假肢用机械手的机构设计与运动学分析1
械手结构的设计和分析
机械手腕部的结构分析
机器手手腕的自由度数，应根据作业需要来设计。机器手手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，则机器手腕部的灵活性愈高，机器手对对作业的适应能力也愈强。
机器手手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法兰，结构上要便于装卸末端执行器。
机器手的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。
为了减轻机器手运动部分的惯量，提高机器手的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。
腰部结构要便于安装、调整。
机械手腰座结构的设计要求分析
机械手腰座结构的具体采用方案
腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或液压马达来实现，目前的趋势是用前者。因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。考虑到腰座是机器手的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。
直角坐标机器手结构
圆柱坐标机器手的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，这种机器手构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。其工作空间是一个圆柱状的空间。
圆柱坐标机器手结构
球坐标机器手的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，这种机器手结构简单、成本较低，但精度不很高。主要应用于搬运作业。其工作空间是一个类球形的空间。
03
机械手腰座结构的分析
腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。
腰座要有足够大的安装基面，以保证机器手在工作时整体安装的稳定性。
机械手臂结构设计与性能分析
机械手臂结构设计与性能分析机械手臂是一种能够模仿人类手臂运动的装置，并具有相应的人工操作能力。
由于其灵活性和精准度，机械手臂在工业生产领域得到了广泛应用。
机械手臂的结构设计是机械手臂性能的关键因素之一、一般来说，机械手臂的结构设计需要考虑几个方面的因素，包括机械手臂的工作范围和负载能力、机械手臂的自由度和轨迹规划等。
首先，机械手臂的工作范围和负载能力直接影响着机械手臂的应用场景。
机械手臂的工作范围一般通过伸展长度和工作角度来定义，而负载能力则通过机械手臂的臂长和关节扭矩来表示。
根据工作要求，可以选择不同长度和关节扭矩的机械手臂，以满足不同的工作场景。
其次，机械手臂的自由度直接决定了机械手臂的灵活性和动作范围。
机械手臂的自由度是指机械手臂能够独立控制的关节数量，通常是通过关节数量或者对应的旋转轴数量来定义。
较高的自由度可以使机械手臂在空间内进行更加复杂和灵活的动作，但也会增加机械手臂的复杂性和成本。
最后，机械手臂的轨迹规划是机械手臂性能的另一个重要方面。
轨迹规划的目标是使机械手臂在给定的起点和终点之间实现最优的路径，以最小化移动时间和能量消耗。
常用的轨迹规划方法包括直线规划、圆弧规划和样条规划等。
通过选择合适的轨迹规划方法，可以使机械手臂的运动更加平滑和高效。
除了结构设计之外，机械手臂的性能分析也是一个重要的方面。
机械手臂的性能评估可以从多个角度进行，包括精度、速度和稳定性等。
精度是衡量机械手臂执行任务准确性的重要指标。
通常，机械手臂的精度可以通过机械臂末端的位置误差和姿态误差来衡量。
较高的精度要求会增加机械臂的复杂性和成本。
速度是指机械手臂执行任务的快慢程度。
机械手臂的速度可以通过关节速度和末端速度来衡量。
为了提高机械手臂的速度，可以采用更高的电机功率和更有效的控制算法。
稳定性是指机械手臂运动时的平衡性和稳定性。
机械手臂的稳定性可以通过控制系统的设计和机械结构的刚度来提高。
同时，合理的负载分配和减震装置的应用也可以改善机械手臂的稳定性。
肢体康复训练机器人结构设计及运动学分析
肢体康复训练机器人结构设计及运动学分析刘相权【摘要】In order to meet the needs of rehabilitation training of limb disabled persons, a new type of rehabilitation training robot with good man-machine integration and modular design for limb is developed in this paper, which is mainly composed of three parts, the upper limb rehabilitation mechanism, the lower limb rehabilitation mechanism and the supporting frame component;Based on the motion principle of the lower limb, combined with the mechanism movement, the human machine model is established, which is the four link rigid body model of the planar closed loop hinge;On this basis, the kinematics analysis and simulation are carried out, and the variation law for the joint angle, angular velocity and angular acceleration of the lower limb changing with the crank angle is deduced;In order to keep lower limb joint with uniform motion in the training process, the swing equation of lower limb joint is established,angular velocity curve of crank as driving component is obtained through the simulation which provides the kinematic parameters for intelligent control of the mechanism.%为满足肢体残障者康复训练的需要,研制了一种新型的人机融合性好、模块化设计的肢体康复训练机器人,本体结构主要由上肢康复机构、下肢康复机构、支撑架组件三部分组成;基于下肢运动机理,结合机构运动,建立人机学模型,即平面闭环铰链四连杆刚体模型;在此基础上,对其进行了运动学分析和仿真,推导出下肢关节角度、角速度、角加速度随曲柄角度的变化规律.为使训练过程中下肢关节匀速摆动,建立下肢摆动方程,仿真得到机构曲柄作为原动件时其角速度变化规律,为机构的智能控制提供运动学参数.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2017(000)009【总页数】4页(P246-249)【关键词】康复训练机器人;四杆机构;运动学分析;匀速运动【作者】刘相权【作者单位】北京信息科技大学机电工程学院,北京 100192【正文语种】中文【中图分类】TH16;TP242传统肢体康复训练方法是由医护人员对患者的肢体进行按摩，完成康复训练，这种训练方法不仅工作强度大、效率低，而且康复效果依赖于医护人员的水平，训练效果难以保证。
机械手臂结构设计与性能分析
机械手臂结构设计与性能分析摘要：伴随着工业化进程的快速推移，工业机器人凭借其较高的灵敏度、较大的工作空间以及简单便捷的结构，在工业领域备受青睐，极大的提升了工厂生产效率，降低了工人的劳动强度。
机械手臂作为工业机器人的重要组成部分，其结构设计的科学合理性以及性能，直接关系到工业机器人运行效率的发挥。
因此文章重点就机械手臂结构设计与性能展开相关探讨。
关键词：机械手臂结构；设计；性能随着工业政策的宣贯普及以及科学技术的快速发展，制造业的转型升级受到广泛的重视。
对于许多中小企业来说，自动化生产水平的提高是产业数字化、网络化、智能化转型升级的基础。
工业机器人则是智能化的典型代表，其在企业自动化生产中发挥了重要作用。
机械手臂是工业机器人的重要组成部分，务必要强化其结构设计工作，以便于充分发挥其性能。
一、机械手臂的机械结构纵观工业机器人机械手臂的整个发展过程可知，传统机械设备往往需要占据较大的使用空间，很难在某些较狭窄的工业场所或车间使用，但随着现代社会的发展，某部分可使用空间较为狭窄的特殊工业生产场合却需要更大程度地解放劳动力，因此，自由度更高、灵活性更强、空间使用面积更小的机械手臂的结构设计和功能研究具有不容忽视的重要意义。
机械结构作为机械手臂的重要组成部分，为更好地控制机械手臂的实际使用过程和工作效率，首先需要对机械手臂的机械结构进行研究，探讨其动力传递方法和动力源。
通常情况下，依赖于电路传动的机械手臂具有更广阔的应用范围，齿轮式、连杆式和绳索式等多样化的动力传递方法使其应用前景更加广阔。
在此过程中，齿轮式作为电路传动机械手臂的最主要使用结构，具有结构紧凑、灵活性较强、承载力较高和精确度较好等重要优势。
但与此同时，齿轮式机械手臂在其实际使用过程中往往需要减速器，因此还在一定程度上具有占用空间较大和质量较大等不良缺陷。
此外，随着现代社会电力电气技术的进一步发展，部分机械手臂在其特殊关节结构中安装了一定数量的电机，这在极大程度上大幅度提升了机械手臂的运行准确度和安全性。
仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析
仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析一、机械臂的设计仿人机器人四自由度机械臂的设计需要考虑多个方面的因素，包括结构设计、运动学设计、控制系统设计等。
1. 结构设计机械臂的结构设计是其设计的基础，需要考虑到机械臂的负载能力、稳定性和灵活性。
首先要确定机械臂的长度、负载能力以及工作范围，然后根据这些参数设计出合适的结构。
通常，仿人机器人的机械臂会模仿人体的肢体结构，因此可以参考人体的骨骼结构设计机械臂的连接方式和关节转动范围。
2. 运动学设计机械臂的运动学设计是指确定机械臂的运动范围、姿态和关节角度等参数。
在设计过程中，需要考虑到机械臂的可达空间、运动学逆解和轨迹规划等问题，以确保机械臂能够在工作空间内完成自如的运动。
3. 控制系统设计控制系统设计是机械臂设计的另一个重要方面，通过合理的控制系统设计，可以实现机械臂的精确控制和灵活运动。
控制系统通常包括传感器模块、执行机构和控制算法等组成部分，需要根据机械臂的具体应用场景选择合适的控制方案。
二、机械臂的性能分析机械臂的性能对其应用效果具有重要影响，因此需要对机械臂的性能进行全面的分析和评估。
1. 负载能力机械臂的负载能力是指其能够承受的最大负载大小，在设计过程中需要根据实际应用场景确定负载能力，并进行相应的结构设计和材料选择。
2. 精度和重复定位精度机械臂在工作过程中需要具备一定的精度和重复定位精度，以确保工作结果的准确性和一致性。
因此需要对机械臂的传动系统、控制系统和传感器系统等方面进行精细化设计和优化。
3. 动态性能机械臂的动态性能包括其运动速度、加速度和响应速度等参数，这些参数直接影响机械臂的工作效率和响应能力。
在设计过程中需要合理选择执行机构和控制系统，以提高机械臂的动态性能。
4. 稳定性和安全性机械臂在工作过程中需要具备稳定性和安全性，避免因外部干扰或设备故障导致意外发生。
因此需要在设计过程中考虑到机械臂的结构强度和稳定性问题，同时设置相应的安全保护装置。
新型机器人手臂的设计及其运动学分析
新型机器人手臂的设计及其运动学分析一. 引言随着人工智能和机器人技术的不断发展，机器人的应用范围也日益扩大。
现代机器人的应用领域涉及军事、医疗、生产制造、深海勘探等多个方面。
机器人手臂作为机器人的关键组成部分，其设计和运动学分析对机器人的工作能力和性能至关重要。
本篇文章将介绍新型机器人手臂的设计及其运动学分析。
二. 机器人手臂的设计机器人手臂设计的核心是机械结构的设计，机器人手臂机械结构的设计要兼顾机械结构的刚度和机器人手臂的灵活性。
机器人手臂的机械结构关键包括伺服电机、节能器、速度减速器和传动部件等。
在机械结构的设计中，应根据机器人应用领域的不同来要求机器人手臂的机械结构要具有不同的特性。
1. 伺服电机机器人手臂的伺服电机通常采用直流伺服电机或步进电机。
直流伺服电机具有精度高，钟相好等特点，步进电机由于具有分区角高、平行精度高、加速扭矩大等特点，在机器人控制方面有其优势。
2. 节能器机器人手臂的节能器的设计本质上是为了提高机器人手臂机械结构的稳定性，以便更好地满足机器人控制要求。
机器人手臂的节能器分为弹性节能器和非弹性节能器，而在实际应用中可以有多重节能器组合使用的情况。
3. 速度减速器机器人手臂的速度减速器的设计是为了满足机器人手臂在加速和减速时力传递平稳，同时不影响机器人手臂的定位精度等要求。
4. 传动部件机器人手臂的传动部件设计主要是指转动机构和直线运动机构的设计。
转动机构通常采用齿轮传动、链条传动等传动方式，直线运动机构通常采用直线导轨、滑动轮等传动方式。
三. 机器人手臂的运动学分析机器人手臂的运动学分析的目的是研究机器人手臂的运动状态和位置变化规律。
机器人手臂的运动学分析包括正运动学和反运动学两个方面。
1. 正运动学机器人手臂的正运动学分析是研究机器人各关节以及机械臂的末端定位之间的运动变化规律。
正运动学可以求出机器人手臂的位置和方向等信息。
正运动学的基本思路是根据机械结构和运动控制算法，计算出各个关节的运动量，进而确定机械臂的末端位置。
仿人机械手臂结构设计与运动学分析
2024年第48卷第2期Journal of Mechanical Transmission仿人机械手臂结构设计与运动学分析杨亚昆张小俊秦康（河北工业大学机械工程学院，天津300401）摘要针对真人在驾驶员注意力监测系统性能测试中重复性执行单一动作存在易疲劳等问题，设计了一种模拟驾驶员接打手持电话和抽烟等行为动作的仿人机械手臂。
首先，基于外骨骼的设计方法，进行机械臂和仿生手的结构设计；然后，利用改进的D-H法建立机械手臂运动学模型，进行正逆运动学求解和工作空间分析，并在Adams软件中对机械手臂进行动力学仿真，获得了其运动特性与负载特性。
仿真结果表明，该机械手臂结构设计合理，关节柔性执行器选型满足要求。
关键词机械手臂结构设计运动学工作空间Structural Design and Kinematic Analysis of Humanoid Robot ArmsYang Yakun Zhang Xiaojun Qin Kang(School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)Abstract Aiming at the problem that human beings are prone to fatigue when they repeatedly perform a single action in the performance test of the driver attention monitoring system, a humanoid robot arm is designed to simulate the driver's behaviors such as answering and making handsets and smoking. Firstly, based on the exoskeleton design method, the structure of the robot arm and the bionic hand is designed. Secondly, the im⁃proved D-H method is used to establish the kinematics model of the manipulator; the forward and inverse kine⁃matics are solved, and the workspace is analyzed; the dynamics simulation of the robot arm is carried out in Ad⁃ams software to obtain its motion characteristics and load characteristics. The simulation results show that the structural design of the manipulator is reasonable, and the selection of joint flexible actuators meets the require⁃ments.Key words Robot arm Structural design Kinematics Workspace0 引言随着汽车智能化程度的提升，越来越多的汽车开始搭载各类驾驶辅助系统，与之而来的是，与智能驾驶汽车相关的交通事故也呈逐渐上升趋势。
机器人机械手臂的力学分析与设计
机器人机械手臂的力学分析与设计机器人是人工智能技术的重要应用之一，机器人的机械手臂作为其核心组成部分，扮演着至关重要的角色。
机械手臂的设计必须经过力学分析，才能确保机器人的正常运作。
在本文中，我们将探讨机器人机械手臂的力学分析和设计过程。
一、机械手臂的结构机械手臂通常由若干个关节和连杆构成，每个关节连接着两个相邻的连杆。
机械手臂的结构可以使用联轴器、直线导轨等方式设计。
由于机械手臂的关节数量和杆的长度会影响其稳定性和精度，因此在设计机械手臂时要视具体情况而定，采取合适的设计方案。
二、机械手臂的力学分析机械手臂主要依靠电机和减速器实现动力驱动，其关节位置和运动轨迹受力学原理的支配。
在机械手臂的力学分析中，需要考虑多个因素，如质量、惯性力、受力、扭矩等。
1. 质量机械手臂上的每个零件都有其自身的重量。
在进行力学分析时，必须将每个零件的重量计算在内。
此外，机械手臂运动时产生的离心力和惯性力也必须考虑进去。
2. 受力机械手臂在运动时，往往会承受外界的力。
这些力包括单向力、剪力和弯矩，可能会影响机械手臂的结构和稳定性。
为确保机械手臂的稳定性，设计者需要计算机械手臂在不同负载下的最大受力值。
3. 扭矩和能量在机械手臂运动时，其中的减速器和电机会产生扭矩和能量。
设计者需要确保机械手臂系统能够承受这些力和能量，以确保机械手臂的稳定性和安全性。
三、机械手臂的设计思路根据力学分析和结构设计原理，机械手臂的设计应遵循如下环节：1. 确定机械手臂的使用场景，包括负载、工作范围、工作精度等。
2. 根据使用场景确定机械手臂的杆数和长度，以及运动范围和速度。
3. 计算机械手臂上各关节之间的角度和位置变化，以及需要维持的角度和位置精度。
4. 选择合适的电机和减速器，保证其能够承受机械手臂的扭矩和能量，并确保其运行平稳。
5. 设计机械手爪部分，确保其能够兼容不同的工具，并使其能够在机械手臂运行时保持稳定。
最后，针对机械手臂的设计要求，进行实际构建并进行试验和测试，以确保机械手臂能够正常运行和实现目标使用效果。
仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析
仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析
仿人机器人四自由度机械臂是一种能够模拟人类手臂运动的机器人，具有广泛的应用
前景。
本文将对该机械臂的设计和性能进行分析。
我们需要确定机械臂的设计参数，包括长度、质量和关节间的夹角。
根据人类手臂的
长度和关节运动范围，可以确定机械臂的长度和夹角。
考虑到机械臂的负载能力和稳定性，需要选择适当的质量和材料。
设计完成后，我们需要对机械臂的性能进行分析。
机械臂的运动范围是一个重要的性
能指标。
通过调整关节的夹角，可以使机械臂能够完成不同的运动任务。
机械臂的精度也
是一个重要的性能指标。
通过控制各个关节的转动角度，可以使机械臂能够达到较高的运
动精度。
机械臂的力矩和速度也是需要考虑的性能指标。
机械臂的力矩决定了其负载能力，通
过增加关节的大小和材料强度，可以提高机械臂的力矩。
而机械臂的速度将决定其工作效率，通过优化关节的传动机构和增加电机的功率，可以提高机械臂的速度。
机械臂的稳定性也是一个需要考虑的性能指标。
通过增加机械臂的质量和设计合理的
结构，可以提高机械臂的稳定性。
通过采用合适的控制算法，可以实现机械臂的稳定控
制。
仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析是一个综合考虑机械结构、动力学和控
制算法等方面的问题。
通过合理的设计和优化，可以实现机械臂的高精度、高速度和稳定性，并为各种应用领域提供有效的解决方案。
仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析
仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析一、引言1. 结构设计仿人机器人四自由度机械臂的结构设计是其设计的核心，直接影响了机械臂的性能和功能。
一般而言，仿人机器人四自由度机械臂的结构设计主要包括四个方面：机械臂的关节结构、连杆结构、末端执行器以及传动系统。
首先是机械臂的关节结构，一般采用旋转关节和直线关节相结合的方式，使得机械臂能够在不同方向上做出灵活的运动；其次是连杆结构，通常采用轻质、高强度的材料制造，以保证机械臂的刚性和稳定性；再次是末端执行器，根据机械臂的实际应用需求，可以选择不同的末端执行器，如夹持器、激光切割头等；最后是传动系统，一般采用电机和减速器相结合的方式，以保证机械臂具有较高的运动精度和稳定性。
2. 控制系统仿人机器人四自由度机械臂的控制系统是其设计的另一个重要组成部分，其设计主要包括控制算法的设计和实现、传感器系统的设计和实现以及执行系统的设计和实现。
首先是控制算法的设计和实现，其主要目的是根据外部输入的控制信号，计算出机械臂各个关节的运动轨迹，并将其转化为相应的控制信号；其次是传感器系统的设计和实现，通常包括位置传感器、力传感器等，用于实时监测机械臂的运动状态和外部环境的信息；最后是执行系统的设计和实现，主要包括电机、减速器等，用于实现机械臂的各种运动。
1. 运动性能仿人机器人四自由度机械臂的运动性能是其重要的性能指标之一，主要包括运动范围、运动速度、加速度以及动态性能。
首先是运动范围，通常根据机械臂的实际应用需求确定，一般要求机械臂能够在一定的空间范围内进行灵活的运动；其次是运动速度，通常要求机械臂具有较高的运动速度，以提高工作效率；再次是加速度，一般要求机械臂具有较高的加速度，以保证机械臂在短时间内能够完成快速的运动；最后是动态性能，一般要求机械臂具有较好的动态性能，以保证机械臂在运动过程中能够具有较好的稳定性和精度。
2. 精度性能3. 负载能力仿人机器人四自由度机械臂的负载能力是其另一个重要的性能指标，主要包括静态负载能力和动态负载能力。
机械手臂的主要研究内容
机械手臂的主要研究内容
机械手臂是一种能够模拟人类手臂运动的机器人，它具有广泛的应用领域，如工业制造、医疗卫生、军事等。
机械手臂的主要研究内容包括以下几个方面：
一、运动学分析
机械手臂的运动学分析是机械手臂设计和控制的基础。
运动学分析主要研究机械手臂的运动轨迹、速度、加速度等运动参数，以及机械手臂各个关节之间的相对运动关系。
通过运动学分析，可以确定机械手臂的结构参数和运动范围，为机械手臂的控制和优化设计提供基础。
二、动力学分析
机械手臂的动力学分析是研究机械手臂在运动过程中的力学特性，包括惯性、重力、摩擦等因素对机械手臂运动的影响。
通过动力学分析，可以确定机械手臂的负载能力和运动稳定性，为机械手臂的控制和优化设计提供基础。
三、控制系统设计
机械手臂的控制系统设计是机械手臂实现预定任务的关键。
控制系统设计主要研究机械手臂的控制算法、控制器设计、传感器选择和控制策略等。
通过控制系统
设计，可以实现机械手臂的精确控制和高效运动，提高机械手臂的工作效率和稳定性。
四、传感器技术应用
机械手臂的传感器技术应用是实现机械手臂智能化的关键。
传感器技术应用主要研究机械手臂的传感器选择、传感器数据处理和传感器与控制系统的集成等。
通过传感器技术应用，可以实现机械手臂的自适应性、自主性和智能化，提高机械手臂的工作效率和稳定性。
总之，机械手臂的主要研究内容包括运动学分析、动力学分析、控制系统设计和传感器技术应用等方面，这些研究内容相互关联，共同构成了机械手臂的理论基础和应用技术。
机器人机械手臂运动学与动力学分析
机器人机械手臂运动学与动力学分析1.引言随着科技的不断进步，机器人技术已经广泛应用于生产制造、医疗卫生、军事防务等领域。
机器人的机械手臂是其重要组成部分，通过其灵活的运动能力，使机器人能够执行各种任务。
在机械手臂的设计和控制中，运动学和动力学是两个重要的方面。
本文将对机械手臂的运动学和动力学进行深入分析。
2.机械手臂的运动学机械手臂的运动学研究机器人手臂的位置和运动方式。
运动学分析通常包括正、逆运动学两个方面。
2.1 正运动学正运动学研究机器人手臂的运动学模型与其关节角度之间的关系。
对于n自由度的机械手臂，可以通过构建齐次变换矩阵的方法，将末端执行器的位置和姿态与关节角度联系起来。
2.2 逆运动学逆运动学研究机械手臂如何通过末端执行器的位置和姿态来确定关节角度。
逆运动学问题通常是非线性的，并且存在多解性。
通过使用几何方法、代数方法或数值方法，可以求解机械手臂的逆运动学问题。
3.机械手臂的动力学机械手臂的动力学研究机器人手臂受力和加速度之间的关系。
动力学分析可以帮助我们理解机械手臂的受力情况，为控制和优化机械手臂的运动提供基础。
3.1 机械手臂的运动方程机器人手臂的运动方程是描述手臂在特定坐标系下的加速度与外部力之间关系的方程。
通过运动方程，可以推导出机械手臂的动力学模型。
3.2 动力学优化动力学优化是基于机械手臂的动力学模型，通过优化算法来最小化手臂的能耗、提高执行效率或实现更加精确的运动。
通过对机械手臂的动力学特性进行深入分析，可以找到最佳的控制策略和参数设置。
4.机械手臂运动学与动力学的应用机器人机械手臂的运动学和动力学分析在实际应用中具有重要意义。
4.1 生产制造领域在生产制造领域，机械手臂的运动学和动力学分析可以帮助优化生产线的布局和工艺流程。
通过合理设计机械手臂的运动轨迹和力矩分配，可以实现高效率和高精度的自动化生产。
4.2 医疗卫生领域机械手臂在医疗卫生领域的应用越来越广泛，例如辅助手术机器人。
机械手的机械结构设计与精度分析
机械手的机械结构设计与精度分析一、引言机械手作为一个复杂的机电一体化系统，在现代工业中扮演着重要的角色。
它能够完成复杂的操作，如抓取、搬运、组装等，广泛应用于生产线自动化以及其他领域。
机械手的机械结构设计以及精度分析对其工作性能有着直接的影响。
本文将深入探讨机械手的机械结构设计与精度分析。
二、机械手的机械结构设计1. 关节结构设计机械手的关节结构设计是机械手设计中最关键的部分之一。
关节的设计需要兼顾结构的刚性和运动的灵活性。
常见的关节结构包括球面关节、回转关节和滑动关节等。
在设计中，需考虑关节的承载能力、运动范围和摩擦等因素，以保证关节的可靠性和稳定性。
2. 运动链设计运动链是机械手的运动组织结构，决定了机械手的工作空间和自由度。
运动链的设计需要满足机械手工作的要求，如抓取物体的大小和形状、工作速度等。
常见的运动链结构有串联结构、并联结构和混合结构等。
在设计中，需平衡机械结构的复杂性和运动灵活性，以提高机械手的工作效率和稳定性。
3. 结构材料选择机械手的结构材料选择直接关系到机械手的刚性和重量。
常见的结构材料有钢、铝合金和碳纤维等。
在选择材料时，需根据机械手的工作环境和负载要求进行综合考虑。
高刚性和低重量的材料能够提高机械手的工作精度和速度，同时也增加了机械手的成本。
三、机械手的精度分析1. 误差来源分析机械手的精度主要受到结构误差、运动误差和传感器误差等因素的影响。
结构误差包括制造和装配误差，运动误差包括机械间隙和传动误差等。
传感器误差包括测量误差和漂移误差等。
2. 精度评估方法机械手的精度评估方法通常包括静态精度和动态精度。
静态精度是指机械手在静止状态下达到的精度，可以通过点位误差和重复定位误差等指标进行评估。
动态精度是指机械手在运动状态下达到的精度，可以通过轨迹精度和速度误差等指标进行评估。
3. 精度优化方法为提高机械手的精度，可以采取一系列的优化方法。
例如，通过加强关节的刚性和减小结构误差来提高静态精度；通过控制机械间隙和传动系统的精度来提高动态精度；通过使用高精度传感器和改进控制算法来减小传感器误差等。
机械手臂运动学分析与控制
机械手臂运动学分析与控制机械手臂从上个世纪50年代开始出现，经过多年的发展，已经成为自动化行业中必不可少的一项技术。
机械手臂是由众多执行器和传感器组成的复杂系统，其实现的主要功能是将任务空间中指令位置的物体移动到所需位置。
然而，在实际应用中，由于环境和物体的不同，机械手臂的运动必须按一定的方式控制，因此机械手臂的运动学分析和控制显得非常重要。
一、机械手臂的运动学分析机械手臂的运动学分析主要研究机械手臂在工作空间中的运动方式及其各个关节的旋转角度、速度和加速度等因素。
机械手臂的运动学分析涉及到多学科的知识，主要包括几何学、向量分析和矩阵代数等。
几何学方面，机械手臂可以看作是由多个链接和关节组成的一系列构型，每个构型的重要特征是长度和联接方式。
根据机械手臂的构型及其几何形状，可以推导出机械手臂运动的解析式，从而得到机械手臂的运动学模型。
向量分析方面，机械手臂的运动可用向量描述。
通常机械手臂的位置和运动可用三维向量表示。
对于链式机械臂，可以构成向量链模型。
采用向量链模型，可通过向量之间的线性组合表达机械手臂的运动学模型，并和座标变换相结合，得到机械手臂的位置解析式。
矩阵代数方面，机械手臂运动学的矩阵描述主要是为了便于计算和控制。
通过将构造模型中各个链接和关节的位移、旋转关系表达为矩阵形式，结合每个关节的角位移，可以计算出机械手臂的位置以及各个关节的坐标值，并用于机械手臂控制。
二、机械手臂的运动控制机械手臂的运动控制是指通过控制各个关节的运动状态，实现机械手臂在不同载体上的任务操作。
机械手臂控制包括开环控制和闭环控制两种。
开环控制即使在不考虑反馈信息的情况下，通过输入某个指令，控制机械臂达到预定位置。
开环控制的优点是简单易行，应用广泛，而且在一些不精确的应用中已经得到充分的证明。
但是缺点也显而易见，由于不考虑环境和物体的不同，造成了控制误差，机械手臂无法达到精确的移动，并且当机械手臂受到外力干扰时，控制误差将会更加显著。
机械设计基础中的机械手臂设计
机械设计基础中的机械手臂设计机械手臂是一种能模拟人手动作的机械装置，被广泛应用于自动化生产线、仓储物流和医疗辅助等领域。
机械手臂的设计涉及到机械结构、运动控制、传动系统等多个方面，本文将重点介绍机械设计基础中的机械手臂设计要点。
一、机械手臂的结构设计1. 动力系统设计机械手臂的动力系统通常由电动机、减速器和运动控制器组成。
在设计时，需要根据手臂的负载要求，选择合适的电动机和减速器，并考虑到运动控制的精度和稳定性。
2. 关节机构设计机械手臂的关节机构决定了它的运动范围和灵活度。
常见的关节机构包括旋转关节、摆动关节和滑动关节。
设计时需要考虑关节的运动范围、力矩要求以及机构的刚度和精度。
3. 末端执行器设计机械手臂的末端执行器根据实际应用需求，可以选择夹具、工具或传感器等不同类型。
设计时需要考虑到末端执行器的负载能力、精度等方面，以确保其能够有效完成所需操作。
二、机械手臂的运动控制1. 轨迹规划机械手臂的轨迹规划是指通过计算机控制，确定机械手臂末端在运动过程中的轨迹。
常用的轨迹规划方法包括直线插补、圆弧插补和样条插值等。
设计时需要根据具体任务要求选择适合的轨迹规划方法，并考虑到运动平滑性和精度要求。
2. 运动控制器设计机械手臂的运动控制器通常由传感器、控制算法和执行器组成。
传感器用于实时监测机械手臂的位置和姿态信息，控制算法负责计算运动轨迹和控制信号，执行器用于实际控制机械手臂的运动。
设计时需要选择合适的传感器和执行器，并优化控制算法，以实现稳定、精确的运动控制。
三、机械手臂的传动系统设计1. 传动机构选择机械手臂的传动系统通常由齿轮、链条、皮带等传动机构组成。
在选择传动机构时，需要考虑到负载要求、传动效率和精度等因素。
同时，还要根据机械手臂的结构特点，合理选择传动比和传动方式。
2. 传动装置计算机械手臂的传动装置需要进行计算，以确定齿轮、链条等传动部件的尺寸和参数。
通过计算，可以确保传动装置的强度和精度满足设计要求。
假肢用机械手的机构设计与运动学分析
假肢用机械手的机构设计与运动学分析*姬彦巧1,王宏1,赵长宽2,李封1(1.东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110004;2.东北大学计算中心,辽宁沈阳110004)摘要:介绍了一种灵巧机械手的设计和控制,这种机械手可以作为多功能的上肢假肢。
此机械手包含了/手0和腕的设计。
它的手部可以完成4种抓取模式(握、捏、侧握、侧捏),腕部可以屈曲和旋转。
在动作上可以实现腕屈、腕伸、旋前、旋后、握持、张开,以及拇指从一侧开始的侧握和侧张开等8种动作。
所有的这些动作仅由4个电机来控制。
在尺寸优化的基础上,建立了基于前臂基座食指的运动学模型,并求出了食指运动学的正解逆解。
从而为进一步研究机械手的轨迹规划和控制问题,提供了理论依据。
关键词:仿生机械手;假手;运动学;正解;逆解中图分类号:T P24文献标识码:A文章编号:1001-2354(2006)06-0032-03机械手的设计和控制,是近30年来国内外非常活跃的研究课题。
它的设计大致可以划分为工业机器人用机械手的设计和假肢用机械手的设计。
前者的作用在于代替工业生产中作业人员,着重于机能的设计。
而后者的作用在于替代上肢肢残者的缺损部分,除了要考虑机能问题外,还要考虑其仿生性,即其形状和人类的肢体形状的相似性。
一般而言,人们所称的/手0有两种意义,一是指整个的上肢,二是腕部到指尖的部分,也就是所谓的手部。
人类的单只手臂以机械学的形式分析,可以用大约27个自由度的连杆机构来表示。
但其中大约20个自由度集中在手部[1]。
文中着重于假肢的手部设计。
在假肢的手部应用方面,目前主流的应用是一种具有手形状的假手,市场上销售的假手大都已经具有一个自由度,可以利用拇指、食指、中指进行三指的抓取动作,自由度位于手指的根部,手指本身并没有关节。
文中所设计的假手也有三个手指,除指根部的关节外,拇指另有一个关节,其余二指有两个关节,而且假手的腕部有2个自由度,可以完成腕部的屈伸和回转。
仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析
仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能分析一、引言随着科技的发展，机器人技术不断地得到突破和进步，而仿人机器人的研究也成为了当前的热点之一。
仿人机器人四自由度机械臂作为仿人机器人的重要组成部分，其设计与性能分析显得尤为重要。
本文将对仿人机器人四自由度机械臂的设计与性能进行详细分析。
1. 结构设计仿人机器人四自由度机械臂的结构设计需要考虑到其在模仿人体手臂动作的具有较好的稳定性和灵活性。
一般来说，仿人机器人四自由度机械臂包括基座、肩部关节、肘部关节和手部末端执行器。
基座用于支撑整个机械臂，肩部关节连接基座和肘部关节，肘部关节连接肩部关节和手部末端执行器。
这样的结构设计使得仿人机器人四自由度机械臂可以模仿人体手臂的运动轨迹和姿态。
2. 关节设计仿人机器人四自由度机械臂的关节设计需要兼顾其运动范围和受力情况。
一般来说，仿人机器人四自由度机械臂的关节设计包括电机、减速器和传动装置。
电机用于驱动机械臂的运动，减速器用于降低电机的转速，并且增加扭矩输出，传动装置用于将电机的转动转化为机械臂的运动。
通过合理的关节设计，能够使得仿人机器人四自由度机械臂具有良好的动作稳定性和较大的运动范围。
3. 控制系统设计1. 运动精度仿人机器人四自由度机械臂的运动精度是其性能的重要指标之一。
一般来说，运动精度可以通过机械臂的姿态误差和末端执行器的定位误差来衡量。
姿态误差是机械臂实际姿态与期望姿态之间的偏差，而末端执行器的定位误差是指实际位置与期望位置之间的偏差。
通过对仿人机器人四自由度机械臂的运动精度进行分析，能够评估其在不同工作条件下的运动表现。
2. 负载能力仿人机器人四自由度机械臂的负载能力是指其能够承受的最大负载。
一般来说，负载能力直接影响机械臂的实际应用范围和工作效率。
通过对仿人机器人四自由度机械臂的负载能力进行分析，能够评估其在不同工作条件下的负载承受能力，为实际工程应用提供参考。
机械手关节结构设计及运动学仿真分析
毕业设计（论文）题目：机械手关节结构设计及运动学仿真分析（英文）：Manipulator joint structure designand kinematics simulation analysis院别：机电学院专业：机械电子工程姓名：学号：指导教师：日期：机械手关节结构设计及运动学仿真分析摘要图纸请联系qq625880526本课题为机械手关节结构设计及运动学仿真分析。
工业机械手是工业生产的必然产物，它是一种模仿人体上肢的部分功能，按照预定要求输送工件或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。
因而具有强大的生命力受到人们的广泛重视和欢迎。
实践证明，工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，改善劳动条件，提高劳动生产率和自动化水平。
工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁、单调的操作，采用机械手是有效的。
此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作，更显示其优越性，有着广阔的发展前途。
〖1〗本课题通过应用AutoCAD 技术对机械手进行结构设计和液压传动原理设计，运用Solidworks技术对机械手进行三维实体造型，并进行了运动仿真，使其能将基本的运动更具体的展现在人们面前。
它能实行自动上料运动；在安装工件时，将工件送入卡盘中的夹紧运动等。
上料机械手的运动速度是按着满足生产率的要求来设定。
本文重点解决的问题——结构设计及仿真。
本课题中主要内容是：（1）设计机械手关节结构；（2）关节结构的参数设计；（3）用仿真软件进行运动过程模拟分析以此来改善结构设计，直到得出满意的结果为止；（4）绘制总装图和零件图；目标：满足机械手关节结构的设计要求。
关键词：结构设计；参数设计；运动学仿真Manipulator joint structure design and kinematics simulation analysisABSTRACTThe topic for the manipulator joint structure design and kinematics simulation analysis. Industrial machinery hand is the inevitable product of industrial production,it is a copy of the upper part of the human body functions, in accordance with a predetermined transfer request or the workpiece hold the tools to operate the equipment automation technology, to achieve industrial production automation, the promotion of industrial production of the further development plays an important role in. So they have strong vitality of the people by the extensive attention and welcome. Practice has proved, the industrial robot can replace the staff of the heavy labor, significantly reduced labor intensity of workers, improve working conditions, improve labor productivity and the level of automation. Industrial production often appears in the bulky workpiece handling and frequent long-term, monotonous operation, a mechanical hand to be effective. In addition, it can be in high temperature, low temperature, water, the universe, radioactive and other toxic, pollution of the environment under the conditions of operation, but also show its superiority, there are broad development prospects.This topic through the application of AutoCAD technology on the manipulator structure design and hydraulic transmission principle of design, the use of Solidworks technology mechanical hand for3D solid modeling, and carried on the movement simulation, which can be the basic motion more specific show in front of people. It can carry out the automatic feeding movement; in the installation of the workpiece, the workpiece to the chuck clamping movement. On the manipulator movement speed is to meet productivity requirement to set up.This paper focuses on the problem -- the structure design and simulation.In this paper the main content is:(1) design of mechanical hand joint structure;(2) joint structure parameter design;(3) using simulation software in motion process simulation analysis in order to improve the structure design, until satisfactory results are obtained；(4) drawing assembly drawing and parts drawing；Target：Meet the mechanical hand joint structure design requirement.〖2-4〗Key words：Structure design；parameter design；kinematics simulation目录第一章绪论 (1)1.1 研究机械手的意义 (1)1.2工业机器人概述 (1)1.3机器人的历史与现状 (4)1.4机器人发展趋势 (5)第2章机械手关节结构形式设计 (7)2.1机械手的要求与原始始据 (7)2.1.1原始数据及资料 (7)2.1.2料槽形式及分析动作要求 (7)2.2机械手的基本结构 (8)2.3机械手结构设计 (9)2.3.1 机身机座的设计 (9)2.3.2手部结构设计 (11)2.3.3 腕部结构设计 (14)2.3.4臂伸缩的机构设计 (16)2.4本章小结 (18)第3章机械手关节参数设计 (19)3.1 参数设计优点 (19)3.2 机座结构参数设计 (19)3.3伸缩臂参数设计 (21)3.3.1工作负载R和工作压力P (21)3.3.2工作速度和速比的确定 (22)3.3.3液压缸缸筒内径D和活塞杆直径d的确定 (22)3.3.4液压缸的计算 (23)3.3.5液压缸稳定性和活塞杆强度校核 (24)3.3.6连接零件的强度计算 (27)3.3.7腕部回转缸的计算 (28)3.4手部参数设计 (30)3.5本章小结 (33)第四章液压系统原理设计及草图 (34)4.1手部抓取缸 (34)4.2腕部摆动液压回路 (34)4.3小臂伸缩缸液压回路 (35)4.4总体原理图 (36)4.5本章小结 (37)第五章机械手关节的模拟仿真 (38)5.1 仿真内容 (38)5.2 仿真方法 (38)5.3机械手关节的运动学分析 (39)5.3.1机械手手部夹紧的运动仿真运动仿真及分析 (39)5.3.2机械手腕部转动的运动仿真 (39)5.3.3机械手臂部的运动仿真分析 (39)5.3.4机械手的整体的运动仿真分析 (40)5.4 本章小结 (40)第六章全文总结 (41)参考文献 (42)致谢 (44)附录 (45)机械手关节结构设计及运动学仿真分析第一章绪论1.1 研究机械手的意义机械手是模仿人的手部动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运和操作的自动装置。
仿生机械臂的结构设计分析
仿生机械臂的结构设计分析仿生机械臂是一种模仿生物肢体结构和动作原理的机械臂。
它通过模拟生物肢体的运动方式和特点，实现复杂的运动任务，具有良好的适应性和灵活性。
在结构设计上，仿生机械臂需要考虑以下几个方面：力学结构、传动机构、关节控制和材料选择。
首先，力学结构是仿生机械臂的基础，主要包括臂长、关节点和连接结构。
臂长决定了机械臂的工作范围和握持能力，需要根据实际需求进行设计。
关节点通常采用旋转关节或球形关节，以实现多自由度的运动，同时要保证足够的刚度和稳定性。
连接结构需要考虑力的传递和分布，以及部件的拆卸和维修方便性。
其次，传动机构是实现机械臂运动的核心部分。
常见的传动方式有齿轮传动、链传动和曲柄连杆传动等。
选择合适的传动机构需要考虑力的传递效率、稳定性和精度。
此外，传动机构还应具备良好的可靠性和可维护性，以满足长时间运行的需求。
关节控制是实现仿生机械臂精准运动的关键。
通常采用电机驱动和传感器反馈的方式实现关节的控制。
电机的选择需要考虑功率、精度和速度等因素，以满足不同运动任务的需求。
传感器的选择则需要根据实际应用场景来确定，常见的有位置传感器、力传感器和力矩传感器等。
最后，材料选择是影响仿生机械臂性能和寿命的重要因素。
需要选择高强度、轻量化的材料，以满足机械臂的工作负荷和运动速度要求。
常见的材料有铝合金、碳纤维复合材料和高强度钢等。
此外，材料的耐磨性、耐腐蚀性和成本等因素也需要考虑。
总结起来，仿生机械臂的结构设计需要综合考虑力学结构、传动机构、关节控制和材料选择等方面的因素。
通过科学合理的设计，可以实现仿生机械臂高效、精准地完成各类复杂任务。
生物医学工程中的假肢设计与运动控制
生物医学工程中的假肢设计与运动控制假肢设计与运动控制在生物医学工程中是一个重要的研究领域。
随着社会的发展，科技的进步，假肢的设计和运动控制已经越来越高级和智能化。
假肢可以帮助残疾人恢复行动能力，提高生活质量。
本文将介绍生物医学工程中假肢设计和运动控制的相关技术和发展趋势。
假肢的设计假肢是一种机器设备，用于代替或辅助可以发现缺陷或功能障碍的身体部位。
假肢设计的一项任务是尽可能地模拟自然运动，使穿戴者在使用过程中感受到自然的运动感。
假肢靠各种传感器实现替代肢体的运动的测量与控制。
传感器有机械传感器、电子传感器、压力传感器、惯性传感器等。
传感器的种类、数量、位置等都是假肢设计的关键因素。
假肢设计要考虑人体与假肢间的适应性、舒适性等人体工程学原理。
在假肢设计过程中，CAD技术和3D打印成为设计师的利器。
CAD技术可以帮助设计师在计算机上制定出假肢的具体设计方案，从而使设计效率和精度成倍提高。
而3D打印技术可以帮助假肢制造商更快、更准确地制造假肢零件。
因此，假肢设计的前沿正在向着数字化、智能化方向发展。
假肢的运动控制假肢运动控制是指假肢通过计算机对各种传感器检测到的信号进行处理、传递、控制等操作，最终实现对假肢运动的精确控制。
假肢运动的控制涉及到纵向运动、横向运动、旋转运动等方面。
在假肢运动方面，最重要的就是运动与人体间的协调。
这既需要一定的医学知识，也需要假肢设计人员的专业技能和实践经验。
在假肢运动控制的过程中也涉及到很多先进的技术，如轻量化材料、神经网络、人工智能等。
在如此复杂的技术环境中，精准、智能的运动控制方案是必要的。
发展趋势随着科技的不断发展，假肢设计和运动控制的水平不断提高。
假肢设计注重的问题在于外观、舒适性和适应性问题；运动控制注重的是精确性和协调性问题。
未来的假肢设计将更加智能化和数字化。
智能化指的是假肢可以智能地感知、记忆和适应环境。
数字化则是指预测和测试假肢效能和适应性的方法将会更加准确和高科技。
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人类食指和中指在机能上主要表现在 和拇指的对 握, 其 次 是和拇指的指尖形成的像/ 抓0、/ 捏0 的 动作, 在 形状上 表现 为 手指具有两个关节和指根部的可转动性。 在设计手指 时, 希 望 在形状和机能上和人类 手尽 量相类 似, 目前, 较 为流行 的手 指 设计仅仅在指根部有一个自由度, 手指 其他部分 在形状上设 计 一定的弯曲。这种设计从几何角度上看, 手指很 难在所有的 转 动角度和人类手指的实际转动角度一致, 在功能 上也仅限于 抓 取的功能。为了使所设计的手尽量和人类 手一致, 设计者大 都 采用三关节的手指设计, 但对关节的传 动一般都 采用齿轮传 动 或缆绳传动两种方式, 文中关节间的 传动采用 齿轮传动。齿 轮 传动较缆绳传动能够 传递 较大 的载荷, 较 快的 速度。同 时, 随 着工程塑料和尼龙齿轮技术的发展, 为 减轻质量 选用材质较 轻 的尼龙齿轮提供了可能。
其最终结构 为一个 手掌、一腕, 包括 三指 11 关节, 各 手指和 腕 部均为模块化设 计。图 1 为机械 手的 虚拟样 机。利用 优化 方 法进行机械手机构尺寸综合的数学模型为[ 5] :
m in F ( X )
X I Rm 约束条件:
xi \ X imin ( i = 1, 2, ,, m)
杆件长度 a 0 0 a b c d
2. 2 机械手运动学方程的逆解 通过对人类手指运动轨迹的模拟分析, 可以 得到手指指 尖
和各关节角度的轨 迹曲 线。据此 也 就知 道了 手 指的 指尖 运 动
时, 所应该达到的位置, 这 就为 建立机 械手 的逆 运动学 方程 提
34
机械 设计
第 23 卷第 6 期
个充分条件之一: ( 1) 三个相邻关节轴相交于一点; ( 2) 三个 相 邻关节轴平行。文中的 机械手 满足 第二个 条件, 理论上 存在 显
式解。如下即为所求得的机械手的 6 个解。
手在形状上相似, 更重要的 是要求其在 机 能上和人手的一致。在实际的生活观察中, 拇指 和四指对握 的 动作最多最重要。在五指的使用频度上, 拇指、食指、中指同 等 重要。其余二指较此三指约少 50% , 可以 看作其它三指的辅助 者[2] 。因此, 在设计中 只需 设计三 个手 指, 即可以 满足 人类 手 的大部分的功能。为了满足结构的仿生性 , 采用 了三指、一腕、 一掌、十一关节和一装饰性手指的设 计方案。图 1 为机械手 的 虚拟样机。 1. 2 手指的设计
一般而言, 人们所 称的/ 手0 有两种 意义, 一 是指整 个的 上 肢 , 二是腕部到指尖的部分, 也就 是所谓 的手部。人 类的单 只 手臂以机械学的形式分 析, 可以 用大约 27 个自 由度的 连杆 机 构来表示。但其中大约 20 个自由 度集中在 手部[1] 。文中着 重 于假肢的手部设计。
qj min [ qj [ qj max ( j = 1, 2, ,, n) 式中: m ) ) ) 未知结构参数的数目;
n ) ) ) 机器人关节的数目;
qj ) ) ) 第 j 关节的运动参数。 通过优化设计并参照人类手指的长度, 获得 机械手手指 的
长度。
2 机械手的运动学分析
在对仿生机 械 手 进 行 结 构 和 运 动 分 析 的 基 础 上, 采 用 Denav it - H artenber g( D - H ) 方 法建立连 杆坐 标系下 的机 械 手运动学模型, 并对其 进行正 向和 逆向分 析求 解, 通过 对机 械
关键词: 仿生机械手; 假手; 运动学; 正解; 逆解 中图分类号: T P 24 文献标识码: A 文章编号: 1001- 2354( 2006) 06- 0032- 03
机械手的设计和控 制, 是近 30 年 来国 内外 非常活 跃的 研 究课题。它 的设计大致可 以划 分为工 业机 器人 用机械 手的 设 计和假肢用机械手的 设计。前 者的作 用在 于代 替工业 生产 中 作业人员, 着重于 机能 的设 计。而 后者 的作 用在 于替 代上 肢 肢残者的缺损部分, 除 了要 考虑 机能问 题外, 还 要考虑 其仿 生 性, 即其形状和人类的肢体形状的相似性。
第 23 卷第 6 期 2006 年6 月
机械设计
JO U RN A L O F M ACH IN E D ESIG N
V ol. 23 N o. 6 Jun. 2006
假肢用机械手的机构设计与运动学分析*
姬彦巧1 , 王宏1 , 赵长宽2 , 李封1
( 1. 东北大学 机械工程与自动化学院, 辽宁 沈阳 110004; 2. 东北大学 计算中心, 辽宁 沈阳 110004)
机器人进行表示和建模, 并导 出了 他们的 运动 学方 程, 现在 已
经成为表示机器人和对机器人进行建模的标准方法。Denav it -
Har tenberg ( D - H ) 模型表示了对机器人连杆和关 节进行建模
的一种非常简单的方法。以食 指为 例, 建立 的食 指手指 在前 臂
基座坐标系内的坐标图, 如图 3、图 4 所示。据 此可以 求出第 三
1 仿生机械手的机构设计
机械手的机构设计也称机构综合, 主要包括 型综合和尺 寸 综合。在机 械人的研究领域, 机械手的 机构设计 是一项很重 要 的工作, 机械手机构型 式和 结构 尺寸, 决定 了机 械手的 操作 性 和末端执行器的位姿。 1. 1 仿生机械手的型综合
型综合是在确定机械手机构参数之前, 根据 作业的要求 确 定机械手机构 的 自由 度、组成 形 式、关节 数 目和 配 置方 式[ 1] 。 人类的手作为具有 20 个自 由度 的精巧 机构, 其 结构仿 生和 再 现有很重要的现实意义。作为仿生机械手 的设计, 不仅要求 所
2006 年 6 月
姬彦巧, 等: 假肢用机械手的机构设计与运动学分析
33
曲外还有转动。二是拇指从 一侧 开始 的运 动。为 了实 现这 两 个动作采用了拇指的根部结构, 在这种 结构中应 用了一种被 称 为 Geneva- w heel[4] 的机构, 来实 现拇指 的这 两种 动作。同 时 此设计还兼顾了利用最少的电机, 来控 制最多的 自由度的设 计 思想, 即利用一个电机控制拇指的所有运动。 1. 4 腕部的设计
( 4)
pz
dS 234 + cS 23 + bS 2
图 3 食指结构的运动学模型 图 4 食指的 D- H 参考
和参考坐标系
坐标系线图
表 1 手指的 D - H参数表
关节
0 1 2 3 4 5
关节变量 H H0 H1 H2 H3 H4 H5
关节偏移 d 0 0 0 0 0 0
杆件扭角 A 0 90 0 0 0 0
从人类拇指和其它 四指 的关系 上, 拇指 的动作 可以 分为: 一是拇指和其它四指的 相向 动作, 在这 个动 作中, 拇指 除了 弯
* 收稿日期: 2005- 08- 30; 修订日期: 2005- 12- 28 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 50435040) 。 作者简介: 姬彦巧( 1975- ) , 女, 河北晋州人, 东北大学机械工程与自动化学院硕士研究生, 研究方向: 仿生机器人, 生物电信号处理。
供了依据。运动学逆解在机器人运动 分析、运动仿真、离线编 程
和轨迹规划中, 占有重要地位。在机器人控 制中, 只有使各关 节
移动(或转动) 逆解中的值, 才能 使末端执行器达到工作所要求 的位置和姿态, 所以, 运动 学逆 解是机 器人 控制 的关键 环节 之
一[8] 。就目前而言, 已经可 以对 一般结 构的 6 自 由度串 联机 械 手进行逆运动学求解, 但要获 得封 闭的显 式解, 需满足 以下 两
锁, 电机可以随时改变运动方向, 以实现各个运动的协调。 1. 5 仿生机械手的尺寸综合
尺寸综合用来确定机械手的杆件和关 节等的结构 参数, 通
常以机械手末杆或末杆活动范围为出发点, 采用 适当的方法 进 行机构尺寸的分析和计 算, 因此 机械手 的尺 寸参数 确定 时, 工 作空间是重要的指标。
仿生机械手的结构 尺寸, 可 以参考 人类 手指的 长度 比例, 并通过确定优化的目 标函 数, 利用合 适的 优化算 法来 得到[ 4] 。
nx ox Ax
C01 C2345 - C01S 2345 S 12
得: CR5 = ny oy Ay = S 01 S 2345 - S 01S 2345 - C12
( 3)
nz oz Az
S 2345
C2345
0
px
C01( dC 234 + cC23 + bC 2 + a)
CP5 = p y = S01 ( dC 234 + cC23 + bC2 + a)
S 01 S 2345 - S 01S 2345 - C12 S01 ( dC234 + cC 23 + bC2 + a)
( 1)
S 2345
C2345
0
dS 234 + cS 23 + bS 2
0
0
0
1
由: C=
CT
0 0
T
1 1
T2
2T
3
3T
4 4
T
5
=
CR5 CP5 01@ 3 1