仿生機械手說明書

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1、山東建筑大學畢業(yè)論文（畢業(yè)設計說明書）目 錄摘 要ABSTRACT1前 言11.1仿生機械學的簡介歷史及研究動向11.1.1仿生機械學的簡介11.1.2仿生機械學的歷史11.1.3仿生機械學的研究動向21.2選題背景及意義32系統(tǒng)方案的確定721現有機械手種類72.2機械手結構總體方案的確定102.3機械手控制機構總體方案的確定113機械結構設計133.1人手的結構133.2仿生機械手的機構設計133.2.1手指關節(jié)運動副的型式133.2.2手指的自由度143.2.3手指的數目143.2.4手指的結構形式163.2.5手指的材料173.2.6手指具體結構設計173.2.7手指關節(jié)設計183.2

2、.8手掌結構設計253.3仿生機械手電機的選擇263.4仿生機械手傳動方式的設計273.4.1仿生機械手傳動方式的選擇273.4.2仿生機械手具體傳動結構303.5仿生機械手驅動動方式的設計333.6本章小結34參考文獻35致謝37需要圖加企鵝519025124摘 要隨著微電子技術、傳感器技術、控制技術和機械制造工藝水平的飛速發(fā)展，機器人的應用領域逐步從汽車拓展到其它領域。在各種類型的機器人中，模擬人體手臂而構成的關節(jié)型機器人，具有結構緊湊、所占空間小、運動空間大等優(yōu)點，是應用最為廣泛的機器人之一。尤其由柔性關節(jié)組成的柔性仿生機器人在服務機器人及康復機器人領域中的應用和需求越來越突出。本課題重

3、點在于仿生機械手機械結構設計和其可行性分析。由于仿生學的研究歷史短、資料少，很多內容還在研究中，因此本課題具有一定的難度，在研究過程中注重靜態(tài)指標的滿足。本文重點解決的問題結構設計。本課題中主要內容是：（1）機械手的外形：仿人手外形，具有五指與手掌之間有掌關節(jié)連接，每根手指具有可活動的指關節(jié)。（2）運動要求：掌關節(jié)及各個指關節(jié)具有伸縮能力，力的協(xié)調性和柔性：仿人手實現捏握運動。目標：滿足機械手關節(jié)結構的設計要求。關鍵詞：結構設計；機械手關節(jié)；仿生設計Abstract As microelectronic technology, sensor technology, control techno

4、logy and the rapid development of the manufacturing process in mechanical, robot applications gradually from the vehicle to expand into other areas. In all types of robots, the joint-type robot to simulate human arm, consisting of compact, small footprint, exercise space, etc., is one of the most wi

5、dely used robot. In particular, the flexible joint composed of flexible biomimetic robots in the field of service robots and rehabilitation robots and demand more and more prominent. This topic focuses on the bionic robot mechanical structure design and feasibility analysis. The short history of bio

6、nics, information, a lot of content is still under study, this subject has a certain degree of difficulty in the course of the study to focus on static indicators of satisfaction.This article focused on solving problems - structural design. The main content of this topic is: (1) The shape of the rob

7、ot: the humanoid hand shape, with the metacarpal joint connection between the fingers and the palm of your hand, each finger has a movable knuckle. (2) Motion: metacarpal joint and knuckle ability to scale movement of the force coordination and flexibility: the humanoid hand pinch grip. Objective: T

8、o meet the design requirements of the joint structure of the robot.KEY WORDS：structural design； the joints of the manipulator;；biomimetic design1前 言1.1仿生機械學的簡介歷史及研究動向1.1.1仿生機械學的簡介仿生機械是通過研究和探討生物機制，模仿生物的形態(tài)、結構和控制原理設計制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的機械。研究仿生機械的學科稱為仿生機械學，它是20世紀60年代末期由生物學、生物力學、醫(yī)學、機械工程、控制論和電子技術等學科相互滲透

9、、結合而形成的一門邊緣學科。仿生機械研究的主要領域有生物力學、控制體和機器人。把生物系統(tǒng)中可能應用的優(yōu)越結構和物理學的特性結合使用，人類就可能得到在某些性能上比自然界形成的體系更為完善的仿生機械。1.1.2仿生機械學的歷史模仿生物形態(tài)結構創(chuàng)造機械的技術有悠久的歷史。 15世紀意大利的列奧納多達芬奇認為人類可以模仿鳥類飛行,并繪制了撲翼機圖。 到19世紀,各種自然科學有了較大的發(fā)展,人們利用空氣動力學原理,制成了幾種不同類型的單翼機和雙翼滑翔機。 1903年，美國的W.萊特和O.萊特發(fā)明了飛機。然而，在很長一段時間內，人們對于生物與機器之間到底有什么共同之處還缺乏認識，因而只限于形體上的模仿。

10、直到20世紀中葉，由于原子能利用、航天、海洋開發(fā)和軍事技術的需要，迫切要求機械裝置應具有適應性和高度的可靠性。而以往的各種機械裝置遠遠不能滿足要求，迫切需要尋找一條全新的技術發(fā)展途徑和設計理論。隨著近代生物學的發(fā)展，人們發(fā)現，生物在能量轉換、控制調節(jié)、信息處理、辨別方位、導航和探測等方面有著以往技術所不可比擬的長處。同時在自然科學中又出現了“控制論”理論。它是研究機器和生物體中控制和通信的科學?？刂普撌菧贤夹g系統(tǒng)和生物系統(tǒng)工作原理之間的橋梁，它奠定了機器與生物可以類比的理論基礎。 1960年 9月在美國召開了第一屆仿生學討論會，并提出了“生物原型是新技術的關鍵”的論題，從而確立了仿生學學科，

11、以后又形成許多仿生學的分支學科。 1960年由美國機械工程學會主辦，召開了生物力學學術討論會。 1970年日本人工手研究會主辦召開了第一屆生物機構討論會，從而確立了生物力學和生物機構學兩個學科，在這個基礎上形成了仿生機械學。1.1.3仿生機械學的研究動向仿生機械學是以力學或機械學作為基礎的，綜合生物學、醫(yī)學及工程學的一門邊緣學科，它既把工程技術應用于醫(yī)學、生物學，又把醫(yī)學、生物學的知識應用于工程技術。它包含著對生物現象進行力學研究，對生物的運動、動作進行工程分析，并把這些成果根據社會的要求付之實用化。從習慣上說，可把仿生機械學的各個研究動向歸納如下：（一）生物材料力學和機械力學。以骨或軟組織（

12、肌肉、皮膚等）作為對象，通過模型實驗方法，測定其應力、變形特性，求出力的分布規(guī)律。還可根據骨骼、肌肉系統(tǒng)力學的研究，對骨和肌肉的相互作用等進行分析。另外，生物的形態(tài)研究也是一大熱門。因為生物的形態(tài)經過億萬年的變化，往往已形成最佳結構，如人體骨骼系統(tǒng)具有最少材料、最大強度的構造形態(tài)，可以通過最優(yōu)論的觀點來學習模擬建造工程結構系統(tǒng)。（二）生物流體力學。主要涉及生物的循環(huán)系統(tǒng)，關于血液動力學等的研究已有很長的歷史，但仍有許許多多的問題尚未解決，特別是因為它的研究與心血管疾病關系十分密切，已成為一門倍受關注的學科。（三）生物運動學。生物的運動十分復雜，因為它與骨骼和肌肉的力學現象、感覺反饋及中樞控制牽

13、連在一起。雖然各種生物的運動或人體各種器官的運動測定與分析都是重要的基礎研究，但在仿生機械學中，目前特別重視人體上肢運動及步行姿態(tài)的測定與分析，因為人體上肢運動機能非常復雜，而下肢運動分析對動力學研究十分典型。這對康復工程的研究也有很大的幫助。（四）生物運動能量學。生物的形態(tài)是最優(yōu)的，同樣，節(jié)約能量消耗量也是生物的基本原理。從運動能量消耗最優(yōu)性的特點對生物體的運動形態(tài)、結構和功能等進行分析、研究，特別是對有關能量的傳遞與變換的研究，是很有意義的。（五）康復工程學。包括如動力假肢、電動輪椅、病殘者用環(huán)境控制系統(tǒng)等。它涉及許多學科和技術，比如對于動力假肢，只有在解決了材料、能源、控制方式、信號反饋

14、與精密機械等各種問題之后才能完成，而且這些裝置還要作為一種人機系統(tǒng)進行評價、試用，走向實用化的道路是非常艱難和曲折的。（六）機器人的工程學。是把生物學的知識應用于工程領域的典型范例，其目的一是省力；二是在宇宙、海洋、原子能生產、災害現場等異常環(huán)境中幫助和代替人類進行作業(yè)。機器人不僅要有移動功能的人造手足，而且還要有感覺反饋功能及人工智能。目前研究熱點為人造手、步行機械、三維物體的聲音識別等。1.2選題背景及意義目前仿生機械在抓取功能方面的研究集中于仿人形機械手,主要因為人手(含手臂)共有27個自由度,不但能精確定位還能做出復雜精細的動作,這些都是傳統(tǒng)機械很難做到的。它們可分為工業(yè)機器人用機械手

15、、科研智能機器人用機械手和醫(yī)療用機械手。1）工業(yè)機器人用機械手。20世紀50年代末,美國在機械手和操作機的基礎上,采用伺服機構和自動控制等技術,研制出有通用性的獨立的工業(yè)用自動操作裝置,并將其稱為工業(yè)機器人;自第一臺正式工業(yè)機器人成功投入使用以來,各工業(yè)發(fā)達國家都開始重視研制和應用工業(yè)機器人。許多單調、頻繁和重復的長時間作業(yè),或是危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè),均是由工業(yè)機器人(手)來完成的,例如沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機械加工和簡單裝配等工序,以及在原子能工業(yè)等部門中,搬運對人體有害物料。在這方面,日本一直處于領先地位,具有代表的如川崎重工的工業(yè)機器人(手)。圖1.1 工業(yè)

16、機械手2）科研智能機器人用機械手。人類對太空和海洋進行探索、研究和利用的要求越來越迫切。在海洋和太空的環(huán)境非常惡劣,需要利用機器人替代人去完成大量的工作,能實現精確操作的仿生機械手可以大大擴大機器人的工作任務范圍和任務精度。最具代表性的當屬月球車上的仿生機械手,不僅可以承擔探測、拍照等任務,還可以進行樣本采集、分析等。圖1.2 月球車3）醫(yī)療用機械手。醫(yī)療機器人是一個新興的、多學科交叉的研究領域,已經成為國際機器人領域的一個前沿研究熱點。很多外科手術需要醫(yī)生長時間的或在有限的時間內完成一系列復雜精確的操作。可以預見,在不久的未來,仿生機械手可以在醫(yī)生的監(jiān)控或操作下,按照即定的方案,高精度地、高

17、可靠地實施手術,并在規(guī)定的時限內完成。仿生機械手的發(fā)展意力可以為肢體殘疾的病人帶來福音。仿生機械手最早就是用于人的假肢,隨著技術的發(fā)展,有可能出現假肢可以模仿人手做絕大部分的操作,并且病人使用方便、靈活。圖1.3 醫(yī)用機械手4）其他領域的應用。除了以上幾個領域的應用外,仿生機械手還可用于化學實驗、生物合成等高精度的任務中去;還有一些如在安全領域,利用安裝有靈巧手的機器人從事排爆、掃雷等排險、反恐作業(yè)。我們可以相信,在未來仿生機械手的應用會越來越廣,具有人手一樣的靈巧度,同時具有高度的精確度和可靠度。在高新技術快速發(fā)展的今天，仿生機械學已經成為一個重要的發(fā)展方向。在仿生機械中，以人類身體為原型的

18、仿生機械目前正處于火熱的研究中，手作為人類身體上最復雜的運動器官以成為仿人機械研究與發(fā)展中的重點和難點。想要作仿整個人體的運動機械，就必須做好人手的機械結構與控制系統(tǒng)。而人手由于其在使用中的靈巧性與方便性，又不能是其他機械手所能替代的，因此，將仿人手機械手作好是十分必要的。由于實際應用環(huán)境較為復雜，面對如今嚴峻的社會形勢，仿生機械可手替代人類完成一些危險、復雜情況下的工作。比如，在航天領域，利用仿生機械手完成在宇宙空間內安裝、維修機械設備的一些工作，這樣可避免在宇航員進行太空行走時所帶來低壓、輻射等危險；在安全領域，可利用仿生機械手完成諸如探險營救，搬運危險品等惡劣條件下的工作；在化學、生物領

19、域，由于仿生機械手具有對人手動作高仿的特性，因此可利用仿生機械手完成危險的生物化學實驗，從而保證實驗者本身的人身安全。對于仿生機械手的研究，這是一種結合了機械、電氣控制、仿生學等多領域的先進技術設備，它的設計思想本身具有創(chuàng)新性，其多學科技術跨越也需要設計與制造人員有一定的綜合能力與創(chuàng)新能力。而在當今復雜的國際形勢下，對于仿生機械的設計水平與技術先進程度也從一個側面反映了一個國家科研的綜合技術水平，因此對仿生機械手的研究有重大的意義。2系統(tǒng)方案的確定21現有機械手種類機械手屬于機器人的一種，它能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。機械手可代替人的繁重

20、勞動以實現生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全。機械手主要由手部和運動機構組成。手部是用來抓持工件的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式；運動機構是使手部完成各種轉動、移動或復合運動來實現規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。按照傳動方式的不同，機械手分為液壓式機械手、氣動式機械手、電動式機械手、機械式機械手。1）液壓式機械手：液壓傳動（hydrostatic transmission）是用液體的壓力能進行能量轉換與傳遞。液壓系統(tǒng)主要由：動力元件（油泵）、執(zhí)行元件（油缸或液壓馬達）、控制元件（各種閥）、輔助元件和工作介質等五部分組成。近30

21、年來，由于控制技術、微電子技術、計算機技術、傳感檢測技術及材料科學的發(fā)展，極大的推動了液壓傳動與控制技術的發(fā)展，使其成為集傳動、控制、計算機、傳感檢測、機電液為一體化的全新的自動控制技術。液壓傳動具有以下優(yōu)點：（1）體積小、重量輕，因此慣性力較小，當突然過載或停車時，不會發(fā)生大的沖擊。因此，液壓傳動易于實現快速啟動、制動及頻繁換向，每分鐘的換向次數可達500次（左右擺動）、1000次（往復移動）。（2）能在給定范圍內平穩(wěn)的自動調節(jié)牽引速度，并可實現大范圍的無極調速。這使得液壓傳動裝置可在極低的速度下輸出很大的力（3）換向容易，在不改變電機旋轉方向的情況下，可以較方便地實現工作機構旋轉和直線往復

22、運動的轉換。（4）液壓裝置易于實現過載保護。當液壓系統(tǒng)超過負荷（或系統(tǒng)承受液壓沖擊）時，液壓油可以經溢流閥排回油箱，系統(tǒng)特到過載保護。（5）由于采用油液為工作介質，元件相對運動表面間能自行潤滑，磨損小，使用壽命長。（6）操縱控制簡便，自動化程度高。（7）易于設計和制造。因為液壓元件都已經實現標準化、系列化、通用化，使液壓系統(tǒng)的設計、制造都比較方便。正是由于液壓傳動的以上優(yōu)點，所以液壓式機械手占機械手發(fā)展領域的絕大部分，特別是工業(yè)機械手大多屬于液壓式。2）氣動式機械手、電動式機械手：由于氣動傳動的不準確性，單一的氣動式機械手已經逐漸被淘汰。機電一體化的發(fā)展則將氣動與電動聯系起來，擺脫了氣動傳動的

23、劣勢，形成了當今機器人專業(yè)最尖端的科技。“人工肌肉”便是這一尖端科技的產物。人工肌肉作為一種新型的物理一化學一牛物工程產品，正處于研究、開發(fā)階段。無論是研究機構，還是商、 公司，都對人工肌肉有很大的研究興趣并取得一定成果。氣動人工肌肉是一種新型的拉伸型氣動執(zhí)行元件,當通入壓縮空氣時,能像人類的肌肉那樣產生很強的收縮力,所以稱作氣動人工肌肉。氣動人工肌肉以嶄新的設計構思突破了氣動執(zhí)行元件作功必須由壓縮空氣推動活塞這一傳統(tǒng)概念。與傳統(tǒng)的氣缸相比,省略了活塞、活塞桿、缸筒、密封圈等諸多零部件,主要由彈性橡膠內管、纖維編織網外套和兩端部連接頭組成。氣動人工肌肉具有結構簡單、輸出力大、無機械運動部件產生

24、的摩擦、特別是安全、柔順等特點。圖2.1氣動人工肌肉的制作材料和成品氣動人工肌肉動通入壓縮空氣后,橡膠內管在氣壓力作用下開始膨脹變形,并和外套編織網緊緊貼住,使柵格中的纖維網格夾角變大,在長度方向收縮,從而產生收縮力帶動外負載。當氣壓力被釋放后,彈性的橡膠材料迫使特殊纖維編織網回復原位。氣動人工肌肉的初始長度影響著工作行程,為得到大的行程需要選用長的氣動人工肌肉,所以可根據所需的行程來確定初始長度;氣動人工肌肉的初始直徑則影響著產生的收縮力大小,直徑越大的氣動人工肌肉產生的收縮力越大,也即帶動負載的能力越大,所以可根據所需帶動負載的大小來確定初始直徑。當氣動人工肌肉的這三個結構參數確定下來后,

25、其結構也就定下來了,而氣動人工肌肉的特性主要與這三個參數有關。3）機械式機械手：機械傳動在機械工程中應用非常廣泛，主要是指利用機械方式傳遞動力和運動的傳動。分為兩類:一是靠機件間的摩擦力傳遞動力與摩擦傳動，二是靠主動件與從動件嚙合或借助中間件嚙合傳遞動力或運動的嚙合傳動。機械傳動的主要方式包括：摩擦傳動、鏈條傳動、齒輪傳動、皮帶傳動、渦輪渦桿傳動、棘輪傳動、曲軸連桿傳動等。機械傳動是人類使用最廣泛、時間最長的傳動方式，機械式機械手也是研究最廣泛的機械手類型。2.2機械手結構總體方案的確定根據對仿生機械手系統(tǒng)的技術要求，使機械手基本能夠實現人手的握捏等基本動作，自由度保證基本達到人手的程度，基本

26、達到仿生要求。液壓傳動方式由于安裝要求范圍較大，一般用于工業(yè)機械手，不適于仿生機械手之類的微型系統(tǒng)中。仿生肌肉作為尖端科技，本科學習的內容無法掌握其設計使用的方法，所以也不能作為本次畢業(yè)設計的結構方案。機械傳動作為最基本的傳動方式，研究資料較多，本科學習內容中對于機械傳動的學習占了大部分內容，掌握的較其他傳動方式也要好，所以最終選擇機械式機械手作為機械手基本結構方案。方案如圖：圖2.2 仿生機械手裝配機構圖2.3機械手控制機構總體方案的確定步進電動機又稱脈沖電動機或階躍電動機，就傳統(tǒng)的步進電機來說，步進電動機可簡單的定義為，根據輸入的脈沖信號每改變一次勵磁狀態(tài)就前進一定角度，若不改變則保持一定

27、的位置而靜止的電動機。從廣義上講，步進電動機是一種受電脈沖信號控制的無刷式直流電動機，也可看作是在一定頻率范圍內轉速與控制脈沖同步的同步電動機。步進電機最大特征即是能夠簡單的做到高精度的定位控制?；谝陨蟽?yōu)點，仿生機械手選擇使用步進電機進行驅動。由于用可編程控制器（PLC）對步進電機進行控制價格比較貴，而單片機由于其運算速度和精度已得到廣泛的應用，尤其在工業(yè)過程控制及儀表中，單片機對于步進電機的精確控制具有特別重要的意義。它具有體積小、是實現機電一體化的理想控制裝置等顯著優(yōu)點，因此本次設計利用單片機來控制步進電機。步進電機是機電控制中一種常用的執(zhí)行機構，它的用途是將電脈沖轉化為角位移，通俗地說

28、：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（步進角）。通過控制脈沖個數即可以控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時通過控制單片機的脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。單片機控制步進電機的系統(tǒng)構成簡單，不需要速度感應器及位置傳感器，就能以輸入的脈波做速度及位置的控制。也因其屬開回路控制，故最適合于短距離、高頻度、高精度之定位控制的場合下使用。同時步進電機在中低速時具有較大的轉矩，故能夠較同級伺服電機提供更大的扭力輸出。使用步進電機裝置與使用離合器、減速機及極限開關等其它裝置相較，步進電機的故障及誤動作少，所以在檢查及保養(yǎng)時也較簡單容

29、易。步進電機體積小、扭力大，盡管于狹窄的空間內，仍可順利做安裝，并提供高轉矩輸出。非常適合仿生機械手這種微型精密的設備。如若在時間充裕的前提下，則可以設計數據手套來控制此仿生機械手。數據手套設有彎曲傳感器，彎曲傳感器由柔性電路板、力敏元件、彈性封裝材料組成，通過導線連接至信號處理電路；在柔性電路板上設有至少兩根導線，以力敏材料包覆于柔性電路板大部，再在力敏材料上包覆一層彈性封裝材料，柔性電路板留一端在外，以導線與外電路連接。把人手姿態(tài)準確實時地傳遞給虛擬環(huán)境，而且能夠把與虛擬物體的接觸信息反饋給操作者。使操作者以更加直接，更加自然，更加有效的方式與虛擬世界進行交互，大大增強了互動性和沉浸感。并

30、為操作者提供了一種通用、直接的人機交互方式。圖2.3 數據手套3機械結構設計3.1人手的結構一般而言, 人們所稱的手有兩種意義, 一是指整個的上肢, 二是腕部到指尖的部分, 也就是所謂的手部。人類的單只手臂以機械學的形式分析, 可以用大約27個自由度的連桿機構來表示。但其中大約20個自由度集中在手部。仿生機械手的結構設計應盡可能從仿生學的角度出發(fā)，通過設計出仿人形的多指智能手來代替人手完成各種精細復雜的操作。它是機構、傳動、控制三大系統(tǒng)的綜合設計，人類的四肢經過了幾十萬年進化，經過了大自然的優(yōu)勝劣汰的優(yōu)化選擇，可以說已經是最優(yōu)的結構，所以本設計決定采用完全模仿能人手的結構。3.2仿生機械手的機

31、構設計手的機構設計主要是確定機構的自由度、手指數目、關節(jié)、手掌的結構及幾何尺寸。首先要求機構具有較高的運動傳動精度，較好的可控性和經濟性;其次要求機構本身有較佳的機械特性。本文仿生機械手的設計主要包括以下七個方面：1) 手指關節(jié)運動副的型式2) 手指自由度 3) 手指數目4) 手指的結構型式(關節(jié)的數目及相對姿態(tài))5) 手指材料6) 手指具體結構設計7) 手掌結構設計 3.2.1手指關節(jié)運動副的型式仿生機械手的手指機構同其它任何機構一樣，由若干構件組成，構件之間則通過運動副彼此相連，用來產生確定的運動。運動副相當于人手的關節(jié)。常見的運動副有轉動副、移動副、螺旋副、圓柱副和球面副，它們的約束數分

32、別為5、5、5、4和3，相應的自由度數目為l、1、1、2和3。由于各運動副都要借助于驅動器來實現。而無論是轉動的還是移動的驅動器又大多為一個自由度。所以在仿生機械手關節(jié)驅動中，可以采用的只有轉動副、移動副和螺旋副3種。但是采用移動副和螺旋副的關節(jié)只能夠使手指獲得直線運動，其靈活性明顯要比只含轉動副的手指要差，因此，本文所設計的仿生機械手的運動副全部采用轉動副。3.2.2手指的自由度自由度多的優(yōu)點是在滿足指端到達空間指定點的前提下，可以調整末桿的姿態(tài)，從而保證手指與物體的接觸處于最佳狀態(tài)。但是我們也可以看到，自由度增多，結構也更復雜，控制也更難。對于2自由度的手指來說，雖然不存在抓取和操作物體的

33、靈巧性，但其仿生機械手的結構設計和控制設計都很方便。本文設計的仿生機械手每個手指有3個關節(jié)。且為了設計的方便，大拇指的自由度將大于人手大拇指的自由度。3.2.3手指的數目人手能夠抓取各種不同形狀、不同材質的物體，其根本原因在于人手能采取各種各樣的抓取姿態(tài)去適應特殊的任務要求。仿生機械手的手指數目若小于3個，則無法完成對抓取物體的微細操作，當手指數為5時，是仿造人手的手指數目和結構，具有很多優(yōu)勢，如果技術允許可以完成人手的所有動作如圖2-1，而且如果作為仿生型的機械手則必須為5指。若手指數目多于5，由于每個關節(jié)需要分別獨立驅動，如果再加上若干傳感器，規(guī)劃過程和控制過程都相當復雜，很難保證實時性，

34、所以仿生機械手的手指數目一般取3到5個手指。從仿生學角度出發(fā)，為能實現對各種不同形狀物體的抓取，本文設計的仿生機械手的手指數目取為5個。 圖3.1人類手指對任意物體的抓取方式 通過對人手抓取任意物體方式的分析，可以將人手的抓取方式分為:手掌接觸抓取、手指內側接觸抓取、手指側面接觸抓取、3個虛擬指的抓取、混合抓取等。而仿生機械手對物體的操作即是實現不同抓取方式之間在的轉換的運動。其中前三者為人手抓取的基本類型，可以實現其它幾種類型的抓取。(1).指端接觸抓取將大拇指作為“虛擬指1”，另外四指作為“虛擬指2”的相對面抓取。它具有良好的抓取靈活性，抓取精度較高，但在抓取穩(wěn)定性及抓取力上受到一定限制。

35、(2).手掌接觸抓取定義手掌為“虛擬指1”，除大拇指外的四指為“虛擬指2”的相對面抓取。它以犧牲抓取靈活性以換取抓取的穩(wěn)定性，手掌及各指的大面積接觸被抓物使手抓充分發(fā)揮出抓取力，同時提供足夠的摩擦力。大拇指可以用以增加抓力，因此這種抓取方法保證了最大的抓取力和抓取穩(wěn)定性。(3).側接觸抓取大拇指為“虛擬指1”，食指朝大拇指的側面為“虛擬指2”接觸面的抓取，其抓取靈活性和穩(wěn)定性介于指端接觸抓取和手掌接觸抓取之間。本文所設計的五指仿生機械手結構簡單，易于控制，又能滿足它對于各個應用環(huán)境都能很好的適應的功能要求，進而驗證了選擇手指數目的正確性。3.2.4手指的結構形式 圖3.2 由2個轉動副構成的手

36、指結構對于2自由度手指，按照關節(jié)軸線之間是否平行、相交垂直和交錯垂直三種情況，共有9種不同的關節(jié)配置。由于軸線相交垂直使得傳動布置較為困難，去掉這些情況還有4種組合，如圖3-2所示。從手指的控制方面以及本文研究對象的具體要求，采用第種手指結構。3.2.5手指的材料為減輕重量，同時也由于手指所抓取物體一般都不是很大，同時由于仿生機械手的所有零件都屬于微型精密部件，所以，手指的結構材料選用塑料，通過注塑成型加工，本文設計采用自潤滑工程塑料PEEK為材料，聚醚醚酮(PEEK)樹脂是一種性能優(yōu)異的特種工程塑料，與其他特種工程塑料相比具有更多顯著優(yōu)勢，耐正高溫260度、機械性能優(yōu)異、自潤滑性好、耐化學品

37、腐蝕、阻燃、耐剝離性、耐磨，不耐強硝酸、濃硫酸、抗輻射、超強的機械性能可用于高端的機械和航空等科技。如果在不計算成本的情況下使用精密加工，也可以采用碳素鋼、鑄鋼、合成朔料，超硬鋁合金等。一般在手指的表面再粘附一層橡膠或軟塑料等材料，以減小手指與物體接觸時的沖擊，同時也可以增大接觸摩擦力。3.2.6手指具體結構設計通過以上對仿生機械手手指的結構分析，我們得出了手指的具體結構。由于仿生機械手采取模塊化設計，五個手指結構基本相同，其具體結構如圖3-3至3-5所示，具有以下特點： 1.每指關節(jié)采用了基孔制的過盈配合和基軸制的間隙配合，關節(jié)轉動副只用圓柱軸實現，使手指關節(jié)的裝拆更方便。2.指根座上預留螺

38、釘孔，使五指能很容易的裝配在手掌上。3.除了傳動軸和手掌外，整個手指采用工程塑料PEEK，強度高，剛性好，重量輕。4.表面材料為橡膠，可減少手指與物體接觸時的沖擊和增大磨擦 圖3.3 手指總體結構圖 3.4 大拇指總體結構3.2.7手指關節(jié)設計1）手指關節(jié)一：圖3.5 關節(jié)一結構關節(jié)一主要由指頭1，指中3及指頭指中軸4組成。其中指頭指中軸4與指頭1相對固定，指頭指中軸4與指中3相對轉動。所以指頭指中軸4與指頭1之間為過盈配合，指頭指中軸4與指中3之間為間隙配合。由PEEK材料密度計算得到，指頭重量只有2,12g，假設可以握起的物品質量最大為100g，則指頭指中軸4與指頭1之間的過盈配合所要傳遞

39、的力矩為12.495Nmm，又因為指頭指中軸4半徑為2mm500mm，屬于較高等級的配合，選擇基孔制，孔標準公差選擇IT7級，此時由于孔比同級軸加工困難，所以軸選擇標準公差等級為IT6級，查表可知基本尺寸為2mm時，IT7級標準公差為10m，IT6級便準公差為6m，又因為機械手關節(jié)一裝配完成以后不需要經常拆卸，所以從基孔制優(yōu)先、常用配合中選擇H7/s6，此配合為中等壓入配合，用于永久或者半永久性裝配，也能夠達到傳遞要求大小的力矩的作用。由基準軸為2s6查表可知，指頭指中軸4的下偏差ei=+14m，上偏差es=ei+IT=14+6=+20m。所以軸的最大極限尺寸為2.02mm。對于指中2與指頭指

40、中軸4之間的間隙配合采用基軸制，軸的最大極限尺寸為2.02mm，所以指中上與之相配合的孔的最小極限尺寸必須大于2.02mm，也就是孔的下偏差EI+20m，同時為了保證同軸精度要求，查表后選擇D7級，所以此間隙配合為D7/s6。同樣可知，外連片2與指頭指中軸4之間的間隙配合也選擇D7/s6的配合。對于指頭外帶輪5與指頭指中軸4之間的相對靜止，屬于過盈配合，選擇基軸制，由前面已經知道軸的最小極限尺寸為2.014mm，所以指頭外帶輪5上與之相配合的孔的最大極限尺寸必須小于2.014mm，即孔的上偏差ES+14m，同時為了保證同軸精度要求，查表后選擇K7級，配合為K7/s6。2）手指關節(jié)二：圖3.6

41、關節(jié)二結構圖3.7 指后結構關節(jié)二中指中1圍繞轉動的軸與指后5做成一體，二關節(jié)連接主輪4與之相對轉動并通過齒輪傳動將運動傳動到指中1，使指中1圍繞指后5上的軸轉動。對于圖3.7中軸1與二關節(jié)連接主輪4之間配合，因為有相對轉動，所以選擇間隙配合，配合的基本尺寸為2.5mm500mm，仍然應該使用較高等級的配合，選擇基軸制，軸標準公差選擇IT7級，此時由于孔比同級軸加工困難，所以孔選擇標準公差等級為IT8級，查表可知基本尺寸為2.5mm時，IT7級標準公差為10m，IT8級便準公差為14m，又因為機械手關節(jié)一裝配完成以后不需要經常拆卸，所以從基軸制優(yōu)先、常用配合中選擇F8/h7，此配合為間隙不大的

42、轉動配合，用于中等轉速與中等軸頸壓力的精確轉動，也用于裝配較易的中等定位配合。對于圖3.7中2軸與外連片2之間配合，同樣因為相對轉動選擇間隙配合，基本尺寸為1.5mm500mm，使用較高等級的配合，選擇基軸制，軸標準公差選擇IT7級，此時由于孔比同級軸加工困難，所以孔選擇標準公差等級為IT8級，從基軸制優(yōu)先、常用配合中同樣選擇F8/h7。對于圖3.7中軸3與指后外小帶輪4之間配合，基本尺寸為1 mm500mm，使用較高等級的配合，選擇基軸制，軸標準公差選擇IT7級，此時由于孔比同級軸加工困難，所以孔選擇標準公差等級為IT8級，從基軸制優(yōu)先、常用配合中同樣選擇F8/h7。3）手指關節(jié)三：圖3.8

43、 關節(jié)三結構關節(jié)三有兩個轉動副，同時為了實現微幅擺動，使用扇形齒輪與蝸桿傳動。對于指后架2與指后架軸5之間配合，沒有相對轉動，使用過盈配合，基本尺寸為1.5mm500mm，屬于較高等級的配合，選擇基孔制，孔標準公差選擇IT7級，此時由于孔比同級軸加工困難，所以軸選擇標準公差等級為IT6級，查表可知基本尺寸為1.5mm時，IT7級標準公差為10m，IT6級便準公差為6m，又因為機械手關節(jié)一裝配完成以后不需要經常拆卸，所以從基孔制優(yōu)先、常用配合中選擇H7/s6，此配合為中等壓入配合，用于永久或者半永久性裝配。此配合同樣適用于指后架帶輪3與指后架軸5之間的過盈配合。對于指后二1與指后架軸5之間配合，

44、由基準軸為1.5s6查表可知，指后架軸5的下偏差ei=+14m，上偏差es=ei+IT=14+6=+20m。所以軸的最大極限尺寸為1.52mm。對于指中2與指后架軸5之間的間隙配合采用基軸制，軸的最大極限尺寸為1.52mm，所以指中上與之相配合的孔的最小極限尺寸必須大于1.52mm，也就是孔的下偏差EI+20m，同時為了保證同軸精度要求，查表后選擇D7級，所以此間隙配合為D7/s6。圖3.9 關節(jié)三內部結構電機5與擺動小齒輪3之間沒有相對轉動，使用過盈配合，基本尺寸為1.5mm，500mm，屬于較高等級的配合，由于電機的軸為采購件，選擇基軸制，軸標準公差選擇IT6級，此時由于孔比同級軸加工困難

45、，所以孔選擇標準公差等級為IT7級，查表可知基本尺寸為1.5mm時，IT7級標準公差為10m，IT6級便準公差為6m，又因為機械手關節(jié)一裝配完成以后不需要經常拆卸，所以從基軸制優(yōu)先、常用配合中選擇S7/h6，此配合為中等壓入配合，用于永久或者半永久性裝配。蝸桿軸1與擺動大齒輪4之間沒有相對轉動，此配合同樣適用于蝸桿軸1與擺動大齒輪4之間的過盈配合。蝸桿軸1與掌連接三2之間有相對轉動，僅需保證轉動精度，使用基孔制的間隙配合，選擇H8/f7，此配合為間隙不大的轉動配合，用于中等轉速與中等軸頸壓力的精確轉動，也用于裝配較易的中等定位配合。4）大拇指關節(jié)四：圖3.10 大拇指關節(jié)四大拇指關節(jié)一與大拇指

46、關節(jié)二與手指關節(jié)一、二結構完全一致，所用配合可參考前文所述。大拇指關節(jié)四中，指后電機齒輪2與指后二1內齒輪嚙合，實現定軸轉動，指后電機齒輪2與電機軸3之間無相對轉動，選擇過盈配合，基本尺寸為1.5mm500mm，屬于較高等級的配合，由于電機的軸為采購件，選擇基軸制，軸標準公差選擇IT6級，此時由于孔比同級軸加工困難，所以孔選擇標準公差等級為IT7級，又因為機械手關節(jié)一裝配完成以后不需要經常拆卸，所以從基軸制優(yōu)先、常用配合中選擇S7/h6，此配合為中等壓入配合，用于永久或者半永久性裝配。大拇指轉動小帶輪9與電機8的軸之間同樣無相對運動，此配合同樣適用于大拇指轉動小帶輪9與電機8的軸之間配合。指尾

47、軸6與大拇指轉動大帶輪10之間沒有相對轉動，基本尺寸為2mm500mm，使用過盈配合，屬于較高等級的配合，選擇基孔制，孔標準公差選擇IT7級，此時由于孔比同級軸加工困難，所以軸選擇標準公差等級為IT6級，查表可知基本尺寸為2mm時，IT7級標準公差為10m，IT6級便準公差為6m，又因為機械手關節(jié)裝配完成以后不需要經常拆卸，所以從基孔制優(yōu)先、常用配合中選擇H7/s6，此配合為中等壓入配合，用于永久或者半永久性裝配，也能夠達到傳遞要求大小的力矩的作用。指尾二5與指尾軸6之間同樣沒有相對轉動，選擇過盈配合，H7/s6的配合同樣適用。大拇指掌連接7和指尾軸6之間有相對轉動，基本尺寸2mm500mm，

48、由基準軸為2s6查表可知，指頭指中軸4的下偏差ei=+14m，上偏差es=ei+IT=14+6=+20m。所以軸的最大極限尺寸為2.02mm。對于指中2與指頭指中軸4之間的間隙配合采用基軸制，軸的最大極限尺寸為2.02mm，所以指中上與之相配合的孔的最小極限尺寸必須大于2.02mm，也就是孔的下偏差EI+20m，同時為了保證同軸精度要求，查表后選擇D7級，所以此間隙配合為D7/s6。3.2.8手掌結構設計研究出來的仿生機械手可以分為具有手掌(以DLR手為代表)和不具有手掌(以JPL手為代表)兩類。沒有手掌的智能手，其抓取和操作的靈巧性都比較好，對抓取尺寸比較小的物體并對其進行微細操作有利;而具

49、有手掌的仿生機械手，當手掌及各指的大面積接觸被抓物體能使手爪充分發(fā)揮出抓取力，同時提供足夠的摩擦力，從而大大提高其抓取穩(wěn)定性。就一般性和通用性而言，手指抓取應先以穩(wěn)定性為前提，而且可以通過優(yōu)化設計來彌補靈活性的不足，故本文研究對象選擇有手掌的結構形式。手掌結構設計較為復雜，要考慮的因素很多，因為它隨著手指結構的不同而不同，幾乎沒有通用性。設計手掌主要考慮了手指根指座的支撐和定位安排、電機的安裝定位、信號線的布置等因素。根據仿生學本文設計的手掌結構如圖3.12所示：圖3.11 手掌結構它具有以下特點：1.手掌的內部為一空腔，便于安裝電機，引出驅動繩索和各種信號線；2.手掌的掌心處為一平面，便于與

50、手指配合抓握物體；3.采用PEEK為材料，剛度、強度好，重量輕。3.3仿生機械手電機的選擇由于仿生機械手屬于微型設備，設計尺寸都非常小，所以無法放置減速機構，而本次設計對于機械手的抓取能力也沒有非常高的要求，所以機械手電機的選擇優(yōu)先考慮通過尺寸來選擇，本次設計選擇西鐵城IG-10減速電機實現。圖3.12 IG-10電機基本資料一般根據資料人手手指的運動速度為4-5mm/s左右，根據各手指的傳動比以及傳動機構具體形式，根據估算得電機的轉速應該在1918r/min左右。IG-10減速電機減速比為1/161/1024,完全能夠在沒有減速機構的情況下實現預定的機械手運動，再通過機械手總體尺寸的設計，選

51、擇長度L=15.75的IG-10減速電機。3.4仿生機械手傳動方式的設計3.4.1仿生機械手傳動方式的選擇常見的幾種比較常用的機械傳動機構主要有以下幾種：1. 齒輪傳動：齒輪傳動效率高，結構緊湊，工作可靠，壽命長傳動比穩(wěn)定等。2. 蝸桿傳動：蝸桿傳動是在空間交錯的兩軸間傳遞運動和動力，傳動比大，沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪音低；并具有自鎖性。3. 帶傳動：帶傳動是由固聯于主動軸上的帶輪，固聯于從動軸上的帶輪和緊套在兩輪上的傳動帶組成。帶傳動具有結構簡單，傳動平穩(wěn)，造價低廉以及緩沖吸振等特點。主要的帶傳動類型有v帶傳動多楔帶傳動和同步帶傳動。4. 鏈傳動：它由鏈條和主，從動鏈輪所組成。鏈輪上制有特殊

52、齒形的齒，依靠鏈輪輪齒與鏈節(jié)的嚙合來傳動動力。鏈傳動的優(yōu)點是能保持準確的平均傳動比，傳動效率高軸上所受徑向力小；但同時存在兩根平行軸只能同向回轉傳動不能保持恒定的瞬時傳遞比。綜上所述，根據仿生機械手對于傳動機構各種要求以及綜合考慮傳動形式的優(yōu)劣情況具體選擇確定了各手指關節(jié)的傳動機構。拇指3個關節(jié)、其余4指2個關節(jié)共11個電機。傳動方式中有的關節(jié)采用齒輪傳動（如圖3-7所示），有的關節(jié)采用蝸輪蝸桿傳動；有的關節(jié)采用繩（帶）傳動（如圖3-8所示），有的關節(jié)采用端面齒輪傳動。圖3.13 齒輪傳動圖3.14 蝸桿蝸輪傳動圖3.15 帶傳動圖3.16 端面齒輪傳動3.4.2仿生機械手具體傳動結構1）關節(jié)

53、二齒輪傳動的機構設計：圖3.17 關節(jié)二齒輪傳動示意圖圖中1為指后，2為二關節(jié)電機齒輪，3為指中，4為二關節(jié)連接主輪上的端面齒輪，5為二關節(jié)連接主輪上的帶輪。電機轉動時（二關節(jié)電機齒輪2與電機軸過盈配合），二關節(jié)電機齒輪2轉動，從而帶動二關節(jié)連接主輪4上的端面齒輪轉動，二關節(jié)連接主輪繞指后1上固定軸轉動，二關節(jié)連接主輪上面的普通直齒圓柱齒輪轉動，帶動指中3上面的內齒輪轉動，也就是帶動指中3轉動，此時，實現了關節(jié)二的轉動。3）關節(jié)二帶動其他關節(jié)轉動結構：圖3.18 關節(jié)二帶動關節(jié)一轉動示意圖圖3.19 帶輪卡示意圖圖3.18中1為二關節(jié)連接主輪上面固結的帶輪，2為指頭外帶輪。所有帶輪都如圖3.1

54、9所示，將繩固定在帶輪上卡死，做出這種設計是因為仿生機械手的尺寸限制，帶輪的尺寸都非常小，繩與帶輪接觸面積很小，無法保證帶輪與繩之間的摩擦力可以達到不出現打滑的現象，所以為了保證帶輪傳動的傳動比的穩(wěn)定性，使用了將繩卡死在帶輪上面的做法。圖3.20 關節(jié)二帶動關節(jié)三示意圖圖3.21 三維示意圖圖3.20中1為指后架帶輪，2為指后外小帶輪，3為外連片。同樣為了保證帶輪傳動的傳動比的穩(wěn)定性，所有帶輪上都使用了將繩卡死在帶輪上面的做法。3）關節(jié)四中帶輪傳動結構：圖3.22 關節(jié)四中帶輪傳動示意圖圖中1為大拇指轉動小帶輪，2為大拇指轉動大帶輪。同樣為了保證帶輪傳動的傳動比的穩(wěn)定性，所有帶輪上都使用了將繩

55、卡死在帶輪上面的做法。3.5仿生機械手驅動動方式的設計驅動系統(tǒng)是機械手的重要組成部分，對系統(tǒng)的性能和操作能力具有決定性的作用。在一般情況下，機械手的驅動系統(tǒng)由驅動器和傳動系統(tǒng)兩部分組成。驅動器是驅動系統(tǒng)的核心部件，用以產生運動和力；傳動系統(tǒng)將運動和力從驅動器傳遞到智能機械手各手指的關節(jié)。 常見的驅動方式有： 電驅動：它是是技術最成熟、應用最廣泛的一種驅動方式,為大多數智能機械手所采用。從電機的靜態(tài)剛、動態(tài)剛度、加速度、線性度、維護性、噪音等技術指標來看，是綜合性能最好的一種。 液壓驅動; 它具有很好的穩(wěn)定性和可靠性、很高的力矩體積比、很強的阻轉能力,驅動器的結構簡單并且價格便宜等。但是,在智能

56、機械手中采用液壓驅動方式有很大的難度和弊端,如:存在較大的泄漏流量,微型閥對污染物十分敏感等。 氣壓驅動：能量存儲方便;傳動介質空氣來源于大氣,獲取很方便;氣壓傳動具有抗燃、防爆及不污染環(huán)境;且具有柔性，但是驅動器的剛度和空氣的可壓縮性有關,通常是很低的,并且驅動器的動態(tài)性能較差。 其它的新型驅動；如壓電陶瓷驅動、可伸縮性聚合體驅動等。 綜合比較以上各種驅動方式的優(yōu)缺點 考慮到電驅動的技術比較成熟，而且電驅動具有良好的靜態(tài)，動態(tài)剛度；大的加速度；好的線性度、易于維護、噪音低等這些優(yōu)點，電驅動的綜合性能明顯比液壓驅動和氣壓驅動來的所以選擇電驅動作為仿生機械手的驅動方式。3.6本章小結本章詳細分析

57、了仿生機械手手指的機械結構和手掌的機械結構，包括手指的數目、自由度數、關節(jié)運動副型式、結構形式以及手指的材料；根據本文的實際需要，確定了智能機械手的驅動方式為電驅動方式、傳動方式為齒輪、蝸輪蝸桿和帶輪的方式，給出了傳動方式的結構圖及示意圖；同時給出了仿生機械手的裝配圖。參考文獻1 莫雨松，李碩根，楊興駿.互換性與技術測量（第五版）M.北京；中國計量出版社，2007.62 王福瑞.單片微機測控系統(tǒng)設計大全.北京航空航天大學出版社.1998.43 常斗南等.可編程序控制器原理、應用、實驗M. 北京:機械工業(yè)出版社,19984 劉保延等. 步進電機及其驅動控制系統(tǒng)M . 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社

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