专业课程设计报告

1、专业课程设计报告课程名：专业课程设计题目：五指灵巧手的设计与制作姓名：学号：系别：自动化系完成日期：2015年6月29日目录1引言22五指灵巧手手指机构的传动方案设计33手指与手掌结构的设计与制作43.1手指关节的设计与制作43.2手指关节间连接机构的设计53.3手掌的结构设计与制作63.4手指基关节的机构设计与制作64五指灵巧手运动学模型74.1灵巧手坐标系的建立74.2灵巧手正运动学解74.3五指灵巧手动力学模型95驱动系统的设计105.1电机的选用105.2控制系统的选择106小结与心得体会117参考文献11摘要：本文介绍了一种五指型仿人灵巧手的的机构设计与实现方法，根据对非规则物品拿取

2、任务的要求，采用转动机构和连杆机构相结合，设计了五指型机器手。手指弯曲电机与指间平衡电机耦合驱动，实现了机器手的多角度张开、抓握运动方式。详细分析了机器手手指机构、手掌机构、手指间辅助平衡机构的工作原理，给出了设计方案。关键词 ：五指型机器手 工作原理 机构设计 1 引言机器人是近年来迅速发展起来的高新技术密集的机电一体化产品。目前，对多指灵巧手的智能抓持，位置协调控制的研究是机器人学研究的热点之一。应用仿人机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污

3、染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用仿人机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以仿人机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。应用仿人机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用仿人机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。综上所述，有效的应用仿人机械手，是发展机械工业的必然趋势。2 五指灵巧手手指机构的传动方案设计手指机构的运

4、动方案设计主要考虑的因素是在满足运动要求的前提下传动要平稳可靠结构要简单维护要方便由此在手指机构设计。手指机构采用钢丝绳来传递运动和动力。图2-1为仿人灵巧手三维模型图，它是3自由度5手指仿人手。整个系统采用钢丝绳传动，各手指的传动机构系统基本相同，所以就以中指为例说明机构的传动方案。图2-1图2-2所示为中指三维模型，手指结构主要有两部分组成：硬固机构部分、手指软连机构部分。硬固机构由首指节、中指节、末指节组成，依次首尾轴向连接，串联在一起；手指软连机构由两钢丝绳一端分别从正反两面拴在末指节固定端，依次穿过中指节、末指节的穿孔处到达电机驱动轮上。当手指需要伸开时，驱动电机外转，外部钢丝绳主动

5、拉紧，内部钢丝绳从动放松，末指节只受手背牵引力时，手指垂直方向运动伸直，此时，内钢丝伸展段最长，外钢丝伸展段最短。当手指需要弯曲时，驱动电机内转，外部钢丝绳从动放松，内部钢丝绳主动拉紧，末指节只受手心牵引力时，手指垂直方向运动弯曲，此时，内钢丝伸展段最短，外钢丝伸展段最长。说明一点，各指节的转动支点与钢丝绳固线点位置是决定机器手运动速度和抓握力大小的关键。 图2-23 手指与手掌结构的设计与制作3.1 手指关节的设计与制作仿人灵巧手是模仿人类手的运动，因此各关节的运动范围也应该和人类基本相同，经过对各关节运动分析，并参考已有的一些机器人各关节的运动范围确定机器手各关节运动范围如表3-1所示。1

6、045°（弧转度）2090°3090°4090°表3-1手指连杆坐标图3-1、3-2、3-3、所示为我设计的手指各关节三维模型,分别为远指节，中指节和近指节。图3-1图3-2图3-33.2 手指关节间连接机构的设计手指关节的连接是整个手指能协调运动的关键，采用了圆形钢管连接，并在钢管上安装一个小滑轮，使得手指各关节的连接更加紧凑。加一个小滑轮还有一个好处，就是能让钢丝绳拉得更加方便协调。制作模型如图3-4图3-43.3 手掌的结构设计与制作手掌的作用就是用来连接五个手指，使其有一定的位置布局。另外，几乎整个驱动系统与控制电板都要安装在手掌中。如图3-5所

7、示的手掌模型。图3-53.4 手指基关节的机构设计与制作采用很普通的关节连接件作为手指的基关节，运动过程简述为：机器手抓握时5手指处于张开状态，5个手指靠5个舵机驱动实现抓握。当决策与控制系统判断出有抓紧需要时，发出指令让机器手实现抓握动作。抓握动作时动作参数设置有：抓握准备、抓握、保持、放开、恢复原来放松状态。它是利用电能转化为两根相互牵制拉扯手指的钢丝绳的伸缩机械能使手指在一个平面内运行；利用电能驱动连杆转化为机械能，使得手指可以相互运动，与前者结合实现各手指间的三维运动。机器手由5个可弯曲的手指机构和一个手掌机构连接而成。每个手指均为一个自由度，分别由一个电机驱动；拇指与食指、食指与中指

8、、中指与无名指、无名指与小指之间有耦合机构，分别由一个电机驱动。拇指为两截运动串级耦合组成，其余四指为三节串级耦合组成。四个手指区别在于类人手长短不同，可以对非规则物体实现握、拿、捏、夹等动作。电源可以外接。4 五指灵巧手运动学模型4.1 灵巧手坐标系的建立采用DH方法建立灵巧手的坐标系其基本原则为，为每一个关节指定一个本地的参考坐标系，z轴为旋转关节的旋转方向，z轴方向指向z。一。与z。之间的公垂线，对于与z轴相交的相邻两关节，z轴定义为两条轴线构成的平面的垂线据此建立仿人灵巧手的坐标系如图4-1所示图4-1 灵巧手坐标系图中只标注了拇指、食指以及小指的坐标系，中指及无名指的坐标系与食指完全

9、相同参考坐标系为手掌坐标系手掌坐标系建立在手腕旋转关节处除小指外每个手指具有4个关节，从指根到指尖依次标注为关节1至关节4，小指具有5个关节，同其他手指一样依次标注为关节1至关节54.2 灵巧手正运动学解以食指为例建立的D-H参数表如表4-1关节数(°)(°)101190205003030040250表4-1 食指D-H参数表每个关节的变换矩阵Ai定义为(其中下标i代表关节数，c代表COS，S代表sin)Ai=rot(z，i )Trans(0，0，di)Trans(ai，0，0)rot(x，i) = 食指的正运动学解是相邻关节之间的6个变化矩阵的乘积式中：;矢量n，o，a，

10、p表示食指末端的位姿类似地求得其它4指的正运动学方程，并将其表达在手掌坐标系中有式中：f=0，1，4，分别表示灵巧手的4个手指，为手指及关节对于手掌坐标系的变换分别将各手指的DH参数代人求得各手指的变换矩阵，由上式即可求得手指任何关节的空间位姿将表1中灵巧手指的数据在Matlab下仿真，得到食指末端的运动空间如图4-2所示图4-2 食指末端工作空间4.3 五指灵巧手动力学模型Newton-Euler方程采用多个方程组成的联立方程式组来刻画由多个刚体组成的机器人系统。NewtonEuler方法建立方程比较容易，进行动力学计算时，与Lagrange方法导出的模型相比，计算量要少得多。NewtonE

11、uler方程导出的方程可以写为如下的递推形式。式中：，i=0,1,.,n.为系i角速度；为系i角加速度；ai原点Oi加速度；aci为杆i质心加速度。Newton-Euler逆动力学递推算法的框图如图4-3。图4-3 Newton-Euler递推算法框图5 驱动系统的设计5.1 电机的选用仿人灵巧手的驱动不但要求电机驱动系统具有转矩质量比、宽调速范围、高可靠性，而且电机的转矩一转速特性受电源功率的影响，此文中选用舵机。舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些角度需要不断变化并可以保持的控制系统口J。舵机是一个典型闭环反馈系统。跟其他电机一样，它的选型也要考虑到力矩、工作电压等，市场的舵机大都能满足

12、以上要求。5.2 控制系统的选择 在选择好动力系统的同时，所要考虑的是如何产生控制舵机运动的控制信号，本文选择单片机AT89S52 作为控制单元，单片机可以使PWM（脉冲调制）信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而提高舵机的转角精度。单片机完成控制算法，再将计算结果转化为PWM 信号输出到舵机，由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。6 小结与心得体会本次课程设计虽然没有设计出实质性的灵巧手，但是对于我而言，在理论方面有了颇多的收获。刚开始，对于机器人设计这个课题感觉非常的迷茫，在此之前接触相当少，只对机器人的类别有大致的了解。工业机

13、器人、娱乐机器人、服务型机器人······我不知道自己该选择哪个方向的内容去设计，最后，在图书馆查阅资料的时候，看到了有关“灵巧手”方面的介绍，勾起了我脑海中的记忆，以前在课堂上听过老师有关它的介绍，当时我对它还是颇有兴趣的，于是我决定了选择五指灵巧手。通过查阅资料，我对灵巧手的设计步骤有了具体的了解。由于个人能力有限，在这份报告中只对灵巧手的核心结构进行了叙述，还有其他部分没有提及，这是这次设计不完善的地方。灵巧手的设计与研究有很重要的意义。在制造领域，我们可以看到众多机械臂在替代人们执行各种操作任务。如喷漆、焊接、搬运、装配等。然

14、而，还有许多操作任务单靠机械臂的运动无法完成，例如在太空、水下、核辐射等环境下的实验、维护、排险等复杂任务。于是像人手一样的机器手成为期待的目标。在机器人技术领域，研究人员一直在探索解答这一问题的技术途径。经过十几年的研究，世界一些大学和研究机构已经开发出多种机器人灵巧手样机。它们日益显示出在危险和有害环境下代替人类执行复杂操作任务的可能性。7 参考文献1 徐元昌，陶学恒，沈晓红. 工业机器人M. 北京：中国轻工业出版社，1999. 2 马香峰. 机器人机构学M. 北京：机械工业出版社, 1991.3 费仁元，张慧慧. 机器人机械设计和分析M. 北京：北京工业大学出版社，1998.4 方建军，何广平.