(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。

在制造领域，可以看到众多机械臂在替代人们执行各种操作任务。

如喷漆、焊接、搬运、装配等。

然而，还有许多操作任务单靠机械臂的运动无法完成，例如在太空、水下、核辐射等环境下的实验、维护、排险等复杂任务。

于是像人手一样的机器手成为期待的目标。

然而，人类能否创造出如此灵巧的机器手呢？在机器人技术领域，研究人员一直在探索解答这一问题的技术途径。

经过十几年的研究，世界一些大学和研究机构已经开发出多种机器人灵巧手样机。

它们日益显示出在危险和有害环境下代替人类执行复杂操作任务的可能性。

仿人形机器人所要完成的许多工作最终是要通过仿人手来实现的,如何设计仿生机器手机构，保证各种基本运动方式又便于驱动器的布置，并且机构简单成本低，成为设计与实现的关键。

国外如Okada手BelgradeUSC手StanfordJPL手UTAHMIT手DLR手等[1, 2] 国内如北航机器人研究所研制的BH系列灵巧手[3, 4]等这些灵巧手以多自由度和具有的灵活性而被用于复杂的灵巧的操作中。

而用于仿人形机器人上的仿人手的主要设计要求为少自由度(总的自由度不超过3) 抓持可靠控制简单重量轻从这些设计要求中可以看出多自由度的灵巧手则不适合用来作为要求只进行力度抓持的少自由度的仿人手。

本文构建了一个具有抓握任意形状的机器手，给出了该机器手关键机构的设计工作原理分析，把机器手的旋转动作机构和连杆运动机构很好地结合起来，在拿取规则物体时可以正常运动，当遇到非规则物品需要复杂运动时，机器手可以多方向复杂运动，扩大了机器手的应用场合，避免了复杂的动力学方程分析。

1.1研究的背景及其意义机器人是近年来迅速发展起来的高新技术密集的机电一体化产品。

目前，对多指灵巧手的智能抓持，位置协调控制的研究是机器人学研究的热点之一。

应用仿人机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。

在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用仿人机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。

在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以仿人机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

应用仿人机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用仿人机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。

因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。

综上所述，有效的应用仿人机械手，是发展机械工业的必然趋势。

1.2国内外研究状况像人一样，机器人需要用它的手与环境发生作用。

机器人发展初期，面向的需求首先来自制造领域，早期工业机器人主要执行上下料这样的简单任务，功能单一的两指夹持器便能满足任务要求。

随着技术的进步，工业机器人开始向更多的应用领域发展，上百种专门用途的“手”，统称为末端执行器，使机器人能够应对丰富多彩的任务对象，从轮胎、玻璃到布料，从大型金属热轧件到微小电子器件。

尽管如此，末端执行器仍然是制约机器人应用的一个主要因素。

于是，开发多用途机器手成为早期灵巧手研究的缘由和动机。

目前国外已经出现了触觉和视觉仿人机械手。

第二代仿人机械手正在加紧研制。

它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉触觉能力，甚至听想的能力。

研究安装各种传感器，能把感觉到的信息反馈，使仿人机械手具有感觉机能。

国外也出现了第三代仿人机械手，它能独立地完成工作过程中的任务。

它与电子计算机和电视设备保持联系。

并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环对于搬运物体类的机械手的基本要求是能快速、准确地拾——放并且能搬运物件，这就要求具有较高的精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。

设计气动机械手的原则是：充分分析作业对象和环境，明确工作的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求，尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。

灵巧手与工业机器人一样是一个典型的机电系统，它集成了机构、驱动、传感、控制和人机交互等关键技术，然而其复杂程度却超过传统工业机器人。

过去20多年，研究人员针对上述关键技术进行了长期不懈的探索，因而产生了许多灵巧手样机，表1-1列举了其中一些设计开发实例。

研究者（时间）手名称指数自由度驱动类型传感器种类Rich Walker等（2004年）ShadowHand5 24 人工肌肉肌肉压力、关节位置、分布式触觉力传感器Lotti等（2004年）UBH3 5 20 电动机电动机位置、张力、关节位置传感器Kawasaki等（2004年）Gifu HandⅡ5 16 电动机电动机位置、6维指尖力、分布式触觉传感器Butterfass等（2001年）DLR-HandⅡ4 13 电动机电动机位置、关节位置、关节力矩、6维指尖力传感器Schulz，S.等（2000年）UltralightHand5 10 人工肌肉关节位置、压力传感器Lovchik （1999年）RobonautHand5 14 电动机电动机位置、关节位置、张力、触觉传感器续表1-1研究者（时间）手名称指数自由度驱动类型传感器种类A.Caffaz等（1998年）DIST Hand 4 16 电动机电动机位置、关节位置、三维指尖力传感器Jacobsen （1984年）UtahMITHand4 16 气缸电动机位置、关节位置、张力、触觉传感器Salisbury （1983年）StanfordJPL Hand3 9 电动机电动机位置、张力、指尖力、指尖触觉传感器表1-1本次设计的仿人机械手是通用拾取轴类零件的机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，它可以用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。

1.3关键技术人手有运动和感知两个主要功能。

运动功能使其能够操作不同形状和大小的物体；感知功能使其能够通过接触获取物体特征，探测未知环境。

人手的这两个主要功能还必须通过肌肉的动力和大脑的控制才能实现。

因此，驱动、传感和控制是灵巧手的3个主要成分，也是灵巧手开发的难点。

1.3.1 小而强的驱动灵巧手需要小而轻的驱动器，常见类型为电动机。

目前所见的灵巧手最多有24个自由度。

自由度越多，设计难度越大。

难题之一是如何安置众多驱动器，使得灵巧手的尺寸接近人手。

现在的微型电动机体积过大，无法在尺寸和力矩指标上同时满足要求。

若将电动机集成在手内，同时保证尺寸足够小，则手指端的输出力太小，例如不超过10~30N。

若要获得更大的力，电动机只能安装在手外，如放于小臂内，用柔绳传递运动和力。

这正是现在许多灵巧手样机采用的传动方式。

如果要取代复杂的柔绳传动系统，则需要尺寸小、力矩大的微型电动机。

人工肌肉是新近出现的另一种驱动方式，不过尺寸庞大仍然是一个未解决的问题。

1.3.2 丰富的感觉用于灵巧手的传感器主要有位置和触觉传感器。

测量关节位置是实现手指运动控制所必需的基本要求。

常见做法是用码盘测量电动机轴转角，经减速比缩小后，关节角的计算值可以有较高的分辨率，但传动间隙和变形会产生严重影响测量结果的准确性和可靠性。

理想的方式是直接测量关节转角，在现有设计中，可以看到将霍尔元件、电位计和关学传感器用于关节角位置测量的实例。