元设计方案 - 7 -

2.2制作执行单元 - 8 -

2.2．1制作材料选用 - 8 -

2.2.2模具的制作 - 9 -

2.2.3制作过程 - 11 -

2.3结构方案 - 11 -

3 运动学、静力学分析 - 13 -

3.1角度与压强的关系分析 - 13 -

3.1.1有限元分析原理 - 13 -

3.1.2有限元分析步骤 - 14 -

3.1.3分析结果 - 21 -

3.1.4 有限元分析总结与难点 - 22 -

3.2夹紧力与压强的关系分析 - 22 -

4 控制系统设计 - 25 -

4.1控制原理 - 25 -

4.2电路模块设计 - 25 -

4.2.1单片机模块 - 25 -

4.2.2复位模块 - 26 -

4.2.3晶振模块 - 26 -

4.2.4放大模块 - 27 -

4.2.5控制系统软件程序设计 - 28 -

4.3气路设计 - 29 -

4.3.1气路工作原理 - 29 -

4.3.2气路元件的选用 - 30 -

结 论 - 35 -

致 谢 - 36 -

参考文献 - 37 -

1 绪论

1.1研究的目的及意义

20世纪五十年代，随着迪沃申请第一个机器人专利并成立第一个机器人公司Unimation机器人公司，机器人技术开始了迅猛的发展。1962年，第一台工业机器人Unimate由美国Unimation公司发明并在通用公司成功应用，标志着人们进入了一个全新的机器人时代^[1]。随着机器人技术不可阻挡的发展趋势，机器人逐渐在各个领域都有着很广泛的应用。但是面临着复杂多变的操作环境和种类各不相同的操作对象，市场对机器人的适应性提出了越来越高的要求^[2]。

以传统工业机器人为代表的刚性机器人绝大部分由限制了其弹性变形能力的刚性材料制作而成，受制于负重比低、柔性度差等先天局限,难以充分满足服务机器人、智能制造机器人等新领域的应用需求。由于本身材料和运作方式的限制，他们对特殊情况及变化环境下的适应性和变形能力较为一般，相反，专业化和精确化是更适合他们的应用方向。随着科技的不断进步和发展，机器人的应用领域也逐渐变广泛，要求也变得愈发严格，许多特殊领域例如康复治疗、复杂地形勘探^[3]都有着对机器人迫切的需要。因此，对非结构化环境下适应性能强的机器人的研究逐渐成为了当今科学界的热点方向。

为使机器人有着更高的柔性、增加更多的自由度，研究者们创造出了超冗余度机器人，使机器人拥有着一定的连续形变能力，例如仿象鼻机器人、蛇形臂机器人^[4]。虽然如此而来，超冗余度机器人对环境的适应能力有着很大的提升，但是由于依然采用了刚体作为零部件，自身尺寸不能被改变，所以对环境的适应性依然有限。