仿人靈巧手的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

1、仿人靈巧手的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案1.1 研究的背景及其意義機器人是近年來迅速發(fā)展起來的高新技術(shù)密集的機電一體化產(chǎn)品。 目前，對 多指靈巧手的智能抓持， 位置協(xié)調(diào)控制的研究是機器人學研究的熱點之一。 應(yīng)用 仿人機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、 工件的裝卸、 刀具的更換以及機器的裝配等 的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。在高溫、高壓、低 溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄 的場合中， 用人手直接操作是有危險或根本不可能的， 而應(yīng)用仿人機械手即可部 分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復，特 別是較笨重的操作中， 以仿人機械手代

2、替人進行工作， 可以避免由于操作疲勞或 疏忽而造成的人身事故。 應(yīng)用仿人機械手代替人進行工作， 這是直接減少人力的 一個側(cè)面， 同時由于應(yīng)用仿人機械手可以連續(xù)的工作， 這是減少人力的另一個側(cè) 面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少 人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。綜上所述，有效的應(yīng)用仿人機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。1.2 國外研究狀況像人一樣， 機器人需要用它的手與環(huán)境發(fā)生作用。 機器人發(fā)展初期， 面向的 需求首先來自制造領(lǐng)域， 早期工業(yè)機器人主要執(zhí)行上下料這樣的簡單任務(wù)， 功能 單一的兩指夾持器便能滿足任務(wù)要求。 隨著技術(shù)的進步，

3、 工業(yè)機器人開始向更多 的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，上百種專門用途的“手”，統(tǒng)稱為末端執(zhí)行器，使機器人能夠 應(yīng)對豐富多彩的任務(wù)對象， 從輪胎、玻璃到布料， 從大型金屬熱軋件到微小電子 器件。盡管如此，末端執(zhí)行器仍然是制約機器人應(yīng)用的一個主要因素。于是，開 發(fā)多用途機器手成為早期靈巧手研究的緣由和動機。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺仿人機械手。 第二代仿人機械手正在加緊研 制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺觸覺能力，甚至聽想的能力。研 究安裝各種傳感器，能把感覺到的信息反饋，使仿人機械手具有感覺機能。國外也出現(xiàn)了第三代仿人機械手，它能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。 它與 電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并

4、逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造 單元FMC中的重要一環(huán)對于搬運物體類的機械手的基本要能快速、準確地拾一 放并且能搬運物件，這就要求具有較高的精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、 足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設(shè)計氣動機械手的原則是：充分分析作業(yè)對象和環(huán)境，明確工作的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性， 定 位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對 機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求，盡量選用定型的標準組件，簡化設(shè)計制造過程， 兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。靈巧手與工業(yè)機器人一樣是一個典型的機電系統(tǒng)，它集成了機構(gòu)、驅(qū)動、傳感、控制和人機

5、交互等關(guān)鍵技術(shù)，然而其復雜程度卻超過傳統(tǒng)工業(yè)機器人。過去 20多年，研究人員針對上述關(guān)鍵技術(shù)進行了長期不懈的探索，因而產(chǎn)生了許多靈巧手樣機，表1-1列舉了其中一些設(shè)計開發(fā)實例。研究者（時間）手名稱指數(shù)自由度驅(qū)動類型傳感器種類Rich Walker 等（2004年）Shadow Hand524人工肌肉肌肉壓力、關(guān)節(jié)位置、分布式觸覺力傳感器Lotti 等（2004年）UBH3520電動機電動機位置、力、關(guān)節(jié)位置傳感器Kawasaki 等（2004年）Gifu Ha nd n516電動機電動機位置、6維指尖力、分布式觸覺傳感器Butterfass等 （2001 年）DLR-Hand n413電動機電

6、動機位置、關(guān)節(jié)位 置、關(guān)節(jié)力矩、6維指 尖力傳感器Schulz，S.等（2000年）Ultralight Hand510人工肌肉關(guān)節(jié)位置、壓力傳感器LovchikRobon aut Hand514電動機電動機位置、關(guān)節(jié)位（1999年）置、力、觸覺傳感器續(xù)表1-1研究者（時間）手名稱指數(shù)自由度驅(qū)動類型傳感器種類A.Caffaz 等（1998年）DIST Hand416電動機電動機位置、關(guān)節(jié)位 置、三維指尖力傳感器Jacobsen（1984年）Utah/MIT Hand416氣缸電動機位置、關(guān)節(jié)位 置、力、觸覺傳感器Salisbury（1983年）Sta nford/JPLHa nd39電動機電動

7、機位置、力、指尖力、指尖觸覺傳感器表1-1本次設(shè)計的仿人機械手是通用拾取軸類零件的機械手，是一種適合于成批或 中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設(shè)備， 它可以用于操作環(huán) 境惡劣，勞動強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。1.3關(guān)鍵技術(shù)人手有運動和感知兩個主要功能。運動功能使其能夠操作不同形狀和大小的 物體；感知功能使其能夠通過接觸獲取物體特征，探測未知環(huán)境。人手的這兩個 主要功能還必須通過肌肉的動力和大腦的控制才能實現(xiàn)。因此，驅(qū)動、傳感和控制是靈巧手的3個主要成分，也是靈巧手開發(fā)的難點。1.3.1 小而強的驅(qū)動靈巧手需要小而輕的驅(qū)動器， 常見類型為電動機。 目前所見的靈巧手最多有 24

8、個自由度。自由度越多，設(shè)計難度越大。難題之一是如何安置眾多驅(qū)動器，使 得靈巧手的尺寸接近人手。 現(xiàn)在的微型電動機體積過大， 無法在尺寸和力矩指標 上同時滿足要求。 若將電動機集成在手， 同時保證尺寸足夠小， 則手指端的輸出 力太小，例如不超過1030 N。若要獲得更大的力，電動機只能安裝在手外，如 放于小臂，用柔繩傳遞運動和力。這正是現(xiàn)在許多靈巧手樣機采用的傳動方式。 如果要取代復雜的柔繩傳動系統(tǒng)， 則需要尺寸小、 力矩大的微型電動機。 人工肌 肉是新近出現(xiàn)的另一種驅(qū)動方式，不過尺寸龐大仍然是一個未解決的問題。1.3.2 豐富的感覺用于靈巧手的傳感器主要有位置和觸覺傳感器。 測量關(guān)節(jié)位置是實現(xiàn)

9、手指運 動控制所必需的基本要求。 常見做法是用碼盤測量電動機軸轉(zhuǎn)角， 經(jīng)減速比縮小 后，關(guān)節(jié)角的計算值可以有較高的分辨率， 但傳動間隙和變形會產(chǎn)生嚴重影響測 量結(jié)果的準確性和可靠性。 理想的方式是直接測量關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角， 在現(xiàn)有設(shè)計中， 可 以看到將霍爾元件、電位計和關(guān)學傳感器用于關(guān)節(jié)角位置測量的實例。在環(huán)境對象不確定的應(yīng)用場合， 沒有接觸信息反饋， 很難想象靈巧手能完成 任何任務(wù)。 從人的經(jīng)驗可以直接觀察到觸覺與手的靈巧性關(guān)系密切。 你如果有過 手指凍僵的經(jīng)歷， 就會體驗到?jīng)]有足夠的觸覺信息， 人手會變得笨拙。 觸覺傳感 器分為兩類： 力傳感器和接觸傳感器。 力的測量方式有多種， 測鋼絲繩力和手指

10、 關(guān)節(jié)力矩， 可以分別采用 1維力和力矩傳感器。 也有復雜一點的 3維力傳感器測指 端接觸力大小和方向。 再復雜一些，可以用6維力/ 力矩傳感器測量接觸力的位置、 大小和方向。力傳感器響應(yīng)快、性能比較穩(wěn)定，但只能測量合力，無法識別接觸 點的數(shù)量和分布。后者靠接觸傳感器測量。 這類傳感器通常由多個觸點組成陣列， 用來測量接觸區(qū)域和觸點的壓力， 從而可以獲得接觸點的位置、 接觸區(qū)域的形狀 和力信息。由此，還可以進一步獲得摩擦信息，以便判斷是否發(fā)生滑動。盡管靈 巧手樣機的開發(fā)采用了多種觸覺傳感器， 但究竟使用哪種觸覺傳感器或幾種結(jié)合 更好，還沒有明確答案。另外，接觸傳感器在分辨率、信號處理、走線，以

11、及制作和價格等方面離應(yīng)用還有距離。其他類型傳感器，如接近覺、視覺、加速度、振動等，通常是針對特殊任務(wù) 需要而增加的。傳感技術(shù)離我期望的應(yīng)用目標還有很大的距離， 特別是觸覺傳感器， 已經(jīng)吸 引了大量研究投入。盡管如此，在提高可靠性、分辨率、靈敏度等方面仍然面臨 重重困難。靈巧手在運動學結(jié)構(gòu)上越來越接近人手，但由于觸覺傳感功能滯后， 限制了機械功能的發(fā)揮。1.3.3 聰明的大腦即便有了像人手一樣的運動和傳感功能， 如果沒有控制系統(tǒng)， 這些潛能就不 能發(fā)揮，就像人若“手巧”必需“心靈”一樣。目前用于靈巧手的控制策略分為兩類： 主從控制和自主控制。 主從控制的特 征是人直接參與控制過程， 在控制系統(tǒng)中

12、扮演判斷、 決策與規(guī)劃的角色。 而在自 主控制中， 人不直接參與控制過程， 運動規(guī)劃所需要的判斷和決策過程已通過算 法形式植入機器人控制器，即機器人有自己的大腦。主從控制系統(tǒng)通常由操作者、 人機交互設(shè)備、 靈巧手及其控制器組成。 操作 者的主要任務(wù)是進行任務(wù)和運動規(guī)劃， 根據(jù)視覺、 力覺等信息反饋， 做出判斷和 行動。人機交互設(shè)備采集操作者手的動作， 將其轉(zhuǎn)化為靈巧手的運動或力控制指 令?？刂破鞲鶕?jù)人機交互設(shè)備輸出的指令， 對驅(qū)動器進行位置或力伺服控制。 當 靈巧手的結(jié)構(gòu)接近人手時， 運動映射變得直觀而簡便。 因此， 主從控制比較適合 于仿人手。自主控制系統(tǒng)的難題是如何使機器人有一個聰明的大腦

13、。 機器人要能夠知道 物體在何處、 物體的形狀如何， 并能夠自主規(guī)劃如何完成抓取和操作任務(wù)。 一方 面根據(jù)理論設(shè)計的規(guī)劃算法還不能滿足控制的實時需要， 另一方面這些理論的假 設(shè)條件依賴于觸覺和視覺信息。 受觸覺傳感器性能的限制， 目前還無法獲得足夠 準確和完整的觸覺信息。 因此，除個別極為簡單的例子外， 只能利用仿真方法驗 證運動規(guī)劃算法，還無法在物理系統(tǒng)上加以證實。另一種過渡策略是將主持控制與自主控制兩者結(jié)合。 由人承擔抽象的難以量 化的任務(wù)定義工作，由靈巧手自主完成細微操作任務(wù)。讓機器人的控制系統(tǒng)學習 人的知識，并將其轉(zhuǎn)化為運動控制指令。在這里，人工智能的一些理論和方法， 如模式識別、神經(jīng)

14、網(wǎng)絡(luò)等可以用來識別人手的抓持類型， 并建立人手與靈巧手之 間的抓持映射關(guān)系。2仿人靈巧手手指機構(gòu)的傳動方案設(shè)計2.1手指關(guān)節(jié)的傳動方案設(shè)計手指機構(gòu)的運動方案設(shè)計主要考慮的因素是在滿足運動要求的前提下傳動要平穩(wěn)可靠結(jié)構(gòu)要簡單維護要方便由此在手指機構(gòu)設(shè)計。 我首先嘗試采用齒形帶 傳動，但由于齒形帶結(jié)構(gòu)的要求（帶寬和最小帶輪半徑的限制）與手指尺寸（即手 指的大?。┑拿軣o法解決，因此齒形帶也不能用在本手指機構(gòu)的設(shè)計中。接著 又考慮采用齒輪傳動，通過調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，由于齒輪的結(jié)構(gòu)比較復雜，用于關(guān)節(jié) 間的傳動比較麻煩，使手指重量增加，成本提高。經(jīng)過全面的比較論證，最終的 手指機構(gòu)采用鋼絲繩來傳遞運動和動力

15、。圖2-1為仿人靈巧手三維模型圖，它是3自由度5手指仿人手。整個系統(tǒng)采用 鋼絲繩傳動，各手指的傳動機構(gòu)系統(tǒng)基本相同，所以就以中指為例說明機構(gòu)的傳圖2- 1圖2-2所示為中指三維模型，手指結(jié)構(gòu)主要有兩部分組成：硬固機構(gòu)部分、手指 軟連機構(gòu)部分。硬固機構(gòu)由首指節(jié)、中指節(jié)、末指節(jié)組成，依次首尾軸向連接， 串聯(lián)在一起；手指軟連機構(gòu)由兩鋼絲繩一端分別從正反兩面拴在末指節(jié)固定端， 依次穿過中指節(jié)、末指節(jié)的穿孔處到達電機驅(qū)動輪上。 當手指需要伸開時，驅(qū)動 電機外轉(zhuǎn)，外部鋼絲繩主動拉緊，部鋼絲繩從動放松，末指節(jié)只受手背牽引力時， 手指垂直方向運動伸直，此時，鋼絲伸展段最長，外鋼絲伸展段最短。當手指需 要彎曲時

16、，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)，外部鋼絲繩從動放松，部鋼絲繩主動拉緊，末指節(jié)只受 手心牽引力時，手指垂直方向運動彎曲，此時，鋼絲伸展段最短，外鋼絲伸展段 最長。說明一點，各指節(jié)的轉(zhuǎn)動支點與鋼絲繩固線點位置是決定機器手運動速度 和抓握力大小的關(guān)鍵。圖2-22.2仿人靈巧手的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計若要機器手具有抓握和放置兩種運動方式，則機器手要有手掌和手指機構(gòu)， 此外還要有機器手手指之間的平衡機構(gòu)。為了使機器手能夠按照指定的方向和角 度運動，機器手還必須有運動方向和角度調(diào)節(jié)機構(gòu)，自我保護機構(gòu)也是不可少的。 此外，需要由電機傳動、機器手臂輔助聯(lián)動機構(gòu)。一般情況下機器手為自由半狀態(tài)，由直流電機驅(qū)動，機器手的手指采用連桿、 電機、

17、連接軸、萬向節(jié)等組成，動力源是電機，機器手對被持物體的形狀、大小、 重量的規(guī)劃由規(guī)劃、視覺、觸覺和控制系統(tǒng)給出，本文主要研究機構(gòu)部分的設(shè)計 及原理。3.手指與手掌結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制作目前靈巧手手指的設(shè)計有兩種主流設(shè)計思想， 即骨骼設(shè)計和外骨骼設(shè)計。外 骨骼設(shè)計的手指外部只能安裝很薄的用于增加摩擦力的橡膠皮，用于柔性接觸的厚襯墊只能裝于手掌上，而且難于安裝觸覺傳感器；骨骼設(shè)計有利于安裝觸覺或 力傳感器以及柔性襯墊。本文采用外骨骼設(shè)計。3.1手指關(guān)節(jié)的設(shè)計與制作仿人靈巧手是模仿人類手的運動，因此各關(guān)節(jié)的運動圍也應(yīng)該和人類基本相 同，經(jīng)過對各關(guān)節(jié)運動分析，并參考已有的一些機器人各關(guān)節(jié)的運動圍確定機器 手

18、各關(guān)節(jié)運動圍如表3-1所示。1045 （弧轉(zhuǎn)度）209030904090表3-1手指連桿坐標因此，在制作過程中，應(yīng)盡量考慮到各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動圍， 避免運動過程中手指 各關(guān)節(jié)的干涉。各關(guān)節(jié)中的孔定位一定要精確，否則會出現(xiàn)卡死或者脫離原軌跡 的現(xiàn)象，使得手指在運動過程中出現(xiàn)不必要的麻煩。在關(guān)節(jié)的制作過程中，選材是很重要的。材料的硬度和剛度都是選材的標準， 如果用鋁片制作手指模型的話，會因為硬度不夠，很容易就裂了。用薄鐵片制作 后變形又會比較厲害。最終我選擇了硬度和剛度都比較合適的鋁合金。圖3-1、 3-2、3-3、所示為我設(shè)計的手指各關(guān)節(jié)三維模型，分別為遠指節(jié)，中指節(jié)和近指節(jié)圖3-1圖3-2圖3-33

19、.2手指關(guān)節(jié)間連接機構(gòu)的設(shè)計手指關(guān)節(jié)的連接是整個手指能協(xié)調(diào)運動的關(guān)鍵， 為此，我采用各種試驗方法, 最終我采用了圓形鋼管連接，并在鋼管上安裝一個小滑輪，使得手指各關(guān)節(jié)的連 接更加緊湊。加一個小滑輪還有一個好處，就是能讓鋼絲繩拉得更加方便協(xié)調(diào)。 制作模型如圖3-4圖3-43.3手掌的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作手掌的作用就是用來連接五個手指， 使其有一定的位置布局。另外，幾乎整 個驅(qū)動系統(tǒng)與控制電板都要安裝在手掌中。為了使五個手指的布局更接近于人手，我仿照真人的手掌形狀設(shè)計了一個機 械手掌，這個手掌比真人手掌的表面積要大些， 為的是更適合手指的安裝與連接 和驅(qū)動系統(tǒng)以及控制電板的合理布局。最終我設(shè)計了如圖 3

20、-5所示的手掌模型。圖3-5在制作手掌的過程中，我遇到了一系列的問題。首先就是選材問題，手掌的 功能就是裝載，所以需要有一定的容積，考慮到控制面板的大小還有舵機以及電 源的放置，手掌的材料要有一定的硬度，并且很容易成型，最終我選擇了有一定 厚度的鋁塑板。其次，手掌的外部結(jié)構(gòu)比較復雜，它的一端要用來連接手指，另 一端還要有一定的表面積來支撐整個手在平面上的穩(wěn)定佇立。 最后我采用了比較 簡單的矩形模塊，使得以上問題有所改善。3.4 手指基關(guān)節(jié)的機構(gòu)設(shè)計與制作一般情況下的手指基關(guān)節(jié)都是比較復雜的，它需要兩個微直線驅(qū)動器驅(qū)動， 每個驅(qū)動器具有直線位置傳感器 （直線電位計 ）、電機位置傳感器 （霍爾傳感

21、器 ）和 光電極限位置傳感器。 這樣做出的手指和人的手指更加相似， 運動機能也更加智 能化。但是由于成本考慮以及課題設(shè)計的要求， 我采用很普通的關(guān)節(jié)連接件作為 手指的基關(guān)節(jié)，這樣即能達到課題設(shè)計的要求，又減輕了成本。運動過程簡述為：機器手抓握時 5手指處于開狀態(tài)， 5個手指靠 5個舵機驅(qū)動 實現(xiàn)抓握。 當決策與控制系統(tǒng)判斷出有抓緊需要時， 發(fā)出指令讓機器手實現(xiàn)抓握 動作。抓握動作時動作參數(shù)設(shè)置有：抓握準備、抓握、保持、放開、恢復原來放 松狀態(tài)。它是利用電能轉(zhuǎn)化為兩根相互牽制拉扯手指的鋼絲繩的伸縮機械能使手 指在一個平面運行；利用電能驅(qū)動連桿轉(zhuǎn)化為機械能，使得手指可以相互運動， 與前者結(jié)合實現(xiàn)各

22、手指間的三維運動。機器手由 5個可彎曲的手指機構(gòu)和一個手 掌機構(gòu)連接而成。 每個手指均為一個自由度， 分別由一個電機驅(qū)動； 拇指與食指、 食指與中指、 中指與無名指、 無名指與小指之間有耦合機構(gòu)， 分別由一個電機驅(qū) 動。拇指為兩截運動串級耦合組成， 其余四指為三節(jié)串級耦合組成。 四個手指區(qū) 別在于類人手長短不同，可以對非規(guī)則物體實現(xiàn)握、拿、捏、夾等動作。電源可 以外接。4仿人靈巧手運動學模型4.1靈巧手坐標系的建立采用D H方法2建立靈巧手的坐標系.其基本原則為，為每一個關(guān)節(jié)指定 一個本地的參考坐標系，z軸為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)方向，z軸方向指向z。一。與z。 之間的公垂線，對于與z軸相交的相鄰兩關(guān)

23、節(jié)，z軸定義為兩條軸線構(gòu)成的平面的 垂線據(jù)此建立仿人靈巧手的坐標系如圖 4-1所示.圖4-1靈巧手坐標系圖中只標注了拇指、食指以及小指的坐標系，中指及無名指的坐標系與食指 完全相同.參考坐標系為手掌坐標系.手掌坐標系建立在手腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處. 除小 指外每個手指具有4個關(guān)節(jié)，從指根到指尖依次標注為關(guān)節(jié)1至關(guān)節(jié)4,小指具有5 個關(guān)節(jié)，同其他手指一樣依次標注為關(guān)節(jié)1至關(guān)節(jié)5.4.2靈巧手正運動學解以食指為例建立的D- H參數(shù)表如表4- 1.關(guān)節(jié)數(shù)idiai 1/( )ai1/( )1101190220500330300440250表4-1食指D- H參數(shù)表每個關(guān)節(jié)的變換矩陣Ai定義為（其中下標i代表關(guān)

24、節(jié)數(shù)，c代表COS, S代表sin).Ai=rot(z,0 i ) Trans(0, 0,di) Trans(a, 0, 0) rot(x, ac is iC is iS iiC is ic iC ic iS iiS i0s ic idi0001食指的正運動學解是相鄰關(guān)節(jié)之間的6個變化矩陣的乘積.nxOxaxPx0T4AAA3A4nyOyayPynzOzazPz0001式中:nx(c 1C 2C 3C 1S 2S 3)C 4(C 1C 2S 3c 1S 2C 3) S 4 ;Ox(c 1C 2C 3C 1S 2S 3)s4( C 1C 2S 3C 1S 2C 3 )c 4axs 1 ;Pxa3

25、C 1C 2C 3a3C 1S 2S 3a?c 1C 2ac1 ;ny(s 1c 2c 3s 1s2s3)c 4( s 1c2c 3s 1s 2c3)s 4oy(s 1c 2 3s 1s2s3)s 4( s 1c2s 3s 1s 2c3)c 4ayc 1 ;pya3s 1c 2c 3a3s1s2s 3a2s 1c 2a1s1;bz(s 2c 3c2s 3)c 4( s 2s 3c2c 3)s 4 ;oz(s 2c 3c 2s3)s 4( s 2s 3c 2c 3)caz 0;pza3s 2c 3 a3c 2s 3 a2s 2矢量n, o, a, p表示食指末端的位姿.類似地求得其它 4指的正運

26、動學方程，并將其表達在手掌坐標系中有A0f A1f .Anffnxfoxfaxfpxffffnyfoyfayfpyfffffnzozazpz0001式中： f=0, 1, ?, 4,分別表示靈巧手的 4個手指, A0f 為手指及關(guān)節(jié)對于手 掌坐標系的變換.分別將各手指的D H參數(shù)代人求得各手指的變換矩陣，由上 式即可求得手指任何關(guān)節(jié)的空間位姿.將表1中靈巧手指的數(shù)據(jù)在Matlab下仿真，得到食指末端的運動空間如圖4-2 所示.Xlttim圖4-2食指末端工作空間4.3仿人靈巧手動力學模型Newton- Euler方程采用多個方程組成的聯(lián)立方程式組來刻畫由多個剛體組 成的機器人系統(tǒng)。Newto

27、nEuler方法建立方程比較容易，進行動力學計算時, 與Lagrange方法導出的模型相比，計算量要少得多3。Newton Euler方程導出的方程可以寫為如下的遞推形式 4。Fimci X 1 1i*niM R m iPif 怙Fi式中：.i i 0，i=0, 1,., n. i為系i角速度；i為系i角加速度；a原點Oi加速度；比i為桿i質(zhì)心加速度Newton- Euler逆動力學遞推算法的框圖如圖4- 3N結(jié)柬）鼠、Uj, (icj測=叱=0丫 n-gi fit 鼠、rJ圖4-3 Newton - Euler遞推算法框圖5.手指的虛擬樣機建立與運動抓持仿真下面應(yīng)用虛擬樣機技術(shù)來驗證所得到的

28、手指各指節(jié)的運動耦合關(guān)系和確定 手指在抓持物體時的自適應(yīng)能力。首先應(yīng)用三維實體造型軟件solidworks對所設(shè)計的手指進行實體造型（如圖 2-2所示），然后導入到機械系統(tǒng)動力學分析軟件 ADAMS中，再按各構(gòu)件之間的 約束關(guān)系定義運動副等，即得到了手指的虛擬樣機模型，如圖5-1a所示。給定電機的運動后即可對手指的虛擬樣機進行仿真分析，并檢測手指各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角I q II q和山q值，其結(jié)果分別如圖5-1b、c和d所示。從仿真結(jié)果可以看出，所 設(shè)計的手指機構(gòu)在運動過程中三個關(guān)節(jié)的耦合關(guān)系同理論推導出的關(guān)系式（8）是完全吻合的，說明了設(shè)計的正確性和合理性。abCd圖5-1手指各指節(jié)的運動耦合關(guān)系分

29、析結(jié)果進一步應(yīng)用所建立的手指虛擬樣機來分析手指在抓持物體時自適應(yīng)的能力 假設(shè)用該手指去抓持一個固定不動的圓柱體。手指相對被抓持物體的初始位置如圖5-2a所示。手指開始運動，當下指節(jié)碰觸到物體后停止運動，如圖5-2b所示。 由于“解耦裝置”的作用，電機可以繼續(xù)轉(zhuǎn)動，帶動中、上指節(jié)也繼續(xù)運動，當 中指節(jié)碰觸到物體后也停止運動，如圖 5-2c所示。同理，由于“解耦裝置”的 作用，上指節(jié)仍然可以繼續(xù)運動，直到上指節(jié)也接觸到物體為止，整個手指的運 動才停止，這時手指與物體的位置關(guān)系如圖 5- 2d所示。從這一抓持物體的仿真 過程可以看出，所設(shè)的手指具有很好的自適應(yīng)抓持物體的能力，從而保證了對不同幾何特征

30、物體的有效抓持。abd圖5-2手指各指節(jié)的運動耦合關(guān)系分析結(jié)果6.驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計6.1 電機的選用仿人靈巧手的驅(qū)動不但要求電機驅(qū)動系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比、 寬調(diào)速圍、 高可 靠性，而且電機的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性受電源功率的影響， 這就要求驅(qū)動要具有盡可 能寬的高效率區(qū)舊J。縱觀機器人大賽、創(chuàng)新實驗室、科研機構(gòu)等制作使用的電 機無非是步進電機、 直流電機、 直流伺服電機 3種?。步進電機接收的是矩形波信 號，所以它傳遞的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩都非常精準， 其缺點是功率不能做大； 直流電機具 有響應(yīng)快速， 較大的起動轉(zhuǎn)矩， 從0轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能， 但直流電機的優(yōu)點也正是它的缺點， 因為直流電機要產(chǎn)生

31、額定負載下恒定轉(zhuǎn)矩的 性能，則電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場須恒維持 900，這就使碳刷及整流子在電機轉(zhuǎn)動時 會產(chǎn)生火花， 碳粉除了會造成組件損壞之外， 使用場合也受到限制； 伺服電機的 功率可大可小，它接收波形電信號， 轉(zhuǎn)動誤差大，一般要加校正回路彌補其誤差。 綜上所述， 步進電機不容易實現(xiàn)控制， 直流電機的慣性大， 而舵機可以克服以上 缺點，因此文中選用舵機。舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器， 適用于那些角度需要不斷變化并可以保持的 控制系統(tǒng)口 J。舵機是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)。跟其他電機一樣，它的選型也要 考慮到力矩、工作電壓等，綜上所述，市場的舵機大都能滿足以上要求，結(jié)合舵 機的價格和質(zhì)量，最終設(shè)計選用了

32、 Futaba$3003，如圖13所示6.2 控制系統(tǒng)的選擇在選擇好動力系統(tǒng)的同時，所要考慮的是如何產(chǎn)生控制舵機運動的控制信 號，本文選擇單片機 AT89S52 作為控制單元，單片機可以使 PWM （脈沖調(diào)制） 信號的脈沖寬度實現(xiàn)微秒級的變化， 從而提高舵機的轉(zhuǎn)角精度。 單片機完成控制 算法，再將計算結(jié)果轉(zhuǎn)化為 PWM 信號輸出到舵機， 由于單片機系統(tǒng)是一個數(shù)字 系統(tǒng)，其控制信號的變化完全依靠硬件計數(shù)， 所以受外界干擾較小， 整個系統(tǒng)工 作可靠。結(jié)語為期幾個月的畢業(yè)設(shè)計即將結(jié)束了，在這幾個月里我在同學和老師的幫助下 完成了仿人柔性機械手的設(shè)計任務(wù)。畢業(yè)設(shè)計作為綜合性的設(shè)計，它不同于以前教學中的

33、實驗、課程設(shè)計等實踐 環(huán)節(jié)。以前的所做的一些設(shè)計主要是根據(jù)相關(guān)的課本及老師所給資料去完成的， 有一定的參照性，所以相對而言比較簡單，不能完全達到鍛煉自己動手能力的目 的。而畢業(yè)設(shè)計則是對我大學四年所學知識的一個綜合的訓練及考核，是對所學知識的應(yīng)用能力和大學所學理論知識對實踐技能相結(jié)合的全面的檢驗。并對我如何根據(jù)要做的課題對現(xiàn)有的資料進行理解和運用的能力的考核。真正做到了理論聯(lián)系實際，把以前所學的知識綜合貫通進行實踐， 并在實踐中不斷學習和自我完 善。從剛確定畢業(yè)設(shè)計課題以來，我首先是查找一些相關(guān)的書籍及資料，然后分 析設(shè)計，并根據(jù)實際情況擬定設(shè)計方案，從而達到優(yōu)化方案。在研究設(shè)計機構(gòu)時， 我優(yōu)化并簡化了設(shè)計，這就省去了一部分時間。同時，通過這次畢業(yè)設(shè)計，我在 各個方面都有了很大的提高，特別是在理論和實踐結(jié)合方面使我受益匪淺， 使大 學里學習的理論知識在根本上得到一次最完