仿人手机械手设计

1、仿人手机械手设计 单位名称：河南工程学院 设 计 者：郭旭各、刘朝俊、段永朋 指导教师：吴素珍、王新莉 摘 要本文设计了一个与人手相仿的五指仿生机械手。采用气动系统作为其驱动方式，利用连杆进行动力传递，实现机械手各关节的弯曲功能。为了以自然、直观的方式控制仿人机械手，提高仿人机械手的操作性能，设计了数据手套和仿人机械手控制系统。提出了从14-传感器数据手套到仿真虚拟手和五指型仿人机械手的关节角度映射方案。设计了实时仿真控制的控制模式，借助数据手套上的传感器可实时控制机械手动作，解决了传统仿人机械手时运动时不能够实时控制的问题。solidwoeks建模与仿真结果证明了仿生机械手和基于人手姿态传递

2、感应信号的数据手套的正确性和实用性。本文重点介绍了目前国内与国际上仿生机械的研究现状，展示了该机械手的设计结构与基本运动原理，考虑了在小体积、多自由度状态下的机械机构的灵活运动的问题以及其部分力学性能的校验与分析；绘制了仿人手机械手各部件的零件图、机械手的装配图，同时基于solidworks对仿人手机械手的各个零部件进行了三维建模及整个机械手的虚拟装配。给出了数据手套的机械结构原理以及传感器的信号检测方式，并介绍了与其相适应的控制系统。关键词：仿生机械手 数据手套 实时仿真 在线控制 目 录第一章 绪论11.1仿人手机械手及其虚拟现实控制系统的研究现状11.2 研制仿人手机械手的必要性及意义2

3、第二章 总体设计方案32.2.信号输入方式选择32.3驱动方式选择42.4传动方式选择5第三章 机械手具体结构设计63.1人手解剖学分析及机械手力学模型的建立：63.1.1人手运动学特点63.2.1 气缸顶端连杆的受力分析103.2.2 气缸的运动特性与设计113.2.3 气缸活塞杆拉压校核123.2.4 连杆销剪切强度校核133.2.5 全系统力学性能状况13在完成对单个手指的力学性能分析后可得到全手的力学性能13第四章 数据手套详细设计144.1 数据手套运动结构分析144.2 数据手套上传感器的安装16第五章 仿人机械手虚拟装配165.1各零部件的模型建立165.1.1手指各个零件的设计

4、与建模165.1.2关于机械手，手指根部及手掌的设计及优化185.2仿人手机械手的整体装配2053总结20第六章 控制设计方案216.1 控制系统具体设计方案216.2 数据手套上的感应系统的设计21结论 创新点与不足227.1本系统再设计中的创新点227.2本系统在设计中的不足与未来的改进方法23参考文献24第一章 绪论1.1仿人手机械手及其虚拟现实控制系统的研究现状从第一台商业机器人诞生至今，人类探索的脚步就从来没有停止过，四十多年的历史，机器人的理论和技术不断地发展和完善，其中相当一部分已经成熟。人作为机器人最初的设计原型，直到今天，依然不能完全将其运动器官所做出的所有动作使用机械结构全

5、部表达出来。在人体各运动器官中，人手无疑是其中最复杂而又最灵活的部分。人类在自然界400万年的进化过程中，人类的手逐渐演变成为了大自然所能创造出的最完美的工具。 而在今天，人手被认为是与神经系统中枢大脑和感受三维空间的眼睛相并列的三大高度智慧器官。对人类来说，每只手都有29块骨头，这些骨头由123条韧带联系在一起，由35条强劲的肌肉来牵引，而控制这些肌肉的是48条神经。这些从一个侧面提供给了我们一个全面的机械运动系统。随着机器人应用领域的不断扩展，机器人作业的任务和环境的复杂性不断增加，仿人机械手作为机器人末端操作器，具有多自由度、多指协调、灵活性强的特点，因此能满足更灵巧以及精细的任务的要求

6、。手是人与外界进行物理接触及意识表达的主要媒介。当人与计算机控制系统进行交互操作时,传统的输入输出接口设备,如键盘、鼠标等只能限制手在桌面上或一个小区域内进行简单的运动控制,而表达意识的大多数手的自然运动被牺牲了,妨碍了人们对系统控制意识表达的全面性与灵活性。数据手套可以跟踪操作者灵活多变的手势及空间方位,使操作者自然而然地将自己的意识传送至计算机。因此数据手套作为一种重要的人机交互接口,广泛地应用于虚拟现实的研究领域中。在哺乳动物中，人类的手独一无二。大拇指同其他4个手指相对的结构是人手的最大优越性，许多类人猿可以将自己的拇指和食指对合，但不能将拇指与中指、无名指以及小指对合，因为它们的手指

7、不够柔韧。只有人类，可以自如地运用自己的手指，这是人类文化和科技进步的关键。仿人机械手是一个复杂的机器人系统，若采用传统的操作者向控制器输入指令的控制模式，很难实现实时性和较好的交互性。采用数据手套作为输入，不仅能灵活的控制仿人机械手，而且具有自然、直观、实时性强的优点，是提高仿人机械手操作性能和作业水平的有效途径。图1-1 一种仿人手机械手的设计模型目前，在国外，有使用数据手套作为输入设备，对机械手抓取操作控制等的研究 ，也有对手势识别的研究。在国内，也有学者对相关方面的研究，然而，许多都是控制虚拟手的操作，或者以静止的几种手势指示机器臂的运动。本设计提出使用数据手套作为输入设备，映射为机械

8、手运动信息后，在虚拟环境中实时控制仿真虚拟手的运动，以及以在线控制的方式，最直观的控制仿人机械手的运动，其中包括直接控制和手势识别控制。同时，借助仿真虚拟手可以实时反映人手动作，及时展示运动效果，解决了仿人机械手的电机运动速度比人手运动速度慢而造成时延带来的控制效果不直观的问题。 虚拟现实(virtual reality,简称vr)技术是近年来最热门的研究领域之一,有着巨大的发展潜力和广泛的应用前景,受到各界、尤其是军方的青睐。虚拟现实是一种虚拟的沉浸式交互环境,具体地说,就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境,用户借助必要的设备以自然的方式与虚

9、拟环境中的对象进行交互作用、相互影响,从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。vr带来了人机交互的新概念、新内容、新方式和新方法,使人机交互的内容更加丰富、形象,方式更加自然、和谐。随着虚拟现实技术在各个领域的广泛应用,数据手套的研制和应用也不断深入。例如,美国宇航局的ames实验室将数据手套工程化,使其成为可用性较高的产品,在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真。美国boneing公司制造了一架虚拟飞机,运用数据手套进行控制,从而观察设计结果,考察性能指标。nec公司开发的虚拟现实系统,操作者通过使用数据手套可以处理三维cad中的形体模型。国内的研究也取得了一批成果。1.2 研制仿人手

10、机械手的必要性及意义在高新技术快速发展的今天，仿生机械学已经成为一个重要的发展方向。在仿生机械中，以人类身体为原型的仿生机械目前正处于火热的研究中，手作为人类身体上最复杂的运动器官以成为仿人机械研究与发展中的重点和难点。想要作仿整个人体的运动机械，就必须做好人手的机械结构与控制系统。而人手由于其在使用中的灵巧性与方便性，又不能是其他机械手所能替代的，因此，将仿人手机械手作好是十分必要的。由于实际应用环境较为复杂，面对如今严峻的社会形势，仿生机械可手替代人类完成一些危险、复杂情况下的工作。比如，在航天领域，利用仿生机械手完成在宇宙空间内安装、维修机械设备的一些工作，这样可避免在宇航员进行太空行走

11、时所带来低压、辐射等危险；在安全领域，可利用仿生机械手完成诸如探险营救，搬运危险品等恶劣条件下的工作；在化学、生物领域，由于仿生机械手具有对人手动作高仿的特性，因此可利用仿生机械手完成危险的生物化学实验，从而保证实验者本身的人身安全。对于数据手套，这是一种结合了机械、电气控制、仿生学等多领域的先进技术设备，它的设计思想本身具有创新性，其多学科技术跨越也需要设计与制造人员有一定的综合能力与创新能力。而在当今复杂的国际形势下，对于仿生机械的设计水平与技术先进程度也从一个侧面反映了一个国家科研的综合技术水平，因此对仿生机械手及数据手套的研究有重大的意义。第二章 总体设计方案2.1 系统框架从设计题目

12、上看，本系统机械部分主要由机械手、数据手套两大部分组成，为辅助机械系统能够完成更加灵活稳定的运动，还需要为本系统设计一个合理的电气控制系统。图2-1 系统总体方案设计2.2.信号输入方式选择在通常所见到的机械手中，很多是将事先写好的程序输入到rom中存储，让处理器读取并运行这些程序，从而完成一些动作。这样的机械手的智能程度大大降低，机械手所作出的各种动作取决于编程者事先输入的程序。为使机械手能够实现操作者想要做出的各种动作，本系统采用了数据手套作为整个系统的输入方式。其原理是利用架设在人手上的各种传感设备对人手的动作进行检测，如图3所示。即设计一个布满传感器的手套，操作者佩戴这个手套时，传感器

13、会自动记录操作者各关节的检测量变化情况。然后将各信号进行转换、处理。图2-2 控制系统的信号输入方式该信号输入方式有别于其他机械手，因此可以使机械手做到实时生成操作者想要的动作，同时对操作者也无任何计算机编程方面的要求，因此在工程应用上将有广泛的前景。2.3驱动方式选择虽然仿生机械手的种类较多，但根据其关节运动驱动机构来分，一般有两种：第一种机械手的各关节转动的驱动方式是采用旋转驱动方式，其动力来源一般是各型号的电机和舵机。如图2-3所示使用这种驱动方式的机械手机械结构简单，动作十分灵敏，控制较为方便。但是驱动设备一般体积较大，而且受驱动设备性能参数的影响，一般抓取力量较小，在工程应用中较少。

14、图 2-3 采用旋转驱动方式的机械手第二种机械手的各关节转动的驱动方式采用的是直线驱动方式，这是目前世界仿人手机械手研究与发展的主要方向。这种机械手大多以解剖学为基础，以人手的实际运动方式为原理，驱动设备多样，目前应用较多的有液压系统、气压系统、直线电机等等。这种机械手受到其驱动设备的影响，机械手尺寸与力学性能也有较大差别。液力驱动机械手一般抓取力较强，是目前力学性能最好的机械手，但是采用液压驱动的机械手一般重量与体积都比较大，而且液压控制系统的反应速度较低，所以其机械手的灵敏性和灵巧程度收到了很大的影响。而气动机械手较之液力驱动机械手，其力学性能上有一定的差距，但是气动系统通常体积较小，而且

15、启动设备安装方便，同时又能够保证整个机械手具有足够的灵巧程度与灵敏性，所以，对于小型仿人手机械手，这种驱动方式更能够发挥其作用。因此，本机械手设计采用了气动系统作为整套设备的驱动方式。 2.4传动方式选择由于输入方式选用了气动系统，因此在传动方式的选择上也较为明确，日本和德国都曾经成功制作了以引线传动的仿生机械手如图2-4所示，是德国刚刚研制成功的新一代仿生机械手。这种机械手的传动十分灵活，具有多个自由度，并且机械结构简单。但是考虑到工程实际应用，这种机械手不能提供较大的抓取力度，因此在应用上受到了一定的限制。图2-4 线传动机械手因此本系统采用了连杆机构作为机械手的传动方式。相比于其他传动方

16、式，采用连杆机构增加了机械手的复杂程度但同时提升了机械手的机械性能。如果在与人手大小相仿的机械手上合理设计各机械结构及其运动关系，将会使此机械手更好的发挥其作用。第三章 机械手具体结构设计3.1人手解剖学分析及机械手力学模型的建立：3.1.1人手运动学特点综合人手解剖学特点，单从人手最基本的运动方式考虑，可将人手的运动划分为四种运动方式：运动1 食指、中指、无名指、小指的伸展与弯曲运动2 食指、中指、无名指、小指之间的相对摆动运动3 拇指的自由运动运动4 手掌的运动图3-1 人手解剖学结构及运动模型而在实际设计之中，由于人手掌的运动在实际中应用较少，综合考虑整个机构的体积与机构的复杂程度，在设

17、计上重点考虑的是人手指的运动以及手指与手掌之间的相对运动，所以对于手掌本身的运动不予以研究。3.1.2运动学模型建立对以上四种运动进行运动学模型转换的结果分析可知，人手的在实际运动中多以关节转动完成其运动动作，而在本系统的设计上采用了直线驱动机构。考虑到以直线运动转换成旋转运动的机构有很多种，其中最简单的就是滑块-曲柄机构，如图8所示：图3-2 可以模拟手指运动的曲柄滑块机构 1.四指（1）单个手指的屈伸的运动优化每个手指上有三处转动副，而就实际设计与制造上来看，要使这根手指能够作正常的弯曲与伸展动作，则三处转动副无疑需要三个动力来源。而在日常的生产生活中长期对手的观察发现，手指的第一关节与第

18、二关节在转动的时候有一个角度关系，因此综合机械设计手册上关于人手的运动参数，设四根手指的第一关节与第二关节之间的相对转动角度相同，利用与第二关节相同的动力机构进行第一关节的运动驱动，这样，在整套系统的设计中，减少了四个信号检测来源来源，同时保证了在手指尖端极小运动空间条件下的正常运动，从而大大减小了控制系统在设计之中的复杂程度和整体的稳定性。（2）手指相对于手掌摆动的结构设计从人手实际运动中来看，正常人手的每根手指相对于手掌都可以实现左右摆动。但在本系统的设计中，为了解决在极小空间下的多个气缸的安装问题，将各个气缸全部集成于手掌之中，即以手掌充当气缸最外边的保护套和固定装置，使手掌成为整个气动

19、系统中的一部分。这样实现了在狭小空间内同时安装多个驱动装置的设想。每个气缸驱动一个转动关节，从而成功的完成了手指相对于手掌之间的摆动。2.拇指拇指的设计可谓是整个机械手设计的灵魂，作为人手中最灵活的手指，人手的大部分动作都是依靠拇指与其他四指的配合来完成的，所以拇指的灵活程度直接决定了整个机械手的性能好坏。在拇指的设计中，除了使用与其他四指相似的弯曲结构之外，同时还设计了一个与其他四指摆动方向不同的大角度摆动机构，以增强拇指向手掌内弯曲的能力。图3-3 关节间转向的设计方案综合以上手指的各个运动方式与结构，按照实际设计尺寸，建立如下的运动模型： 图3-3 手指运动弯曲模型 图3-4 手指弯曲计

20、算模型 按照模型尺寸设计，区并最终将在两个极限位置之间变化，而滑块根据汽缸实际设计情况选择形成设曲柄长度为a,连杆长度为b去曲柄滑块系统偏距为8.5,滑块行程为10对两极限位置进行分析得(1) 在曲柄处于水平位置时，手指处于伸展状态，此时气缸内没有压力气体根据图上条件有 （5+10）2+（8.5-a）2=b2 （1）(2)在曲柄处于竖直位置时，手指处于竖直状态，此时气缸行程达到最大值，根据图上条件有（5+a）2+8.52=b2 （2）联立、式，可得a= 7.5 ,b=15 3.手掌 手掌的设计是为了要保证个手指在运动的时候有一个支撑。同时，对于手掌的设计也要保证不会阻碍各个手指的运动。由于拇指

21、的运动十分灵活，为了使手掌不阻碍拇指的运动，将手掌边缘设计成为圆弧形。3.2 机械手的驱动设计以及力学性能分析虽然人手的姿态根据外界环境不同在不断的变化之中，其受力状况也在不断变化。担人手对外界环境的感知能力与反映能力相对于精密机械设备都比较低，同时经过传感器的信号收集与单片机的程序处理之后，其反应能力也更加低下。所以面对这种力学特性，将连杆看作是平衡系统的静定问题。图3-5 机械手内各气缸活塞及连杆位置分布情况3.2.1 气缸顶端连杆的受力分析图3-6 气缸顶端连杆受力分析设计机械手每个手指的提升力为10kg，则分析每个手指在自然状态下（指节之间角度为45）的受力情况：f=1010=100n

22、力平衡条件：所以 （3） （4） （5） 由此可得=70.71n 70.71n f外力，单位为n指节转过的角度连杆长度，单位为mm3.2.2 气缸的运动特性与设计（1）气缸的速度汽缸的活塞在运动过程中的速度是变化的，普通气缸的速度范围是5-500mm/s，所以这里选择气缸的平均运动速度为200mm作为其速度的衡量值。（2）气缸的负载率气缸的实际负载率由工工况所确定，根据文献9上有关气缸运动状态与负载率的数据表选用=0.5（3）气缸的理论输出力 （6）得=141.42n（4）气缸缸径 （7） mm d缸径，单位为cm；故选用气缸缸径为14mm（5）气缸的耗气量 s （8） （9）l/min气缸耗

23、气量，单位为l/mins气缸行程，单位为cm；t气缸一次往复行程所需时间，单位为s；p工作压力，单位为mpa3.2.3 气缸活塞杆拉压校核 （10）nf连杆所受的外力大小,单位为na连杆横截面面积，单位为mm2截面拉压应力，单位为mpa 界面许用拉压应力，单位为mpa3.2.4 连杆销剪切强度校核 （11）n计算截面剪切应力 （12）mpa许用剪切应力= mpa= 7.17mpa=mpaf销所受的外力大小,单位为nfs销截面上所受到的剪切力大小，单位为na销截面面积，单位为mm2截面切应力，单位为mpa 界面许用切应力，单位为mpa3.2.5 全系统力学性能状况在完成对单个手指的力学性能分析后

24、可得到全手的力学性能最大抓取力n气缸气压q=0.1mpa系统的最大耗气量l/min全手最大抓取力，单位为n单个手指最大抓取力，单位为n系统最大耗气量，单位为l/min单个气缸耗气量，单位为l/minn手指数量m气缸数量表3-1 综合上面的力学分析结果可得到全系统的综合性能：力学性能数值单位系统最大抓取力353.55n单指最大提取力70.7n关节转动角度90度单指自由度4个独立驱动气缸个数14个气动系统压力0.9mpa活塞杆行程10mm气动系统耗气总量348.12l/min驱动速度200mm/s第四章 数据手套详细设计4.1 数据手套运动结构分析数据手套的结构比较简单，作为与人手实际相接触的控制

25、信号输入端，数据手套在机械结构设计上要尽量保证与人手的运动方式吻合，考虑到所有传感设备都位于数据手套上方（人手手背方向），因此为了测量准确，减小误差，人手在佩戴手套时手背皮肤与手指上方皮肤要紧贴在数据手套上。在对数据手套的设计上，应按照机械设计手册中成年男人手的尺寸参数按比例进行设计。图4-1 与人手运动结构相类似的数据手套模型图4.2 数据手套上传感器的安装在本系统设计中采用的是光电传感器中的对射式传感器，它是依靠光敏三极管（接收端）接受led（发送端）所放出的光，根据光的强弱改变阻流电阻的阻值大小，从而在vsens端测量电压降来得到发送端与接受端之间的距离变化。图4- 2 sm30对射式传

26、感器为精确测量人手运动产生的数据值，对对射式传感器测量方式进行了设计。利用曲柄滑块机构，将关节运动产生的角度变化直接转化为直线位移变化，式、使传感器在测量的过程中发送端和接收端总在同一直线上做相对运动。这样也很大程度上降低了传感器之间的信号干扰，使每个传感器都处在相对独立的环境下进行测量任务。第五章 仿人机械手虚拟装配计算机辅助设计(cad-computer aided design)指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作9。20世纪40年代，cad成为新兴技术，伴随着计算机技术的发展而进步，这样使生产中的设计方法发生质的改变。以前只能靠手工完成的许多基础性作业，而现在就可以直接通过

27、计算机来帮忙完成，实现了许多以前做不到的方面，比如精度提高。cad技术的最核心的部分就是三维实体虚拟建模技术。solidworks可以创建具有全相关性的三维实体模型，使用者的设计过程中，工程部件之间可以存在或不存在某种约束关系；同时，还可以利用自动或者用户手动自行设计定义的约束关系来体现该实体想要表现的意图5.1各零部件的模型建立5.1.1手指各个零件的设计与建模手指外形设计部分我们在用仿生学原理，构建基本轮廓。连接部分采用销钉连接，利用滑块摇杆机构。第一指节，第二指节，第三指节之间约束与连接构建了我们要求的运动轨迹和运动原理。制图时我们根据手指的基本尺寸为模型，画出大致轮空，再根据连接要求设

28、计出连接位置，根据运动要求设计完善机构。在装配的同时模拟运动找出机构干涉，运动干涉，倒圆角 画沟槽，确定连接孔的位置。让它们既满足安装要求的同时也能满足位置要求。图5- 1 第一指节图5- 2 第二指节对于手指的活动范围我想到了筋，而在仿生手上我们想到了微型气缸，用它的伸缩量来控制手的伸开与握紧，用面与面的约束控制手指的反向移动。然而弹簧的的参数也是一大难题，如何控制范围，大小如何。我们最终计算得出为6mm-14mm。在于指节配合与连接中，我们得出了安装尺寸和相对位置尺寸。最终画出微型气缸的3d模型。图5- 3 微型气压缸5.1.2关于机械手，手指根部及手掌的设计及优化手指根部是连接手指和手掌

29、的重要部位，运动关系复杂。在设计之前，对手掌进行了分剖，上下各一半，这样方便了设计和组装。图5- 4 大拇指根部五个手指虽然运动关系复杂但是只要在避免运动干涉前提下，也能找出相互之间的运动规律，首先满足手指的弯曲需要手指根部装有液压缸来和液压伸缩杆，要在里面开槽；要实现个手指间的关联运动和左右小幅度摆动需在手掌安装伸缩液压缸，在指端根部和手掌上选择连接点和连接件。例如大拇指首先固定在手掌上，再通过掌端的电器控制装置控制动作。大拇指要能够弯曲需装一个伸缩液压缸；要能够左右小幅度摆动需要有连接件进行牵引。食指和中指首先要固定在手掌之上，食指和中指之间还要有运动联系就要有连接点和连接件，选择连接点时

30、尽可能选择联系紧密并且不发生干涉的位置。食指，中指，无名指和小拇指的根部采用结构相似，且不发生运动干涉的装置。在进行手指根部设计时要可虑手掌的设计尽可能做到不发生运动干涉的情况下，做到美观，像真实手掌。手掌要把中指和食指固定在一固定在起，无名指和小拇指固定在起。大拇指单独固定。图5- 5 上手掌面图5- 6 下手掌面 绘制三维图像，根据设计的草图进行solidworks三维绘制。食指和小拇指，中指和无名指采用对称结构，可以方便绘制和组装。图5- 7 优化大拇指根部初步组装手指根部和手指，采用销连接，再进行运动约束后发现手指和手指根部连接部分发生运动干涉，需要进行运动优化。对发生运动干涉的位置进

31、行倒圆角后可以解决运动干涉问题。5.2仿人手机械手的整体装配 由于装配工程零部件数量多，在装配时各个零件间的配合安装很麻烦。例如微小液压缸杆玉指节之间的连接繁琐而且重复，我们才采用了自下而上的装配方法。先装指节，分别把第一指节，第二指节，第三指节装配在一起，组成一个组。由于四个指尺寸一样这样可以减少很多步骤。同时在装配时一个，零件间的相互约束很重要，他反映了机械运动的运动规律。总装配图如5-8所示。 图5-8 仿人手机器人手53总结建模之前需要详细的研究，对各方面进行观察，讨论并拿出最可靠设计方案，选择适当的方向来对各部件特征的进行有顺序的添加细节特征，这样才能更有效的提高工作效率。运用零件树

32、来管理所添加特征，只有这样才可以缩短零件的建模时间，更换零件时更佳便捷，也有利于零件标准化。对那些特殊部件，必须以由点到线，由线到面，由面到体的基本几何思路为基础。本课题用solidworks软件对中部槽的三维实体建模，可以清晰的体验到用计算机建造三维模型与传统手工绘制图形相比在不同角度来看都有很大区别，它要求用户在理性思维和空间联想方面能应用灵活。第六章 控制设计方案6.1 控制系统具体设计方案机械手在工作状态的灵活程度除依靠机械结构的精巧设计外，对于其控制方式的选择也是不可忽略的一部分。由于仿生机械的姿态是由生物运动方式决定的，所以将生物运动姿态各个运动参数与实际的机械运动综合后得到一个数

33、据表，将对本系统的实验与研究具有重大作用。表6-1 机械手几种常见姿态动作所对应的关节参数与对应气缸动作情况机械手姿态第一、二指关节第三指关节指尖摆动关节拇指关节指间气缸指间气缸指间气缸指间气缸握拳90+90+045+“胜利”手势0*0*30*+90*+五指张开0030+0竖起拇指90+90+00五指并拢0000正常伸展45+45+15+45+注：“”表示气缸静止 “+”表示气缸工进到全部行程；“+”表示气缸工进到一半行程 “*”表示主要关节气缸动作情况6.2 数据手套上的感应系统的设计 对于机械手来说，它所有的动作均来源于由传感器检测到的信号经过处理后所发出的驱动命令，因此，保证传感器对信号

34、的测量的精确性是最重要的。对射式传感器要求两传感器之间有相对位移才能够产生信号的变化。为此设计了一个曲柄滑块机构。将两传感器分别安装在滑块与机架上，图6-1 传感器信号测量方法结论 本系统设计的创新点与不足7.1本系统再设计中的创新点（1）全新的信号输入方式在以往的生产生活中，机械手一般都是依靠事先编辑好并储存在各种rom中的程序来运行完成各种姿态动作的，但这种输入方式实现的机械姿态有限，同时要求操作者掌握一定的编程能力，对操作者有很大的挑选限制。 本系统使用了全新的数据手套的输入方式，让人手本身的姿态作为信号的原始输入方式，即使人手的运动姿态会产生一些信号抖动，延迟，信号的干扰等问题，也可以

35、利用数据转换程序进行修改、优化等等，。（2）多自由度五指灵巧手 在本系统的设计中，不但将人类手指的每个指节弯曲运动都加以考虑，而且还涉及到了在普通仿人手机械手设计中较少见到的指尖相对转动运动的设计，这更加完善了了人手的运动功能，是本系统可以完成更加复杂的运动姿态。（3）直线驱动与传动设备 人类的手可以看做是一种细长的机械结构。作为一种新型的仿生机械手，要想很大程度上的减小机械手的体积以达到和人手大小不相上下，那么其驱动轴就要沿着人体自然生长的方向分布。因此不但选择了直线驱动设备中的气缸作为其驱动器而且还使用了大量的连杆机构完成机械传动，这在以往以控制系统为核心的机械手中是比较少见的。7.2本系

36、统在设计中的不足与未来的改进方法目前即使是世界上最先进的机械手与数据手套在研究领域中仍存在着许多没有解决的理论问题和尚未克服的技术难点,主要有以下几方面:（1)机械结构尚需优化处理对机械结构进行合理化设计，对第一、第二指节的运动使用复杂杆机构，使在手指顶端使用一个驱动机构完成两处运动的功能，可减小手指顶端的体积，并能够保证运动系统的稳定性。(2)研制开发能够满足数据手套实用性要求的新型传感器传感器技术是数据手套系统中的核心和关键技术,数据手套的交互能力直接取决于传感器的性能。目前尽管已经出现了多种数据手套专用传感器,但还不能真正满足数据手套的实用性要求。因此采用新技术、新材料、新结构,研制出精

37、度高、体积小、成本低、不易损坏、易于更换的高性能传感器,是数据手套能否进一步商品化、实用化的关键。(3)研制技术成熟、性能可靠的力反馈装置手指力反馈装置的研究对数据手套的应用意义重大。具有力反馈功能的数据手套不但可以使用户以较自然的方式将自己的手部动作传递给虚拟环境,实现对虚拟环境的操作,也可以使用户利用触觉和力觉反馈信息,得到真实的“沉浸感”,尤其对机器人技术力反馈是至关重要的。目前这种数据手套不多,技术不够成熟,需进一步提高性能,降低价格,增强实用性。(4)硬件接口及软件环境的深入开发进一步开发各种数据手套通用的接口及专用软件,使其具备良好的可移植性、可扩充性,方便以后用户系统的更新升级。

38、(5)进一步提高设计工艺要求在数据手套及其部件的选材、设计组装等方面下功夫,既要佩戴方便舒适,又要易于组装维护,进一步提高整体性能。参考文献1 张文龙，贺昌.虚拟现实与数据手套的研究j.常州工学院学报，2005：1-42 k.洛克德，孔建益.机械原理：分析、综合、优化m.北京：机械工业出版社，2003.3 r.l.诺顿美，陈立周.机械设计：机器和机构综合分析m.北京：机械工业出版社，20024 孙志礼，冷兴聚.机械设计m.沈阳：东北大学出版社，2000.5 刘鸿文.材料力学m.北京：高等教育出版社，2003.6 朱文坚.机械设计m.北京：高等教育出版社，2008.107 赵永成.机电传动控制m

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