仿人灵巧手的结构设计论文
浅析多指仿生灵巧手结构设计
DOI:10.19392/ki.1671-7341.201814001浅析多指仿生灵巧手结构设计陈玉瑜㊀权㊀洁常州纺织服装职业技术学院㊀江苏常州㊀213164摘㊀要:多指仿生灵巧手可以在人手无法操作的环境中灵活㊁准确㊁精细的完成一系列动作㊂本文分析了多指仿生灵巧手在设计过程中的关键技术和手指机构的传动方案,概述了灵巧手的应用和发展趋势㊂关键词:灵巧手;结构设计;关键技术中图分类号:TP241㊀文献标识码:A㊀㊀多指仿生灵巧手是一种集机构㊁驱动㊁传感和控制为一体的机器人系统,具有通用性强㊁感知能力丰富㊁操作灵活等优点,可在日常或极限环境下代替人手执行多种操作㊂1应用多指灵巧手采取仿生学原理,由多个拥有2~3个回转关节的手指组成,每一个关节的自由度都是独立控制的㊂因此,它可以模仿人手完成设备操作㊁维修㊁装配等各种复杂的动作㊂它可以在深海㊁太空航天器的舱外㊁自动化生产线㊁核电站㊁化工厂等危险㊁恶劣的工作环境下从事探测㊁取样㊁装配㊁修理等作业;此外,在工业生产中,大量的重复动作可以让灵巧手准确的复现,大大提高工作效率,减少人力成本㊂2设计的关键技术通过研究人手结构,分析国内外多指仿生灵巧手的研究成果,灵巧手的设计从宏观来看,应该在以下几个方面研究㊂2.1手指的设计分析人手结构发现,人类的五个手指除了拇指,其余四指结构大致相同,所以可以进行模块化设计,即重点设计其中某一手指,别的手指可以在其基础上做尺寸上的调整㊂拇指最灵活,人手的大部分动作都是依靠拇指与其他手指的配合来完成的,所以拇指的设计也较其他手指复杂㊂2.2传感器设计触觉是人手与外界接触的主要途径,而触觉传感器是仿生灵巧手感知外界的重要介质,所以触觉传感器的设计至关重要,它的优劣在很大程度上影响和决定着灵巧手的功能实现㊂2.3控制系统研究为了使多指仿生灵巧手的尺寸和重量达到人手水平,在设计控制系统时,要通过优化算法㊁合理建模等方法尽量压缩结构尺寸,将控制系统嵌入手的内部㊂3设计的基本原则设计多指仿生灵巧手需要根据用途确定其功能要求和设计指标,用途不同带来的设计结果存在很大的差异㊂在设计的时候可根据不同的工作环境和工作要求,制定不同的设计方案,在满足实际功能指标的基础上,尽量追求结构的灵巧性㊁美观性㊁紧凑型和通用实用性㊂4手指机构的传动方案设计4.1关节运动的驱动方式多指仿生灵巧手根据其关节运动驱动机构来分,一般有两种:(1)旋转驱动方式㊂旋转驱动方式的动力来源一般是各种型号的电机和舵机,使用这种驱动方式的灵巧手机械结构简单,动作十分灵敏,控制较为方便㊂但是驱动设备一般体积较大,而且受驱动设备性能参数的影响,一般抓取力量较小,在工程应用中较少㊂(2)直线驱动方式㊂直线驱动方式的动力来源较广泛,目前应用较多的有液压系统㊁气压系统㊁直线电机等等㊂动力来源不同,机械手尺寸与力学性能也有较大差别㊂液压驱动机械手一般抓取力较强,是目前力学性能最好的机械手,但是采用液压驱动的机械手一般重量与体积都比较大,而且液压控制系统的反应速度较低,所以其机械手的灵敏性和灵巧程度受到了很大的影响㊂而气动机械手较液压驱动机械手,其力学性能上有一定的差距,但是气动系统通常体积较小,安装方便,同时又能够保证整个机械手具有足够的灵巧程度与灵敏性,所以,对于小型仿人手机械手,这种驱动方式更能够发挥其作用㊂4.2关节运动的传动方式为保证传动结构紧凑并实现所需求的手指运动功能,常用的传动方式有如下三种㊂(1)绳轮传动㊂绳轮传动机械结构简单,能实现多个自由度,能传递远距离的两关节之间的运动和动力,也能较好的满足灵巧手机械结构上的要求,并且加工方便㊁传动平稳㊁无噪声㊁无振动和冲击㊁耐用性强㊂但是这种传动方式不能提供较大的抓取力度;绳索容易变形,使用时间长了,绳索会变松弛,将会带来较大的运动传递误差;并且绳索只能受拉,不能受压,实现回程将会很困难;所以在应用上受到了一定的限制㊂(2)链条㊁钢带传动㊂链条㊁钢带传动也是远程驱动的手段之一,与绳轮传动相比,刚性高,可以传递较大的输出,但设计上的限制也很大㊂(3)闭式链连杆传动结构㊂仿生灵巧手指各关节之间的距离不是很远,所以也可以运用连杆机构传递运动和动力㊂手指机构采用开环的串联三连杆机构,再添加一些自由度为零的杆组,就可以构造出闭环连杆机构,通过这一闭环连杆机构可以把手指根部的运动和动力传递到各个关节㊂这种传动方式提升了灵巧手的机械性能,但是增加了灵巧手的复杂程度㊂5发展趋势随着仿人机器人的发展,研发多指仿生灵巧手具有重要的理论和实践意义㊂机器人学的发展方向始终是高度仿人形,机械手发展的最高目标是高度仿人手㊂(1)要使灵巧手高度仿人手,两者具有1:1的对应关系㊂首先要在外形尺寸㊁结构,手指数量㊁感觉,抓取功能等方面达到人手的程度㊂这样它就能真正成为人手的延伸或替代,方便而准确地抓取物体㊂同时,灵巧手结构和重量的日益亲民化,控制的日益智能化也为灵巧手成为残疾人假手提供条件㊂(2)考虑到双手协作不仅能简化某些操作,还可能扩大手的作用,双手的协作必将成为发展趋势㊂但是要实现双手协作问题,双手必须能够实现即时通信,所以就需要研究设计一套完美的通信系统㊂(3)多指仿生灵巧手将被广泛地运用到工业实际中,面向产业化应用,灵巧手技术将得到进一步深入发展㊂参考文献:[1]张玉茹,李继婷,李剑锋.机器人灵巧手 建模㊁规划与仿真[M].机械工业出版社,2007.4.[2]张涛.机器人引论[M].机械工业出版社,2016.11.基金项目:常州纺织服装职业技术学院学术科研基金项目(CFK201508)作者简介:陈玉瑜(1979-),女,甘肃靖远人,硕士,讲师,常州纺织服装职业技术学院机电工程系,主要从事机械设计和数控技术的教学科研工作;权洁(1987-),男,江苏徐州人,硕士,助教,常州纺织服装职业技术学院机电工程系,主要从事机械设计和机械制造的教学科研工作㊂1㊀科技风2018年5月科技创新. All Rights Reserved.。
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。
腱绳驱动仿人灵巧手运动分析
NEW PRODUCT NEW TECHNOLOGY0 引言伴随着工业及科技领域的蓬勃发展，中国对航空航天、核工业等战略性产业愈加重视。
在这些工业场景中，工作人员通常需要在极端、危险的条件下进行作业，对人身体健康会产生较大危害。
为此，可替代技术人员进入此类极端工业场景完成复杂工作任务的智能机器人应运而生，其末端执行器的选择直接影响了机器人的工作效率。
作为结合了仿生学新型末端执行器[1，2]的灵巧手，拥有灵巧性高、适应性强、可完成多种不同类型的复杂操作等优点，成为近年来机器人领域研究的热点。
仿人灵巧手可分为全驱动仿人灵巧手和欠驱动仿人灵巧手[3-7]2类。
针对欠驱动灵巧手的发展和研究，美国宇航局（NASA）对在航天领域应用的空间机器人研制了早期最为经典的一种欠驱动灵巧手Robonaut Hand[8]，此后又与通用汽车合作对上一代灵巧手进行优化研制了第二代Robonaut Hand。
Catalano M G等[9]研制了PISA/IIT SoftHand，这种手仅用单一舵机驱动整个具有19个自由度的灵巧手，其很好地利用了腱绳驱动方式的优势，为腱绳驱动灵巧手提供了思路。
徐昱琳等[10]研制的SHU-Ⅱ采用轻质腱绳驱动并将6个直流电动机内置于手掌，其中5个电动机分别控制各手指弯曲运动，余下的1个电动机控制拇指侧摆，具有较大的运动抓取空间。
基于此，本文设计了一种腱绳驱动仿人灵巧手，先对其进行运动学分析，再求出其雅克比矩阵，分析手指动力学性能和运动空间，为仿人灵巧手提供控制依据和理论。
1 仿人灵巧手的总体设计本文灵巧手依据人手作为仿生对象，根据人体手部腱绳驱动仿人灵巧手运动分析王峥宇1 张 立1 陈耀轩1 梅 杰1，2 陈定方1，21武汉理工大学交通与物流工程学院 武汉 430063 2武汉理工大学智能制造与控制研究所 武汉 430063摘 要：针对在极端环境下代替人工进行作业的需求，文中设计了一种由腱绳驱动的灵巧手作为高效机器人末端执行器。
人机工程学论文：人机工程学五指灵巧手运动学分析运动轨迹空间仿真
人机工程学论文：基于人机工程学的虚拟人手的模型建立及运动学仿真【中文摘要】随着工业的发展,机器人得以广泛的应用。
作为机器人的一重要组成部分,多指灵巧手因其具有极强的功能和通用性能完成各类复杂的作业,如化工生产、机械制造、核电维修、医疗手术等。
因此,高性能的通用性灵巧手成为当今国内外的研究热点。
本文在分析国内外多指灵巧手的研究现状基础上,设计出了一种新型的五指灵巧手,并对其进行了正逆运动学建模,最后对其运动轨迹空间进行了仿真。
首先,对人手的生理结构进行了重点分析并建立了人手的3D模型,该虚拟手具有两大创新点：一是手指和手掌的结构尺寸与人手实际统计下的平均尺寸一致；二是手指不仅能实现伸屈功能,同时也可作左右的收展运动。
针对仿生人手存在尺寸过大、运动性能与人手实际运动性能差别明显这一问题,基于人机工程学,本文采用实际测量与理论分析相结合的方法得到人手的结构尺寸及运动参数,设计了可伸屈和收展的拇指、食指、中指、无名指和小指。
用Pro/E软件对各手指及手掌进行了建模和装配,实现了人手自然状态、张开、正握和侧握运动仿真。
其次,对虚拟人手进行了运动学分析,采用D-H矩阵变换方法,建立了虚拟五指灵巧手的正逆运动学模型,正逆运动学模型验证结果表明：以食指为代表的四指和拇指的运动学模型...【英文摘要】With the development of industry, robots are widely used. As an important part of the robot, because of itsstrong function and general properties,the dexterous hand can complete various kinds of complicated tasks such as productionin the chemical industry, machinofacture,nuclear power maintenance,medical operation and so on.Therefore,high-performance general dextrous hand becomes the hotspot of researchers from home and abroad.Based on the analysis of researches on dextrous hand from home and abroad,this...【关键词】人机工程学五指灵巧手运动学分析运动轨迹空间仿真【英文关键词】ergonomics five-finger dextrous hand kinematical analysis trajectory space simulation【索购全文】联系Q1：138113721 Q2：139938848 同时提供论文写作一对一辅导和论文发表服务.保过包发。
仿人四指灵巧手的抓持能力分析
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三指仿人灵巧手轨迹规划及仿真研究
巧操作 ， 其三个手指的末端必须根据所操作对象按一 定的轨迹运动到指定的位置。轨迹规划对灵巧手任
务空 间作业 的精度 、 效率和 安全 性 以 及 关 节 空 问运 动
的平 滑 性 和 快 速 性 具 有 至 关重 要 的 意 义 … 。 笔 者 对
三指灵巧 手手指在 其工作 范 围 内 的 轨 迹 规 划 及 其 仿真进 行研究 。所研 究 的 图 １ 灵 巧手 的整体结构 三指灵巧手如图 １ 所示 。
ｗ ｉｈｇｔ ｙｆ ｅｐｌ ｏ ｉ ｔ ｐｌ ｉ ｓ ｒ ｓ ｏｔｅ ａ ｅ ｒ ｎ ａ ｒｖ ｅａｃｒｃ ｆｒ ｅｔ ｌ ｎｎ ． ｈｃ ｅ ｂ ｖ ｏｙ ｍ ａ ｉ ｅ ｏ ｔ ｎ ｅ ｍ ｈ ｒｈｎｂｆ ａｄｃｌｉ ｏ ｅｔ ｃｕａｙｏ ａ ｃ ｒ ｐａ ｉｇ ｉ ｎ ｌｎ ｒ ａ ｏ ａ ｔ ｏ ｅ ｌｍｐ ｈ ｔｊ ｏ ｙ ｎ
有 稳定 性 的运 动算法 以实现对 灵 巧手 的控 制 ， 手 指 各 轨 迹 的规 划就 是规 划各 个关节 位 置 、 度 和加速 度对 速 时间 的运 动 规 律 ， 它是 机 器 人 学 中重 要 且 复 杂 的 问 题 。机器人 学轨 迹规 划属 于机 器人 底层 规划 ， 本上 基 不 涉及人 工智 能 问题 ， 是在 机器 人运 动学 和动 力学 而 的基 础上 ， 讨论 在关 节空 间和 笛卡尔 坐标 系空 间 中机 器人运 动 的规划 和 轨 迹 生成 方 法 。 轨迹 规 划 是 机 器
结 合上 海学 科 高 地项 目—— 智 能 移动 读 书 机 器
人机械灵巧手的动作需求设计出如图 ｌ 所示 的灵 巧 手 。该 三指灵 巧 手 由手 指 和手掌 组成 ， 手指部 分 由拇 指 、 指及 中指组 成 。 食 该灵巧手结构主要创新点： ①使用交叉腱牵弓使 ｆ 各个关节弯曲， 使用弹性元件使远指关节在放松时恢 复初始状态 ， 这种驱动方式极大地降低了系统的复杂
气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的结构设计_彭光正
第26卷 第7期2006年7月北京理工大学学报T ransactions of Beijing Institute of T echnolog y Vol .26 No .7Jul .2006 文章编号:1001-0645(2006)07-0593-05气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的结构设计彭光正, 余麟, 刘昊(北京理工大学信息科学技术学院自动控制系,北京 100081)摘 要:研究一种气动人工肌肉驱动的多指仿人灵巧手的结构设计.通过分析正常人体解剖学,针对人类手掌的外形结构、驱动形式及运动规则,设计了一种5指仿人灵巧手.该灵巧手有5个手指、19个自由度,在外观和功能上与人手接近;手指采用气动人工肌肉驱动,以柔索传动.实验结果表明,该仿人灵巧手具有很好的柔顺性,并且整体外形和手指关节的运动范围均能达到拟人的效果.关键词:灵巧手;人工肌肉;仿生学中图分类号:T P 242 文献标识码:AStructural Design of a Dexterous Hand Actuated byPneumatic Artificial MusclePENG Guang -zheng , YU Lin , LIU H ao(Department of Automatic Control ,School of Info rma tio n Science and T echnology ,Beijing I nstituteof Technology ,Beijing 100081,China )A bstract :A structural devise of a dexterous hand w ith multi -fingers driven by pneumatic artifical mus -cle is introduced .By studying the shape ,structure ,driving -model and the rules of movement of hu -man hand from anthropotomy ,a dex terous hand close to a hum an hand in structure and functions w ith 5fingers and 19DOFs is desig ned .Ex peimental results show that the adoption of pneumatic artifical muscle and artifical tendons makes it mo re flexible .Besides ,this so rt of dex terous hand can match upw ith the effect of personification both in ex ternal shape and the range of movement .Key words :dexterous hand ;pneumatic artificial muscle ;bionics 收稿日期:20051229基金项目:国家自然科学基金资助项目(50475163)作者简介:彭光正(1964-),男,教授,博士生导师,E -mail :s mcpeng @bit .edu .cn . 机器人灵巧手是一个高度集成化的机电系统,涉及机械、电子、计算机、控制等多个学科领域.20世纪80年代以来,由于气动人工肌肉技术的发展,将气动人工肌肉作为机器人的驱动装置越来越受到研究者的注意,具有代表性的是英国Shadow 公司研制的人工肌肉驱动的人工假肢[1].将人工肌肉运用于灵巧手的设计,可以使灵巧手更接近于人手.在国家自然科学基金资助下,作者对人工肌肉驱动特性做了大量的研究工作,设计出了气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手,并对气动肌肉手指关节做了实验.1 仿人灵巧手驱动的选择驱动系统是机器人灵巧手的重要组成部分,用以产生运动和力,对系统的性能和操作能力具有决定性的作用.到目前为止,绝大多数多指灵巧手采用电机驱动[2-3].但是电机输出功率和它的体积是一对矛盾.大功率电机体积大,不便于集成在灵巧手中,减速和力矩传递也是个难题.体积小的电机输出功率不够,难以提供给手指关节足够的握持力.气动人工肌肉(PMA )结构简单、紧凑,在小型、轻质的机械手开发中具有突出优势;它的高度柔性使其在机器人柔顺性方面很有应用潜力;它安装简便、不需要复杂的机构及精度要求,甚至可以沿弯角安装;无滑动部件,动作平滑,响应快,可实现极慢速的,更接近于自然生物的运动;同时,它还具备价格低廉、输出力/自重比高、节能、自缓冲、自阻尼、防尘、抗污染等优点,所以在灵巧手的设计中采用PMA 驱动的方式.在实际应用中一般使用成对的PMA 构成各种形式的驱动关节,其驱动力靠相互抗衡的一对PMA 的压力差产生,不用减速机构,可以直接驱动,也可以将其中一只PMA 用弹簧代替.2 整体结构设计灵巧手的整体结构采用一体化设计,将驱动手指的人工肌肉放置于前臂,驱动手腕的人工肌肉放置于上臂,通过人造腱来传递动力和运动,加强了仿生的效果,同时可以有效地减小手掌和手指的体积和质量[4].所设计的仿人灵巧手外形如图1所示.图1 仿人灵巧手外形图Fig .1 A figure of the dexterous hand作为仿人机械手,所设计的灵巧手有5根手指.虽然4指灵巧手,甚至3指灵巧手同样能出色地完成抓取动作,但是5指灵巧手能更好地完成抓取动作,使得抓取控制更简单.抓取物体时,每个手指所负责的任务就不必划分得十分明确,控制算法自然会比较简单[5].驱动装置采用英国Shadow 公司的Mckibben 型气动人工肌肉,传动方式采用人工腱传动.所有手指由柔索驱动,而人工肌肉则固定于前臂上,柔索穿过手掌与人工肌肉相连(图2).驱动手腕动作的人工肌肉固定于大臂上.图2 气动肌肉安装位置示意图Fig .2 Fixing of PM A采用一对气动人工肌肉驱动.每根人工肌肉直径6mm ,长150mm ,质量10g ,最大拉力达70N .灵巧手有5根手指,不包括腕部在内一共有17个自由度(图3).其中拇指4个关节,4个自由度;食指4个关节,3个自由度;中指4个关节,3个自由度;无名指4个关节,3个自由度;小指5个关节,4个自由度,一共由34根气动人工肌肉驱动.腕部2个关节,2个自由度,由4根气动人工肌肉驱动.除拇指外,4指远端的2个关节采用机械耦合,使2个自由度合并为1个,即减少了驱动器的数量,同时又使得手指的运动更像人类的手指[6].图3 灵巧手自由度示意图Fig .3 DOF of the dexterous hand灵巧手由手掌、手指组成(图4).手掌由3部分组成:拇指掌骨、中间掌、小指掌骨,其中中间掌是食指、中指和无名指掌骨的合并掌.这一简化设计使得灵巧手的机械结构简单,同时提供了一个传感器信号调理电路的空间,而且它不会影响整个手的仿生运动.5根手指分别是拇指、食指、中指、无名指和小指,其中食指、中指和无名指在结构和长度上均相同,小指与其它3指相比,结构相同,长度略短.当5指伸直且4指平行时,中心线间距20mm ,给佩戴人工皮肤留下足够的空间;拇指与食指呈20°角.拇指有4个关节:拇指指间关节、拇指掌指关节、拇指腕掌关节,其中拇指腕掌关节设计为拇指远端腕掌关节和拇指近端腕掌关节.拇指远端腕掌关节实现拇指横向摆动,拇指近端腕掌关节实现拇指靠掌运动,它们共同作用实现拇指腕掌关节的功能,即将实际594北京理工大学学报 第26卷关节在两个自由度方向分解并分别设计;其它4指均有4个关节:远端指间关节、近端指间关节、指掌关节、横向摆动关节,其中指掌关节和横向摆动关节共同作用实现指掌关节的功能.图4 灵巧手背面与正面示意图Fig .4 Back and palm of the dexterous hand 拇指远端腕掌关节横向摆动范围为0°～60°,4指指根横向摆动关节运动范围为-15°～+15°,其它关节运动范围均为0°～90°.灵巧手的尺寸与人类的手接近,如表1所示.表1 灵巧手主要尺寸表Ta b .1 Main size of dexterous handmm拇指食指中指无名指小指掌宽掌长掌厚80106106106879090203 手指的结构设计3.1 设计思想目前灵巧手手指的设计有两种主流设计思想,即内骨骼设计和外骨骼设计.外骨骼设计的手指外部只能安装很薄的用于增加摩擦力的橡胶皮,用于柔性接触的厚衬垫只能装于手掌上,而且难于安装触觉传感器;内骨骼设计有利于安装触觉或力传感器以及柔性衬垫.仿人灵巧手采用内骨骼设计.肌腱是人手实现运动的关键.仿照人类手指的自然设计采用两条PMA 驱动一个关节,一根PMA 的收缩力通过柔索传到手指腹面,做屈指运动,另一根的PMA 收缩力通过柔索传到手指背面,做伸指运动.人手的肌腱穿过附着于骨骼上的内部具有润滑脂的腱鞘,腱鞘具有很好的弹性,在骨骼弯曲时具有良好的适应性,最大限度地减少了关节连接处的部件.在仿人灵巧手的设计中运用了这种思想,所有的柔索(人工腱)均带有腱鞘,靠腱鞘的柔性变形来适应各种弯曲,使柔索能顺利地将人工肌肉的运动从小臂传递到手指上.在灵巧手的设计中,采用橡胶软管作为柔索的腱鞘,以减少关节旋转给柔索带来的摩擦.3.2 设计结构拇指是最灵活的手指,其外形如图5所示.图5 拇指外形图Fig .5 Figure of the thumb拇指的结构如图6所示,可以看到,拇指由远端指节骨、近端指节骨和拇指侧掌骨构成.在5指并拢时,拇指指肚与手掌掌心面成45°,4指指肚与掌心面平行.这样设计的好处是,在抓取物体时,拇指可以用正面来接触物体表面,可以更好地传递力,使触觉传感器更好地反馈接触面上产生的信号;另一方面也符合人手的形状[7].图6 拇指的结构Fig .6 S tructure of the thumb拇指远端腕掌关节实现拇指横向摆动,拇指近端腕掌关节实现拇指靠掌运动,它们共同作用实现595第7期 彭光正等:气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的结构设计拇指腕掌关节的功能.人手拇指腕掌关节是一个可以绕2个自由度方向转动的关节,而所设计的拇指腕掌关节将实际关节在2个自由度方向分解并分别设计,这样既降低机械结构的复杂性,又能实现所需的功能.拇指远端腕掌关节横向摆动的范围在0°～60°之间.如果加上拇指伸直时与4指的20°夹角,可以做到几乎垂直地竖起大拇指,这样设计的目的可使灵巧手更像人手,做出像张开5指、竖起大拇指等动作.第1指节与第2指节之间由滑轮与轴承连接,构成拇指指间关节,驱动该关节的柔索在第1指节的滑轮上缠绕2到3圈,起到固定的作用(图7),并向后穿过第2、第3指节以及手掌和手腕,最后与固定于小臂上的人工肌肉相连.拇指上其它关节的驱动方式同拇指指间关节的驱动方式,每个关节由一对人工肌肉驱动.图7 指关节柔索驱动示意图Fig .7 Finger joint driven by flexible rigging其它4个手指均各有4个关节,3个自由度.这4个手指采用相同的结构,只是小指在长度上比食指、中指及无名指短一些(图8).图8 其它4指外形图Fig .8 A figure of the other fingers以中指为例,共有远端指骨间关节、近端指骨间关节、掌指关节以及横向摆动关节4个关节.人类手指的掌指关节有2个自由度,所以近端的2个关节实际上是对人类手指的掌指关节的分解.远侧2个关节由柔索实现联动,有1个自由度.其它关节各由一对人工肌肉驱动,各有1个自由度.其中横向摆动关节的自由度用于实现手指的横向摆动,它与指掌关节的转轴是相互垂直的,可以使指端在空中画圆.在日常生活中人们都有这样的经验,在没有外力作用的情况下,手指远侧的两个关节几乎不可能独立运动,它们在弯曲或伸直过程中,两个关节转角存在着某种联动关系.在仿人灵巧手的设计上(图9),绕R 1的柔索固定在中指节骨上,绕R 2的柔索固定在远指节骨上,R 3固定于近指节骨上,当人工肌肉产生X 1方向上的形变量时,柔索带动R 2即近端指间关节转动产生θ1角度.R 3是通过轴承和R 1同轴的,它不随R 1转动,实际上可以说R 3根本不转动,它只是提供一个比较光滑的柔索通道.R 3轴和R 2轴通过交叉型的柔索串联起来,所以,当近端指间关节转动时,交叉型柔索在R 3上的切点会相对于原来的位置发生移动,从而带动R 2即远端指间关节转动θ2角.图9 单个手指运动示意图Fig .9 M ovement of a finger仿人灵巧手的抓取动作是靠整只手来完成的,手指、手掌都会参与到这一动作中.考虑到掌骨和腕掌关节在抓持物体时起到重要的作用,在拇指和小指侧各设计有掌骨,由此带来的腕掌关节使得灵巧手的动作更加丰富,在对物体包围抓握时可以与物体贴合得更好些,有助于手中所抓物体的稳定,物体不会轻易从手中滑落.食指、中指和无名指近侧的掌骨被设计成一个整块,构成了手掌,并且可以提供安装传感器信号调理电路的空间.图10 柔索在手掌中的布局Fig .10 Tendons in palm4 柔索的布局手掌内部主要包含柔索挡件,它们用于连接并支撑手掌上下2片,起到限制柔索的活动范围、引导柔索走向的作用(图10).596北京理工大学学报 第26卷5 结 论仿人灵巧手在设计上尽量体现了仿生的要求,其外形小巧,结构简单.由于采用气动人工肌肉作为驱动装置,该手具有很好的柔顺性.针对所设计的机器人灵巧手,建立了以工控机为核心的控制系统,采用SMC公司ITV0050比例阀控制每根肌肉的动作,对手指的驱动进行了实验.实验结果表明采用一对气动人工肌肉驱动手指关节是可行的,而且关节联动部分的设计是可行的,此种灵巧手在外形和手指关节的运动空间方面达到了拟人的效果.参考文献:[1]W alker R.Shadow dextrous hand technical specifica tio n[M].London:The Shadow Robot Company,2005. 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服务机器人仿人灵巧手设计
服务机器人仿人灵巧手设计左骏秋;张磊;金志鹏;喜冠南;孙小刚【摘要】The current humanoid dexterons hand is problematic, of whichthe cost is excessive and the struc-ture is complicated, which results in that it is not conducive to the operation of service robots and market ex-pansion. Based on this, we propose a simple humanoid dexterous hand design. The program, only designs three fingers, and each finger has three degrees of freedom, applies one motor-driven under-drive mode. The finger joints are transmitted by interleaved steel belt, which guarantees each of them can rotate at the same time. The design of this simple humanoid robot hand not only ensures the realization of humanoid movements, but also saves spaces and costs, with simple but compact structure.%目前设计的仿人灵巧手存在成本过高、结构复杂等问题，不利于服务机器人的动作实现与市场拓展。
基于此，提出一种简易的仿人灵巧手设计方案。
该方案中，仅设计了三根手指，每根手指三个自由度，采用了电机驱动的欠驱动方式，手指每个关节间由交错式钢丝带传动，达到了关节同时转动的设计要求。
仿人灵巧手的结构设计与单指的控制策略
［ e（ k ） － e（ k － 1 ） ］ ｝ 当 e（ k ） ＞ ε 时， PD 控制算 即 β = 0， 进行 PD 控制，
u （ k ） = K p e（ k ） +
{
TD ［ e（ k） － e（ k － 1） ］ T T e（ j ） + TI ∑ j =0
k
}
图3
灵巧手手指结构图
在加工出灵巧手指后， 进行实验发现关节处存在 ， 其型号 较大的摩擦力 因此在设计中又加入凸缘轴承， 为 618 /4 ， 减少关节运动时的摩擦力使控制精度更高， 减少磨损和噪音。其中在关节处各有 0. 5 mm 的间隙 用来消除加工误差和安装误差表 1 所示为手指各关节 尺寸表。
SMA人工肌肉柔性仿人灵巧手的设计与实验研究
(2)柔性手指驱动模块运动学及热力学的建模与仿真。基于SMA 相变动力学建立柔性手指驱动器的运动学模型,并通过 MATLAB/Simulink仿真分析SMA丝数量、驱动层与恢复层距离等 结构参数对于手指弯曲性能的影响,以确定最佳参数优化结构设 计。
利用COMSOL Multiphysics对手指柔性驱动器进行热力学建模与 仿真,分析了 SMA丝工作过程中的热量传递状况及热积累现象, 并对比了不同材料弹性板的散热性能,结果表明弹簧钢散热效果 最佳,故新型手指驱动器中采用弹簧钢作为恢复层弹性板;针对 实验室之前提出的水循环冷却系统,通过热场与流场耦合建模结 合相关实验验证了该冷却系统的冷却效果。(3)柔性仿人灵巧手 的性能测试及相关控制策略。
(4)仿人灵巧手力/位性能优化方案。针对柔性灵巧手力/位输出 不易控制的现状,依据人体骨骼肌的组成原理,提出了直线式人 工肌肉矩阵的设想。
对该方案进行了相关实验验证,结果表明人工肌肉矩阵的力位输 出存在着明显的位移与力的叠加输出现象,这也证明了人工肌肉 矩阵的有效性即可以独立且可控地实现力/位移的分阶输出。最 后在此基础上建立了相应的矩阵控制策略。
SMA人工肌肉柔性仿人灵巧手的设计与 实验研究
Hale Waihona Puke 机械手作为机器人的末端执行装置,一直是机器人领域研究热点 之一。随着应用需求的提升和新材料与新工艺的兴起,柔性仿人 灵巧手渐渐得到科研工作者的青睐。
相对于传统机械手而言,柔性灵巧手采用了柔性材料制作其支撑 及包裹组织,并利用新型智能驱动材料模拟人肌肉的运动,因此 柔性灵巧手更加轻巧、美观、安全和灵活。本文依照人手仿生 学原理,采用形状记忆合金丝作为人工肌肉设计和制作了一款外 形具有高仿真性、动作具有高逼真性且工作稳定、寿命长、成 本低的柔性仿人灵巧手系统,开展的主要研究和取得的成果如 下:(1)柔性仿人灵巧手的仿生学研究及其结构设计。
仿人机械手的结构设计与现实意义
仿人机械手的结构设计与现实意义1. 引言仿生学是一门研究如何从生物体中获取灵感，将其应用于工程设计中的学科。
通过模仿生物体特点，研究开发出的仿生机器人已经在许多领域得到广泛应用。
本文将介绍仿人机械手的结构设计和它在现实生产中的重要意义。
2. 仿人机械手的结构设计仿人机械手的结构设计往往会采用人类手臂的基本结构和原理，以达到类似人类手臂的功能。
它通常由肩部、上臂、肘部、前臂和手掌等部分组成，每个部分都连接有多个关节，通过电机和传动机构来实现运动。
2.1 关节仿人机械手的关节和人类手臂的关节类似，都是通过运动轴实现关节旋转。
在仿人机械手中，旋转轴通常采用伺服电机或步进电机来驱动。
机械手的关节数量和类型会根据具体应用而有所不同。
2.2 结构材料仿人机械手的关键部分，如手掌和指节等通常采用高强度的合金材料，例如钛合金、铝合金和镁合金等，以保证机械手的耐用性和力学性能。
3. 仿人机械手的应用3.1 制造业仿人机械手在制造业中得到了广泛应用，特别是在汽车和电子产品生产领域。
由于机械手的执行速度和精度比人类还要高，它们可以在更短的时间内完成更多的工作，从而提高生产率和质量。
3.2 医疗仿人机械手也在医疗领域得到了广泛应用。
例如，在微创手术中，医生可以通过控制机械手完成手术操作，减少手术侵入性，从而加快患者康复。
3.3 航空航天在航空航天领域，仿人机械手通常用于太空站和卫星的维护。
由于机械手能够自主完成许多任务，因此可以减轻航天员的负担，从而减少任务时间和风险。
3.4 军事在军事领域，仿人机械手被广泛应用于救援、排除危险物品和炸弹拆除等任务。
由于机械手操作不受外界因素的影响，因此可以大大降低任务风险。
4. 结论随着人工智能技术的不断发展，仿人机械手将会在更多的领域得到广泛应用，从而创造更多的商业机会和就业机会。
不断改进仿人机械手的结构设计和性能，是将来推进仿生学和机器人技术的关键，也是让我们更好地掌握未来的重要手段。
仿人机械手的结构设计与现实意义
仿人机械手的结构设计与现实意义随着人工智能、机器人技术的飞速发展，仿人机械手已经成为现代制造业中不可或缺的重要工具。
仿人机械手的结构设计非常精细，其现实意义也十分广泛，本文将从结构设计以及现实意义两个方面进行详细阐述。
一、仿人机械手的结构设计1.牵引系统：用于运动控制器向机械手臂供应动力，包括电机、轴、锥齿轮减速器和制动器等组件。
2.基础连接件：用于将机械手与生产线、传输机器人等机器连接起来，包括关节和支持结构等组件。
3. 运动关节：仿人机械手模拟人类关节运动原理，包括旋转、平移和转动等方式。
自旋及其它普通关节，是通过伺服动力驱动、减速器和闭环反馈共同完成自由度的控制。
4.执行手段：根据工件需求，结合利用机械机器人的自身特点，采用夹具或其他形式的执行器，用于夹取、定位或加工等操作。
5.传感器及其控制器：包括视觉传感器、触觉传感器和压力传感器等，用于控制机械臂的位置、角度、速度和力等进而完成工作。
二、仿人机械手的现实意义1.提高生产效率：仿人机械手在工业和制造业中的应用已经十分普遍，利用先进的技术手段，它可以适应多种任务，取代人类执行某些单调、重复且机械化的工作。
在生产过程中，仿人机械手可以实现快速、精准、无差异的生产，提高生产效率，降低生产成本。
2.安全保障：对于高温、高压、有害化学品等恶劣环境下的作业，人类很难进行操作。
仿人机械手可以在这些环境下稳定运行，从而最大程度保护人类的安全。
3.在医学领域的应用：仿人机械手在医学领域的应用也越来越广泛。
例如，在手术中，仿人机械手通过人类的视线、控制器和多个关节，可以完成无创手术，提高手术的准确性和成功率。
4.开拓人类未来：未来可能会有更多的机器人，它们将不断的接近和模仿我们人类，为我们服务。
随着科技的不断进步，仿人机械手将以更加精准的运动能力，为我们实现更多的服务。
仿人机械手在现代制造业中扮演着越来越重要的角色，它的精密结构和灵活的运作能力，使得它可以在不同领域发挥作用，给我们的生产和生活带来便捷和安全保障。
仿人机械手的结构设计与现实意义
科技视界Science&Technology VisionScience&Technology Vision科技视界0引言机器人技术的发展是一个国家高科技水平和综合能力的重要标志,而服务机器人是未来社会发展的必然产物,对于服务机器人的研究,尤其是仿人机器人的研究是具有巨大经济价值和历史意义的,其原因有两个:第一,世界老龄化进程的加快,尤其是中国也正进入老龄化社会,照顾老人问题即将成为一个严重的社会问题,而仿人机器人在解决这一社会问题中有着不容置疑的作用;第二,由于各种灾难和疾病造成的残障人士也逐年增加,他们需要越来越多的关心和照顾,如果采用专门的人力将严重增加社会的负担。
所以对于服务型机器人的研究,显得格外重要。
目前有很多服务型机器人,但是没有一个机器人可以像人一样有一双灵巧的手,完成只有人类才能实现的复杂动作,本课题就是针对这一问题从仿人机器人的机械手开始研究的。
1国内外发展现状与问题从1960年由通用电气公司设计制造的造型为两只手指的爪状物开始,为以后的各类机械手打下了基础,到现在为止美国的宇航局(NASA)、哈佛大学和耶鲁大学,日本的东京大学在机械手的研究上都取得了不小的突破。
我国机械手的研究比较晚但是也做了很多工作,国防科技大学[1]、哈尔滨工业大学[2]也研制出了多指灵巧手。
尤其是哈尔滨工业大学机器人研究所研制的“仿人型机器人灵巧手”,2006年5月亮相德国慕尼黑国际机器人及自动化展览会,以其精美的外观、可靠的软硬件系统等赢得了众多参观者的赞赏,并率先进入了国际市场。
由此可见,目前多数国家和企业高校都在对仿人机械手进行研究与设计,不过现在还存在一系列问题,例如:价格昂贵,实时性不理想,设备笨重,并且大都停留在实验阶段,这些都制约其在实际当中的应用。
2五指仿人机械手设计本文设计的五指仿人机械手具有的优势有:采用欠驱动控制方式[3],所以机械系统大大简化,机械手大小基本与普通人手大小一致,便于安装到各种服务机器人的移动平台上;同时每个手指都靠手指末端拉力进行运动,也就是说只需要一个拉力便可以实现机械手指的人类手指运动方式,结构紧凑、便于控制、动作灵活;材料可以采用塑料纤维进行加工实现,因此质量轻、价格便宜,易于普及;可以采用嵌入式的控制方式进行控制,处理速度快,响应时间短。
具有力位感知的仿人假手机构的研究
具有力/位感知的仿人假手机构的研究高度仿人化、体积小、重量轻、运动稳定、结构控制简单和操作灵活是多自由度残疾人假手的发展趋势。
本文结合国家自然科学基金重点项目“新一代仿人型残疾人假手系统及理论的研究”(项目编号:50435040),研制了达到国际领先水平的HIT-DLR新型仿人假手,并进行了手指的运动学和静力学的分析和验证,位置控制和实验研究。
研制的假手有5个手指,每个手指可以独立控制,各手指均有力/位感知功能;拇指在1个电机的驱动下,能够沿空间的锥面实现仿人抓握;假手的外形与人手十分相似,尺寸略小于男性成人手,总重约为420g。
本文首先综述国内外假手的发展现状,分析假手的发展趋势,在此基础上采用了基于耦合传动原理的设计方案,以解决假手体积和灵活性之间的矛盾。
在实验室原有假手的基础上,进行了一系列改进设计。
采用连杆机构实现手指的耦合;改进了各手指尺寸;设计了四指和拇指的结构,采用平面四杆和空间四杆相结合的机构设计了拇指的近指节,使拇指具有仿人化的空间运动轨迹;同时为了保证抓握不同物体的有效性和稳定性,使用ADAMS进行了仿真实验,给出四指和拇指的具体布置位置,设计了曲面化的手掌,在外观和运动形式上高度仿人化;并基于集成化的思想设计假手的本体结构,实现假手的机构、传感、驱动和微处理器系统的集成。
设计了基于应变测量的、可以互换使用的基关节力矩传感器,对力矩传感器进行了标定;设计了基于巨磁阻效应的、非接触测量的关节绝对位置传感器。
进行了食指连杆机构和运动学分析,完成手指耦合四连杆的参数设计,确定连杆的机构参数,对拇指近指节结构进行了运动学分析。
建立起假手三维模型,在ADAMS虚拟环境下进行了仿真验证。
建立假手单手指的静力学模型,给出抓握不同物体时驱动力矩和各指节受力之间的关系,并进行了ADAMS仿真验证。
最后,基于关节绝对位置传感器进行了PID位置控制,同时进行了假手的负载试验、抓取试验及疲劳试验。
仿人灵巧手的结构设计毕业论文
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 humanoid dextrous handAbstractThis thesis introduces the design and realization of a five-finger arm—and—hand mechani calsystem．Based on the demand of fuIfilling the task of holding irregular articles，the design of this arm．and—hand system combines the rotational structure and conne~ing rod．The fingerbinding engine and the finge卜balancing engine drive in 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 humanoid hand Basis．Keywords：five~nger arm—and—hand mechanical system；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 (2)1.3 关键技术 (4)1.3.1 小而强的驱动 (4)1.3.2 丰富的感觉 (5)1.3.3 聪明的大脑 (6)2.仿人灵巧手手指机构的传动方案设计 (7)2.1手指关节的传动方案设计 (7)2.2 仿人灵巧手的整体结构设计 (8)3.手指与手掌结构的设计与制作 (8)3.1 手指关节的设计与制作 (9)3.2 手指关节间连接机构的设计 (10)3.3 手掌的结构设计与制作 (11)3.4 手指基关节的机构设计与制作 (12)4.仿人灵巧手运动学模型 (12)4.1 灵巧手坐标系的建立 (12)4.2 灵巧手正运动学解 (13)4.3 仿人灵巧手动力学模型 (15)5.手指的虚拟样机建立与运动抓持仿真 (16)6.驱动系统的设计 (19)6.1电机的选用 (19)6.2控制系统的选择 (20)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。
Shadow仿人灵巧手动力学研究
Shadow仿人灵巧手动力学研究靳果;邱兵涛;韩枫【摘要】In order to to realize the real-time control of dexterous hand, the researches of the inverse problem of dynamics of dexterous hand are needed, so that the relationship between motion locus parameters and the required torque can be obtained. In this paper, the Shadow dexterous hand was studied, and the research conclusion of kinematics was referred to. By establishing the dynamic model, the dynamics of Shadow dexterous hand was studied in three respects:the finger link system, tendon transmission system and pneumatic muscles actuator. Finally the single finger dynamics equation of dexterous hand was derived.%为了实现对仿人灵巧手的实时控制，需要对灵巧手的动力学逆问题进行研究，得到运动轨迹相关参量与所需力矩的关系。
本文以Shadow仿人灵巧手为研究对象，参考灵巧手运动学的研究结论，建立动力学模型，分析Shadow仿人灵巧手的手指连杆动力学、腱传动系统动力学和驱动系统动力学相关问题，最后得到仿人灵巧手单指动力学方程，为灵巧手的仿真实验和实际应用提供了理论基础。
仿人型假手机构与单手指控制方法的研究
摘
要
摘
要
为了改善手部残疾人群的生活质量，仿人型假手的研制具有十分重要的 意义。本文结合国家“ 863 ”计划重点项目“高性能仿人型假手” （项目编 号： 2009AA043803） ，对仿人型残疾人假手结构本体进行了改进设计，基于 拆分基本杆组法对假手单手指进行了运动学和静力学分析，研究了假手单手 指力跟踪阻抗控制方法，并针对该方法做了仿真与实验研究。 首先分析了假手的国内外研究现状，并在此基础上总结了假手研制的基 本特点和发展趋势。分析了力跟踪阻抗控制的研究现状，并比较了几种力跟 踪阻抗控制方法的优缺点。 仿人型残疾人假手结构本体中，假手手指基于耦合连杆原理，每个手指 分别由一个电机驱动三个指节耦合运动。全手重 420g ，大小为正常成年人 手的 95% ，整个假手外观美观，小巧轻便。通过对假手结构本体进行改进 设计，提高了假手机构的强度和刚度以及零件定位和连接的可靠性。通过提 高假手电气系统的模块化程度，降低了假手的成本。 基于 Assur 杆组原理，采用拆分基本杆组法建立了假手单手指平面连杆 机构运动学和静力学的数学模型。利用 Matlab 编程计算完成了假手单手指 运动学和静力学分析，并采用 ADAMS 仿真验证了该方法的正确性。分析 结果一方面验证了假手手指各关节的耦合运动规律符合设计要求，另一方面 也为单手指控制方法的研究提供了依据。 为了克服传统的力 / 位混合控制在控制模式切换中不稳定的问题和普通 阻抗控制方法不能跟踪指定接触力的问题，进行了假手单手指力跟踪阻抗控 制方法的研究。控制方法包括带有自适应方法的阻抗控制器和基于时间延迟 估计（ TDE）的鲁棒位置控制方法，可以分别克服环境位置的不确定性和消 除手指动力学方程的不确定性。为克服手指动力学的不确定性，计算了在手 指运动过程中，手指平面连杆机构各构件相对于基关节轴的等效转动惯量， 从而确定了手指在运动过程中动力学方程中惯量项的下限。 最后，通过在 Matlab 的 Simulink 环境下建立假手单手指力跟踪阻抗控 制系统仿真模型，针对控制系统参数对力跟踪性能的影响进行了仿真研究。 通过假手手指实验检验了系统的力跟踪性能。仿真和实验研究结果表明，控 制系统可以克服环境位置的不确定性，具有较好的力跟踪性能。 关键词 ：假手；杆组法；力跟踪阻抗控制；自适应控制；鲁棒控制
含弧形自由度仿人灵巧手掌的机构设计
含弧形自由度仿人灵巧手掌的机构设计
黄建龙;王英光;朱伟;高艳雯
【期刊名称】《微计算机信息》
【年(卷),期】2007(023)008
【摘要】提出了一种人手掌的简化模型,根据该模型,设计了仿人灵巧手掌的机构,使得只作为仿人灵巧手手指及其控制部件机架的手掌形成弧形自由度参加手部动作,提高了仿人灵巧手通用性、灵活性和抓持物体的适应性.经优化设计和仿真,机构完全符合灵巧手进行运动时手掌的运动要求.
【总页数】3页(P251-253)
【作者】黄建龙;王英光;朱伟;高艳雯
【作者单位】730050,甘肃兰州,兰州理工大学机电工程学院;730050,甘肃兰州,兰州理工大学机电工程学院;730050,甘肃兰州,兰州理工大学机电工程学院;730050,甘肃兰州,兰州理工大学机电工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP24
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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 humanoid dextrous handAbstractThis thesis introduces the design and realization of a five-finger arm—and—hand mechani calsystem．Based on the demand of fuIfilling the task of holding irregular articles，the design of this arm．and—hand system combines the rotational structure and conne~ing rod．The fingerbinding engine and the finge卜balancing engine drive in 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 humanoid hand Basis．Keywords：five~nger arm—and—hand mechanical system；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 (2)1.3 关键技术 (4)1.3.1 小而强的驱动 (4)1.3.2 丰富的感觉 (5)1.3.3 聪明的大脑 (6)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 (9)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 (10)3.2 手指关节间连接机构的设计 (12)3.3 手掌的结构设计与制作 (13)3.4 手指基关节的机构设计与制作 (14)4.仿人灵巧手运动学模型 (15)4.1 灵巧手坐标系的建立 (15)4.2 灵巧手正运动学解 (16)4.3 仿人灵巧手动力学模型 (18)5.手指的虚拟样机建立与运动抓持仿真 (20)6.驱动系统的设计 (23)6.1电机的选用 (23)6.2控制系统的选择 (24)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Belgrade/USC手Stanford/JPL 手UTAH/MIT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。
续表1-1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。
在环境对象不确定的应用场合，没有接触信息反馈，很难想象灵巧手能完成任何任务。
从人的经验可以直接观察到触觉与手的灵巧性关系密切。
你如果有过手指冻僵的经历，就会体验到没有足够的触觉信息，人手会变得笨拙。
触觉传感器分为两类：力传感器和接触传感器。
力的测量方式有多种，测钢丝绳张力和手指关节力矩，可以分别采用1维力和力矩传感器。
也有复杂一点的3维力传感器测指端接触力大小和方向。