仿人靈巧手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1、仿人靈巧手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案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。在一些簡單、重復(fù)，特 別是較笨重的操作中， 以仿人機(jī)械手代

2、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，

3、 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)。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺仿人機(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

4、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)械手的基本要能快速、準(zhǔn)確地拾一 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)

5、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（時(shí)間）手名稱指數(shù)自由度驅(qū)動(dòng)類型傳感器種類Rich Walker 等（2004年）Shadow Hand524人工肌肉肌肉壓力、關(guān)節(jié)位置、分布式觸覺力傳感器Lotti 等（2004年）UBH3520電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)位置、力、關(guān)節(jié)位置傳感器Kawasaki 等（2004年）Gifu Ha nd n516電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)位置、6維指尖力、分布式觸覺傳感器Butterfass等 （2001 年）DLR-Hand n413電動(dòng)機(jī)電

6、動(dòng)機(jī)位置、關(guān)節(jié)位 置、關(guān)節(jié)力矩、6維指 尖力傳感器Schulz，S.等（2000年）Ultralight Hand510人工肌肉關(guān)節(jié)位置、壓力傳感器LovchikRobon aut Hand514電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)位置、關(guān)節(jié)位（1999年）置、力、觸覺傳感器續(xù)表1-1研究者（時(shí)間）手名稱指數(shù)自由度驅(qū)動(dòng)類型傳感器種類A.Caffaz 等（1998年）DIST Hand416電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)位置、關(guān)節(jié)位 置、三維指尖力傳感器Jacobsen（1984年）Utah/MIT Hand416氣缸電動(dòng)機(jī)位置、關(guān)節(jié)位 置、力、觸覺傳感器Salisbury（1983年）Sta nford/JPLHa nd39電動(dòng)機(jī)電動(dòng)

7、機(jī)位置、力、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

8、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。 現(xiàn)在的微型電動(dòng)機(jī)體積過大， 無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， 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1030 N。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，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)

9、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)鋼絲繩力和手指

10、 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。 再復(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

11、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

12、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。控制器根據(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)映射變得直觀而簡便。 因此， 主從控制比較適合 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

13、。 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，人工智能的一些理論和方法， 如模式識(shí)別、神經(jīng)

14、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?。┑拿軣o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 手指機(jī)構(gòu)采用鋼絲繩來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力

15、。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，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)，鋼絲伸展段最長，外鋼絲伸展段最短。當(dāng)手指需 要彎曲時(shí)

16、，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)，外部鋼絲繩從動(dòng)放松，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)，鋼絲伸展段最短，外鋼絲伸展段 最長。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)器手為自由半狀態(tài)，由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)器手的手指采用連桿、 電機(jī)、

17、連接軸、萬向節(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；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)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，并參考已有的一些機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)圍確定機(jī)器 手

18、各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)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)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)和近指節(jié)圖3-1圖3-2圖3-33

19、.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)以及控制電板的合理布局。最終我設(shè)計(jì)了如圖 3

20、-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)位置傳感器 （霍爾傳感

21、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)過程簡述為：機(jī)器手抓握時(shí) 5手指處于開狀態(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

22、手指間的三維運(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、 中指與無名指、 無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D H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)

23、節(jié)，z軸定義為兩條軸線構(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)5.4.2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)idiai 1/( )ai1/( )1101190220500330300440250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)

24、節(jié)數(shù)，c代表COS, S代表sin).Ai=rot(z,0 i ) Trans(0, 0,di) Trans(a, 0, 0) rot(x, ac is iC is iS iiC is ic iC ic iS iiS i0s ic idi0001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.nxOxaxPx0T4AAA3A4nyOyayPynzOzazPz0001式中:nx(c 1C 2C 3C 1S 2S 3)C 4(C 1C 2S 3c 1S 2C 3) S 4 ;Ox(c 1C 2C 3C 1S 2S 3)s4( C 1C 2S 3C 1S 2C 3 )c 4axs 1 ;Pxa3

25、C 1C 2C 3a3C 1S 2S 3a?c 1C 2ac1 ;ny(s 1c 2c 3s 1s2s3)c 4( s 1c2c 3s 1s 2c3)s 4oy(s 1c 2 3s 1s2s3)s 4( s 1c2s 3s 1s 2c3)c 4ayc 1 ;pya3s 1c 2c 3a3s1s2s 3a2s 1c 2a1s1;bz(s 2c 3c2s 3)c 4( s 2s 3c2c 3)s 4 ;oz(s 2c 3c 2s3)s 4( s 2s 3c 2c 3)caz 0;pza3s 2c 3 a3c 2s 3 a2s 2矢量n, 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)

26、動(dòng)學(xué)方程，并將其表達(dá)在手掌坐標(biāo)系中有A0f A1f .Anffnxfoxfaxfpxffffnyfoyfayfpyfffffnzozazpz0001式中： f=0, 1, ?, 4,分別表示靈巧手的 4個(gè)手指, A0f 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.Xlttim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)立方程式組來刻畫由多個(gè)剛體組 成的機(jī)器人系統(tǒng)。Newto

27、nEuler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。Fimci X 1 1i*niM R m iPif 怙Fi式中：.i i 0，i=0, 1,., n. i為系i角速度；i為系i角加速度；a原點(diǎn)Oi加速度；比i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- 3N結(jié)柬）鼠、Uj, (icj測(cè)=叱=0丫 n-gi fit 鼠、rJ圖4-3 Newton - Euler遞推算法框圖5.手指的虛擬樣機(jī)建立與運(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

28、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I q II q和山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)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

29、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

30、物體的有效抓持。abd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

31、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)的價(jià)格和質(zhì)量，最終設(shè)計(jì)選用了

32、 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

33、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，然后分 析設(shè)計(jì)，并根據(jù)實(shí)際情況擬定設(shè)計(jì)方案，從而達(dá)到優(yōu)化方案。在研究設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)時(shí)， 我優(yōu)化并簡化了設(shè)計(jì)，這就省去了一部分時(shí)間。同時(shí)，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我在 各個(gè)方面都有了很大的提高，特別是在理論和實(shí)踐結(jié)合方面使我受益匪淺， 使大 學(xué)里學(xué)習(xí)的理論知識(shí)在根本上得到一次最完