仿生机械手结构设计与功能仿真

1.1 仿生机械的概述................................................ 2
1.2 课题的研究目的和意义.......................................... 3
1.3 国内外该领域的研究现状........................................ 3
3.1.1 手指机构的自由度计算.................................. 15
3.1.2 位置正解............................................... 16
3.1.3 三自由度仿生机械手指的位置反解分析..................... 17
生机械学的主要研究课题有拟人型机械手、步行机、假肢以及模仿鸟类、昆虫和 鱼类等生物的各种机械。
1.2 课题的研究目的和意义
自从 1960 年第一台机器人问世以来，机器人技术有了迅猛的发展，在国防、科 研、生产等领域都有了广泛的应用，代替人们从事一些复杂的、危险的、或者非 人可达的工作，从而减轻了人们的劳动强度，提高了效率，扩大了人类活动的空 间。但是就目前国内外的工业机器人而一言，大都是针对专门的任务而设计的， 使用的也是夹钳式或平行移动式的单自由度末端执行器。这种末端执行器的结构 简单，控制方便，对于实现负荷的大范围运动作业十分有效，但却存在以下几个 方面的缺点：
摘要
本设计是根据亚确定输入的原理设计的以少输入控制多自由度的三指九自由 度机械手，当在机械手初始运动时机械手的每个手指作为一个运动单元作整体的运 动，但当机械手手指的第一个指节因某种因素突然受阻，驱动力克服动力约束，自 动启动了位于第一个指节和第二个指节之间关节的转动自由度，这时就应用了各个 手指的第二个自由度，同样的，当第二个指节和第三个指节间的转动自由度因为某 种外在的因素突然受阻时，自动启动机械手各个手指的第三个自由度。这样就实现 了机械手的以少输入控制多自由度的控制方式，以达到机械手对不同形状工件的抓 取动作，可以达到省力、省能以及减少电动机设计容量，因而减少机构的负载及改 善动力性能。
2.4 功能分解 .................................................... 12
2.5 原理方案 .................................................... 12
2.6. 具体工作原理 ............................................... 14
2.6 本章总结 .................................................... 15
3 机械手手指的运动分析.............................................. 15
3.1 手指机构运动学 ............................................ 15
致谢词.............................................................. 35
参考文献............................................................ 36
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1.4 关节运动的驱动方式...................................................................... 8
1.4.2 链条、钢带驱动.......................................... 8
模仿生物形态结构创造机械的技术有悠久的历史。15 世纪意大利的列奥纳 多．达芬奇认为人类可以模仿鸟类飞行,并绘制了扑翼机图。到 19 世纪,各种自然 科学有了较大的发展,人们利用空气动力学原理,制成了几种不同类型的单翼机和 双翼滑翔机。1903 年，美国的 W.莱特和 O.莱特发明了飞机。然而，在很长一段时 间内，人们对于生物与机器之间到底有什么共同之处还缺乏认识，因而只限于形 体上的模仿。直到 20 世纪中叶，由于原子能利用、航天、海洋开发和军事技术的 需要，迫切要求机械装置应具有适应性和高度的可靠性。而以往的各种机械装置 远远不能满足要求，迫切需要寻找一条全新的技术发展途径和设计理论。随着近 代生物学的发展，人们发现，生物在能量转换、控制调节、信息处理、辨别方位、 导航和探测等方面有着以往技术所不可比拟的长处。同时在自然科学中又出现了 “控制论”理论。它是研究机器和生物体中控制和通信的科学。控制论是沟通技 术系统和生物系统工作原理之间的桥梁，它奠定了机器与生物可以类比的理论基 础。1960 年 9 月在美国召开了第一届仿生学讨论会，并提出了“生物原型是新技 术的关键”的论题，从而确立了仿生学学科，以后又形成许多仿生学的分支学科。 1960 年由美国机械工程学会主办，召开了生物力学学术讨论会。1970 年日本人工 手研究会主办召开了第一届生物机构讨论会，从而确立了生物力学和生物机构学 两个学科，在这个基础上形成了仿生机械学。
1.4.3 闭式链连杆传动机构的驱动方式............................ 8
1.5 本文主要研究内容............................................. 10
2 原理方案的设计.................................................... 10
仿生机械研究的主要领域有生物力学、控制体和机器人。生物力学研究生命 的力学现象和规律，包括生体材料力学和生体流体力学，生体机械力学和生体流 体力学。控制体和机器人是根据从生物了解到的知识建造的工程技术系统。其中 用人脑控制的称为控制体(如肌电假手、装具)；用计算机控制的称为机器人。仿
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目
录
摘 要............................................................. 1
1 绪论............................................................... 1
4.3.1 机械手的装配 .......................................... 25
4.3.2 机械手的仿真 .......................................... 31
总结与体会.......................................................... 34
【关键词】亚确定输入、自由度、指节
Abstract
The design is based on the principle of deficient­determinate input to low input control means more than nine degrees of freedom of the three DOF manipulator, when the initial movement of the robot manipulator as a motor unit for each finger movement as a whole, but when the robot The first finger knuckles suddenly blocked by a certain factor, driving force to overcome the power constraints, automatically launched in the first knuckle and the second knuckle joint between the rotational DOF, then the application of the first of each finger two DOF, the same, when the second and third knuckle knuckle between the rotational DOF for some external factors suddenly blocked, the robot automatically start the third DOF of each finger. This realization of the robot with less DOF input control and more control to achieve the mechanical hand to capture action different shapes of the work piece can be achieved effort, saving energy and reducing the design capacity of electric motors, thus reducing the load and improve power sector performance .
在仿生机械中，仿生机构作为仿生机械的重要组成部分，是模仿生物的运动形 态﹑生理结构和控制原理设计制造出的功能更集中效率更高﹑应用更加广泛并具 有生物特征的机构，是仿生机械中完成机械运动的物质载体。
模仿生物的形态、结构和控制原理设计制造出的功能更集中、效率更高并具有 生物特征的机械。研究仿生机械的学科称为仿生机械学，它是 20 世纪 60 年代末 期由生物学、生物力学、医学、机械工程、控制论和电子技术等学科相互渗透、 结合而形成的一门边缘学科。在自然界中,生物通过物竞天择和长期的自身进化, 已对自然环境具有高度的适应性。它们的感知、决策、指令、反馈、运动等机能 和器官结构远比人类所曾经制造的机械更为完善。