仿人靈巧手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文.doc

1、( 此文檔為 word 格式，下載后您可任意編輯修改！)仿人靈巧手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)摘要本文介紹了一種五指型仿人靈巧手的的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，根據(jù)對(duì)非規(guī)則物品拿取任務(wù)的要求，采用轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了五指型機(jī)器手。手指彎曲電機(jī)與指間平衡電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器手的多角度張開、抓握運(yùn)動(dòng)方式。詳細(xì)分析了機(jī)器手手指機(jī)構(gòu)、手掌機(jī)構(gòu)、手指間輔助平衡機(jī)構(gòu)的工作原理，給出了設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求選定了關(guān)鍵參數(shù)。通過虛擬樣機(jī)技術(shù)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的手指機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)的正確性和自適應(yīng)抓持的可行性從而為整個(gè)仿人手的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：五指型機(jī)器手工作原理機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬樣機(jī)IThe structure desig

2、ning ofand realization of a five-finger arm andthe demand of fuIfilling the task of of this armand a couple，thus realizing the multiangle opening and grabbing motion This thesis gives a detailed analysis on the mechanism of the finger system，the palm system and the aiding fingerbalancing systemA des

3、ign project is also provided，with key parameters according to the general demand Through virtual prototyping Technology designed to verify the accuracy of finger mechanism and adaptive transmission feasibility of grasping so as to lay the entire design ofa and； basic theory； mechanism目錄1.引言.11.1研究的背

4、景及其意義 .21.2國(guó)內(nèi)外研究狀況 .21.3關(guān)鍵技術(shù) .41.3.1小而強(qiáng)的驅(qū)動(dòng) .51.3.2豐富的感覺 .51.3.3聰明的大腦 .6仿人靈巧手手指機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) .72.II2.1 手指關(guān)節(jié)的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) .72.2 仿人靈巧手的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .83.手指與手掌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作 .93.1手指關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與制作 .93.2手指關(guān)節(jié)間連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) .113.3手掌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作 .113.4手指基關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作 .12仿人靈巧手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型 .134.4.1靈巧手坐標(biāo)系的建立 .134.2靈巧手正運(yùn)動(dòng)學(xué)解 .144.3仿人靈巧手動(dòng)力學(xué)模型 .165.手指的虛擬樣機(jī)建立與運(yùn)動(dòng)抓

5、持仿真 .17驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .206.6.1電機(jī)的選用 .206.2控制系統(tǒng)的選擇 .21IIIIV1.引言自從 40多年前，第一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制的機(jī)械臂出現(xiàn)之日起，人類將機(jī)器人概念延伸到了一個(gè)新的領(lǐng)域：機(jī)器人。在制造領(lǐng)域，可以看到眾多機(jī)械臂在替代人們執(zhí)行各種操作任務(wù)。如噴漆、焊接、搬運(yùn)、裝配等。然而，還有許多操作任務(wù)單靠機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)無(wú)法完成，例如在太空、水下、核輻射等環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)、維護(hù)、排險(xiǎn)等復(fù)雜任務(wù)。于是像人手一樣的機(jī)器手成為期待的目標(biāo)。然而，人類能否創(chuàng)造出如此靈巧的機(jī)器手呢？在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，研究人員一直在探索解答這一問題的技術(shù)途徑。經(jīng)過十幾年的研究，世界一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開發(fā)出多種機(jī)

6、器人靈巧手樣機(jī)。它們?nèi)找骘@示出在危險(xiǎn)和有害環(huán)境下代替人類執(zhí)行復(fù)雜操作任務(wù)的可能性。仿人形機(jī)器人所要完成的許多工作最終是要通過仿人手來實(shí)現(xiàn)的 , 如何設(shè)計(jì)仿生機(jī)器手機(jī)構(gòu)，保證各種基本運(yùn)動(dòng)方式又便于驅(qū)動(dòng)器的布置，并且機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單 成本 低， 成 為設(shè) 計(jì)與 實(shí)現(xiàn) 的 關(guān) 鍵 。 國(guó)外 如 Okada 手 BelgradeUSC 手 StanfordJPL 手 UTAHMIT 手 DLR 手等 1, 2 國(guó)內(nèi)如北航機(jī)器人研究所研制的 BH 系列靈巧手 3, 4 等這些靈巧手以多自由度和具有的靈活性而被用于復(fù)雜的靈巧的操作中。而用于仿人形機(jī)器人上的仿人手的主要設(shè)計(jì)要求為少自由度 ( 總的自由度不超過 3)

7、 抓持可靠控制簡(jiǎn)單重量輕從這些設(shè)計(jì)要求中可以看出多自由度的靈巧手則不適合用來作為要求只進(jìn)行力度抓持的少自由度的仿人手。本文構(gòu)建了一個(gè)具有抓握任意形狀的機(jī)器手，給出了該機(jī)器手關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作原理分析，把機(jī)器手的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作機(jī)構(gòu)和連桿運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)很好地結(jié)合起來，在拿取規(guī)則物體時(shí)可以正常運(yùn)動(dòng)，當(dāng)遇到非規(guī)則物品需要復(fù)雜運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器手可以多方向復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，擴(kuò)大了機(jī)器手的應(yīng)用場(chǎng)合，避免了復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)方程分析。1.1 研究的背景及其意義機(jī)器人是近年來迅速發(fā)展起來的高新技術(shù)密集的機(jī)電一體化產(chǎn)品。目前，對(duì)多指靈巧手的智能抓持，位置協(xié)調(diào)控制的研究是機(jī)器人學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。應(yīng)用仿人機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀

8、具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用仿人機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。在一些簡(jiǎn)單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以仿人機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。應(yīng)用仿人機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用仿人機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都沒有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控

9、制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。綜上所述，有效的應(yīng)用仿人機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)。1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況像人一樣，機(jī)器人需要用它的手與環(huán)境發(fā)生作用。機(jī)器人發(fā)展初期，面向的需求首先來自制造領(lǐng)域，早期工業(yè)機(jī)器人主要執(zhí)行上下料這樣的簡(jiǎn)單任務(wù)，功能單一的兩指夾持器便能滿足任務(wù)要求。隨著技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人開始向更多的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，上百種專門用途的“手”，統(tǒng)稱為末端執(zhí)行器，使機(jī)器人能夠應(yīng)對(duì)豐富多彩的任務(wù)對(duì)象，從輪胎、玻璃到布料，從大型金屬熱軋件到微小電子器件。盡管如此，末端執(zhí)行器仍然是制約機(jī)器人應(yīng)用的一個(gè)主要因素。于是，開發(fā)多用途機(jī)器手成為早期靈巧手研究的緣由和動(dòng)機(jī)。目前國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了

10、觸覺和視覺仿人機(jī)械手。第二代仿人機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺觸覺能力，甚至聽想的能力。研究安裝各種傳感器，能把感覺到的信息反饋，使仿人機(jī)械手具有感覺機(jī)能。國(guó)外也出現(xiàn)了第三代仿人機(jī)械手，它能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng) FMS 和柔性制造單元 FMC 中的重要一環(huán)對(duì)于搬運(yùn)物體類的機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾放并且能搬運(yùn)物件，這就要求具有較高的精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的原則是：充分分析作業(yè)對(duì)象和環(huán)境，明確工作的結(jié)構(gòu)形狀和材

11、料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求，盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。靈巧手與工業(yè)機(jī)器人一樣是一個(gè)典型的機(jī)電系統(tǒng)，它集成了機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)、傳感、控制和人機(jī)交互等關(guān)鍵技術(shù)，然而其復(fù)雜程度卻超過傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人。過去 20多年，研究人員針對(duì)上述關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了長(zhǎng)期不懈的探索，因而產(chǎn)生了許多靈巧手樣機(jī)，表 1-1列舉了其中一些設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)例。研究者手名稱指自由驅(qū)動(dòng)類傳感器種類（時(shí)間）數(shù)度型Rich WalkerShadow524人工肌肌肉壓力、關(guān)節(jié)位等Hand肉置、分布式觸覺力（20

12、04年）傳感器Lotti 等UBH3520電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)位置、張力、（2004年）關(guān)節(jié)位置傳感器Kawasaki等Gifu Hand516電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)位置、 6維指（2004年）尖力、分布式觸覺傳感器Butterfass等DLR-Hand413電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)位置、關(guān)節(jié)（2001年）位置、關(guān)節(jié)力矩、 6維指尖力傳感器Schulz，S.等Ultralight510人工肌關(guān)節(jié)位置、壓力傳（2000年）Hand肉感器LovchikRobonaut514電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)位置、關(guān)節(jié)（1999年）Hand位置、張力、觸覺傳感器續(xù)表1-1研究者手名稱指自由驅(qū)動(dòng)類傳感器種類（時(shí)間）數(shù)度型A.Caffaz 等DIST H

13、and416電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)位置、關(guān)節(jié)（1998年）位置、三維指尖力傳感器JacobsenUtahMIT416氣缸電動(dòng)機(jī)位置、關(guān)節(jié)（1984年）Hand位置、張力、觸覺傳感器SalisburyStanfordJPL39電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)位置、張力、（1983年）Hand指尖力、指尖觸覺傳感器表1- 1本次設(shè)計(jì)的仿人機(jī)械手是通用拾取軸類零件的機(jī)械手，是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動(dòng)作程序的自動(dòng)搬運(yùn)或操作設(shè)備，它可以用于操作環(huán)境惡劣，勞動(dòng)強(qiáng)度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場(chǎng)合。1.3 關(guān)鍵技術(shù)人手有運(yùn)動(dòng)和感知兩個(gè)主要功能。運(yùn)動(dòng)功能使其能夠操作不同形狀和大小的物體；感知功能使其能夠通過接觸獲取物體特征，探

14、測(cè)未知環(huán)境。人手的這兩個(gè)主要功能還必須通過肌肉的動(dòng)力和大腦的控制才能實(shí)現(xiàn)。因此，驅(qū)動(dòng)、傳感和控制是靈巧手的 3個(gè)主要成分，也是靈巧手開發(fā)的難點(diǎn)。1.3.1 小而強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)靈巧手需要小而輕的驅(qū)動(dòng)器，常見類型為電動(dòng)機(jī)。目前所見的靈巧手最多有 24個(gè)自由度。自由度越多，設(shè)計(jì)難度越大。難題之一是如何安置眾多驅(qū)動(dòng)器，使得靈巧手的尺寸接近人手?，F(xiàn)在的微型電動(dòng)機(jī)體積過大，無(wú)法在尺寸和力矩指標(biāo)上同時(shí)滿足要求。若將電動(dòng)機(jī)集成在手內(nèi)，同時(shí)保證尺寸足夠小，則手指端的輸出力太小，例如不超過 1030N。若要獲得更大的力，電動(dòng)機(jī)只能安裝在手外，如放于小臂內(nèi)，用柔繩傳遞運(yùn)動(dòng)和力。這正是現(xiàn)在許多靈巧手樣機(jī)采用的傳動(dòng)方式。如果

15、要取代復(fù)雜的柔繩傳動(dòng)系統(tǒng)，則需要尺寸小、力矩大的微型電動(dòng)機(jī)。人工肌肉是新近出現(xiàn)的另一種驅(qū)動(dòng)方式，不過尺寸龐大仍然是一個(gè)未解決的問題。1.3.2 豐富的感覺用于靈巧手的傳感器主要有位置和觸覺傳感器。測(cè)量關(guān)節(jié)位置是實(shí)現(xiàn)手指運(yùn)動(dòng)控制所必需的基本要求。常見做法是用碼盤測(cè)量電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)角，經(jīng)減速比縮小后，關(guān)節(jié)角的計(jì)算值可以有較高的分辨率，但傳動(dòng)間隙和變形會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。理想的方式是直接測(cè)量關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，在現(xiàn)有設(shè)計(jì)中，可以看到將霍爾元件、電位計(jì)和關(guān)學(xué)傳感器用于關(guān)節(jié)角位置測(cè)量的實(shí)例。在環(huán)境對(duì)象不確定的應(yīng)用場(chǎng)合，沒有接觸信息反饋，很難想象靈巧手能完成任何任務(wù)。從人的經(jīng)驗(yàn)可以直接觀察到觸覺與手

16、的靈巧性關(guān)系密切。你如果有過手指凍僵的經(jīng)歷，就會(huì)體驗(yàn)到?jīng)]有足夠的觸覺信息，人手會(huì)變得笨拙。觸覺傳感器分為兩類：力傳感器和接觸傳感器。力的測(cè)量方式有多種，測(cè)鋼絲繩張力和手指關(guān)節(jié)力矩，可以分別采用 1維力和力矩傳感器。也有復(fù)雜一點(diǎn)的 3維力傳感器測(cè)指端接觸力大小和方向。再?gòu)?fù)雜一些，可以用 6維力力矩傳感器測(cè)量接觸力的位置、大小和方向。力傳感器響應(yīng)快、性能比較穩(wěn)定，但只能測(cè)量合力，無(wú)法識(shí)別接觸點(diǎn)的數(shù)量和分布。后者靠接觸傳感器測(cè)量。這類傳感器通常由多個(gè)觸點(diǎn)組成陣列，用來測(cè)量接觸區(qū)域和觸點(diǎn)的壓力，從而可以獲得接觸點(diǎn)的位置、接觸區(qū)域的形狀和力信息。由此，還可以進(jìn)一步獲得摩擦信息，以便判斷是否發(fā)生滑動(dòng)。盡管

17、靈巧手樣機(jī)的開發(fā)采用了多種觸覺傳感器，但究竟使用哪種觸覺傳感器或幾種結(jié)合更好，還沒有明確答案。另外，接觸傳感器在分辨率、信號(hào)處理、走線，以及制作和價(jià)格等方面離應(yīng)用還有距離。其他類型傳感器，如接近覺、視覺、加速度、振動(dòng)等，通常是針對(duì)特殊任務(wù)需要而增加的。傳感技術(shù)離我期望的應(yīng)用目標(biāo)還有很大的距離，特別是觸覺傳感器，已經(jīng)吸引了大量研究投入。盡管如此，在提高可靠性、分辨率、靈敏度等方面仍然面臨重重困難。靈巧手在運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)上越來越接近人手，但由于觸覺傳感功能滯后，限制了機(jī)械功能的發(fā)揮。1.3.3 聰明的大腦即便有了像人手一樣的運(yùn)動(dòng)和傳感功能，如果沒有控制系統(tǒng)，這些潛能就不能發(fā)揮，就像人若“手巧”必需“心

18、靈”一樣。目前用于靈巧手的控制策略分為兩類：主從控制和自主控制。主從控制的特征是人直接參與控制過程，在控制系統(tǒng)中扮演判斷、決策與規(guī)劃的角色。而在自主控制中，人不直接參與控制過程，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃所需要的判斷和決策過程已通過算法形式植入機(jī)器人控制器，即機(jī)器人有自己的大腦。主從控制系統(tǒng)通常由操作者、人機(jī)交互設(shè)備、靈巧手及其控制器組成。操作者的主要任務(wù)是進(jìn)行任務(wù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，根據(jù)視覺、力覺等信息反饋，做出判斷和行動(dòng)。人機(jī)交互設(shè)備采集操作者手的動(dòng)作，將其轉(zhuǎn)化為靈巧手的運(yùn)動(dòng)或力控制指令?？刂破鞲鶕?jù)人機(jī)交互設(shè)備輸出的指令，對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行位置或力伺服控制。當(dāng)靈巧手的結(jié)構(gòu)接近人手時(shí)，運(yùn)動(dòng)映射變得直觀而簡(jiǎn)便。因此，主從控制

19、比較適合于仿人手。自主控制系統(tǒng)的難題是如何使機(jī)器人有一個(gè)聰明的大腦。機(jī)器人要能夠知道物體在何處、物體的形狀如何，并能夠自主規(guī)劃如何完成抓取和操作任務(wù)。一方面根據(jù)理論設(shè)計(jì)的規(guī)劃算法還不能滿足控制的實(shí)時(shí)需要，另一方面這些理論的假設(shè)條件依賴于觸覺和視覺信息。受觸覺傳感器性能的限制，目前還無(wú)法獲得足夠準(zhǔn)確和完整的觸覺信息。因此，除個(gè)別極為簡(jiǎn)單的例子外，只能利用仿真方法驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法，還無(wú)法在物理系統(tǒng)上加以證實(shí)。另一種過渡策略是將主持控制與自主控制兩者結(jié)合。由人承擔(dān)抽象的難以量化的任務(wù)定義工作，由靈巧手自主完成細(xì)微操作任務(wù)。讓機(jī)器人的控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)人的知識(shí)，并將其轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)控制指令。在這里，人工智能的一

20、些理論和方法，如模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等可以用來識(shí)別人手的抓持類型，并建立人手與靈巧手之間的抓持映射關(guān)系。2.仿人靈巧手手指機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)2.1 手指關(guān)節(jié)的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)手指機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)主要考慮的因素是在滿足運(yùn)動(dòng)要求的前提下傳動(dòng)要平穩(wěn)可靠結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單維護(hù)要方便由此在手指機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。我首先嘗試采用齒形帶傳動(dòng)，但由于齒形帶結(jié)構(gòu)的要求 ( 帶寬和最小帶輪半徑的限制 ) 與手指尺寸 ( 即手指的大小 ) 的矛盾無(wú)法解決，因此齒形帶也不能用在本手指機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中。接著又考慮采用齒輪傳動(dòng)，通過調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，由于齒輪的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，用于關(guān)節(jié)間的傳動(dòng)比較麻煩，使手指重量增加，成本提高。經(jīng)過全面的比較論證，最終的

21、手指機(jī)構(gòu)采用鋼絲繩來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。圖2- 1為仿人靈巧手三維模型圖，它是 3自由度 5手指仿人手。整個(gè)系統(tǒng)采用鋼絲繩傳動(dòng)，各手指的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)基本相同，所以就以中指為例說明機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方案。圖2-1圖 2- 2所示為中指三維模型，手指結(jié)構(gòu)主要有兩部分組成：硬固機(jī)構(gòu)部分、手指軟連機(jī)構(gòu)部分。硬固機(jī)構(gòu)由首指節(jié)、中指節(jié)、末指節(jié)組成，依次首尾軸向連接，串聯(lián)在一起；手指軟連機(jī)構(gòu)由兩鋼絲繩一端分別從正反兩面拴在末指節(jié)固定端，依次穿過中指節(jié)、末指節(jié)的穿孔處到達(dá)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪上。當(dāng)手指需要伸開時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)外轉(zhuǎn)，外部鋼絲繩主動(dòng)拉緊，內(nèi)部鋼絲繩從動(dòng)放松，末指節(jié)只受手背牽引力時(shí)，手指垂直方向運(yùn)動(dòng)伸直，此時(shí)，內(nèi)鋼絲伸展段最

22、長(zhǎng)，外鋼絲伸展段最短。當(dāng)手指需要彎曲時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)，外部鋼絲繩從動(dòng)放松，內(nèi)部鋼絲繩主動(dòng)拉緊，末指節(jié)只受手心牽引力時(shí)，手指垂直方向運(yùn)動(dòng)彎曲，此時(shí)，內(nèi)鋼絲伸展段最短，外鋼絲伸展段最長(zhǎng)。說明一點(diǎn)，各指節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)與鋼絲繩固線點(diǎn)位置是決定機(jī)器手運(yùn)動(dòng)速度和抓握力大小的關(guān)鍵。圖 2-22.2 仿人靈巧手的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)若要機(jī)器手具有抓握和放置兩種運(yùn)動(dòng)方式，則機(jī)器手要有手掌和手指機(jī)構(gòu)，此外還要有機(jī)器手手指之間的平衡機(jī)構(gòu)。為了使機(jī)器手能夠按照指定的方向和角度運(yùn)動(dòng)，機(jī)器手還必須有運(yùn)動(dòng)方向和角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，自我保護(hù)機(jī)構(gòu)也是不可少的。此外，需要由電機(jī)傳動(dòng)、機(jī)器手臂輔助聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)。一般情況下機(jī)器手為自由半張狀態(tài)，由直流電

23、機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)器手的手指采用連桿、電機(jī)、連接軸、萬(wàn)向節(jié)等組成，動(dòng)力源是電機(jī)，機(jī)器手對(duì)被持物體的形狀、大小、重量的規(guī)劃由規(guī)劃、視覺、觸覺和控制系統(tǒng)給出，本文主要研究機(jī)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)及原理。3.手指與手掌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作目前靈巧手手指的設(shè)計(jì)有兩種主流設(shè)計(jì)思想，即內(nèi)骨骼設(shè)計(jì)和外骨骼設(shè)計(jì)。外骨骼設(shè)計(jì)的手指外部只能安裝很薄的用于增加摩擦力的橡膠皮，用于柔性接觸的厚襯墊只能裝于手掌上，而且難于安裝觸覺傳感器；內(nèi)骨骼設(shè)計(jì)有利于安裝觸覺或力傳感器以及柔性襯墊。本文采用外骨骼設(shè)計(jì)。3.1 手指關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與制作仿人靈巧手是模仿人類手的運(yùn)動(dòng)，因此各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍也應(yīng)該和人類基本相同，經(jīng)過對(duì)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析，并參考已有的一些

24、機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍確定機(jī)器手各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍如表3-1所示。1045（弧轉(zhuǎn)度）209030904090表 3- 1手指連桿坐標(biāo)因此，在制作過程中，應(yīng)盡量考慮到各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，避免運(yùn)動(dòng)過程中手指各關(guān)節(jié)的干涉。各關(guān)節(jié)中的孔定位一定要精確，否則會(huì)出現(xiàn)卡死或者脫離原軌跡的現(xiàn)象，使得手指在運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)不必要的麻煩。在關(guān)節(jié)的制作過程中，選材是很重要的。材料的硬度和剛度都是選材的標(biāo)準(zhǔn)，如果用鋁片制作手指模型的話，會(huì)因?yàn)橛捕炔粔?，很容易就裂了。用薄鐵片制作后變形又會(huì)比較厲害。最終我選擇了硬度和剛度都比較合適的鋁合金。圖 3-1、 3-2、 3-3、所示為我設(shè)計(jì)的手指各關(guān)節(jié)三維模型 ,分別為遠(yuǎn)指節(jié)，中指節(jié)

25、和近指節(jié)。圖3- 1圖3- 2圖3- 33.2 手指關(guān)節(jié)間連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)手指關(guān)節(jié)的連接是整個(gè)手指能協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵，為此，我采用各種試驗(yàn)方法，最終我采用了圓形鋼管連接，并在鋼管上安裝一個(gè)小滑輪，使得手指各關(guān)節(jié)的連接更加緊湊。加一個(gè)小滑輪還有一個(gè)好處，就是能讓鋼絲繩拉得更加方便協(xié)調(diào)。制作模型如圖 3-4圖3- 43.3 手掌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作手掌的作用就是用來連接五個(gè)手指，使其有一定的位置布局。另外，幾乎整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與控制電板都要安裝在手掌中。為了使五個(gè)手指的布局更接近于人手，我仿照真人的手掌形狀設(shè)計(jì)了一個(gè)機(jī)械手掌，這個(gè)手掌比真人手掌的表面積要大些，為的是更適合手指的安裝與連接和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及控制電板

26、的合理布局。最終我設(shè)計(jì)了如圖3-5所示的手掌模型。圖3- 5在制作手掌的過程中，我遇到了一系列的問題。首先就是選材問題，手掌的功能就是裝載，所以需要有一定的容積，考慮到控制面板的大小還有舵機(jī)以及電源的放置，手掌的材料要有一定的硬度，并且很容易成型，最終我選擇了有一定厚度的鋁塑板。其次，手掌的外部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，它的一端要用來連接手指，另一端還要有一定的表面積來支撐整個(gè)手在平面上的穩(wěn)定佇立。最后我采用了比較簡(jiǎn)單的矩形模塊，使得以上問題有所改善。3.4 手指基關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作一般情況下的手指基關(guān)節(jié)都是比較復(fù)雜的，它需要兩個(gè)微直線驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器具有直線位置傳感器(直線電位計(jì) )、電機(jī)位置傳

27、感器 (霍爾傳感器 )和光電極限位置傳感器。這樣做出的手指和人的手指更加相似，運(yùn)動(dòng)機(jī)能也更加智能化。但是由于成本考慮以及課題設(shè)計(jì)的要求，我采用很普通的關(guān)節(jié)連接件作為手指的基關(guān)節(jié)，這樣即能達(dá)到課題設(shè)計(jì)的要求，又減輕了成本。運(yùn)動(dòng)過程簡(jiǎn)述為：機(jī)器手抓握時(shí)5手指處于張開狀態(tài)， 5個(gè)手指靠 5個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)抓握。當(dāng)決策與控制系統(tǒng)判斷出有抓緊需要時(shí)，發(fā)出指令讓機(jī)器手實(shí)現(xiàn)抓握動(dòng)作。抓握動(dòng)作時(shí)動(dòng)作參數(shù)設(shè)置有：抓握準(zhǔn)備、抓握、保持、放開、恢復(fù)原來放松狀態(tài)。它是利用電能轉(zhuǎn)化為兩根相互牽制拉扯手指的鋼絲繩的伸縮機(jī)械能使手指在一個(gè)平面內(nèi)運(yùn)行；利用電能驅(qū)動(dòng)連桿轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使得手指可以相互運(yùn)動(dòng)，與前者結(jié)合實(shí)現(xiàn)各手指間的

28、三維運(yùn)動(dòng)。機(jī)器手由5個(gè)可彎曲的手指機(jī)構(gòu)和一個(gè)手掌機(jī)構(gòu)連接而成。每個(gè)手指均為一個(gè)自由度，分別由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；拇指與食指、食指與中指、中指與無(wú)名指、無(wú)名指與小指之間有耦合機(jī)構(gòu)，分別由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。拇指為兩截運(yùn)動(dòng)串級(jí)耦合組成，其余四指為三節(jié)串級(jí)耦合組成。四個(gè)手指區(qū)別在于類人手長(zhǎng)短不同，可以對(duì)非規(guī)則物體實(shí)現(xiàn)握、拿、捏、夾等動(dòng)作。電源可以外接。4.仿人靈巧手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型4.1 靈巧手坐標(biāo)系的建立采用 DH 方法 2 建立靈巧手的坐標(biāo)系其基本原則為，為每一個(gè)關(guān)節(jié)指定一個(gè)本地的參考坐標(biāo)系， z軸為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)方向， z軸方向指向 z。一。與z。之間的公垂線， 對(duì)于與 z軸相交的相鄰兩關(guān)節(jié)， z軸定義為兩條軸

29、線構(gòu)成的平面的垂線據(jù)此建立仿人靈巧手的坐標(biāo)系如圖4- 1所示圖 4- 1 靈巧手坐標(biāo)系圖中只標(biāo)注了拇指、食指以及小指的坐標(biāo)系，中指及無(wú)名指的坐標(biāo)系與食指完全相同 參考坐標(biāo)系為手掌坐標(biāo)系 手掌坐標(biāo)系建立在手腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處除小指外每個(gè)手指具有 4個(gè)關(guān)節(jié)，從指根到指尖依次標(biāo)注為關(guān)節(jié)1至關(guān)節(jié) 4，小指具有 5個(gè)關(guān)節(jié)，同其他手指一樣依次標(biāo)注為關(guān)節(jié)1至關(guān)節(jié) 54.2 靈巧手正運(yùn)動(dòng)學(xué)解以食指為例建立的 D- H參數(shù)表如表 4- 1關(guān)節(jié)數(shù)( )( )101190205003030040250表4-1食指 D- H參數(shù)表每個(gè)關(guān)節(jié)的變換矩陣Ai定義為 ( 其中下標(biāo) i代表關(guān)節(jié)數(shù)， c代表 COS， S代表sin)

30、Ai=rot( z，i ) Trans( 0，0，di) Trans( ai， 0， 0) rot( x， i) =cs00is i c is i s ii c iic i c ic i s ii s is ic idi001食指的正運(yùn)動(dòng)學(xué)解是相鄰關(guān)節(jié)之間的6個(gè)變化矩陣的乘積nxoxaxpx0T4 A1 A2 A3 A4nyoya ypynzozazpz0001式中：nx(c 1c 2c 3c 1s 2 s 3 )c 4( c 1c 2 s 3c 1s 2c 3 )s 4 ;ox(c 1c 2c 3c 1s 2s 3 )s 4( c 1c 2 s 3c 1 s 2 c 3 )c 4 ;pxa3

31、c 1c2c 3a3c 1s 2 s 3a2c 1c 2a1c 1 ;ny(s 1c 2c 3s 1s 2 s 3 )c 4( s 1c 2c 3s 1s 2c 3 )s 4 ;oy( s 1c 2 3s 1s 2 s 3 )s 4( s 1c 2 s 3s 1s 2 c 3 )c 4 ;pya3s 1c2c 3a3s 1s 2 s 3a2 s 1c 2a1s 1 ;bz( s 2 c 3c 2s 3 )c 4( s 2 s 3c 2c 3 ) s 4 ;oz( s 2c3c 2 s 3)s 4( s 2s 3c 2c 3 )c 4 ;pza3 s 2c3a3c 2s 3a2s 2 ;矢量 n

32、， o， a， p表示食指末端的位姿類似地求得其它 4指的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并將其表達(dá)在手掌坐標(biāo)系中有nxfoxfaxfpxfpalmT4fA0f A1f . Anfnyfoyfayfpyfnzfozfazfpzf0001式中： f=0， 1，?，4，分別表示靈巧手的 4個(gè)手指，為手指及關(guān)節(jié)對(duì)于手掌坐標(biāo)系的變換分別將各手指的D H參數(shù)代人求得各手指的變換矩陣，由上式即可求得手指任何關(guān)節(jié)的空間位姿將表 1中靈巧手指的數(shù)據(jù)在Matlab 下仿真，得到食指末端的運(yùn)動(dòng)空間如圖4- 2所示圖 4- 2 食指末端工作空間4.3 仿人靈巧手動(dòng)力學(xué)模型Newton- Euler方程采用多個(gè)方程組成的聯(lián)立方程式組來

33、刻畫由多個(gè)剛體組成的機(jī)器人系統(tǒng)。 NewtonEuler 方法建立方程比較容易，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)，與 Lagrange方法導(dǎo)出的模型相比，計(jì)算量要少得多 3 。Newton Euler方程導(dǎo)出的方程可以寫為如下的遞推形式 4 。Fimi aciiRif iFi1fi 1 NI ciiI cii*ni NiRi 1ni 1pif rciFi式中：， i=0, 1,.,n. 為系 i角速度；為系 i角加速度； ai原點(diǎn) Oi加速度； aci為桿 i質(zhì)心加速度。Newton- Euler逆動(dòng)力學(xué)遞推算法的框圖如圖4- 3。圖 4- 3 Newton- Euler 遞推算法框圖5.手指的虛擬樣機(jī)建立與

34、運(yùn)動(dòng)抓持仿真下面應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)來驗(yàn)證所得到的手指各指節(jié)的運(yùn)動(dòng)耦合關(guān)系和確定手指在抓持物體時(shí)的自適應(yīng)能力。首先應(yīng)用三維實(shí)體造型軟件solidworks 對(duì)所設(shè)計(jì)的手指進(jìn)行實(shí)體造型(如圖2-2所示 )，然后導(dǎo)入到機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS 中，再按各構(gòu)件之間的約束關(guān)系定義運(yùn)動(dòng)副等，即得到了手指的虛擬樣機(jī)模型，如圖5-1a 所示。給定電機(jī)的運(yùn)動(dòng)后即可對(duì)手指的虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真分析，并檢測(cè)手指各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角Iq II q 和III q 值，其結(jié)果分別如圖 5-1b 、 c 和d 所示。從仿真結(jié)果可以看出，所設(shè)計(jì)的手指機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中三個(gè)關(guān)節(jié)的耦合關(guān)系同理論推導(dǎo)出的關(guān)系式(8)是完全吻合的，說明了設(shè)

35、計(jì)的正確性和合理性。abCd圖 5- 1 手指各指節(jié)的運(yùn)動(dòng)耦合關(guān)系分析結(jié)果進(jìn)一步應(yīng)用所建立的手指虛擬樣機(jī)來分析手指在抓持物體時(shí)自適應(yīng)的能力。 假設(shè)用該手指去抓持一個(gè)固定不動(dòng)的圓柱體。手指相對(duì)被抓持物體的初始位置如圖 5- 2a 所示。手指開始運(yùn)動(dòng)，當(dāng)下指節(jié)碰觸到物體后停止運(yùn)動(dòng)， 如圖 5- 2b所示。由于“解耦裝置”的作用，電機(jī)可以繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)中、上指節(jié)也繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)中指節(jié)碰觸到物體后也停止運(yùn)動(dòng)，如圖5- 2c 所示。同理，由于“解耦裝置”的作用，上指節(jié)仍然可以繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，直到上指節(jié)也接觸到物體為止，整個(gè)手指的運(yùn)動(dòng)才停止，這時(shí)手指與物體的位置關(guān)系如圖5- 2d 所示。從這一抓持物體的仿真過程可

36、以看出，所設(shè)的手指具有很好的自適應(yīng)抓持物體的能力，從而保證了對(duì)不同幾何特征物體的有效抓持。abcd圖 5- 2 手指各指節(jié)的運(yùn)動(dòng)耦合關(guān)系分析結(jié)果6.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)6.1 電機(jī)的選用仿人靈巧手的驅(qū)動(dòng)不但要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比、寬調(diào)速范圍、高可靠性，而且電機(jī)的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性受電源功率的影響，這就要求驅(qū)動(dòng)要具有盡可能寬的高效率區(qū)舊 J?？v觀機(jī)器人大賽、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、科研機(jī)構(gòu)等制作使用的電機(jī)無(wú)非是步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、直流伺服電機(jī) 3種 ?。步進(jìn)電機(jī)接收的是矩形波信號(hào)，所以它傳遞的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩都非常精準(zhǔn)，其缺點(diǎn)是功率不能做大；直流電機(jī)具有響應(yīng)快速，較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從 0轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩

37、的性能，但直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)也正是它的缺點(diǎn)，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)要產(chǎn)生額定負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)須恒維持 900，這就使碳刷及整流子在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，碳粉除了會(huì)造成組件損壞之外，使用場(chǎng)合也受到限制；伺服電機(jī)的功率可大可小，它接收波形電信號(hào)，轉(zhuǎn)動(dòng)誤差大，一般要加校正回路彌補(bǔ)其誤差。綜上所述，步進(jìn)電機(jī)不容易實(shí)現(xiàn)控制，直流電機(jī)的慣性大，而舵機(jī)可以克服以上缺點(diǎn)，因此文中選用舵機(jī)。舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些角度需要不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)口 J。舵機(jī)是一個(gè)典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)。跟其他電機(jī)一樣，它的選型也要考慮到力矩、工作電壓等，綜上所述，市場(chǎng)的舵機(jī)大都能滿足以上要求，結(jié)合舵機(jī)的

38、價(jià)格和質(zhì)量，最終設(shè)計(jì)選用了Futaba$3003，如圖 13所示6.2 控制系統(tǒng)的選擇在選擇好動(dòng)力系統(tǒng)的同時(shí)，所要考慮的是如何產(chǎn)生控制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)，本文選擇單片機(jī) AT89S52 作為控制單元，單片機(jī)可以使PWM （脈沖調(diào)制）信號(hào)的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的變化，從而提高舵機(jī)的轉(zhuǎn)角精度。單片機(jī)完成控制算法，再將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)輸出到舵機(jī)，由于單片機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號(hào)的變化完全依靠硬件計(jì)數(shù)，所以受外界干擾較小，整個(gè)系統(tǒng)工作可靠。結(jié)語(yǔ)為期幾個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)即將結(jié)束了，在這幾個(gè)月里我在同學(xué)和老師的幫助下完成了仿人柔性機(jī)械手的設(shè)計(jì)任務(wù)。畢業(yè)設(shè)計(jì)作為綜合性的設(shè)計(jì)，它不同于以前教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)、課程設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)。以前的所做的一些設(shè)計(jì)主要是根據(jù)相關(guān)的課本及老師所給資料去完成的，有一定的參照性，所以相對(duì)而言比較簡(jiǎn)單，不能完全達(dá)到鍛煉自己動(dòng)手能力的目的。而畢業(yè)設(shè)計(jì)則是對(duì)我大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)的一個(gè)綜合的訓(xùn)練及考核，是對(duì)所學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力和大學(xué)所學(xué)理論知識(shí)對(duì)實(shí)踐技能相結(jié)合的全面的檢驗(yàn)。并對(duì)我如何根據(jù)要做的課題對(duì)現(xiàn)有的資料進(jìn)行理解和運(yùn)用的能力的考核。真正做到了理論聯(lián)系實(shí)際，把以前所學(xué)的知識(shí)綜合貫通進(jìn)行實(shí)踐，并在實(shí)踐中不斷學(xué)習(xí)和自我完善。從剛確定畢業(yè)設(shè)計(jì)課題以來，我首先是查找一些相關(guān)的書籍及資料，然