大创模板——欠驱动

1、项目编号： 大学生创新训练项目申请书申报级别：国家级 省级 校级 项目名称： 欠驱动仿生机械手 负 责 人： 手 机： Email： 项目成员： 指导教师： 金悦 申请经费： 起止时间： 2015/03 至 2015/10 填报日期： 2015/3/9 填 写 说 明1、本申请书所列各项内容均须实事求是，认真填写，表达明确严谨，简明扼要2、本申请书为A4，左侧装订成册。可网上下载、自行复印或加页，但格式、内容、大小均须与原件一致。3、主持人所在学院认真审核, 经初评和答辩，签署意见后，将申请书（一式两份）报送教务处实践教学管理中心。一、 基本情况项目名称欠驱动仿生机械手所属学科机械工程申请金额

2、 5110 元起止年月 2015 年 3 月至 2015 年 10月主持人姓名邓性别男民族汉出生年月 1994 年 10 月学号联系手机指导教师金悦联系电话办公室：82667984 手机:持人曾经参与科研的情况2014年全国大学生数学建模省一等奖组员田飞曾获“机械创新设计大赛”省一等奖指导教师承担科研课题情况参与广东科信达科技有限公司瓷砖加工设备的产品优化设计，6万，承担建模任务青年自然科学基金项目，51405369，复合材料结构全信息健康监测方法研究（主持人杨志勃），28万，第2参加人 青年自然科学基金项目，51405321，行星齿轮传动系统故障演化机理与稀疏诊断方

3、法研究（主持人蔡改改），25万，第3参加人 指导教师对本项目的支持情况指导教师为专职的实验教师，具有丰富的指导综合实验、CDIO项目、创新基金及创新大赛的经验，在全国创新大赛中获奖36项，申请国家发明专利6项，已授权2项。第六、七届机创大赛陕西省赛区优秀指导教师项目组主要成员姓 名学号专业班级所在学院项目中的分工扭簧设计与出图，自锁机构参数设计齿轮齿条参数设计与零配件购买3D打印加工数字模型修改与生成3D打印格式模型二、 立项依据（可加页）（一） 研究目的根据调查，中国目前各类残疾人总数达到8千多万，占全国人口总数的6%左右。其中，肢体残疾人数达2500多万，占总残疾人总数的29%，相应的助残

4、装置和设备需求量极大。但目前市场上已有的假肢大多灵活性较低、使用不便，并且价格昂贵，不能很好的适应和满足广大普通人群的需求，特别是农村人的日常生活要求。为了解决这一目前存在的问题，我们试图设计并制造一款基于欠驱动原理的仿生机械手，以此满足低端用户的助残需求。为了实现改善残疾人生活质量的目标，我们设计的欠驱动机械手必须结构简单可靠，运动稳定性高，操作方便舒适。它能通过动力源驱动，经由传动机构稳定传力，使手指通过能自适应地贴合被抓物体，并由适当的锁死机构自锁，以达到能持续握住物体并移动的目的。（二） 研究内容本项目的研究内容主要包含下述几个方面：1 针对欠驱动原理的特点，结合国内外相关研究成果，对

5、机械手整体机构进行设计。具体的说，要分别对机械手手指模块、自锁模块、动力与传动模块制定设计方案，并合理确定各零件位置、机械手外形设计等等。2 运用三维软件对设计方案进行三维模型建立，并根据需要调整有关设计。实际建模过程中会发现许多最初设想存在的问题，利用三维inventor软件对需要完善的地方进行改进，逐步细化结构。运用ansys和adams软件对设计模型的受力情况和运动具体分析，通过比较不同材料下模型的强度与实际需要确定不同部分的选材，通过对手指运动过程和状态的分析调整设计尺寸和形状。3 选定，采购，加工零件。根据不同模块功能的要求确定材料，并通过网络、实体店购买相应标准件和加工工具。对于某

6、些较为复杂的非标准件，利用工程坊的设备对其加工。必要时可以用3D打印加工某些关键零部件。 组装零件，并对装配的机械手不断调试。由于实际加工和装配误差，总会出现某些与设计时不相符的问题。此阶段就是要通过调试完善结构，并结合原理对实物进行适当调整，直到实现预期的功能和效果。（三） 国、内外研究现状和发展动态基于欠驱动原理的仿生机械手研究一直是国内外高校和研究机构热衷的方向。所谓欠驱动，是指驱动器的数目少于自由度数目。由于人手的自由度多达20，为了增加手部的拟人化，手部就应设计较多的关节自由度。然而，在现有控制技术水平上，控制这些自由度所需要的驱动及控制系统会很庞大，因而为了减轻拟人机器人手部的控制

7、难度，以及减小手的体积重量，就应尽可能设计较少的驱动器数目，这两者有一定矛盾。国内外研究者经过数年的研究和实验，相继研发出不同类型的欠驱动机械手。2000年英国南安普吨大学的C.M.Light等人研制了轻型自适应多轴机械手，能够用最小的力对物体保持稳定的抓取，这个假手有4个独立的手指和一个两轴拇指组成，如图1所示。他们从生物机构学分析，对假手拇指采用两个独立的自由度来完成抓取任务。手指的弯曲可以看作假手的一个独立自由度，第二个自由度是拇指外展与内收时和轴旋转的一个结合，即拇指的环行运动。轻型自适应多轴机械手能实现多种不同的抓取模式，比传统的假手有更大的稳定性。图1 英国南安普吨大学研制的多轴机

8、械手2004年，意大利的Michele Fogheraiter等人研制的人类相似反射控制的仿生手，利用神经元信号对机械手进行控制，并对机械手进行了仿生设计，设计了关节以及仿生肌肉。SARAH手是加拿大MD ROBOTICS公司与Laval大学合作为国际空间站研制的一类欠驱动机器人手爪。如图2所示，该手爪是一个具有10个自由度的三指机械手，但是仅采取一个驱动，通过机械限位和弹簧实现无动力关节对被抓取物体的自适应，每个手指有三个关节，而仅用一个驱动件，出力大，适应性强，既可以实现大力抓取，也可以用指尖捏取细小物体，手指间的相对方向也可以通过差动齿轮来调节。当进行抓取作业时，手指逐渐将被抓物体包裹，

9、并最终达到静平衡。图2 SARRAH手在国内方面，清华大学、上海交通大学和天津大学对肌电控制的机械手进行了相关研究，清华大学设计了变抓取力的欠驱动拟人机械手TH-1手，如图3所示，食指采用了新颖的变抓取力手指机构，可以实现稳定抓取，拇指采用了新型的欠驱动手指机构，可以用较少的驱动器获得较多的自由度。TH-1的驱动与控制系统完全嵌入手掌，在外观上与人手相似，具有质量小，驱动元减少，控制简单，适应性强的特点。图3 TH-1手综合国内外研究现状，对其他欠驱动机械手研究成果统计如表1所示。表1 国内外欠驱动机械手研究成果总结目前针对欠驱动机械手研究的成果，可以发现在驱动数目减少的前提下，仍能保持数目较

10、多的自由度，并且驱动原理呈现从最初的电驱动逐渐向机械驱动的过渡的趋势。但从以上研究现状可以看出，现有欠驱动机械手在面向普通残疾人，特别是农村残疾人时，主要存在以下几个方面的问题：1 制造成本高尽管国外的研究者制造了仿生的欠驱动机械手，但是它所依赖的神经信号或者是肌电信号这些信号需要特殊的传感器才能得到，比如触觉传感器，这使得一只机械手安装下来需要足够多的传感器，客观上增加了机械手的制造成本。更重要的是，目前面向普通残疾人的欠驱动机械手市场空缺很大，他们的经济承受能力是有限的，不可能为了一个假手而花费太多，现存的机械手更多是运用于科研上，而非面向普通消费者。2 控制要求高即使现在国外和国内的某些

11、高校在肌电信号控制机械手上有突破，但是在实际应用中，这些脑电、脑磁等肌电信号提取麻烦，放大后在传送出去难免会有掺杂，这使得控制机械手变得很不方便。同时，基于这些原理的机械手在实际使用中存在操作困难，运动不够灵活等问题。3 实物重量大现在的欠驱动机械手大多采用电机驱动，而且驱动数目较多，虽然在手指灵活性上有所提高，但无疑也增加了整个手的重量，客观上加大了残疾人使用时的负担。因此，为解决以上问题，本项目提出了基于欠驱动原理，利用绳带动、齿轮齿条传动的机械手，同时在材料上采用亚克力板和ABS塑料以减轻重量和成本。本项目设计的欠驱动机械手结构紧凑、运动稳定、实用性强，有很好的市场推广前景。（四） 创新

12、点与项目特色 大胆采用欠驱动这种新概念进行机械手设计，具有学科前沿性； 基于四连杆机构的手指设计，能自适应地贴合物体，很好地模拟了真实手指的运动，增加了手指的拟人化； 采用了变异的棘轮机构，使机械手能实现任意位置的自锁； 利用欠驱动原理，由绳驱动原动件，减小了手部的控制难度，减轻了体积重量。（五） 技术路线、拟解决的问题及预期成果基于上述提出的欠驱动仿生机械手现存问题，我们的研究主要解决以下几个问题：1 设计的仿生机械手结构简单、运动灵活，利用一至两个原动件驱动五个手指运动，实现欠驱动的目标。2 机械手能自适应的抓取物体，控制准确，并且抓取具有一定的稳定性。3 整个手指的制造成本低，重量轻，有

13、良好的市场推广前景。（六） 项目研究进度安排时 间 阶 段项 目 计 划2015/03-2015/04进行相关软件如inventor的学习以及机械设计原理的深入研究，进一步完善欠驱动机械手的设计方案。2015/05-2015/06完成扭簧的设计与出图，加工制造手指部分2015/06-2015/07完成自锁机构与齿轮齿条参数设计与加工制造2015/07-2015/10完成整机加工制造并进行调试（七） 已有基础1. 与本项目有关的研究积累和已取得的成绩（如校基金支持等）本项目整体设计已经完成，可以拆分为手指模块、自锁模块、动力与传动模块三个部分。下面分别针对各个模块阐述我们的设计方案。7.1 手指

14、模块人的大拇指由2个关节组成；食指、中指、无名指、小拇指由3个关节组成；指骨为小管状骨，除拇指为2节指骨外，其他各指均为3节，即近、中、远节指骨，共有14节（如图4）。拇指有两个自由度，其他四指各有三个自由度，所以人的手指总共有14个自由度。图4 手指结构图我们试图通过利用最少的驱动器数目实现较多的自由度运动，使机械手尽可能地模拟人真实手指的运动状态。要想实现达到这一目标，可以利用自适应原理对手指机构进行设计。该原理具有成本低、能耗少的优点，在实际生产过程中得到广泛的应用。结合四指的特点，并借鉴国内外现有研究成果，我们决定采用传统的四连杆机构，该机构简单，加工方便，承受压强较小，在低速条件下能

15、满足多种运动规律的要求。由于拇指与其他四指的结构有所不同，所以我们决定其他四指采用相同的结构，而拇指单独采用不同的结构。所以手指模块包括四指部分和大拇指部分。 指部分图5 指节基本结构手指具体设计如图5所示。主动杆受到传动机构作用的扭矩而转动，从而驱动第一指节连杆带动大小圆盘一起转动。扭簧2（图6示）一端固定在小圆盘上，另一端固定在中指节杆上，小圆盘转动时通过作用在扭簧2上的力带动中指节一起转动，从而实现第一、二指节的连续运动。当第一指节触碰到物体时，第一指节、大圆盘停止运动，此时小圆盘继续转动，并带动第二指节继续运动。当第二指节触碰到物体，小圆盘通过与小指节相连的连杆，带动小指节继续运动，直

16、到三根指节全部触碰到物体。这样通过扭簧2与几根手指的配合达到自适应的要求。 图6 扭簧2图7 手指整体图大拇指部分大拇指只有两个自由度，结构相对于四指来说比较简单。通过查阅资料，我们借鉴了多伦多大学TBM手（图8）的结构。其设计的手指通过连杆的耦合，很好的模拟了大拇指的弯曲闭合运动，满足了普通状态下人对大拇指功能的要求。利用inventor软件，我们对该设计进行了仿真建模（图9），实际效果与预期相符。图8 TBM手指结构原理图图9 TBM手指仿真图7.2 自锁模块目前的锁死机构有棘轮机构（图8）,自行车前叉锁死机构,汽车反方向盘锁死以及旋转传递锁死机构,比如棘轮锁死机构,它的工作原理是当主动件

17、逆时针摆动时,驱动棘爪便插入棘轮的齿槽里,使棘轮跟着转过一定角度,此时，止回棘爪在棘轮的齿背上滑动。当主动件顺时针方向扎转动时，止回棘爪阻止棘轮发生顺时针转动，而驱动棘爪能够在棘轮齿背上划过，这时棘轮静止不动，因此主动件做往复摆动时，棘轮做单向运动。图8 棘轮机构然而考虑到在机械手的自锁过程中,需要多个位置的自锁位置以及空间安装的复杂度。因此我们提出一种新的变异棘轮机构，如图9所示。棘条棘爪及棘爪所在轴主动件图9 棘条锁死机构机构运动规律为：首先，棘爪在扭簧预紧力下保持与棘条面的紧密接触；当两边的主动件移动时，棘爪会在棘条面上轻松滑动，并保持与棘条面的接触力。当主动件停止运动时，由于棘条面上棘

18、齿与棘爪的相互作用，阻止了主动件在弹簧力作用下的回复，从而实现任意位置的锁定；当需要放开物体，也就是解锁时，只需拉动图中所示的绳索，使棘爪所在的轴转过一定角度即可。7.3 动力与传动模块动力部分目前的欠驱动机械手的动力源主要有电机驱动，液压驱动，气动三种方式。电机驱动机械手其主要特点为驱动电机全部都安装在机械手的各个关节上，通过电机带动机械手各个关节的转动，实现机械手的各种动作，具有容易控制、转速精准的优点。但电机都安装在关节位置，所以手掌需要承载电机的重量并需满足刚度要求，手指截面尺寸需要做得较大，这样会增大驱动电机的负载，增加手指的运动惯量，导致机械手动态性能下降。 液压驱动具有传动功率大

19、、有过载保护能力、平稳等优点。但在工作过程中有较多的能量损失（如摩擦损失、泄露损失），液压驱动的工作状态受温度的变化较大，油温变化时，液体的粘度变化，引起运动状态的变化，而且液压元件的制造工艺水平较高，价格高。气动以压缩空气进行驱动，具有响应动作快、无污染等特点。但缺点是由于压缩空气的可压缩性大，故机械手的运动平稳性较差，定位精度低，还要考虑润滑和防锈，压缩空气的工作压力较低，机构较大。通过以上分析发现不论是电机驱动、液压驱动还是气动，都不太适合作为面向普通残疾者的机械手的动力源，尤其是这种小型的欠驱动机械手。为此，为了更好的达到仿真效果，最大程度的模拟人手的工作状态，我们采用绳驱动的动力源方

20、式。绳驱动可以模拟人手所施加的力，而且具有精确度高、成本低、重量轻、运动灵活的优点，适合作为模拟人手的欠驱动机械手的动力源。传动部分传动机构作为连接动力源与手指的中间机构，需要具有传动效率高，结构紧凑，传动比准确等特点。因此，我们选择了齿轮齿条传动机构（如图9）。齿轮齿条传动是将齿轮的回转运动转变为齿条的往复直线运动，有传递动力大、效率高、工作平稳、传动比恒定等诸多优点。而且该机构在手掌中只作短距离传动，正好符合齿轮齿条的特点。 图9 齿轮齿条机构7.4 机械手仿真模型展示7.4.1 拿起苹果图10 手握苹果（一） 图11 手握苹果（二）7.4.2 拿起手机图12 手握 iPhone5 （一）

21、 图13 手握 iPhone5 （二）本项目设计的欠驱动机械手具有非常高的可行性：1 设计可行性：本项目的从手指模块、自锁模块、动力与传动模块三个方面进行了合理的设计，模型结构紧凑，稳定性高，实际制造和应用具有很好的前景。2 技术可行性：本设计小组成员都具有一定的机械设计和制造专业理论知识，并且会使用inventor、solidworks等三维建模软件，有很强的实际动手能力。另外，我们有优秀的指导老师给予我们帮助。3 经济可行性：本项目如若申请了本科生创新基金，具有充足的资金来源，为实际制造提供了可能。4 制造可行性：本项目的制造加工环节主要依托学校的工程坊，必要时可以利用3D打印技术或找校外工厂加工。2. 已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法已具备的实验条件学校有机械制造系统工程国家重点实验室，可以充分利用计算机，通信，自动化等领域的新工艺与新技术，比如说3D打印机，快速成型设备。学校的工程坊可以供给学生自主加工所需要的零件，并且还有经验丰富的工程坊师傅可以请教具体的加工方法和注意事项，同时还有激光切割机和线切割设备可以进行复杂零件的制造。指导老师都是具有丰富的指导经验，广阔的专业知识背景，指导过往届的学生参加各种大型比赛，有很强的责任心，在随时解答我们疑问的同时还提供了很多实验器材，如慧鱼组件等。尚缺