第三章 智能机械手结构设计

第三章智能机械手的整体结构设计

智能机械手的结构设计应尽可能从仿生学的角度出发，通过设计出仿人形的多指智能手来代替人手完成各种精细复杂的操作。它是机构、传动、控制三大系统的综合设计，人类的四肢经过了几十万年进化，经过了大自然的优胜劣汰的优化选择，可以说已经是最优的结构，所以本设计决定采用完全模仿能人手的结构。

3.1智能机械手的机构设计

手的机构设计主要是确定机构的自由度、手指数目、机构原理、传动方案、关节、手掌的结构及几何尺寸、传感系统的布置位置。首先要求机构具有较高的运动传动精度，较好的可控性和经济性;其次要求机构本身有较佳的机械特性。本文智能机械手的设计主要包括以下七个方面：

1)手指关节运动副的型式

2)手指自由度

3)手指数目

4)手指的结构型式(关节的数目及相对姿态)

5)手指材料

6)手指具体结构设计

7)手掌结构设计

3.1.1手指关节运动副型式

智能机械手的手指机构同其它任何机构一样，由若干构件组成，构件之间则通过运动副彼此相连，用来产生确定的运动。运动副相当于人手的关节。常见的运动副有转动副、移动副、螺旋副、圆柱副和球面副，它们的约束数分别为5、5、5、4和3，相应的自由度数目为l、1、1、2和3。

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由于各运动副都要借助于驱动器来实现。而无论是转动的还是移动的驱动器又大多为一个自由度。所以在智能机械手关节驱动中，可以采用的只有转动副、移动副和螺旋副3种。但是采用移动副和螺旋副的关节只能够使手指获得直线运动，其灵活性明显要比只含转动副的手指要差，因此，本文所设计的智能机械手的运动副全部采用转动副。

3.1.2手指的自由度

自由度多的优点是在满足指端到达空间指定点的前提下，可以调整末杆的姿态，从而保证手指与物体的接触处于最佳状态。但是我们也可以看到，自由度增多，结构也更复杂，控制也更难。对于2自由度的手指来说，虽然不存在抓取和操作物体的灵巧性，但其智能机械手的结构设计和控制设计都很方便。本文设计的智能机械手每个手指有2个关节。

3.1.3手指的数目

人手能够抓取各种不同形状、不同材质的物体，其根本原因在于人手能采取各种各样的抓取姿态去适应特殊的任务要求。智能机械手的手指数目若小于3个，则无法完成对抓取物体的微细操作，当手指数为5时，是仿造人手的手指数目和结构，具有很多优势，如果技术允许可以完成人手的所有动作如图2-1，而且如果作为人的假肢则必须为5指。若手指数目多于5，由于每个关节需要分别独立驱动，如果再加上若干传感器，规划过程和控制过程都相当复杂，很难保证实时性，所以智能机械手的手指数目一般取3到5个手指。

从仿生学角度出发，为能实现对各种不同形状物体的抓取，本文设计的智能机械手的手指数目取为5个。

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图3-1人类手指对任意物体的抓取方式

通过对人手抓取任意物体方式的分析，可以将人手的抓取方式分为:手掌接触抓取、手指内侧接触抓取、手指侧面接触抓取、3个虚拟指的抓取、混合抓取等。而智能机械手对物体的操作即是实现不同抓取方式之间在的转换的运动。其中前三者为人手抓取的基本类型，可以实现其它几种类型的抓取。

(1).指端接触抓取将大拇指作为“虚拟指1”，另外四指作为“虚拟指2”的相对面抓取。它具有良好的抓取灵活性，抓取精度较高，但在抓取稳定性及抓取力上受到一定限制。

(2).手掌接触抓取定义手掌为“虚拟指1”，除大拇指外的四指为“虚拟指2”的相对面抓取。它以牺牲抓取灵活性以换取抓取的稳定性，手掌及各指的大面积接触被抓物使手抓充分发挥出抓取力，同时提供足够的摩擦力。大拇指可以用以增加抓力，因此这种抓取方法保证了最大的抓取力和抓取稳定性。

(3).侧接触抓取大拇指为“虚拟指1”，食指朝大拇指的侧面为“虚拟指2”接触面的抓取，其抓取灵活性和稳定性介于指端接触抓取和手掌接触抓取之间。

本文所设计的五指智能机械手结构简单，易于控制，又能满足它对于各个应用环境都能很好的适应的功能要求，进而验证了选择手指数目的正确性

3.1.4手指的结构形式

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图3-2 由2个转动副构成的手指结构

对于2自由度手指，按照关节轴线之间是否平行、相交垂直和交错垂直三种情况，共有9种不同的关节配置。由于轴线相交垂直使得传动布置较为困难，去掉这些情况还有4种组合，如图3-2所示。从手指的控制方面以及本文研究对象的具体要求，采用第Ⅱ种手指结构。

3.1.5手指的材料

为减轻重量，同时也由于手指所抓取物体一般都不是很大，所以，手指的结构材料一般选用铝合金，本文设计采用7A04(超硬铝)为材料，刚度、强度好，重量轻。在一些特殊情况下，也可以采用碳素钢、铸钢、合成朔料等。一般在手指的表面再粘附一层橡胶或软塑料等材料，以减小手指与物体接触时的冲击，同时也可以增大接触摩擦力。

3.1.6手指具体结构设计

通过以上对智能机械手手指的结构分析，我们得出了手指的具体结

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构。由于智能机械手采取模块化设计，五个手指结构基本相同，其具体结构如图3-3至3-5所示，具有以下特点：

1.每指关节采用了由螺钉装配的活耳片，使手指关节的装拆更方便。

2.指根座上预留螺钉孔，使五指能很容易的装配在手掌上。

3.除了传动轴和手掌外，整个手指采用7A04材料;强度高，刚性好，重量轻。

4.表面材料为橡胶，可减少手指与物体接触时的冲击和增大磨擦

图3-3 拇指结构

图3-4 食指结构

图3-5 中指、无名指、小拇指结构

3.1.7 手掌结构设计

研究出来的智能机械手可以分为具有手掌(以DLR手为代表)和不具有手掌(以JPL手为代表)两类。没有手掌的智能手，其抓取和操作的灵巧性都比较好，对抓取尺寸比较小的物体并对其进行微细操作有利;而具有手掌的智能机械手，当手掌及各指的大面积接触被抓物体能使手爪充分发挥出抓取力，同时提供足够的摩擦力，从而大大提高其抓取稳定性。

就一般性和通用性而言，手指抓取应先以稳定性为前提，而且可以通过优化设计来弥补灵活性的不足，故本文研究对象选择有手掌的结构形式。

手掌结构设计较为复杂，要考虑的因素很多，因为它随着手指结构的不同而不同，几乎没有通用性。设计手掌主要考虑了手指根指座的支撑和定位安排、电机的安装定位、信号线的布置等因素。根据仿生学本文设计

的手掌结构如图3-6所示：

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