曾参加“BH-3、BH-4型机器人灵巧手的分析跟设计”、“机
四自由度采摘灵巧臂的结构设计及运动学分析
四自由度采摘灵巧臂的结构设计及运动学分析陈孟元【摘要】根据四自由度机械手臂应用于蔬果采摘的要求,提出一种坐标系优化法.先列出基于此坐标系的四自由度机械手臂运动学方程,并求得其正、逆解,然后求得末端执行器的位置、方向角度与机械手臂主动关节的关系;再利用动力学仿真软件ADAMS/VIEW对机械手臂的虚拟样机进行建模;最后,将运动学分析结果导入在MATLAB/Simulink搭建好的机器人力控制系统模型,进行联合仿真,得出运动轨迹、各个方向转角误差等仿真曲线.通过仿真验证了理论推导的正确性和方案的可行性,进一步证明本方案具有很好的运动特性.%A method for optimizing coordinate system was put forward to four-degree-of-freedom arm,a kind of mechanical arm used for vegetable and fruit picking.Kinematical equations of four-degree-of-freedom mechanical arm based on this coordinate system were established to solve the direct and inverse problems.Then the relationship between the space position and the direction angle from the active joint and the end effect is derived to build a model about the mechanical arm with dynamic simulation software ADAMS/VIEW.Finally,the kinematic analysis results were imported into the model of robot force control system built in MATLAB/ Simulink and the curves of the trajectory and the direction error were thus obtained.Consequently,the correctnessof the theoretical deduction and the feasibility of solution were validated,and this solution was further proved to possess good kinetic characteristics through simulation.【期刊名称】《陕西理工学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(033)001【总页数】6页(P21-26)【关键词】四自由度机械臂;正运动学;逆运动学;仿真【作者】陈孟元【作者单位】安徽工程大学安徽省电气传动与控制重点实验室,安徽芜湖241000;中国科学技术大学精密机械与精密仪器系,安徽合肥230027【正文语种】中文【中图分类】TH123+.1;TP391.41仿人机器人是一种集仿生、传感、驱动、智能、交互等技术于一体的综合平台[1-2]，由视觉采集、灵巧臂及控制策略等组成，其中灵巧臂作为机器人的核心功能模块对仿人机器人的作业水平具有重要的影响。
综述报告格式模板
浙江理工大学本科毕业设计（论文）文献综述报告随着机器人应用领域日益扩大,自动化水平不断提高,特别是在水下、高空及危险的作业环境中, 迫切希望能给机器人末端赋予一个类似人手的通用夹持器,以便在危险、复杂及非结构化的环境中,适应抓取任意形状的物体，完成各种复杂细微操作任务的要求,机器人多指灵巧手正是为了适应这一需要而提出的[1] 。
2 国外多指手发展历史及研究成果目前，国内和国外都有一些非常有代表性的多指灵巧手被制造出来。
国外多指手的研究始于20 世纪70 年代,其中具有代表性的早期灵巧手有: 日本“电子技术实验室”的okada灵巧手[2]。
如图1 所示，该手有3个手指, 一个手掌, 拇指有3个自由度, 另两个手指各有4个自由度。
各自由度都由电机驱动,并由钢丝和滑轮完成运动和动力的传递。
这种手的灵巧性比较好, 但由于拇指只有3个自由度, 还不是最灵巧的手。
另外, 在结构上, 各个手指细长而单薄, 难以实现较大的抓取力和操作力[3]。
图1 okada 灵巧手美国斯坦福大学研制的stanford/jpl手，也是一种非常具有代表性的多指灵巧手。
如图2 所示，这种手没有手掌，共有3个手指，每根手指有3个关节，拇指相对另两个手指而立。
手指内采用的也是腱、滑轮传动方法。
这种手的自由度较少，易于设计、制造和控制，所以，目前对这种手的研究比较多，也出现了许多与其相类似的手。
国内北航研制的多指灵巧手就是一种仿jpl手[5,6]，也有3个手指，每指3个关节，外表结构也极其相似。
国防科大研制的多[4] 指手的模型[7]，也是一种仿jpl的手。
这种手由于每个手指的自由度只有3个，在抓取物体时，抓取点（指尖位置）一旦确定后，其抓取姿态就唯一确定。
因此，实际上手指没有冗余关节，也就没有抓取的柔性，无法像人手一样进行灵巧的抓取和操作[5]。
图2 stanford/jpl 灵巧手图3 utah/mit 灵巧手1982年美国麻省理工学院和犹他大学联合研制了 utah/mit灵巧手[8,9] 。
仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析
仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析一、机械臂的设计仿人机器人四自由度机械臂的设计需要考虑多个方面的因素，包括结构设计、运动学设计、控制系统设计等。
1. 结构设计机械臂的结构设计是其设计的基础，需要考虑到机械臂的负载能力、稳定性和灵活性。
首先要确定机械臂的长度、负载能力以及工作范围，然后根据这些参数设计出合适的结构。
通常，仿人机器人的机械臂会模仿人体的肢体结构，因此可以参考人体的骨骼结构设计机械臂的连接方式和关节转动范围。
2. 运动学设计机械臂的运动学设计是指确定机械臂的运动范围、姿态和关节角度等参数。
在设计过程中，需要考虑到机械臂的可达空间、运动学逆解和轨迹规划等问题，以确保机械臂能够在工作空间内完成自如的运动。
3. 控制系统设计控制系统设计是机械臂设计的另一个重要方面，通过合理的控制系统设计，可以实现机械臂的精确控制和灵活运动。
控制系统通常包括传感器模块、执行机构和控制算法等组成部分，需要根据机械臂的具体应用场景选择合适的控制方案。
二、机械臂的性能分析机械臂的性能对其应用效果具有重要影响，因此需要对机械臂的性能进行全面的分析和评估。
1. 负载能力机械臂的负载能力是指其能够承受的最大负载大小，在设计过程中需要根据实际应用场景确定负载能力，并进行相应的结构设计和材料选择。
2. 精度和重复定位精度机械臂在工作过程中需要具备一定的精度和重复定位精度，以确保工作结果的准确性和一致性。
因此需要对机械臂的传动系统、控制系统和传感器系统等方面进行精细化设计和优化。
3. 动态性能机械臂的动态性能包括其运动速度、加速度和响应速度等参数，这些参数直接影响机械臂的工作效率和响应能力。
在设计过程中需要合理选择执行机构和控制系统，以提高机械臂的动态性能。
4. 稳定性和安全性机械臂在工作过程中需要具备稳定性和安全性，避免因外部干扰或设备故障导致意外发生。
因此需要在设计过程中考虑到机械臂的结构强度和稳定性问题，同时设置相应的安全保护装置。
仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析
仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析
仿人机器人四自由度机械臂是一种能够模拟人类手臂运动的机器人，具有广泛的应用
前景。
本文将对该机械臂的设计和性能进行分析。
我们需要确定机械臂的设计参数，包括长度、质量和关节间的夹角。
根据人类手臂的
长度和关节运动范围，可以确定机械臂的长度和夹角。
考虑到机械臂的负载能力和稳定性，需要选择适当的质量和材料。
设计完成后，我们需要对机械臂的性能进行分析。
机械臂的运动范围是一个重要的性
能指标。
通过调整关节的夹角，可以使机械臂能够完成不同的运动任务。
机械臂的精度也
是一个重要的性能指标。
通过控制各个关节的转动角度，可以使机械臂能够达到较高的运
动精度。
机械臂的力矩和速度也是需要考虑的性能指标。
机械臂的力矩决定了其负载能力，通
过增加关节的大小和材料强度，可以提高机械臂的力矩。
而机械臂的速度将决定其工作效率，通过优化关节的传动机构和增加电机的功率，可以提高机械臂的速度。
机械臂的稳定性也是一个需要考虑的性能指标。
通过增加机械臂的质量和设计合理的
结构，可以提高机械臂的稳定性。
通过采用合适的控制算法，可以实现机械臂的稳定控
制。
仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析是一个综合考虑机械结构、动力学和控
制算法等方面的问题。
通过合理的设计和优化，可以实现机械臂的高精度、高速度和稳定性，并为各种应用领域提供有效的解决方案。
仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析
仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析随着人工智能和机器人技术的发展，仿人机器人在工业、医疗、服务等领域得到了广泛应用。
仿人机器人的机械臂部分是实现其运动和操纵功能的重要组成部分。
本文将对仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能进行分析。
仿人机器人的机械臂一般由多个自由度的关节连接而成。
四自由度机械臂指的是机械臂的关节个数为四个，每个关节都能绕特定轴向进行运动。
这样的设计可以实现机械臂在三维空间内的灵活运动。
在设计方面，首先需要确定机械臂的结构和尺寸。
机械臂的结构可以采用串联或并联结构。
串联结构是指将多个关节依次串联起来，其中每个关节都有一个自由度。
并联结构则是将多个关节通过某个平台连接在一起，各个关节之间可以同时进行运动。
根据具体应用需求和工作环境，选择合适的结构。
需要确定机械臂各个关节的类型和参数。
常见的关节类型有旋转关节和滑动关节。
旋转关节可以实现物体的旋转运动，滑动关节可以实现物体的平移运动。
通过确定关节的类型和参数，可以进一步确定机械臂的运动范围和灵活度。
在性能分析方面，主要包括静态和动态性能的分析。
静态性能分析是指对机械臂在不同位置和姿态下的稳定性进行评估。
评估方法可以采用力矩的计算和力学模型的建立，以确定机械臂能够承受的最大负载和最大力矩。
动态性能分析是指对机械臂的运动速度和加速度进行评估。
评估方法可以采用运动学和动力学模型的建立，以确定机械臂的最大运动速度和最大加速度。
还需要对机械臂的精度和重复定位精度进行分析。
精度是指机械臂能够达到的目标位置和姿态与实际位置和姿态之间的差距。
重复定位精度是指机械臂在多次运动中能够保持的位置和姿态的稳定性。
评估方法可以采用传感器测量和误差分析的方法，以确定机械臂的精度和重复定位精度。
仿人机器人四自由度机械臂的设计和性能分析是实现其灵活运动和操纵功能的重要工作。
通过合理的设计和精确的性能评估，可以提高机械臂的工作效率和可靠性，进而推动仿人机器人在各个领域的应用。
仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析
仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析一、引言1. 结构设计仿人机器人四自由度机械臂的结构设计是其设计的核心，直接影响了机械臂的性能和功能。
一般而言，仿人机器人四自由度机械臂的结构设计主要包括四个方面：机械臂的关节结构、连杆结构、末端执行器以及传动系统。
首先是机械臂的关节结构，一般采用旋转关节和直线关节相结合的方式，使得机械臂能够在不同方向上做出灵活的运动；其次是连杆结构，通常采用轻质、高强度的材料制造，以保证机械臂的刚性和稳定性；再次是末端执行器，根据机械臂的实际应用需求，可以选择不同的末端执行器，如夹持器、激光切割头等；最后是传动系统，一般采用电机和减速器相结合的方式，以保证机械臂具有较高的运动精度和稳定性。
2. 控制系统仿人机器人四自由度机械臂的控制系统是其设计的另一个重要组成部分，其设计主要包括控制算法的设计和实现、传感器系统的设计和实现以及执行系统的设计和实现。
首先是控制算法的设计和实现，其主要目的是根据外部输入的控制信号，计算出机械臂各个关节的运动轨迹，并将其转化为相应的控制信号；其次是传感器系统的设计和实现，通常包括位置传感器、力传感器等，用于实时监测机械臂的运动状态和外部环境的信息；最后是执行系统的设计和实现，主要包括电机、减速器等，用于实现机械臂的各种运动。
1. 运动性能仿人机器人四自由度机械臂的运动性能是其重要的性能指标之一，主要包括运动范围、运动速度、加速度以及动态性能。
首先是运动范围，通常根据机械臂的实际应用需求确定，一般要求机械臂能够在一定的空间范围内进行灵活的运动；其次是运动速度，通常要求机械臂具有较高的运动速度，以提高工作效率；再次是加速度，一般要求机械臂具有较高的加速度，以保证机械臂在短时间内能够完成快速的运动；最后是动态性能，一般要求机械臂具有较好的动态性能，以保证机械臂在运动过程中能够具有较好的稳定性和精度。
2. 精度性能3. 负载能力仿人机器人四自由度机械臂的负载能力是其另一个重要的性能指标，主要包括静态负载能力和动态负载能力。
一种齿轮—腱欠驱式三指灵巧手的研制
Development of Three-Fingered Dexterous Hand Driven by Gear-TendonMechanismAbstractWith the rapid development of robot technology, its application area is becoming more and more widely. The end effectors are key components of robot in interaction with the environment. The improvement of robot intelligent level and working ability is largely depended on the flexibility and reliability of its end executor. Therefore, in order to improve its flexibility, it is very significant to study the robot end executor. Generally, the robot end executor is divided into two kinds, one is the end gripper commonly used in the industrial robot, which has simple structure and can only achieve a single action. Another is the multi-fingered dexterous hand with more freedom and joints. Imitating the function of a human hand, it can grab a variety of objects with complex shape flexibly and operate finely. It can be applied to assistive devices and tasks in danger ous environment for liberating human’s hands. It greatly expanded the application field of robot end executors, so it has wide development prospects. This paper developed a three-fingered dexterous hand driven by gear-tendon, based on a construction project of "I ntelligent Service Robot Technology and Equipment Engineering Laboratory of Dalian". The major contents are as follows:Based on the basic function and anatomical structure of human hands, a three-fingered dexterous hand driven by gear-tendon is designed. A new type of spring - slider mechanism realized the under actuated finger in a good way. The passing way of double tendon rope effectively implemented the fingers’ open and close. The three figures are just the same in modular design. Right triangle structure is used in the installation position can be realized to knead and envelope grab target movement. Then, the control system of the dexterous hand was designed, and an experimental platform was built, which provides the basis for the following research.In this paper, a workspace analysis method of single finger based on inverse kinematics was proposed. The method is only to solve the inverse kinematics of two degrees of freedom joints, and on this basis to analyze the working space of the third joint. Compared to the traditional method based on the forward kinematics, this method has small amount of mathematical calculation and good application value. Based on V-REP robot simulation software, the working space simulation of the humanoid three fingers dexterous hand in the positive kinematics solution has been carried on. And the simulation results has been analyzed, pointing out the shortage of the existing principle prototype.- III -Based on the experimental prototype of three fingers humanoid dexterous hand, an experiment of fingers compliant ability under the non-work condition had been carried on, and verified the self-protection ability of the dexterous hand. Experiments of single finger control has been conducted, including the speed and position control, to determine the appropriate grab speed and control mode. Snatching different shapes of objects, including pinch and envelope grab, to verify the grasping performance of the dexterous hand, and the result of the experiment has been analyzed. Aiming at the existing problem of dexterous hand mechanism, parameters optimization of pulley drive system has been designed. The results show that the prototype transmission mechanism was simplified and the transfer efficiency was improved.Based on the experimental prototype of three fingers humanoid dexterous hand, after the analysis and determination of the dexterous hand control system architecture, the integrated design of the control system was projected. Firstly, the hardware of the integrated control system was designed, including the main control module STM32F103C8T6, driver module of electric motor DRV10970 and so on. The size of the PCB panel was only 50mm×70mm, which was similar with an adult palm. And then, the software of the integrated control system was programmed. According to each motor in the finger knuckles, to set the motor movement and combination movements of multiple fingers. Therefore, the feasibility of the prototype structure was verified.Key Words：Humanoid dexterous hand; Gear-tendon underactuated type; Working space; Integrated design- IV -目录摘要 (I)Abstract (III)1 绪论......................................................................................................................... - 1 -1.1 项目背景和研究意义.................................................................................. - 1 -1.1.1 项目背景........................................................................................... - 1 -1.1.2 研究意义........................................................................................... - 1 -1.2 多指灵巧手国内外研究现状...................................................................... - 2 -1.2.1 国外研究现状................................................................................... - 2 -1.2.2 国内研究现状................................................................................... - 8 -1.2.3 多指灵巧手的发展趋势................................................................. - 10 -1.3 论文主要研究内容.................................................................................... - 11 -1.4 本章小结.................................................................................................... - 12 -2 欠驱动三指灵巧手的设计................................................................................... - 13 -2.1 欠驱动三指灵巧手的机械结构设计........................................................ - 13 -2.1.1 灵巧手结构综述............................................................................. - 13 -2.1.2 手指结构设计................................................................................. - 15 -2.1.3 手指驱动系统................................................................................. - 17 -2.1.4 手指欠驱动传递系统..................................................................... - 18 -2.1.5 手掌结构设计................................................................................. - 19 -2.2 零部件加工方式选择................................................................................ - 20 -2.3 控制系统设计............................................................................................ - 21 -2.4 本章小结.................................................................................................... - 22 -3 欠驱动三指灵巧手的运动学分析....................................................................... - 23 -3.1 齐次坐标变换............................................................................................ - 23 -3.2 单指机构运动学分析................................................................................ - 25 -3.2.1 单指机构正运动学分析................................................................. - 26 -3.2.2 一种基于逆运动学的单指工作空间分析方法............................. - 28 -3.3 基于V-REP的三指灵巧手工作空间仿真 .............................................. - 30 -3.3.1 V-REP机器人仿真软件简介 ........................................................ - 30 -3.3.2 基于运动学正解的三指灵巧手工作空间仿真............................. - 32 -3.3.3 仿真结果分析................................................................................. - 33 -- V -3.4 本章小结.................................................................................................... - 33 -4 欠驱动三指灵巧手的样机实验及优化............................................................... - 35 -4.1 非工作条件下的手指顺从能力实验........................................................ - 35 -4.2 单手指的控制实验.................................................................................... - 36 -4.2.1 单手指的速度控制实验................................................................. - 36 -4.2.1 单手指的位置控制实验................................................................. - 38 -4.3 三指灵巧手的抓取实验及分析................................................................ - 39 -4.4 实验样机优化设计.................................................................................... - 41 -4.5 本章小结.................................................................................................... - 44 -5 欠驱动三指灵巧手控制系统集成化设计........................................................... - 45 -5.1 三指灵巧手集成控制系统概述................................................................ - 45 -5.2 三指灵巧手集成控制系统硬件设计........................................................ - 46 -5.2.1 主控制模块STM32F103C8T6 ...................................................... - 47 -5.2.2 电机驱动模块DRV10970 ............................................................. - 50 -5.2.3 控制系统电源................................................................................. - 51 -5.2.4 通讯模块......................................................................................... - 51 -5.3 三指灵巧手集成控制系统软件设计........................................................ - 52 -5.4 本章小结.................................................................................................... - 54 -结论..................................................................................................................... - 55 -参考文献............................................................................................................... - 57 -攻读硕士学位期间发表学术论文情况..................................................................... - 60 -致谢..................................................................................................................... - 61 -................................................................. - 62 -- VI -1 绪论1.1 项目背景和研究意义1.1.1 项目背景机器人是一种高技术产业，人类智慧的结晶，具备根据人类意愿执行特点任务的能力，随着科技的发展，逐渐具有自主解决实际问题的特点，且功能日趋成熟。
哈工大研制机器人手可以熟练弹钢琴
哈工大研制机器人手可以熟练弹钢琴
佚名
【期刊名称】《《传感器世界》》
【年(卷),期】2005(011)007
【摘要】由哈尔滨工业大学研制的第三代机器人灵巧手日前通过国防科工委863专家组验收。
该机器人灵巧手不仅有触觉，可以感受到温度的变化，还具有人手所没有的视觉，可以在航天及一些有害环境中代替人工操作。
【总页数】1页(P39)
【正文语种】中文
【中图分类】TP242
【相关文献】
1.哈工大研制出能在高压线上自动除冰的除冰机器人 [J],
2.哈工大研制磁性微游动机器人 [J], 哈尔滨工业大学
3.哈工大研制出可用于癌症诊断治疗的磁性微游动机器人 [J],
4.哈工大成功研制出四种新型工业机器人 [J],
5.哈工大研制类人型机器人获机器人足球“世界杯”冠军 [J],
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研究特色
学术成果
◆ 基金：微超声振动切剖机器人系统研制及微切剖实验研究，2005，国家自然科学基金.
双相凸轮激波复式滚动活齿传动的设计、制造技术研究，2007，国家自然科学基金. ◆
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Defectively Parallel Platforms ，Int. J. of Robotic Systems (J), 2002，No.2 李剑锋 张玉茹 张启先 具有滚动接触的多指手操作运动学算法，自动化学报(J)，2002，No.2
李剑锋 吴光中 费仁元 基于高频微幅振动的微切剖操作器设计，机械工程学报(J)，2007，No.5
李剑锋 费仁元 刘德忠 具有大位置空间的3自由度并联机构运动性能分析, 机械工程学报(J)，2007,No.8
张玉茹 李继婷 李剑锋 机器人灵巧手：建模、规划与仿真(M)，机械工业出版社，2007.3 联系电话：（010）67396565
E-mail ： lijianfeng@ 1964.4生，籍贯吉林省舒兰市. 1999年6月获北京航空航天大学
机器人研究所机械设计及理论专业方向博士学位，2001年8月，于清
华大学制造工程博士后流动站出站，2001年9月至今在北京工业大学
机电学院工作. 近5年来，作为课题负责人和主要成员承担国家自然
科学基金2项，北京市自然科学基金1项，北京市教委基金1项，北
京市科技计划项目子课题2项. 研究方向为数字化设计与制造、机器
人机构学及机械传动技术.
李剑锋副教授
微操作机器人试验系统 凸轮激波复式滚动活齿减速器
曾参加“矿用铲运车大型轮边减速器改造”、“矿用风力充填机大功率蜗轮减速器的设计制造”、“等高弧齿锥齿轮的设计、制造技术研究”和“双相凸轮激波复式滚动活齿传动的设计、制造技术研究” 等科研项目的研究工作，在机械传动装置的数字化设计、制造技术方面有一定的研究基础。
发表相关论文10余篇，授权专利2项，软件著作登记2项。
曾参加“BH-3、BH-4型机器人灵巧手的分析与设计”、“机器人臂—手集成实验系统研制”、“基于外副驱动的并联加工装备的研究与实现”及“微超声振动切剖机器人系统研制及微切剖实验研究”等科研项目的研究工作，在复杂机构与机器人机构的分析与设计、机器人操作算法与运动规划等方面有一定的研究基础。
发表相关论文20余篇，授权专利3项，出版著作1部（第3作者）。