上本科畢業(yè)設(shè)計(jì)五指靈巧手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)FINAL PROJECT/THESIS OF UNDERGRADUATE(2014屆)五指靈巧手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析Guideline and Example of the Final Project/Thesis for Undergraduates of USST (外文標(biāo)題)學(xué)院專業(yè)學(xué)生姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師 完成日期年月承諾書本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)論文“五指靈巧手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析”是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，嚴(yán)格按照學(xué)校和學(xué)院的有關(guān)規(guī)定由本人獨(dú)立完成。文中所引用的觀點(diǎn)和參考資料均已標(biāo)注并加以注釋。論文研究過程中不存在抄襲他人研究成果和偽造相關(guān)數(shù)據(jù)等行為。如若出現(xiàn)任何侵犯他人知識(shí)產(chǎn)

2、權(quán)等問題，本人愿意承擔(dān)相關(guān)法律責(zé)任。承諾人(簽名)：_日期： 年 月 日摘 要傳統(tǒng)的機(jī)械手主要應(yīng)用在仿人機(jī)器人或者機(jī)械手臂的執(zhí)行端，對指定物體進(jìn)行抓取，完成特定的動(dòng)作?？紤]到現(xiàn)代化的機(jī)械手成本太高，一些規(guī)模小的工廠沒有資金更新設(shè)備來保證工人安全。許多工人冒著危險(xiǎn)工作，受傷率高居不下。本文正是為了解決這一難題，本文設(shè)計(jì)了一種簡便的仿人五指靈巧手來代替人手進(jìn)行工作，來減少工人受傷的概率。本文的主要研究內(nèi)容如下：通過分析平面連桿機(jī)構(gòu)，選定平面交叉四連桿作為手指基本構(gòu)造形式，并且根據(jù)真實(shí)人手的尺寸設(shè)計(jì)四連桿的尺寸，對手指進(jìn)行優(yōu)化，最終建立手指模型。參照人手對靈巧手其他部位進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到仿人手的要求。對

3、手指動(dòng)力進(jìn)行絲桿電機(jī)選型，并設(shè)計(jì)操作機(jī)構(gòu)、與人手的連接機(jī)構(gòu)。通過對方案進(jìn)行Solidworks以及Autocad的三維、平面建模，完成五指靈巧手的設(shè)計(jì)。使用Solidworks自帶的插件Simulation對非標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵零件進(jìn)行應(yīng)力分析，觀察零件的強(qiáng)度，變形大小是否符合要求。關(guān)鍵詞：靈巧手 仿人手 機(jī)械手 四連桿ABSTRACTTraditional manipulator is mainly used in humanoid robot or mechanical arm, the execution of the end for the specified object grab, perf

4、orm specific actions. Considering modern manipulator cost is too high, some small factories have no money to update equipment to ensure the safety of the workers. Many workers at the dangerous work, the injury rate is high. In order to solve this problem, this paper designs a simple humanoid five fi

5、ngers dexterous hand instead of manpower to carry on the work, to reduce the probability of workers were injured. This main contents of design is presented as follows：Through the analysis of planar linkage mechanism, the selected plane cross four connecting rod as a basic structure forms for the fin

6、gers, and design the size of the four connecting rod according to the size of the real people, optimize the fingers, fingers model is set up in the end.Reference to people in other parts of the dexterous hand design, to achieve the requirement of the humanoid hand. The finger power screw motor selec

7、tion, and design and operating mechanism, and the connecting mechanism of a mans hand.Base on the programs three-dimensional Solidworks and AutoCAD, graphic design, complete the design of a dexterous hand with five fingers.Use Solidworks own plug-in Simulation for stress analysis of key parts of non

8、-standard, observe the strength of the parts, Ensure compliance with requirements.KEY WORDS: content and structure format and style details and sample目 錄摘要ABSTRACT TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc421567754 第1章 緒 論 PAGEREF _Toc421567754 h 1 HYPERLINK l _Toc421567755 課題來源及研究的背景和意義 PAGEREF _Toc42156775

9、5 h 1 HYPERLINK l _Toc421567756 1.2 國內(nèi)外四桿機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc421567756 h 1 HYPERLINK l _Toc421567757 1.2.1 國外的研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc421567757 h 1 HYPERLINK l _Toc421567758 1.2.2 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc421567758 h 3 HYPERLINK l _Toc421567759 1.3 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的和意義 PAGEREF _Toc421567759 h 4 HYPERLINK l _Toc4

10、21567760 本章小結(jié) PAGEREF _Toc421567760 h 4 HYPERLINK l _Toc421567761 第2章 五指靈巧手方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421567761 h 5 HYPERLINK l _Toc421567762 2.1 靈巧手總體方案 PAGEREF _Toc421567762 h 5 HYPERLINK l _Toc421567763 2.1.1 總體方案設(shè)想 PAGEREF _Toc421567763 h 5 HYPERLINK l _Toc421567764 2.1.2 人手掌的分析 PAGEREF _Toc421567764 h 5

11、HYPERLINK l _Toc421567765 2.2 手指傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的確定 PAGEREF _Toc421567765 h 6 HYPERLINK l _Toc421567766 2.2.1 靈巧手驅(qū)動(dòng)種類 PAGEREF _Toc421567766 h 6 HYPERLINK l _Toc421567767 2.2.2 手指結(jié)構(gòu)的確定 PAGEREF _Toc421567767 h 7 HYPERLINK l _Toc421567768 2.3 連桿驅(qū)動(dòng)靈巧手指方案的確定 PAGEREF _Toc421567768 h 8 HYPERLINK l _Toc421567769 2.3.

12、1 平面連桿的選型 PAGEREF _Toc421567769 h 8 HYPERLINK l _Toc421567770 2.3.2 平面四連桿特性分析 PAGEREF _Toc421567770 h 9 HYPERLINK l _Toc421567771 2.3.3 平面四連桿的尺寸選型 PAGEREF _Toc421567771 h 12 HYPERLINK l _Toc421567772 2.3.4 手指尺寸的確定 PAGEREF _Toc421567772 h 13 HYPERLINK l _Toc421567773 2.3.5 手指初步模型 PAGEREF _Toc42156777

13、3 h 14 HYPERLINK l _Toc421567774 2.4 手指建模 PAGEREF _Toc421567774 h 15 HYPERLINK l _Toc421567775 2.4.1 近指節(jié)零件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421567775 h 15 HYPERLINK l _Toc421567776 2.4.2 中指節(jié)零件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421567776 h 15 HYPERLINK l _Toc421567777 2.4.3 遠(yuǎn)指節(jié)零件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421567777 h 16 HYPERLINK l _Toc421567778 2.4.

14、4 中指節(jié)推桿設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421567778 h 16 HYPERLINK l _Toc421567779 2.4.5 遠(yuǎn)指節(jié)推桿設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421567779 h 16 HYPERLINK l _Toc421567780 2.4.6 指節(jié)連接設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421567780 h 16 HYPERLINK l _Toc421567781 2.4.7 手指整體模型 PAGEREF _Toc421567781 h 17 HYPERLINK l _Toc421567782 2.5 手指位置確定 PAGEREF _Toc421567782 h 17

15、HYPERLINK l _Toc421567783 2.5.1 四指位置 PAGEREF _Toc421567783 h 17 HYPERLINK l _Toc421567784 2.5.2 拇指位置 PAGEREF _Toc421567784 h 17 HYPERLINK l _Toc421567785 第3章 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421567785 h 18 HYPERLINK l _Toc421567786 引言 PAGEREF _Toc421567786 h 18 HYPERLINK l _Toc421567787 驅(qū)動(dòng)方式選型 PAGEREF _Toc4215677

16、87 h 18 HYPERLINK l _Toc421567788 傳動(dòng)方式選型 PAGEREF _Toc421567788 h 18 HYPERLINK l _Toc421567789 3.2 手指傳動(dòng)方案選型 PAGEREF _Toc421567789 h 19 HYPERLINK l _Toc421567790 3.2.1 絲杠的選型 PAGEREF _Toc421567790 h 19 HYPERLINK l _Toc421567791 3.2.2 電機(jī)選型 PAGEREF _Toc421567791 h 21 HYPERLINK l _Toc421567792 電機(jī)絲桿組合設(shè)計(jì) PA

17、GEREF _Toc421567792 h 22 HYPERLINK l _Toc421567793 3.3 手指驅(qū)動(dòng)的整體設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421567793 h 23 HYPERLINK l _Toc421567794 四指驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421567794 h 23 HYPERLINK l _Toc421567795 拇指驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421567795 h 23 HYPERLINK l _Toc421567796 3.4 手腕電機(jī)選型 PAGEREF _Toc421567796 h 24 HYPERLINK l _Toc42156779

18、7 第4章 手掌和手臂的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421567797 h 25 HYPERLINK l _Toc421567798 手掌設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421567798 h 25 HYPERLINK l _Toc421567799 總體設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421567799 h 25 HYPERLINK l _Toc421567800 手指與手掌連接設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421567800 h 25 HYPERLINK l _Toc421567801 絲桿電機(jī)與手掌固定設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421567801 h 26 HYPERLINK l _T

19、oc421567802 手指檢測機(jī)構(gòu) PAGEREF _Toc421567802 h 26 HYPERLINK l _Toc421567803 四指運(yùn)動(dòng)輸入機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421567803 h 26 HYPERLINK l _Toc421567804 拇指運(yùn)動(dòng)輸入機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421567804 h 26 HYPERLINK l _Toc421567805 傳感器的選型與外套設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421567805 h 27 HYPERLINK l _Toc421567806 手掌與手架的固連設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421567806 h

20、28 HYPERLINK l _Toc421567807 手架的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421567807 h 28 HYPERLINK l _Toc421567808 護(hù)臂的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421567808 h 28 HYPERLINK l _Toc421567809 護(hù)臂的形狀設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc421567809 h 29 HYPERLINK l _Toc421567810 手腕傳感器安裝 PAGEREF _Toc421567810 h 29 HYPERLINK l _Toc421567811 第5章 手指運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真與分析 PAGEREF _Toc4215

21、67811 h 31 HYPERLINK l _Toc421567812 整體模型的搭建 PAGEREF _Toc421567812 h 31 HYPERLINK l _Toc421567813 基于軟件的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 PAGEREF _Toc421567813 h 32 HYPERLINK l _Toc421567814 5.2.1 拇指運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 PAGEREF _Toc421567814 h 32 HYPERLINK l _Toc421567815 中指運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 PAGEREF _Toc421567815 h 33 HYPERLINK l _Toc421567816 第6章 重要零件的分

22、析 PAGEREF _Toc421567816 h 35 HYPERLINK l _Toc421567817 6.1 基本概念 PAGEREF _Toc421567817 h 35 HYPERLINK l _Toc421567818 6.2 ANSYS介紹 PAGEREF _Toc421567818 h 35 HYPERLINK l _Toc421567819 6.3 受力模擬分析 PAGEREF _Toc421567819 h 36 HYPERLINK l _Toc421567820 6.3.1 建模 PAGEREF _Toc421567820 h 36 HYPERLINK l _Toc42

23、1567821 6.3.2 網(wǎng)格劃分 PAGEREF _Toc421567821 h 36 HYPERLINK l _Toc421567822 6.3.3 施加約束 PAGEREF _Toc421567822 h 36 HYPERLINK l _Toc421567823 6.3.4 分析結(jié)果 PAGEREF _Toc421567823 h 36 HYPERLINK l _Toc421567824 第7章 總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc421567824 h 39 HYPERLINK l _Toc421567825 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc421567825 h 41 HYPER

24、LINK l _Toc421567826 致 謝 PAGEREF _Toc421567826 h 43第1章 緒 論1.1課題來源及研究的背景和意義在近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展中，機(jī)器人的各項(xiàng)技術(shù)獲得了巨大的發(fā)展，機(jī)器人在我們的生活中已經(jīng)非常普及了。在一些中、大型企業(yè)中到處可以看到機(jī)器人，機(jī)器人的應(yīng)用情況已成為衡量工廠自動(dòng)化程度的標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活、野外作業(yè)、化工領(lǐng)域、航空航天等領(lǐng)域已經(jīng)獲得了極其廣泛的應(yīng)用，扮演著重要的角色。傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器一般針對具體特定任務(wù)設(shè)計(jì)的，這些機(jī)械手爪安裝在機(jī)械臂上，通過提前編程，經(jīng)過特定的路線，完成物體的抓取。 近年來由于傳感器等行業(yè)的發(fā)展，一些仿人

25、機(jī)器人具有一定的物體辨別能力，能夠檢測抓取物的位置，具有一定的自主抓取功能，但是它們?nèi)匀徊荒軡M足人類的需要。在一些工人安全存在危險(xiǎn)的工廠，如化工廠，玻璃廠，以及一些機(jī)械加工廠等，它們由于沒有足夠的規(guī)模，不能提供足夠的資金全部更新現(xiàn)代化的工廠流水線，在一些工序中，工人依然采用最簡單的工具，工作時(shí)還存在一定的危險(xiǎn)（如圖所示）。這些工人一般受傷部位一般都集中在手以及手臂。因而開發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡單具有一定能活度并能能夠代替人手完一部分工作的仿人機(jī)械手具有一定的應(yīng)用前景。圖1.1 鍛造廠工人在用簡單的器具搬運(yùn)危險(xiǎn)的工件1.2 國內(nèi)外四桿機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的研究現(xiàn)狀分析國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，對國內(nèi)外靈巧手的發(fā)

26、展有一定的了解。1.2.1 國外的研究現(xiàn)狀加拿大MDROBOTICS公司與Laval大學(xué)合作研制了一款名叫SARAH的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，該款機(jī)械手成功地應(yīng)用到了國際空間站進(jìn)行操作作業(yè)，如圖1.2所示，該欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手手指中的動(dòng)力傳遞是采用四連桿機(jī)構(gòu)的原理，通過在各個(gè)關(guān)節(jié)處設(shè)置柔性的彈簧，能夠很好地實(shí)現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)性能。不同手指之間的動(dòng)力傳遞采用了一套由行星輪系組成的差動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以將一個(gè)輸入同時(shí)傳遞給三根手指輸出，并且由于該機(jī)械手動(dòng)力傳遞全是采用剛性的連桿傳遞，手指抓取力較大。SARAH 機(jī)械手成功地將欠驅(qū)動(dòng)的概念應(yīng)用到了機(jī)械臂末端，可以用來抓取不同形狀的物體，同時(shí)為了得更好的手指表面特性，手指的表面均鍍了

27、一層陽極氧化鋁薄膜。圖 1.2 SARAH機(jī)械手Laliberte T 等人在對 SARAH 研究的基礎(chǔ)上，提出了一種具有12個(gè)自由度的機(jī)械手（如圖所示）并利用矢量力學(xué)分析方法對機(jī)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)力學(xué)分析。該機(jī)械手手指運(yùn)動(dòng)與 SARAH 機(jī)械手相同，主要不同點(diǎn)是在手指根部增加了手指運(yùn)動(dòng)自由度，增強(qiáng)了手爪的抓取性能。Gosselin C 等人參照 SARAH 手爪設(shè)計(jì)了一款用于清理核廢料的新型機(jī)械手爪（如圖所示），他們根據(jù)實(shí)際工作要求對手爪機(jī)構(gòu)末端指節(jié)進(jìn)行了設(shè)計(jì)并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。 圖 1.2 欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手爪 圖 1.3 核廢料清理機(jī)械手樣機(jī)德國卡爾斯魯厄大學(xué)過程控制與機(jī)器人學(xué)研究所研制的IPR手也

28、是一種非仿人形靈巧手，如圖所示。它有四個(gè)手指，不設(shè)手掌，每個(gè)手指都有相同的結(jié)構(gòu)與尺寸，并直接均布于腕上。每個(gè)手指只有兩節(jié)，但有三個(gè)自由度，即根關(guān)節(jié)處有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)，分別控制根關(guān)節(jié)的彎曲舒張和左右擺動(dòng)。每個(gè)關(guān)節(jié)都由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)并配備了位置傳感器，安裝于每個(gè)指尖的力傳感器為控制系統(tǒng)提供與物體接觸時(shí)的信息。IPR 手可以對所抓持的物體進(jìn)行精細(xì)操作，如進(jìn)行插孔，擰螺帽等操作。 圖 欠驅(qū)動(dòng)靈巧手 圖 IPR機(jī)械手1.2.2 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀中科院合肥智能所研制了一種基于四桿機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)的欠驅(qū)動(dòng)靈巧手（如圖所示）并利用矢量法和機(jī)構(gòu)受力平衡條件對機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)及靜力學(xué)分析。該靈巧手設(shè)計(jì)參考了SARAH 手爪機(jī)構(gòu)，手

29、指機(jī)構(gòu)相對運(yùn)動(dòng)基于兩級錐齒輪差動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式，機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)方便。該靈巧手主要特點(diǎn)是改進(jìn)了手指方向調(diào)整機(jī)構(gòu)，采用步進(jìn)電機(jī)的調(diào)節(jié)方式，能夠連續(xù)調(diào)整。手指機(jī)構(gòu)主要由形狀自適應(yīng)機(jī)構(gòu)和平行精確抓取機(jī)構(gòu)組成，其中形狀自適應(yīng)機(jī)構(gòu)具有欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，用以完成包絡(luò)式捕獲任務(wù)。上海交通大學(xué)對欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手也有研究，設(shè)計(jì)了一種欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。該機(jī)械手共有五個(gè)手指，每個(gè)手指具有3個(gè)自由度，共有15個(gè)自由度，僅用4個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，自由度及驅(qū)動(dòng)配置（如圖所示）。手指采用了彈性交叉四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)控制，該機(jī)械手具有良好的形狀自適應(yīng)性，其最大優(yōu)點(diǎn)是在部分手指運(yùn)動(dòng)受限的情況下具有理想的力分配特性。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所研

30、制成功的第二代HIT-DLR仿人假手具有抓取自適應(yīng)能力。該機(jī)械手共有五個(gè)手指，與人手不同的是其中拇指也具有三個(gè)指節(jié)。手指機(jī)構(gòu)近指節(jié)和中指節(jié)之間采用欠驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)采用連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)近似為1:1的耦合運(yùn)動(dòng)，具有欠驅(qū)動(dòng)特性。每個(gè)手指具有兩個(gè)自由度，僅需要一個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。該機(jī)械手中指、無名指和小指三指聯(lián)動(dòng)，由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其余兩指各采用一 圖1.6 欠驅(qū)動(dòng)靈巧手 圖1.7 欠驅(qū)動(dòng)靈巧手個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。黃海利用矢量法、虛功原理和拉格朗日方程法對機(jī)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的分析并在ADAMS環(huán)境下完成了相應(yīng)仿真。1.3 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的和意義通過設(shè)計(jì)五指仿人靈巧手，設(shè)計(jì)出來一種可以代替人手進(jìn)行工作的工具。這

31、種工具可以用在一些危險(xiǎn)的場合?？梢杂迷诨S，抓取被化工顏料污染的物品；用在機(jī)械廠，例如鍛造車間，熱處理車間，抓取高溫，或者是形狀不規(guī)則的帶有針尖毛坯的工件；用在陶瓷或者玻璃廠，抓取高溫物件；用在低溫環(huán)境，例如南北極的工作中等。這種靈巧手不僅可以代替人手完成一些危險(xiǎn)的工作，防止人手受傷，還可以節(jié)省體力，減少工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，增加效率。這種靈巧手可以使用在一些比較小型的工廠，作為一種靈巧的工具。使用這種靈巧手可以幫助企業(yè)節(jié)約成本，增加工人的安全保障。同時(shí)又可以優(yōu)化企業(yè)的車間管理。1.4本章小結(jié)本章主要介紹了五指靈巧手主要的應(yīng)用場合，分析了靈巧手的應(yīng)用前景，對靈巧手的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡單的闡述；分析了一

32、些工廠使用靈巧手的必要性；對國外先進(jìn)的靈巧手發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，同時(shí)也對國內(nèi)一些大學(xué)關(guān)于靈巧手的研究成果進(jìn)行了闡述。第2章 五指靈巧手方案設(shè)計(jì)2.1 靈巧手總體方案通過對靈巧手總體方案的選型以及設(shè)計(jì)，確定靈巧手的基本模型。2.1.1 總體方案設(shè)想通過第一章對一些工廠存在的對人體有潛在危險(xiǎn)的工作場合，一般我們的解決方案有兩個(gè)，一個(gè)是工廠對自己的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行整改，更新現(xiàn)有的設(shè)備，用最新的設(shè)備來保證工人的安全，例如，在一些危險(xiǎn)的工作環(huán)境中應(yīng)用機(jī)械手臂，通過運(yùn)用現(xiàn)代化的機(jī)械產(chǎn)品代替工人勞動(dòng)，或者是更新工藝設(shè)備，對危險(xiǎn)工序應(yīng)用新的安全的設(shè)備，不管是增加機(jī)械手臂，還是更新工廠的設(shè)備，這種方案一般花費(fèi)巨大，

33、并且整改的時(shí)間長，規(guī)模大；第二種方法是針對特定的工序制定工具，用這樣的方法來避免工人直接接觸危險(xiǎn)的工件，例如給工人戴手套，或者用鉗子等夾取工件，這樣能再節(jié)約成本的同時(shí)盡可能的保證工人的安全，但是這種方法會(huì)降低工人的工作舒適度，有時(shí)候也難免顯得本拙。如果能夠還是設(shè)計(jì)一種工具，代替人手進(jìn)行一些危險(xiǎn)的工作，自身具有一定的靈活度，這種工具的能通過人手控制，并且能和人手有良好的固定，那就可以大大的減少企業(yè)的投入，同時(shí)能夠增加對工人的保護(hù)。設(shè)想一種五指靈巧手，這種靈巧手可以總過人手五指進(jìn)行控制機(jī)械手的五指，并且固定在人手臂上，能夠進(jìn)行抓取。機(jī)械手的動(dòng)力來自外部，這樣可以減少人手的工作負(fù)擔(dān)。2.1.2 人手

34、掌的分析本五指靈巧手?jǐn)M采用仿人手設(shè)計(jì)，在圖2.1中我們可以看到，正常人的手長分為五個(gè)手指，其中食指、中指、無名指、小拇指并排，他們具有相同的結(jié)構(gòu)。每個(gè)手指分為三段，分別為近指節(jié)，中指節(jié)，遠(yuǎn)指節(jié)，通過三個(gè)關(guān)節(jié)彼此相互連接；拇指分為兩個(gè)關(guān)節(jié)，近指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)，通過兩個(gè)關(guān)節(jié)彼此連接。拇指與其他四指成一定的角度。圖 人手掌分析四指作用主要是抓握物體，而拇指的主要作用是實(shí)現(xiàn)捏、握、拿等功能。2.2 手指傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案的確定仿人多指靈巧手不僅可以作為通用操作設(shè)備應(yīng)用于各種領(lǐng)域，而且可以作為殘障人士的義肢，具有重大的社會(huì)應(yīng)用價(jià)值。但是，目前具有擬人特征的多指靈巧手多為全驅(qū)動(dòng)多指靈巧手，雖然能夠完成對物體抓取和部

35、分操作任務(wù)，但是其控制復(fù)雜和成本高昂，極大限制了其實(shí)際應(yīng)用的可能。近年來，興起了基于應(yīng)用需求、低成本和易操作為設(shè)計(jì)原則的指手設(shè)計(jì)熱潮，這種多指手的特點(diǎn)是具有較強(qiáng)的抓取能力、抓取性能穩(wěn)定、驅(qū)動(dòng)單元較少、控制相對簡單、成本低廉。此類多指手為機(jī)器人多指靈巧手的實(shí)用化敞開了一扇大門。欠驅(qū)動(dòng)多指手以其結(jié)構(gòu)相對簡單、驅(qū)動(dòng)單元少、控制簡單和制造成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為實(shí)用化研究的熱點(diǎn)欠驅(qū)動(dòng)多指手按照傳動(dòng)形式，主要分為連桿機(jī)構(gòu)欠驅(qū)動(dòng)手、腱-滑輪機(jī)構(gòu)欠驅(qū)動(dòng)手和齒輪鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)手。.1 靈巧手驅(qū)動(dòng)種類腱-滑輪機(jī)構(gòu)欠驅(qū)動(dòng)手紙腱-滑輪機(jī)構(gòu)很早就應(yīng)用于了機(jī)器人手指驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，世界上第一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手和許多擬人靈巧

36、手都是采用的腱-滑輪機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)由于腱繩和滑輪在手指內(nèi)布置形式多種多樣，故又有很多不同結(jié)構(gòu)形式優(yōu)缺點(diǎn)：每個(gè)手指由一根腱繩驅(qū)動(dòng)，易于實(shí)現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)，并且由于腱繩的質(zhì)量較輕，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作，從而易于實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)分離；但腱繩具有一定的柔性，在使用一段時(shí)間后易出現(xiàn)一定的彈性變形，如圖2.2所示。圖2.2 腱-滑輪機(jī)構(gòu)欠驅(qū)動(dòng)手的一般結(jié)構(gòu)連桿機(jī)構(gòu) 圖2.3 六連桿機(jī)構(gòu)手指 圖2.4 四連桿機(jī)構(gòu)手指連桿型手指一般采用多個(gè)連桿串并聯(lián)混合的形式，由于連桿型欠驅(qū)動(dòng)手指依靠剛性的連桿傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，所以傳遞的剛性比較強(qiáng)，手指具備較大的抓取力，并且結(jié)構(gòu)比較緊湊，能很好地實(shí)現(xiàn)包絡(luò)抓取的特點(diǎn)如圖2.3和圖2.4所示。

37、齒輪鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在由腱傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的欠驅(qū)動(dòng)手指中，腱的傳動(dòng)也可以用齒輪鏈來代替，如齒輪鏈傳動(dòng)可以獲得準(zhǔn)確的傳動(dòng)比，并且傳遞效率、可靠性更高。但是齒輪鏈的結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，并且使得機(jī)械手的重量、慣性增大。另外當(dāng)手指較長時(shí)，需要較多數(shù)目的齒輪傳遞，使得齒輪鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用受到了很大的限制如圖2.5所示。圖2.5 齒輪鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)表 各種機(jī)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)對比表機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)連桿機(jī)構(gòu)四連桿機(jī)構(gòu)1應(yīng)用差動(dòng)機(jī)構(gòu)就可以成為很好的驅(qū)動(dòng)2有些結(jié)構(gòu)對物體的抓取具有自適性3手指的力通過連桿傳動(dòng)，傳遞的力大1不能遠(yuǎn)距離控制2抓取過程中易發(fā)生彈射，抓取物體的穩(wěn)定的工作區(qū)間比較小六連桿機(jī)構(gòu)1 機(jī)構(gòu)剛性大，結(jié)構(gòu)緊

38、湊2產(chǎn)生的握力大，沒有延后3與人手的抓握比較相似1機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的距離短2抓取物體時(shí)沒有自適性，腱-滑輪機(jī)構(gòu)柔性繩-滑輪1與真人手非常相似2具有很好的自適性，并且非常適合欠驅(qū)動(dòng)3傳遞的距離較遠(yuǎn)，并且機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比較簡單，適合遙控4抓取物體工作的區(qū)間大，具有一定的可靠性1柔性繩所承受的力只有拉力，傳動(dòng)具 有一定的滯后性2腱-滑輪摩擦力將會(huì)減少抓取力帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶傳動(dòng)1傳動(dòng)力矩大于柔性繩2具有比較穩(wěn)定的傳動(dòng)比1核環(huán)境會(huì)影響帶的性能鏈條傳動(dòng)1具有穩(wěn)定的傳動(dòng)比2比帶傳動(dòng)更可靠，效率更高1鏈條安裝比較繁瑣，結(jié)構(gòu)要求比較復(fù)雜齒輪鏈機(jī)構(gòu)齒輪鏈機(jī)構(gòu)1具有非常穩(wěn)定的傳動(dòng)比2傳遞效率更高，可靠性更強(qiáng)1齒輪本身的質(zhì)量將會(huì)增加

39、機(jī)械手的質(zhì)量.2 手指結(jié)構(gòu)的確定靈巧手主要用在工廠，要是實(shí)現(xiàn)的功能主要是對物體的抓取。由于是對于一些具有腐蝕的，高溫，或者其他對人體有傷害的工件的抓取，因而必須對工件進(jìn)行包絡(luò)抓取，并且在抓取后必須具有一定的穩(wěn)定性，這樣才能保證危險(xiǎn)的工件不會(huì)掉落。因而靈巧手必須提供足夠的握力，由于腱-滑輪機(jī)構(gòu)手指抓取力小，不適用于本靈巧手，因?yàn)椴挥杩紤]?？紤]到靈巧手的最初目的就是為了簡化結(jié)構(gòu)，減輕重量，增加靈活度，對于齒輪鏈機(jī)構(gòu)其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并且對于環(huán)境有一定的要求，因而齒輪鏈傳動(dòng)不適合?？紤]到靈巧手所必須的大握力，簡單的結(jié)構(gòu)，靈活的操作性，最終選定采用連桿驅(qū)動(dòng)的欠驅(qū)動(dòng)的機(jī)械靈巧手。 連桿驅(qū)動(dòng)靈巧手指方案的確定

40、 通過對比平面機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而對平面機(jī)構(gòu)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。.1 平面連桿的選型對于平面連桿機(jī)構(gòu)，自由度W有：W=3n-2PL-PH （2.1）式中：n為活動(dòng)桿數(shù)PL為機(jī)構(gòu)中的低副數(shù)PH為機(jī)構(gòu)中的高副數(shù)在平面機(jī)構(gòu)中，如果不含IV級運(yùn)動(dòng)副，即不含有高副運(yùn)動(dòng)副，則其自由度的計(jì)算公式可以簡化為：W=3n-2PL （2.2）因此要構(gòu)成只含一個(gè)自由度的低副平面結(jié)構(gòu)，只需要按照上式選取不同的活動(dòng)桿數(shù)n和不同的低副數(shù)目即V級運(yùn)動(dòng)副PL之值，從而使機(jī)構(gòu)的自由度W=1即可。把公式（2.1）改寫成：3n=2PL+1 （2.3）此公式所包含的意義，是能夠成自由度為1的低副平面機(jī)構(gòu)中，活動(dòng)桿數(shù)n與低副運(yùn)動(dòng)副數(shù)即V級運(yùn)動(dòng)副

41、數(shù)之間的關(guān)系。為了方便選取證整數(shù)的活動(dòng)桿件數(shù)目n和低副運(yùn)動(dòng)副PL的不同的值，可將公式（2.3）變形為下面含有參數(shù)t的參數(shù)方程：n=2t+1PL=3t+1 （2.4）在上式中，取t=0、1、2、3，可得：表2.1 低副平面機(jī)構(gòu)n與PL之間的數(shù)值關(guān)系t01234n13579PL1471013當(dāng)t=0時(shí)，n= PL=1；這表示只含一個(gè)活動(dòng)桿的轉(zhuǎn)動(dòng)副圖（如圖所示）或者一個(gè)活動(dòng)桿的移動(dòng)副圖（如圖所示）。這時(shí)的b桿既是原動(dòng)件，又是從動(dòng)件，從而談不上什么強(qiáng)制運(yùn)動(dòng)，因而不能視為機(jī)構(gòu)。 圖2.6 單桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng) 圖2.7 單桿機(jī)構(gòu)滑動(dòng)當(dāng)t=1時(shí)，n=3，PL=4，例如四個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)低副組成的平面低副機(jī)構(gòu)，如圖2.8所示

42、的平面機(jī)構(gòu)，由此可見四連桿機(jī)構(gòu)是構(gòu)成低副平面連桿機(jī)構(gòu)中，自由度為1的構(gòu)件最少的平面連桿機(jī)構(gòu)。圖2.8 四連桿機(jī)構(gòu)考慮到靈巧手所要具備的靈活性，在滿足性能要求的情況下，要盡量的保持結(jié)構(gòu)的簡單性，保持靈巧手在使用的過程中具有一定的可靠性。通過以上對平面機(jī)構(gòu)的分析，為了獲得一種兼具穩(wěn)定性，可靠性的結(jié)構(gòu)，最終選取平面四連桿作為靈巧手的傳動(dòng)方式。.2 平面四連桿特性分析（1）平行四連桿機(jī)構(gòu)對于圖2.9所示的四連桿機(jī)構(gòu)中：各構(gòu)件所構(gòu)成的矢量方程為l4+l3=l1+l2，寫成分量形式為：l3sin1=l1sin2-l2sin3 l4-l3sin1=l1cos2+l2cos2 （2.5)消去3得： l1sin

43、2-l3sin12+l4-l3sin1-l1cos22=l22 （2.6)整理，得到： l12-l22+l32+l42+2l1l3sin1sin2-2l3l4cos1-2l1l4cos2+2l1l3cos1cos2=0 （2.7）在式（2-7）中，由隱函數(shù)的求導(dǎo)公式，求d1d2.整理得：d1d2=l1l4sin2+l1sin1-2l3l4sin1-l1sin1-2 （2.8）圖2.9 平行四連桿運(yùn)動(dòng)分析通過式（2.8）中可以看出，當(dāng)桿l1和機(jī)架的夾角桿2與桿l3和機(jī)架的夾角1相等的時(shí)候，即：1-2=0 （2.9）式（2.8）可以簡化為：d1d2=l1l3 (2.10) 如果將桿l1作為近指節(jié)，

44、桿l3作為下一個(gè)指節(jié)，為了讓手指達(dá)到收縮的目的，必須l3的角速度大于l1的角速度，則有：d1d2=l1l31 （2.11） 即l1l3；在21時(shí)，d1d21恒成立。根據(jù)所滿足的關(guān)系，初步設(shè)想手指的結(jié)構(gòu)簡圖（如圖所示）從圖中可以看出來，平行四連桿機(jī)構(gòu)所構(gòu)成的靈巧手的手指結(jié)構(gòu)比較簡單，運(yùn)動(dòng)軌跡比較明確，但是其手指尺寸比較大，經(jīng)過查找，找到了此類的靈巧手圖片如圖2.11這是Rea P在2011年設(shè)計(jì)的一種曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和兩組平行四連桿機(jī)構(gòu)組成的機(jī)械手。從圖中我們可以看出來這種結(jié)構(gòu)的機(jī)械手的尺寸比較大，不適合靈巧手的工作要求，因而舍棄這種結(jié)構(gòu)。 圖2.10 初步設(shè)計(jì)的靈巧 構(gòu)簡圖 圖2.11 Rea P

45、機(jī)械手樣機(jī) （2）逆平行四連桿機(jī)構(gòu)對于圖2.12所示的四連桿機(jī)構(gòu)中：圖2.12 逆平行四連桿機(jī)構(gòu)各構(gòu)件所構(gòu)成的矢量方程為l2+l3=l1+l4，寫成分量形式為：l1sin1=l2sin3-l3sin2 l4-l1cos1=l2cos3+l3cos2 (2.12)消去3得到：l1sin1+l3sin22+l4-l1cos1-l3cos22=l22整理后，得到：l12-l22+l32+l42+2l1l3sin1sin2-2l1l4cos1 -2l3l4cos2+2l1l3cos1cos2=0 (2.13)在公式（2.7）中，由隱函數(shù)的求導(dǎo)公式，求d2d1。得:d2d1=l1l4sin1+l3sin

46、1-2l3l4sin2+l1sin1-2 (2.14)在圖2.11中，假設(shè)四連桿長度不變，當(dāng)1減小的時(shí)候，2增大，因而d2d10，當(dāng)1和2差距不大的時(shí)候，即1-2=0 (2.15)式（2.14）可以簡化為d2d1=-l1l3 (2.16) 當(dāng)將l1作為手掌，l4作為近指節(jié)，l3作為中指節(jié)使，為了讓中指節(jié)的收縮速度大于近指節(jié)的收縮速度，則必須滿足：d2d1=-l1l3-1 (2.17) 即l1l3.在21時(shí)，d1d21恒成立。根據(jù)所滿足的關(guān)系，初步設(shè)想手指的結(jié)構(gòu)簡圖，如圖2.13所示。 圖2.13 疊加四連桿 圖2.14 人手姿態(tài)的分析在圖中包含人手指正常的結(jié)構(gòu)。其中，滑塊驅(qū)動(dòng)近指節(jié)繞著手掌轉(zhuǎn)動(dòng)

47、，當(dāng)近指節(jié)與手掌有相對的轉(zhuǎn)動(dòng)之后，手掌與近指節(jié)、中指節(jié)構(gòu)成的逆平行四連桿機(jī)構(gòu)便會(huì)驅(qū)動(dòng)中指節(jié)跟著旋轉(zhuǎn)，當(dāng)中指節(jié)與近指節(jié)有相對的旋轉(zhuǎn)后，近指節(jié)與中指節(jié)、遠(yuǎn)指節(jié)構(gòu)成的逆平行四連桿機(jī)構(gòu)便會(huì)驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)指節(jié)跟著旋轉(zhuǎn)，這樣整個(gè)手指便會(huì)跟著一起彎曲，形成抓握動(dòng)作。.3 平面四連桿的尺寸選型分析人手指的姿態(tài)，如圖2.14可以看到，人手指姿態(tài)主要有兩個(gè)極限位置，當(dāng)手掌展開，四指與手掌在一個(gè)平面上，1和2近似180，手指成一條直線，即近指節(jié)和中指節(jié)，中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)夾角都為180；當(dāng)人手成握拳狀態(tài)是，手指成矩形狀態(tài)，可以看到1和2近似于90，即近指節(jié)和中指節(jié)，中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)夾角都為90。圖 人手姿態(tài)的分析經(jīng)過分析，；根據(jù)

48、人手指的兩個(gè)極限位置的姿態(tài)設(shè)計(jì)四連桿。如圖所示。由式（2.17）知道，在滿足l1l3的情況下，為了使l1轉(zhuǎn)過90的同時(shí)，l3也轉(zhuǎn)過90，只有當(dāng)l1=l3的情況下最適合，這時(shí)由于具有對稱的結(jié)構(gòu)，式（2.14）簡化為：d2d1=l1l4sin1+l3sin1-2l3l4sin2+l1sin1-2=l4sin1+l3sin1-2l4sin2+l1sin1-2 (2.18)為了提高運(yùn)動(dòng)中的平穩(wěn)性，并且運(yùn)用對稱的運(yùn)動(dòng)軌跡來減少機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性，最終確定1的初始角度為135，那么2的初始角度即為45。在運(yùn)動(dòng)過程中，sin1和sin2值相差非常小，即d2d1在1左右波動(dòng)的非常小，所以按照這樣的連桿尺寸設(shè)計(jì)手指尺

49、寸。經(jīng)過多次的結(jié)構(gòu)分析，最終確定手指的具體尺寸。2.3.4 手指尺寸的確定在確定了靈巧手的手指結(jié)構(gòu)后，確定靈巧手的尺寸。靈巧手的設(shè)計(jì)是為了代替人手進(jìn)行工作，因而為了達(dá)到最理想的尺寸，根據(jù)GB/T 162521996成年人手部號(hào)型標(biāo)準(zhǔn)，按照全國成年男子手部型號(hào)的覆蓋率表格，選定所占比率最高的手型即手長180mm手寬80mm為基本的設(shè)計(jì)參數(shù)，這種手型所占的比例為24.29%。考慮到實(shí)際的靈巧手結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)問題，將基本的參數(shù)設(shè)為手長200mm，手寬80mm的仿人五指靈巧手。由男子女子手部控制尺寸的回歸方程表格，得出以下手指的長度計(jì)算回歸方程：表2.2 五指靈巧手手指的尺寸控制部位項(xiàng)目回歸方程計(jì)算長度實(shí)際

50、圓整長度手長X1=200200200手寬X2=808080拇指長Y=160食指長Y=-+0.38 X175中指長Y=-+0.44 X185無名指長Y=-+0.42 X178小拇指長Y=+0.28 X162食指近位指節(jié)寬Y=+0.14 X218中指近位指節(jié)寬Y=+0.12 X218無名指近位指節(jié)寬Y=+0.13 X217 小拇指近位指節(jié)寬Y=+0.10 X215圖2.16 關(guān)節(jié)長度分析由長度回歸方程可以求出手指的長度以及寬度，由此確定手指的基本尺寸，在計(jì)算出來手指的尺寸后，考慮到加工的方便性，因而圓整數(shù)據(jù)。最后的數(shù)據(jù)為表中的實(shí)際圓整長度一欄。由圖分析的手指抓握時(shí)的尺寸關(guān)系可以得到：l1=l3 (

51、2.19)l1+l2+l3=l手指+10 (2.20)圖2.17 靈巧手指尺寸表達(dá)綜上所述，根據(jù)所得到的關(guān)系，最終得出各手指尺寸如表所示。表2.3 各個(gè)手指的尺寸表項(xiàng)目食指中指無名指小拇指近指節(jié)l139中指節(jié)l226272725遠(yuǎn)指節(jié)l329中指節(jié)拉桿l438中指節(jié)推桿l510遠(yuǎn)指節(jié)拉桿l6遠(yuǎn)指節(jié)推桿l7109.22.3.5 手指初步模型 根據(jù)以上計(jì)算的來的數(shù)據(jù)，最終三維建模初步建立手指的初步模型如圖2.18。在最初的模型中可以看到，該手指總共有三個(gè)指節(jié)，三個(gè)關(guān)節(jié)。與人手類似， 基本功能可以滿足。圖2.18 初步模型1 手指基座 2中指節(jié)推桿 3近指節(jié) 4中指節(jié) 5遠(yuǎn)指節(jié) 6遠(yuǎn)指節(jié)推桿2.4

52、手指建模 從圖可以看出，推桿主要在手指的一側(cè)，因而受力會(huì)有不平衡，因而對手指結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將推桿放在手指的中間，這樣手指受力就會(huì)消除左右不平衡。.1 近指節(jié)零件設(shè)計(jì) 近指節(jié)主要的作用是將手指固定在手指基座上，連接中指節(jié)，并且連接遠(yuǎn)指節(jié)推桿。在靠近手掌的地方需要預(yù)留一個(gè)孔來實(shí)現(xiàn)手指動(dòng)力的輸入。為了達(dá)到平衡，采用對稱的雙面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，各個(gè)孔的尺寸上文已經(jīng)算出，在初步模型的基礎(chǔ)上，最終建立了近指節(jié)的零件模型。如圖所示。圖2.19 近指節(jié)1 驅(qū)動(dòng)位置 2 連接手指基座3連接遠(yuǎn)指節(jié)推桿 4連接中指節(jié)圖2.20 遠(yuǎn)指節(jié).2 中指節(jié)零件設(shè)計(jì)中指零件主要起一個(gè)連接近指節(jié)與遠(yuǎn)指節(jié)的作用，結(jié)構(gòu)上需要在近指節(jié)的中間進(jìn)

53、行連接，所以寬度為近指節(jié)的內(nèi)部空隙大小，其他尺寸上文已經(jīng)算出。.3 遠(yuǎn)指節(jié)零件設(shè)計(jì) 遠(yuǎn)指節(jié)比較特殊，遠(yuǎn)指節(jié)末端成半圓柱狀，這樣在抓取物體的時(shí)候能對物體有一定的形狀適應(yīng)性，并且具有一定的穩(wěn)定性，為了達(dá)到仿人手的設(shè)計(jì)，對原始零件不斷改進(jìn)，最終建立的遠(yuǎn)指節(jié)零件如圖所示。.4 中指節(jié)推桿設(shè)計(jì) 中指節(jié)推桿在初步模型中為一條直桿，在更新了手指指節(jié)的結(jié)構(gòu)之后，由于考慮到零件相互干涉的問題，考慮到極限位置推桿的相互位置關(guān)系，最終構(gòu)建出了一個(gè)不干涉的推桿形狀。將直桿改為夾角為135度的彎曲桿，并且對夾角部分進(jìn)行倒角，最終滿足了手指的位置需求。.5 遠(yuǎn)指節(jié)推桿設(shè)計(jì) 遠(yuǎn)指節(jié)推桿在中指節(jié)推桿的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出來，形狀與中

54、指節(jié)推桿相同，同樣考慮了干涉問題。2.4.6 指節(jié)連接設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手需要維修，需要更換手指或者手指零件，因而設(shè)計(jì)一種能夠與手掌連接，并且便于拆卸的結(jié)構(gòu)是十分必要的。 靈巧手指在建模的過程中，由于尺寸的限制，關(guān)節(jié)不可能采用軸承，并且由于軸向尺寸的限制，必須使用一種非標(biāo)的軸銷來連接指節(jié)，這樣的好處是結(jié)構(gòu)簡單了，但是考慮到強(qiáng)度的問題，會(huì)在后面會(huì)進(jìn)行強(qiáng)度校核，確保手指的可靠性。連桿與指節(jié)的固定需要到銷軸，具體的如圖2.21。遠(yuǎn)指節(jié)與中指節(jié)通過一個(gè)銷連接，中指節(jié)與近指節(jié)，近指節(jié)與手指基座都是通過兩個(gè)銷來連接的。為了簡化手指的結(jié)構(gòu)，采用5銷軸來連接推桿與指節(jié)。這樣的選擇手指可以更方便的拆卸，來維修或者更

55、換。2.21 手指連接圖1 遠(yuǎn)指節(jié) 2 中指節(jié) 3 近指節(jié) 4手指基座圖2.22 四指位置.7 手指整體模型在確定了各個(gè)零部件的尺寸以及各部件連接的方案后，用solidworks對手指進(jìn)行建模，最終完成手指裝配圖。2.5 手指位置確定通過分析人手的位置，最終確定各個(gè)手指相對的位置。食指、中指、無名指、小拇指四指并排，拇指與其余四指在一個(gè)平面上，互為一個(gè)角度。2.5.1 四指位置正常人手四指都是并排的，與手掌為一個(gè)平面。因而靈巧手也選擇相同的結(jié)構(gòu)，每個(gè)手指的中心距離為20mm，實(shí)現(xiàn)仿人手的設(shè)計(jì)。如圖2.222.5.2 拇指位置由于人的拇指具有的自由度比較多，要實(shí)現(xiàn)人手拇指的自由度需要的機(jī)械結(jié)構(gòu)比

56、較復(fù)雜，因而采用一種簡單的結(jié)構(gòu)來替代拇指的結(jié)構(gòu)，拇指與其余四指成衣135度，并且在一個(gè)平面上，大概的位置關(guān)系如圖2.23所示。圖2.23 靈巧手總體模型第3章 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)引言在分析扶梯模型之前，我們需要驗(yàn)證第二章設(shè)定的方法在單體型材的可行性。本文采用L=530mm的單體型材，下端全約束，上端Y方向自由，其他兩個(gè)方向約束。在上端加載一個(gè)Y方向的大變形位移載荷，再撤去載荷，分析模型的變形、應(yīng)力強(qiáng)度、所受反力和壓縮量等情況，從而評估單體型材經(jīng)過大變形后的安全性，最終驗(yàn)證方法的可行性。驅(qū)動(dòng)方式選型對于機(jī)械手的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般有氣壓，液壓,電氣，新型驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式。氣壓傳動(dòng)由氣源、氣動(dòng)執(zhí)行元件、氣動(dòng)控

57、制閥和氣動(dòng)輔件組成。氣源一般由壓縮機(jī)提供。氣動(dòng)執(zhí)行元件把壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，用來驅(qū)動(dòng)工作部件，包括氣缸和 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1090379.htm t _blank 氣動(dòng)馬達(dá)。氣壓驅(qū)動(dòng)以空氣作為工作介質(zhì)，取之不盡，處理方便，用過以后直接排入大氣，不會(huì)污染環(huán)境，空氣的黏度很小，氣動(dòng)控制動(dòng)作迅速，反應(yīng)快；維護(hù)簡單工作環(huán)境適應(yīng)性好。由于空氣的可壓縮性大，氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的速度穩(wěn)定性差，給系統(tǒng)的速度和位置控制精度帶來很大的影響，氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的噪聲大，尤其是排氣時(shí)，需要加消音器。液壓傳動(dòng)是用液體作為工作介質(zhì)來進(jìn)行能量傳遞的傳動(dòng)方式。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)通常由五部分

58、組成,動(dòng)力裝置、控制調(diào)節(jié)裝置、執(zhí)行元件、輔助裝置、工作介質(zhì)。動(dòng)力裝置是液壓泵,控制調(diào)節(jié)裝置是各種閥類元件,執(zhí)行元件是液壓缸或馬達(dá),輔助裝置是指油箱、蓄能器、過濾器、等系統(tǒng)中必不可少的元件,工作介質(zhì)是液壓油。電氣驅(qū)動(dòng)是將電機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)力直接或通過減速裝置減速,然后用連軸器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連。電氣驅(qū)動(dòng)是發(fā)展最為完善,理論成熟的驅(qū)動(dòng)方式。電力驅(qū)動(dòng)是機(jī)械手使用得最多的一種驅(qū)動(dòng)方式。其特點(diǎn)是電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力較大，信號(hào)檢測、傳動(dòng)、處理方便，并可采用多種靈活的控制方案。驅(qū)動(dòng)電機(jī)一般采用步進(jìn)電機(jī)，直流伺服電機(jī)為主要的驅(qū)動(dòng)方式。在現(xiàn)代工程實(shí)踐中獲得了廣泛的應(yīng)用。相關(guān)元器件配套齊全,價(jià)格相對低廉,成本較低。在欠

59、驅(qū)動(dòng)機(jī)械手中,需要實(shí)現(xiàn)的是對手指關(guān)節(jié)的精確控制。在精度方面,微型步進(jìn)電機(jī)明顯比液壓裝置好。而且電機(jī)還可以在高溫與低溫等惡劣環(huán)境中工作。液壓油的泄漏會(huì)造成環(huán)境污染,成本也較電氣驅(qū)動(dòng)高。各方面因素考慮，最終決定選擇電氣驅(qū)動(dòng)。電氣驅(qū)動(dòng)作為一種安全，高效的驅(qū)動(dòng)方式，能夠靈巧手的要求。傳動(dòng)方式選型常見的傳動(dòng)方式方式有帶傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、螺旋傳動(dòng)等傳動(dòng)方式。帶傳動(dòng).中心距變化范圍大，可用于較遠(yuǎn)距離的傳動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪音小，能緩沖吸振，有過載保護(hù)作用，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，安裝要求不高中心距變化范圍大，可用于較遠(yuǎn)距離的傳動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪音小，能緩沖吸振，有過載保護(hù)作用，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，安裝要

60、求不高。 HYPERLINK s:/ baidu /s?wd=%E9%93%BE%E4%BC%A0%E5%8A%A8&hl_tag=textlink&tn=SE_hldp01350_v6v6zkg6 t _blank 鏈傳動(dòng)中心距變化范圍大，可用于較遠(yuǎn)距離的傳動(dòng)，在高溫、油、酸等惡劣條件下能可靠工作，軸和軸承上的作用力小雖然平均速比恒定，但運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)瞬時(shí)速度不均勻，有沖擊、振動(dòng)和噪音，壽命較低。 HYPERLINK s:/ baidu /s?wd=%E9%BD%BF%E8%BD%AE%E4%BC%A0%E5%8A%A8&hl_tag=textlink&tn=SE_hldp01350_v6v6zkg