机器人灵活手的力学原理分析
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【关键词】机器人； 力学原理； 仿生学； 自由度； 约束力 【作者单位】郝东晖，赵杰，熊禧强； 江苏大学土木工程与力学学院
一、引言 机器人发展由 20 世纪 60 年代开始，最初应用于工业加 工的仅仅是一个机械臂，然后在添加一定程序的基础上进行 简单重复的工作，外形模仿人类手臂由此开始［1］。20 世纪 80 年代随着传感器的应用，使得机器人机械手拥有触觉，能 够在工 作 过 程 中 不 断 地 修 正 自 己 的 状 态，精 确 度 大 大 提高［2］。 直到 21 世纪，智能机器人开始取得发展，结合前人在外
机器人灵活手的力学原理分析
□郝东晖 赵 杰 熊禧强
【内容摘要】机器人技能随着时代的发展在外形美观度、程序设计和功能等方面都有了长足的进展。机器人的运动方式来源于 生物体进化过程中灵巧的运动机构和机敏的运动模式，其基本力学原理是机器人发展过程中的知识源泉。本文以 参加机器人综合技能竞赛为实例，从机器人灵活手在抓持过程中被抓物体与手指之间的触碰产生的过约束、差约 束以及灵活手结构本身设计原理中涉及的力学原理进行阐述。这些原理是机器人在发展过程中灵活手部分不断 完善的基础，为继续研发完善灵活手具有一定的指导作用。
形与感官 两 个 方 面 的 研 究 成 果，此 时 的 机 器 人 越 来 越“似 人”，具有着比第二代机器人更加完善的对周围环境的感知 能力，超强的逻 辑 思 维、判 断 和 决 策 能 力［3］。 机 械 手 开 始 模 仿人手的形状，从仿生学的角度使其能够完成更多更为复杂 的工作。机械手能够完成更加精确复杂的工作，这与机械手 结构的一步步精细化完善有很大的关系，它所涉及的复杂运 动、力与力之间的传递关系比普通机器人更为复杂［4］。
本文从机器人灵活手在实现抓持过程中的抓持约束力、
正常运行 后 安 全 销 频 繁 断 裂，所 以 将 中 间 槽 直 径 增 大 为
Φ16mm，至此安全销断裂次数相对明显减少。3、4 号机组安
全销中间槽最初设计直径为 Φ14mm，但因鼓网正常运行后
安全销频繁断裂，所以参照 1、2 号机组鼓网经验，改用 1、2 号
要求。由此表明，技术改造中所采用的蛇形弹簧联轴器技术
成熟，使用可靠，效果显著。
【参考文献】 ［1］珠海电厂与岭澳核电鼓网调研报告，浙江，中核核电运行 管理有限公司，2013 ［2］3 /4 号机组鼓网联轴器换型改造文件，浙江，中核核电运 行管理有限公司，2013
·58·
接触点处的摩擦力与摩擦方式两个角度分析了机器人灵活 手的基本力学性 能，并 应 用 于 机 器 人 综 合 技 能 竞 赛 中，实 现 了机械手稳定抓持、快速抓持，完成一系列动作，为机器人灵 活手抓持过程的点摩擦与抓持力度的分析提供了一定指导。
轴传递至安全销，进而使安全销频繁断裂。一旦小齿轮与齿
条磨合好后，该额外的冲击力即可消失，安全销也将不再会频
繁断裂问题。二级电气保护通过对驱动电机设定热继保护值
实现，而针对二厂存在一级机械保护（ 即安全销保护） 的情况
下，热继保护值的设定便仅起到保护电机的作用，实际在安全
销保护有效的情况下该热继保护永远不会触发。
原动机与工作机的联接。
四、结语
技术改造至今，秦山第二核电厂 3、4 号机组所有鼓网运
行良好，未再出现 安 全 销 断 裂 缺 陷，在 降 低 设 备 故 障 率 的 同
时增强了机组的 安 全 性，减 少 了 维 修 成 本，技 术 要 求 和 经 济
效益达到了预期效果，完全能满足核电设备运行和大修期的
机组鼓网安全销，随后安全销断裂次数明显减少。
随着大修期间对 3CRF202TF 鼓网小齿轮和齿条全部更换
新备件后，安全销断裂情况又频繁发生，而其它未更换齿条的
鼓网安全销情况良好，经现场测量验证及啮合痕迹判断分析
认为因齿条与小齿轮均为铸件，其铸造精度不高，致使新齿条
与新齿轮啮合不好，导致啮合位置产生一定冲击力，通过传动
（ 二） 技术改造方案。针对 3CRF202TF 鼓网安全销频繁
断裂的情况，为更好地解决安全销处问题，综合各方面因素，
经与厂家联系及其它电厂鼓网情况参考进行综合讨论分析
决定，放弃现有传动轴与齿轮箱之间的刚性联轴器及光杆销
连接形式，改用蛇形弹簧联轴器。即将安全联轴器更换为蛇
形联轴器。本次变更改造工作中，主电机和备用电机的联轴
图 2 五指机械手
二、机器人灵活手基本力学原理 （ 一） 什么是机器人灵活手。
图 1 四指灵活手示意图
灵活手，即多指机械手，基于三个手指以上，多于九个自 由度，设计原理是以模仿人手的关节，手指形状为外形基础， 通过对抓持受力进行分析，从而设计出的酷似人手的机械手 指型机器人末端执行器。一个四指灵活手示意图如图 1 所示， 可将人手的关节以微型电机代替实现多个灵活度。图 2 所示 为五指灵活手的实体图，其外形已经酷似人手，如加以人工皮 贴在手指与手掌，从而实现仿真机械手的外表和功能。
用要求。此蛇簧联 轴 器 为 挠 性 联 轴 器，其 弹 性 好、缓 冲 减 震
能力强、工作可靠、承载能力大，具有较好的补偿综合位移的
能力，对所连两轴 的 径 向 和 角 度 方 向 都 有种结构先进的金属弹性联轴
器，它以蛇形弹簧 片 轴 向 嵌 入 两 半 联 轴 器 的 齿 槽 内 ，来 实 现
器由 普 通 膜 片 式 联 轴 器 更 换 为 新 梅 花 联 轴 器 LM6
55* 110* 30* 56*
814（
主电机用）
，LM6
48* 110* 30* 56*
14 8
（
备用电机用）
。
传动 轴 联 轴 器 由 安 全 销 式 刚 性 联 轴 器 更 换 为 JS12
120* 130*
212* 252*
3322蛇簧联轴器。目前，主电机和备用电机热继保
护设定值满足热继保护要求，无需设定值变更。
（ 三） 技改后新式联轴器的特点。鼓网传动轴最高转速
为 10. 7r / min，转矩最大为 14 707N. m，新蛇簧联轴器许用转
速为 1 800r / min，公称转矩为 18 000N. m，完全满足现场使
一、引言 机器人发展由 20 世纪 60 年代开始，最初应用于工业加 工的仅仅是一个机械臂，然后在添加一定程序的基础上进行 简单重复的工作，外形模仿人类手臂由此开始［1］。20 世纪 80 年代随着传感器的应用，使得机器人机械手拥有触觉，能 够在工 作 过 程 中 不 断 地 修 正 自 己 的 状 态，精 确 度 大 大 提高［2］。 直到 21 世纪，智能机器人开始取得发展，结合前人在外
机器人灵活手的力学原理分析
□郝东晖 赵 杰 熊禧强
【内容摘要】机器人技能随着时代的发展在外形美观度、程序设计和功能等方面都有了长足的进展。机器人的运动方式来源于 生物体进化过程中灵巧的运动机构和机敏的运动模式，其基本力学原理是机器人发展过程中的知识源泉。本文以 参加机器人综合技能竞赛为实例，从机器人灵活手在抓持过程中被抓物体与手指之间的触碰产生的过约束、差约 束以及灵活手结构本身设计原理中涉及的力学原理进行阐述。这些原理是机器人在发展过程中灵活手部分不断 完善的基础，为继续研发完善灵活手具有一定的指导作用。
形与感官 两 个 方 面 的 研 究 成 果，此 时 的 机 器 人 越 来 越“似 人”，具有着比第二代机器人更加完善的对周围环境的感知 能力，超强的逻 辑 思 维、判 断 和 决 策 能 力［3］。 机 械 手 开 始 模 仿人手的形状，从仿生学的角度使其能够完成更多更为复杂 的工作。机械手能够完成更加精确复杂的工作，这与机械手 结构的一步步精细化完善有很大的关系，它所涉及的复杂运 动、力与力之间的传递关系比普通机器人更为复杂［4］。
本文从机器人灵活手在实现抓持过程中的抓持约束力、
正常运行 后 安 全 销 频 繁 断 裂，所 以 将 中 间 槽 直 径 增 大 为
Φ16mm，至此安全销断裂次数相对明显减少。3、4 号机组安
全销中间槽最初设计直径为 Φ14mm，但因鼓网正常运行后
安全销频繁断裂，所以参照 1、2 号机组鼓网经验，改用 1、2 号
要求。由此表明，技术改造中所采用的蛇形弹簧联轴器技术
成熟，使用可靠，效果显著。
【参考文献】 ［1］珠海电厂与岭澳核电鼓网调研报告，浙江，中核核电运行 管理有限公司，2013 ［2］3 /4 号机组鼓网联轴器换型改造文件，浙江，中核核电运 行管理有限公司，2013
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接触点处的摩擦力与摩擦方式两个角度分析了机器人灵活 手的基本力学性 能，并 应 用 于 机 器 人 综 合 技 能 竞 赛 中，实 现 了机械手稳定抓持、快速抓持，完成一系列动作，为机器人灵 活手抓持过程的点摩擦与抓持力度的分析提供了一定指导。
轴传递至安全销，进而使安全销频繁断裂。一旦小齿轮与齿
条磨合好后，该额外的冲击力即可消失，安全销也将不再会频
繁断裂问题。二级电气保护通过对驱动电机设定热继保护值
实现，而针对二厂存在一级机械保护（ 即安全销保护） 的情况
下，热继保护值的设定便仅起到保护电机的作用，实际在安全
销保护有效的情况下该热继保护永远不会触发。
原动机与工作机的联接。
四、结语
技术改造至今，秦山第二核电厂 3、4 号机组所有鼓网运
行良好，未再出现 安 全 销 断 裂 缺 陷，在 降 低 设 备 故 障 率 的 同
时增强了机组的 安 全 性，减 少 了 维 修 成 本，技 术 要 求 和 经 济
效益达到了预期效果，完全能满足核电设备运行和大修期的
机组鼓网安全销，随后安全销断裂次数明显减少。
随着大修期间对 3CRF202TF 鼓网小齿轮和齿条全部更换
新备件后，安全销断裂情况又频繁发生，而其它未更换齿条的
鼓网安全销情况良好，经现场测量验证及啮合痕迹判断分析
认为因齿条与小齿轮均为铸件，其铸造精度不高，致使新齿条
与新齿轮啮合不好，导致啮合位置产生一定冲击力，通过传动
（ 二） 技术改造方案。针对 3CRF202TF 鼓网安全销频繁
断裂的情况，为更好地解决安全销处问题，综合各方面因素，
经与厂家联系及其它电厂鼓网情况参考进行综合讨论分析
决定，放弃现有传动轴与齿轮箱之间的刚性联轴器及光杆销
连接形式，改用蛇形弹簧联轴器。即将安全联轴器更换为蛇
形联轴器。本次变更改造工作中，主电机和备用电机的联轴
图 2 五指机械手
二、机器人灵活手基本力学原理 （ 一） 什么是机器人灵活手。
图 1 四指灵活手示意图
灵活手，即多指机械手，基于三个手指以上，多于九个自 由度，设计原理是以模仿人手的关节，手指形状为外形基础， 通过对抓持受力进行分析，从而设计出的酷似人手的机械手 指型机器人末端执行器。一个四指灵活手示意图如图 1 所示， 可将人手的关节以微型电机代替实现多个灵活度。图 2 所示 为五指灵活手的实体图，其外形已经酷似人手，如加以人工皮 贴在手指与手掌，从而实现仿真机械手的外表和功能。
用要求。此蛇簧联 轴 器 为 挠 性 联 轴 器，其 弹 性 好、缓 冲 减 震
能力强、工作可靠、承载能力大，具有较好的补偿综合位移的
能力，对所连两轴 的 径 向 和 角 度 方 向 都 有种结构先进的金属弹性联轴
器，它以蛇形弹簧 片 轴 向 嵌 入 两 半 联 轴 器 的 齿 槽 内 ，来 实 现
器由 普 通 膜 片 式 联 轴 器 更 换 为 新 梅 花 联 轴 器 LM6
55* 110* 30* 56*
814（
主电机用）
，LM6
48* 110* 30* 56*
14 8
（
备用电机用）
。
传动 轴 联 轴 器 由 安 全 销 式 刚 性 联 轴 器 更 换 为 JS12
120* 130*
212* 252*
3322蛇簧联轴器。目前，主电机和备用电机热继保
护设定值满足热继保护要求，无需设定值变更。
（ 三） 技改后新式联轴器的特点。鼓网传动轴最高转速
为 10. 7r / min，转矩最大为 14 707N. m，新蛇簧联轴器许用转
速为 1 800r / min，公称转矩为 18 000N. m，完全满足现场使