功能仿生型履带手爪的设计与研究

功能仿生型履带手爪的设计与研究

洪嘉琪 王东成 徐明宏 裘瑶洁 章洁

天津职业技术师范大学 天津市 300222

作者简介：

洪嘉琪（2004.04-），女，汉族，浙江省杭州市，本科，研究方向:自动化(电气技术教育方向)

王东成（2000.10-），男，汉族，天津，本科，研究方向：自动化

徐明宏（2001.02-），男，汉族，山东省青岛市，本科，研究方向：自动化

裘瑶洁（2004.07-），女，汉族，浙江省杭州市，本科，研究方向:自动化(电气技术教育方向)

章洁（2004.05-），女，汉族，浙江省杭州市，本科，研究方向:计算机与科学

基金项目：天津市级大学生创新创业训练计划项目资助“多功能仿生型履带手爪”（项目编号202310066051）

【摘要】本文旨在设计并研究一种新型的功能仿生型履带手爪，该手爪模拟生物体运动和抓握功能，能够在复杂环境中实现多维度灵活操作。通过跨学科的研究方法结合机械工程、材料科学、控制理论及仿生学原理，本研究提出了一种创新的机器人末端执行器解决方案。文中首先介绍了履带手爪的设计灵感来源及其工作原理，随后详细阐述了其结构设计、运动控制策略以及实验测试结果，最后展望了该技术在工业自动化、灾害救援等领域的应用前景。

【关键词】仿生学；履带手爪；设计与研究

一、 引言

随着机器人技术的快速发展，仿生手爪作为实现多维度灵活操作的关键部件，其设计与研究具有重要意义。本研究基于仿生学原理，提出了一种功能仿生型履带手爪的设计方案，旨在模拟生物体的运动和抓握功能，解决传统手爪结构复杂、灵活性差等问题。通过跨学科的研究方法，结合机械工程、材料科学、控制理论等技术，我们成功研制出了该手爪的样机，并在实验中验证了其良好的性能表现。展望未来，这种功能仿生型履带手爪有望在工业自动化、灾害救援等领域发挥重要作用，推动机器人技术的进一步发展和应用。

二、 仿生原理与设计灵感

1.自然界中相关生物机能介绍

自然界中，生物体经过亿万年的进化，形成了各具特色的形态与功能，以适应复杂多变的环境。例如，某些昆虫利用其独特的腿部结构，在崎岖不平的地面上实现稳定而灵活的移动；某些植物通过精巧的卷须结构，紧紧缠绕在物体上，展现出强大的抓握能力。这些生物机能不仅具有高度的适应性和灵活性，而且往往还具备结构简单、效率高等优点，为机器人技术的发展提供了宝贵的灵感来源。

2.仿生学在机械设计中的应用

仿生学作为一门跨学科的学问，致力于将生物体的优异特性应用于工程技术的设计与创新中。在机械设计领域，仿生学的应用已经取得了显著成果。例如，研究人员通过观察鸟类的飞行机制，设计出了具有优异飞行性能的无人机；通过研究鱼类的游动方式，开发出了高效节能的水下机器人。这些应用案例表明，仿生学原理的引入，能够显著提升机械装置的性能和适应性，拓展其应用范围。

3.功能仿生型履带手爪的设计灵感来源

功能仿生型履带手爪的设计灵感主要来源于自然界中某些生物的运动和抓握机制。具体而言，我们借鉴了某些昆虫的腿部结构以及某些植物的卷须结构，通过将这些生物机能的优点进行融合与创新，设计出了一种具有履带式移动和灵活抓握功能的手爪。这种手爪不仅能够在复杂地形中稳定移动，而且能够模拟生物体的抓握动作，实现多维度灵活操作。通过引入仿生学原理，我们成功地将生物体的优异特性应用于机器人末端执行器的设计中，为提升机器人的操作性能和应用范围开辟了新的途径。

三、 功能仿生型履带手爪的结构设计

1.整体设计理念

在功能仿生型履带手爪的结构设计中，我们秉持着简洁、高效、可靠的整体设计理念。首先，我们注重结构的紧凑性和模块化设计，以便于手爪的制造、装配和维护。同时，我们致力于优化手爪的运动学性能，通过合理布置传动系统和运动副，实现手爪的快速响应和精确控制。此外，我们还考虑了手爪的通用性和可扩展性，通过设计标准化的接口和模块，使得手爪能够方便地与其他机器人系统进行集成和升级。

2.关键部件设计

关键部件的设计是手爪性能的关键所在。我们针对履带式移动机构进行了深入研究，设计出一种具有优良越障能力和稳定性的履带结构。同时，我们优化了手爪的抓握机构，通过采用多关节设计和柔性材料，使得手爪能够模拟生物体的抓握动作，实现对不同形状和重量的物体的稳定抓取。此外，我们还设计了精确的传感系统和控制系统，以实现对手爪运动状态的实时监测和精确控制。

3.材料选择与性能考量

在材料选择方面，我们充分考虑了材料的强度、耐磨性、轻量化以及成本等因素。对于履带和关键传动部件，我们选用了高强度且耐磨的材料，以确保手爪在恶劣环境下的稳定性和耐久性。对于抓握机构，我们选用了具有优良柔韧性和耐磨性的材料，以提高手爪的抓握能力和适应性。同时，我们还注重材料的轻量化设计，以减轻手爪的整体重量，提高机器人的运动性能和能效。在性能考量方面，我们通过仿真分析和实验验证，对手爪的运动学性能、抓握力、稳定性等进行了全面评估和优化，以确保手爪在实际应用中能够发挥出最佳性能。

四、 控制系统与运动策略

1.控制系统框架

功能仿生型履带手爪的控制系统框架设计是确保其高效、稳定运行的关键。我们采用了模块化的设计思路，将控制系统划分为运动控制模块、传感反馈模块和通信模块等。运动控制模块负责接收指令并驱动手爪执行相应的动作；传感反馈模块则实时采集手爪的运动状态和环境信息，为控制系统提供必要的反馈；通信模块则负责实现控制系统与其他设备或系统之间的信息交互。这种框架设计不仅使得控制系统结构清晰、易于维护，还提高了系统的灵活性和可扩展性。

2.运动控制算法

针对功能仿生型履带手爪的运动特点，我们开发了一套高效的运动控制算法。该算法根据手爪的运动学模型和动力学特性，通过优化算法求解出最优的运动轨迹和控制参数。在实际应用中，控制系统根据传感反馈的信息实时调整运动控制参数，以实现手爪的精确控制和稳定运动。此外，我们还引入了自适应控制算法，以应对不同操作环境和任务需求下的变化，提高手爪的适应性和鲁棒性。

3.传感反馈与闭环控制

为了实现对手爪运动状态的实时监测和精确控制，我们设计了一套完善的传感反馈与闭环控制系统。通过在手爪上安装多种传感器，如位置传感器、力传感器和视觉传感器等，我们能够实时获取手爪的运动位置、抓握力以及周围环境信息等。这些信息经过处理后，通过闭环控制系统对运动控制算法进行实时调整，以确保手爪能够按照预定的轨迹和精度完成任务。同时，传感反馈与闭环控制还有助于提高手爪的安全性和稳定性，避免在操作过程中发生意外情况。

五、结束语

本研究通过深入探索仿生学原理，成功设计并实现了功能仿生型履带手爪，其结构紧凑、控制精准，在实验中展现出了出色的性能。展望未来，随着技术的不断进步和应用领域的扩展，我们期待这一创新设计能在工业自动化、灾害救援等领域发挥重要作用，为机器人技术的发展和应用贡献新的力量。

参考文献：

[1] 李涛. 基于欠驱动机构的仿人机器人手爪研究[D]. 安徽:中国科学技术大学,2009.

[2] 陈玉瑜,顾志刚. 多关节指形机械手爪的设计[J]. 机电工程技术,2019,48(10):30-31.