机器人灵巧手指的结构设计与分析
机械产品创意设计灵巧手
机械产品创意设计灵巧手集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）评分：_________SHANGHAI UNIVERSITY课程论文COURSE PAPER学院机电工程与自动化学院专业机械工程学号学生姓名课程机械产品创意设计研讨课程名：机械产品创意设计研讨HW2：产品创新设计建议书机器人灵巧手的设计张奇负责的部分：1学号电子邮件电话负责的部张明远分：2学号电子邮件com电话牛军负责的部分：3学号电子邮件.com电话易乾川负责的部分：4学号电子邮件电话严俊钦负责的部分：5学号电子邮件电话1、背景随着制造工艺和传感器及控制技术的发展，作为智能制造应用领域中机器人与环境相互作用的重要环节，其末端执行部件已逐渐由原来的简单夹持器向多任务智能多指灵巧手过渡。
智能灵巧手具有多个多关节手指，能够和人手一样具有很高的灵巧性和适应性，执行不同的抓取和操作任务。
因此，智能灵巧手可以使工业机器人在非结构环境中与目标物近距离安全接触，具备对未知目标进行智能操作的能力。
同样，智能仿人型灵巧手对于服务型机器人在特殊环境诸如危险品检测、设备检修、水下作业、空间站物品搬运及装配、残障辅助等领域具有重要应用价值。
灵巧手作业能力的不断提高,其代价是增加了系统的复杂性和研究难度。
目前灵巧手的研究和技术进步主要集中在结构设计、传感系统、运动学和动力学、控制及抓取规划等几方面。
灵巧手技术的发展大概经历了以下四个阶段：(1)早期阶段。
多指手最先是从假肢开始的。
将这些手分为装饰型、被动型、身体驱动型和外部动力型4种。
(2)初期阶段。
从20世纪70年代开始,国际上开始进行机器人多指灵巧手的系统化研究。
1974年日本研制成功的Okada手, 各个手指在结构上细长而单薄,难以实现校大的抓取力和操作力。
它们是初期灵巧手的典型代表。
(3)中期阶段。
Utah/MIT手,是一种仿人的手,其大小、形状、功能都与人手相似,只比人手少一个手指。
机器人灵巧手指的结构设计与分析
手指远指关节的位姿坐标为：
－－０．５０００ －－０．８６６０
Ｏ
２１．５０００
Ｌ：五＝
０．８６６０ Ｏ
－０．５０００
０
７３．２３９ｌ
０
１．００００
０
０
Ｏ
Ｏ
１．００００
设：‘ｐ＝１２０。．ｘ＝２１．５。ｙ＝７３．２４，Ｌｌ＝４３ｒａｍ，Ｌｒ＝３６ｍｍ。 在ＭＡＴＬＡＢ中代入上述公式计算，求得： ０ｔ＝６０．０００２０。ｅ卢２９．９９５ １ ｏ。０３＝３０．００４７０。 由此计算结果可验证：在Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ建立的坐标系中 测量的各关节角度值与仿真计算结果相符。 根据运动学分析中指尖相对于基座标的坐标变换矩阵 ”，并依据人手各关节弯曲角度设定０ｚ＝［一６００，９００］， ０２＝０３－［０。，９００］，在ＭＡＴＬＡＢ环境中绘制指尖点（并，Ｙ） 的运动空间图如图３所示。 由图３可以看出．指尖的运动空间范围在３００ｍｍｘ ３００ｒａｍ的空间内。
ＧＯ Ｚ３０．０； Ｇｏ Ｘ０ ＹＯ：
（Ｄ０２为精加工刀具补偿。Ｒ数
Ｍ３０； 子程序
０１００： Ｇ９ｌ Ｇ０１ Ｚ－２．０： Ｇ９０ Ｇ４ｌ Ｇ０１ Ｘ一３０．Ｏ Ｙ一３０．０ Ｆ８０： Ｇ０１ Ｙ３０．０：
ＧＯｌ Ｘ３０．０： Ｇｏｌ Ｙ一３０．０： Ｇ０ｌ Ｘ一３０．０：
Ｇ４０ Ｇｏｌ Ｘ－６０．０ Ｙ一６０．０：
业出版社．２００１． 【２］赵正文．数控铣床／加工中心加工工艺与编程［Ｍ］．北京：
中国劳动和社会保障出版社．２００６．
作者简介：吴霞，女，１９７６年生，广东潮安人．大学本科。一
级实习指导教师。研究领域：数控专业理论与实操教学方法。已
仿人灵巧手的结构设计与单指的控制策略
指标 ， 两个曲线的形状相似 ， 具有严重 的非线性特性 ， 试 验结 果表 明 了该 型号转 向器 灵 敏度 特性 的对 称性 为
８ ． ％ ， 向力 特 性 的 对 称 性 为 ９ ． ％ ， 最 大 工 作 １８ 转 ８２ 其 压 力 为 １． ａ 转 阀零位 的压 力为 １７ＭＰ ， 的结 ３０ＭＰ ， ． ａ 总
Ｇ Ｏ Ｌ－ｉ，Ｇ Ｏ Ｂｎ ＠ｎ ， Ｎ ａ Ａ 学 机电工程学院 ， 河南 洛 阳 ４ １０ ） ７ ０ ３
摘
要 ： 于机 电一 体化 设计 思 想和 最新 的驱动 技 术 ， 过分 析人 体 解剖 学 ， 对人 类手 掌的 外形结 构 、 基 通 针
参 考文献 ：
［ ］ 王 晓力 ． １ 助力转 向液压 系统的流量 分析与 计算 ［ ］ 重型 Ｊ．
汽 车 ，９４，３ ：１ ４ １９ （ ） ２ —２ ．
［ ］ 张枫念 ． ２ 动力转 向器转 阀特性设 计模拟修 正 的研究 ［ ］ Ｊ．
轻 型汽 车技术 ，０ ９ （０ ： ２０ ， １ ） １ ４—１ ． ８
本体结构、 传感控制 、 信息交互 、 协调 动作 等方面¨ 。 ］
本 文所设 计 的灵 巧手 主要 用 于研究 一种 具有 柔性 抓 取
作者简介 ： 高利斌 （ ９ ６ ） 男 ， １８ 一 ， 河南焦 作人 ， 在读 硕士研 究 生， 主要从事机 电控制技术方 面的研究工作 。
功能适应抓取对象 ， 性价 比高的灵巧手 ； 在手型的选择
［ ］ 王若平 ， ５ 蒋军 ， 高翔 ． 汽车转 阀式液压 动力转 向器性 能分 析与试验 ［ ］ 农业机械学报 ，０ ６ ３ （ １ ：６—１ ． Ｊ． ２ ｏ ，７ １ ） １ ９ ［ ］ 徐志军． ６ 汽车性能与使用 ［ ． Ｍ］北京： 化学工业 出版社 ，００ ２１ ． ［ ］ 何虹儒 ． ７ 汽车液压 动力转 向器特 性分析及 检测系统 实现 ［ ］ 杭州 ： Ｄ． 浙江大学 ，ｏ ９ ２ｏ． ［ ］ 吴兴敏 ， ８ 邓万豪． 汽车整 车性能检测 ［ ． 京 ： Ｍ］北 国防工 业
机械灵巧手的设计与控制研究
机械灵巧手的设计与控制研究近年来，机器人技术的快速发展使得机械灵巧手的设计与控制研究备受关注。
机械灵巧手是一种模拟人手的机械装置，具备复杂的运动能力和灵活的手抓能力。
本文将从设计和控制两方面探讨机械灵巧手的研究。
一、设计：仿生学的应用在机械灵巧手的设计中，仿生学是一种常见的方法。
仿生学是一门研究生物体结构、功能和行为的学科，将自然界的智慧运用到机器人系统的设计中。
通过对人手结构和运动机理的研究，可以有效地提高机械灵巧手的操作能力。
首先，机械灵巧手的设计需要兼顾结构的轻巧和刚性。
轻巧的结构可以降低机器人自身的负载，提高操作的灵活性；而刚性的结构则可以保证机械灵巧手在运动过程中的稳定性。
为此，研究人员常借鉴人手的骨骼结构，结合轻型材料和刚性材料，设计出既轻巧又刚性的机械结构。
其次，机械灵巧手的设计需要考虑手指的灵活性和精确度。
人手的灵巧性来自于手指关节的灵活度和力学特性的精确控制。
因此，在机械灵巧手的设计中，必须兼顾机械结构的自由度和关节的力学特性。
通过采用柔性材料和可控机构，可以实现机械灵巧手手指的高灵活度和精确控制。
最后，机械灵巧手的设计需要考虑手抓的力度和稳定性。
人手的抓握能力取决于手指间的协调运动和力量调节。
因此，在机械灵巧手的设计中，研究人员通常采用传感器和反馈控制系统，对手抓的力度和力量进行精确控制，以实现稳定的抓取功能。
二、控制：智能控制的应用机械灵巧手的控制是实现其复杂运动和灵活抓握的关键。
传统的控制方法往往只能实现机械灵巧手的简单运动，难以满足复杂任务的需求。
因此，研究人员借鉴人类的智能控制方法，开展智能控制的研究，以提高机械灵巧手的操作能力。
首先，机械灵巧手的控制需要具备感知和决策的能力。
感知是机械灵巧手获取外部信息的能力，决策则是机械灵巧手根据感知信息进行决策的能力。
为了实现这一目标，研究人员采用传感器和图像处理技术，使机械灵巧手能够感知和理解周围环境的特征，进而做出适应性的决策。
(完整版)仿人灵巧手的结构设计毕业设计
仿人灵巧手的结构设计摘要本文介绍了一种五指型仿人灵巧手的的机构设计与实现方法，根据对非规则物品拿取任务的要求，采用转动机构和连杆机构相结合，设计了五指型机器手。
手指弯曲电机与指间平衡电机耦合驱动，实现了机器手的多角度张开、抓握运动方式。
详细分析了机器手手指机构、手掌机构、手指间辅助平衡机构的工作原理，给出了设计方案，并根据总体设计要求选定了关键参数。
通过虚拟样机技术验证了所设计的手指机构传动系统的正确性和自适应抓持的可行性从而为整个仿人手的设计奠定了基础。
关键词：五指型机器手工作原理机构设计虚拟样机The structure designing of and realization of a five-finger arm—and—the demand of fuIfilling the task of of this arm．and—a couple，thus realizing the multi—angle opening and grabbing motion．This thesis gives a detailed analysis on the mechanism of the finger system，the palm system and the aiding finger—balancing system．A design 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 of a —and—；basic theory；mechanism目录1.引言 (1)1.1 研究的背景及其意义 (2)1.2 国内外研究状况 (3)1.3 关键技术 (5)1.3.1 小而强的驱动 (5)1.3.2 丰富的感觉 (6)1.3.3 聪明的大脑 (7)2.仿人灵巧手手指机构的传动方案设计 (8)2.1手指关节的传动方案设计 (8)2.2 仿人灵巧手的整体结构设计 (10)3.手指与手掌结构的设计与制作 (10)3.1 手指关节的设计与制作 (11)3.2 手指关节间连接机构的设计 (13)3.3 手掌的结构设计与制作 (14)3.4 手指基关节的机构设计与制作 (15)4.仿人灵巧手运动学模型 (16)4.1 灵巧手坐标系的建立 (16)4.2 灵巧手正运动学解 (17)4.3 仿人灵巧手动力学模型 (20)5.手指的虚拟样机建立与运动抓持仿真 (21)6.驱动系统的设计 (26)6.1电机的选用 (26)6.2控制系统的选择 (26)1.引言自从40多年前，第一台计算机控制的机械臂出现之日起，人类将机器人概念延伸到了一个新的领域：机器人。
三指灵巧手结构设计与控制实验_(1)
a) 前一代灵巧手指模型尺寸图
b) 本设计灵巧手指模型尺寸图
a) Figure of previous finger model
b) Figure of new finger model
图 2-2 两代灵巧手指模型尺寸对比图
Fig.2-2 The contrastive figure of two generate finger model
扭矩时所受的轴向力、径向力和圆周力，圆周力是驱动基关节转动的动力；
新一代手指三个指节的长度配置是仿照人手指的长度比例 2:1:1,手指总 长度为 106mm,由于指节 1 内要安放指关节 2、3 的驱动器，使指节 1 的长 度较长，手指的主要尺寸参数和上一代手指的对比更接近人手，具体参数见 表 2-1。在结构设计上由于基关节采用新的传动方式，这使基关节的尺寸大 大减小，从而使整个手指的宽度和长度都大大减小，对于灵巧手的包装、结 构设计都提供和很大的方便。
⎡1
⎡θ 1 ⎢⎣θ 2
⎤ ⎥ ⎦
=
⎢⎢⎢−21
⎣2
1⎤
2 1
⎥ ⎥ ⎥
•
⎡θ ⎢⎣θ
1a 2a
⎤ ⎥ ⎦
2⎦
(2-1)
基关节的逆运动学变换方程如式(2-2)
⎡θ1a ⎢⎣θ 2a
⎤ ⎥ ⎦
=
⎡2 ⎢⎣2
− 2⎤
2
⎥ ⎦
•
⎡θ1 ⎢⎣θ 2
⎤ ⎥ ⎦
(2-2)
2.3.2 手指基关节驱动和传动系统
在机器人灵巧手的设计中，驱动的形式主要有电磁(电机)驱动、液气压 驱动和采用记忆合金等。液气压驱动方式的缺点是设备复杂、庞大，难以实 现灵巧手的高度集成化。记忆合金驱动方式存在着疲劳和寿命等问题。现在 在灵巧手的研究中，电机驱动是主要的驱动方式。体积小、输出力大的电机 及集成驱动芯片的采用使电机、驱动电路板与手指机械本体融为一体，实现 灵巧手手指的模块化。本设计中，基关节采用 Maxon 公司提供的两个 EC20
多指灵巧手设计
多指灵巧手设计
在传统工业中，机器人自由度少，末端夹持器结构简单，只能完成诸如喷漆、弧焊、搬运以及印制电路板等简单而又需大批量生产的任务。
近年来，工业生产柔性化、集成化与智能化的需求加快了机器人技术的发展，多关节多自由度的机器人灵巧手成为机器人研究领域的热点之一。
多指灵巧手作为机器人与环境相互作用的执行部件，模仿人类的手功能特点，具有适应性强，抓取方式多样等优点，是为多任务研究开发的智能型通用机械手。
多指灵巧手的设计开发包含了以下几个阶段：第一阶段，获得满足人手的形态学特征和功能特征；第二阶段，对多指灵巧手的结构进行分析，并根据人手指在抓取过程中的运动特征抽象出所设计灵巧手的功能需求，指导设计机械手指的机械结构；第三阶段，通过对人手指进行D-H 运动学分析，求得人手指在空间中的运动学方程，并将其结构进行抽象与简化，推导出可近似模拟机械手指空间运动的方程；最后阶段，制作灵巧手原型，并对灵巧手的性能进行测试。
浙江工业大学机械学院的研究人员就对多指灵巧手的设计做了研究。
在研究的第一阶段，需要提取人手的自然特征。
为探索不同的抓取姿势以及被抓取物体的尺寸对手指各关节间角度变化、角速度变化、指尖运动轨迹及相关性的影响，在受试者手部关节处贴了25个反光标记点，使用NOKOV（度量）光学三维动作捕捉系统采集多位受试者的抓取运动数据，对手部关节位置信息进行分析，计算各关节间角度变化、角速度变化、指尖运动轨迹及相关系
数并进行对比分析。
械结构设计，开展后面阶段的工作，目前灵巧手原型已经完成制作。
TUST灵巧手手指设计
技术创新《微计算机信息》2012年第28卷第10期120元/年邮局订阅号：82-946《现场总线技术应用200例》测控自动化TUST 灵巧手手指设计Finger of TUST dexterous hand(天津科技大学)孙志超毕德学SUN Zhi-chao BI De-xue摘要:基于绳索传动的TUST 灵巧手,成功实现了一个电机对整手21个自由度的高度欠驱动控制,以及对物体的柔性抓取。
本文主要介绍了TUST 灵巧手的手指部分的设计。
提出了一种新型的绳索传动方式,该方式较已往的绳索传动有绳索数量少,不易打滑等特点;通过对该方式的组合设计了TUST 手指。
同时进行了TUST 手指数学模型的研究,给出了合适的控制策略。
成功减少了控制时间,实现了柔性抓取功能。
TUST 手的原理、控制方式较以前的灵巧手都有所不同,为灵巧手的改进探索了新的方向。
关键词:绳索传动;控制策略;柔性抓取中图分类号:TH 文献标识码:AABSTRACT:TUST dexterous hand is based on rope transmission.It controls 21freedoms on whole hand by one motor successfully,which is highly underactuated.This article mainly introduced the fingers design of TUST dexterous hand.And introduces a new way of rope transmission which has less rope numbers and sliding hard.Through the combination of the way of rope transmission the TUST finger was designed.We also researched the mathematical model of TUST fingers ,and get an appropriate control strategy.With that we reduced control time and realize flexible grab function successfully .TUST hand is different from existing dexterous hand in principle,control method;and explored a new direction for dexterous hand design.Key word:rope transmission;control method;flexible function文章编号:1008-0570(2012)10-0126-021前言灵巧手指作为机器人的末端执行机构,对机器人的性能有着极其重要的影响,它能适应不同的抓取和操作任务,因而不必在作业中经常更换执行末端。
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Ｃ２ 一Ｓ ｔ Ｉ
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由 于０ ，０ 已知 ，从 而 可 以 解 出０ 。 ， ２ ３
２ ｃ２ ０ ｌ Ｏ Ｏ ０ ０ １ ０
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确 定 出 手 指 各 关 节 的 运 动 空 间 及 输 出力 ．为 进 一 步 进 行 灵巧 手 模 块 化 设 计 打 下 了基 础 。
关键 词 ：灵 巧 手 指 ； 结 构 设 计 ：运 动 学 分 析 ；传 感 器 ；气 动 人 工 肌 肉 中 图 分 类 号 ：Ｔ ２ ２ Ｐ４ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ — ４ ２ （０ ０ ２ ０ ８ — ３ ０ ９ ９ ９ ２ １ ）１ — ０ ５ ０
图 ２ 机 器 人 灵 巧 手 指运 动 简 图
３ １正 运 动 分 析 ．
用 Ｄ Ｈ 参 数 法 ［３ — ２ ］求 出远 指 尖 点 处 的 坐 标 值 ，如 表 －
图 １ 机 器 人 手 指 三 维 视 图 １所 示 。
十河 南 省 教 育 厅 自然 科 学 研 究 计 划 项 目 （ 号 ：２ １Ｂ ６ ０ ６ 编 ００ ４００ ）
± ２ √ 。
Ｏ Ｏ ｌ Ｏ
应 用 ２幅 角 反 正 切 公 式 计 算 ：０＝ ｒ ｔ ２ （２ 。 ２ａｃ ｎ ｓ，ｃ ） ａ ２
各 个 指 节 相 对 于 基 座标 的 坐标 变换 矩 阵 分 别 为
厶
ｑ 同
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样 运 用 代 数 法 求 ： ０＝ ｒｔｎ （ ， ） 一 ｒ ｔｎ Ｉａｅａ ２ Ｙ ａｃａ ２・
收 醐 稿
６
曩—■
一
（ 开 研 与发
表 １ 远 指 尖 点 坐 标 值
Ｙ Ｌｌ ＋ １ Ｉ ２
（） ４
由上 式
Ｏ ，
（） （ ３ ４）可 求 出 ：
，
： ｒ． ．． ．．。 ．．． ．．． ．． ．．． ．．． ．． ．Ｌ
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Ｏ Ｏ ｌ
肉分 别 拉 动 中指 节 及 根 指 节 形 成 向 内 的 弯 曲 。
种 机 器 人 灵 巧 手 指 ．并 对 其 进 行 了运 动 学 分 析 与 验 证 。
２手 指 结 构
在 Ｓ ｌ ｗｏｋ … 中进 行 了 整 个 手 指 的 零 部 件 结 构 设 ｏｉ ｒｓ ｄ 计 ，并 实现 装 配 及 在 线 运 动 碰 撞 检 查 。设 计 的 机 器 人 手 指
指 的运 动空 间 范 围 ．对 手 指 进 行 运 动 学 分 析 ，如 图 ２所 示
远 指 节 、滑 轮 、电位 计 、触 力 传 感 器 和 绊 钉 构 成 。 近 指 节
与远 指节部 分都采 用 中空的厚 度为 １ ｍｍ 的 钣 金 铝 合 金 制
建立手指各坐标系。
作 ，远 指 节 即指 尖 体 需 要 承 受 接 触 力 的 作 用 ， 并 安 装 有 霍
பைடு நூலகம்
ｌ 莉 罱
随 着 机 器人 应 用 领 域 的不 断 扩 展 ．对 机 器 人 的末 端 执 行 器 要 求 也 越 来 越 高 ．机 器 人 灵 巧 手 由 于 其 适 应 性 和通 用 性 强 而 成 为 国 内 外 研 究 的热 点 ，本 文 在 现 有 基 础 上 设 计 了
一
尼 韦尔 的 ＦＳ５０ Ｓ １ ０ ｇ的 触 力 传 感 器 ， 因此 用 相 应 的 实 心 铝 合 金 制 作 ，在 指 尖 的 凸起 处 铣 出相 应 小 槽 ，为 安装 触 力 传 感 器 预 留空 间 。在 各 个 指 关 节 处 安装 用 于测 量 角 度 的 Ｒ ４ Ｓ电 位 计 ，并 把 之 与 关 节 滑 轮 结 合 在 一起 ，其 中 滑 轮 ２Ｈ 开 有 ｌ ｍ 的 槽 ．用 于 限 制 人 工 肌 肉 的 钢 丝 ． 为 了 防 止 各 ｍ 个 关 节 间 的 钢 丝 传 动 互 相 干 扰 ．把 各 传 动 滑 轮 直 径 分 别 设 计 为 中２ ｍ ２ ｍ、中２ ｍ ２ ｍ ２ ｍ、 ０ ｍ．具 体 的 传 动 是 由人 工 肌
０ ●
（ ２ ￡， ｋ ，ｋ１ 。 Ｌ２ ） ‘
Ｃ ～Ｓ ０ ０ ｝ １
。
２
上 式 中 ：ｋ ＝ Ｌ＋ ２ ； ｌ ＩＬｃ ２
ｋ ＝ ￡ ２ ２ 。
２
ｓ ｌ
＝
ｃ ｌ
０ ０
０ ０ ０
ｌ ０
又 由 （ ） （ ）求 出０ 、０ 、０ 的 和 ： １ ２ ｌ ２ ３
尺 寸 分 别 为 ７ ｒｍ、６ ｍｍ、６ ｍｍ，各 个 关 节 的 距 离 为 ３ ａ ４ ２
４ ３ｍｍ 、 ３ ６ｍｍ 。
３运 动 学 分 析
为 了验 证 手 指 运 动 是 否 能 达 到 预 定 的 位 置 及 确 定 出 手
如 图 １所 示 ． 手 指 由 底 座 、支 板 、近 指 节 、中 指 节 、
厶
０
１
４ ＭＡ Ｌ Ｂ 中的 各 指 节 轨 迹 仿 真 及 验 证 Ｊ ＴＡ
手 指 远 指 关 节 的位 姿 坐 标 为 ：
－
０５ ０ ．０ ０ ０８ ６ ．６ ０
－
０８ ６ ．６ ０ ０５ ０ ．０ ０ ０ ０
０ Ｏ
研 究 与
机器人 灵巧 手指 的结构设计与 分析
王 凯 ，郭 冰 菁
４ １０ ） ７ ０ ３
（ 南 科技 大 学 ， 河 南洛 阳 河
结 构 的 分 析 ，基 于 Ｓ ｌ ｗ ｒｓ 维 软 件 设 计 了一 种 气 动 人 肌 肉驱 动 的 机 器 人 灵 巧 手 指 ，按 照 人 手 指 结 构 比例 ｏｉ ｏｋ ｄ 触 力 传 感 器 和 电 位计 来 分 别 检 测 指 尖 接 触 力 及 三 个 关 节 转 角 ，为 构 成 闭 环 控 制产 生 反 馈 信 号 。 对所 设 计 的 手