仿人柔性机械手说明书

毕业设计〔论文〕毕业设计〔论文〕\*ROMAN\*ROMANIV摘要题主要争论内容如下：其次章灵活机械手总体方案设计。先后介绍了灵活机械手总体方案的初步设计，灵活〔零部件〕的分析和设计。为了提高机械手的运动速度和掌握精度，要求机械手的传动机构具有构造紧凑、体积小、重量轻、无间隙和响应快的特点。第五章总结和提高。本章是对全文的总结，在总结的根底上进一步的指出了本课题争论存在的问题，及灵活机械手争论进展方向等。关键词：仿人柔性机械手工作原理 机构设计自由度DesignofHumanoidFlexibleManipulatorAbstractTheflexiblemanipulatoristhehotissuethattherobotrealmdiscussesinrecentyearsandManyresearchinstitutionshaveconductedresearchontherobot.Thisessaydiscussedthesportsystemofflexiblemanipulator,includemechanism,transmissionanddrive,thistopicmainlystudiedthecontentsasfollows:Chapter1Outline.Introducethesubjectofthesourceofthetopicathomeandabroadaswellastheworkwhichwillbeaccomplished.Chapter2Overallprogramdesign.Introducethepreliminarydesignofthedexterousmanipulatoroftheoverallprogram,designsteps,thecalculationofthemainparameters,thekeystructuraldesign,mechanicaltransmission,andelectric-drivendesign.Chapter3Theplanofthetwodesignimprovement.DiscussesthestructreandtransmissiondesignChapter4Analysisanddesignofkeystructures(parts).Inordertoimprovetherobot”smovementspeedandcontrolaccuracy,therobotdrivemechanismhasacompactstructure,smallsize,lightweight,seamlessandfastresponse.Chapter5Summarizeandimprove.Thischapterisasummaryofthefulltext,andfurtherpointedouttheproblemsinthisresearch,andDexterousManipulatordirectionofdevelopmentonthebasisofsummingup.Keywords:Flexiblemanipulator;Workingprinciple;Mechanicaldesign;Freedomdegree名目\l“_TOC_250010“引言 1\l“_TOC_250009“课题来源 1\l“_TOC_250008“国内外现状 2关键技术 4小而强的驱动 5丰富的感觉 5聪明的大脑 6\l“_TOC_250007“灵活机械手方案设计 7\l“_TOC_250006“灵活手设计的根本原则 7手型的选择 7自由度的选择 7驱动器的选择 7\l“_TOC_250005“总体方案的比较 8\l“_TOC_250004“方案二的改进设计综述 10\l“_TOC_250003“手指机构的传动方案设计 10FRJ-11灵活手的整体构造设计 11关节的构造设计 11手指关节间连接机构的设计 13手掌的构造设计与制作 13关键构造〔零部件〕设计与分析 15手指机构设计 15拇指机构运动学分析 184关节手指机构〔食指，中指〕运动学分析 19传动与构造设计 21驱动设计 24结论与展望 255.1结论 255.2将来展望 25\l“_TOC_250002“结语 27\l“_TOC_250001“参考文献 28\l“_TOC_250000“致谢 29毕业设计〔论文〕毕业设计〔论文〕10引言手指都相当于一个独立的、具有多自由度的微型机器人,这样通过协调各个手指间的相互增加,另外,由于操作上的要求,仿人形灵活手本身的体积有比较严格的要求,所以设计一种高性能且紧凑的掌握系统对多指灵活手的起着至关重要的作用。本论文依据人手抓取物体的仿生学原理所设计机器人手爪为3指手爪，其中一个为拇3个手指共有11个自由度。其中拇指有3个自由度，其余两根手指分别相当于食指和中指，它们构造一样，都具有4个自由度。每个关节分别承受一个电机进展驱动。本文在完成了对机械手构造设计的同时，还对各手指进展了运动学分析，以便于对机械手实现掌握。赶上甚至超过世界先进水平。课题来源自40多年前，第一台计算机掌握的机械臂消灭之日起，人类将机械的概念延长到了一个的领域——机器人。在制造领域，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。然而还有很多操作任务单靠机械臂的运动无法完成，例如太空，水下，核辐射等环境下的试验，维护。排险等简单任务。于是像人手一样的机械手成为期盼的目标。然而人类能否造出如此灵活的机械手呢？在机械技术领域争论人员始终在探究解答这一问题的技术途径。经过十几年的争论，世界一些大学和争论机构开发出多种机械灵活手样机。它们日益显示出在危急和有害环境下代替人类执行简单操作任务的可能性。像人一样，机器人需要用它的手与环境发生作用。机器人进展初期，面对的需求首先是制造领域，早期的工业机器人主要执行上下料的简洁任务，功能单一的两指夹持器就能满足任务需要。随着技术的进步，工业机器人开头向更多的应用领域进展，上百种玻璃到布料，从大型金属热轧件到微小的电子器件。尽管如此，末端执行器仍旧是制约机机。化的实现，信息化的到来，我们开头进入学问经济的时代。创是这个时力。文化的创、观念的创、科技的创、体制的创转变着我们的今日，并们的明天。旧文化、旧思想的撞击、竞争，不同学科、不同技术的穿插、渗迸发出的精神火花，产生的觉察、制造和物质力气。机械手技术就是在这样环境中诞生和进展的。科技创带给社会与人类的利益远远超过它的危急。人假设，其生活和工作力量将极大降低。传统机器人多限于制造领域，一个重要缘由在简单环境和对象的操作力量。争论和开发类似人手的智能灵活手，对于机器人技广泛的领域获得应用将会产生重要作用。机器人的进展史已经证明白这一点。机用领域不断扩大，从工业走向农业、效劳业；从产业走进医院、家庭；从陆地潜入水下、飞往空间； 机器人展现出它们的力量与魅力，同时也表示了它们与人的友好与合作。20世纪自动化领域的重大成就，机器人已经和人类社会的生产、生活密不行分。世间万物，人力是第一资源，这是任何其它物质不能替代的。尽管人类社会本身还存在着不文明、不公平的象其它很多科学技术的制造觉察一样，机器人也应当成为人类的好助手、好朋友。中国的21世纪，科学技术的灯塔指引着更加奇特的明天。的了解，熬炼自己探究和创的力量，树立为祖国科学技术的进展而奋斗的信念。国内外现状2070年月至今，消灭了多种灵活手样机。从2070年月开头，伴随着计算机掌握技术的进展，消灭了模拟人手构造的多指手。例如Okada手承受3个手指分别仿照11个自由度，承受直流电动机驱动。20世纪70年开发的多指手，在运动方面一考虑手指机构自由度为主，没有明显的手2080年月初，美国斯坦福大学的学者Salisbury以灵活性为焦点，探究了灵活手33个自由度。20世纪80Utah大学生物医学设计中心和麻省理工人工智能试验室联44个自由度，整手16个自由度，是当时自由度最多的仿人机械手。2090年月，美国国家航空宇航局和德国宇航中心器人系统，相继开发出功能更强的灵活手。NASA的喷气推动试验室首先开发了4指灵活Johnson空间中心又开发了RobonautDLR的机器人争论中心也先后开发出了4指灵活手。1997〔humanoidP3，QrioGifu大学一人2023516GifuⅡ手。1987年开头，北京航空航天大学机器人争论所持续开展了机器人灵活手的理论与4BH-139自由度灵活手，承受钢丝绳3个手指的配置，设计成拟人手；BH-3型BH-4416自由度灵活手，承受齿轮传动，电动机集成于手指和手掌，带关节位置传感器。1-1争论者〔时间〕RichWalker等〔2023年〕

表1-1灵活手样机手名称 指数自由度驱动类型 传感器种类Shadow Hand 5 24 人工肌肉肌肉压力、关节位置、分布式触觉力传感器Lotti等UBH3520电动机〔2023年〕节位置传感器等年〕GifuHandⅡ516电动机电动机位置、6维指尖Butterfass等DLR-HandⅡ413电动机电动机位置、关节位〔2023年〕置、关节力矩、6维指尖力传感器Schulz，S.等UltralightHand510人工肌肉〔2023年〕LovchikRobonautHand514电动机电动机位置、关节位〔1999年〕A.Caffaz等〔1998年〕DISTHand416电动机电动机位置、关节位JacobsenUtah/MITHand416气缸电动机位置、关节位〔1984年〕Salisbury〔1983年〕Stanford/JPLHand39电动机1.3关键技术,等都对机器人技术提出了更高的要求,而传统的工业机器人末端夹持器有一些缺点,如敏捷性差,感知力量低下,力的掌握精度不高等。近二十几年来,多指灵活手的争论工作得到了快速的进展,并渐渐成为一个特地的争论领域。主要完成了运动子系统的设计，即构造和传动的设计。33个关键技术需要解决。小而强的驱动灵活手需要小而轻的驱动器，常见类型为电动机。目前所见的灵活手最多有24个自由度。自由度越多，设计难度越大。难题之一是如何安置众多驱动器，使得灵活手的尺寸接近人手。现在的微型电动机体积过大，无法在尺寸和力矩指标上同时满足要求。假设将电动10-30N。假设要获得更大的力，电动机只能安装在手外，如放于小臂内，用柔绳传递运动和力。这正是现在很多灵活手样机承受的传动方式。假设要取代简单的柔绳传动系统，则需要尺寸小、力矩大的微型电动机。人工肌肉是近消灭的另一种驱动方式，不过尺寸浩大仍旧是一个未解决的问题。丰富的感觉感器用于关节角位置测量的实例。从人的阅历可以直接观看到触觉与手的灵活性关系亲热。你假设有过手指冻僵的经受，就会体验到没有足够的触觉信息，人手会变得笨拙。触觉传感器分为两类：力传感器和接触1维力和力矩传感器。也有简单一点的3维力传感器测指端接触力大小和方向。再简单一些，可以用6维力/力矩传感器测量接触力的位置、大小和方向。力传感器响应快、性能比较稳定，但只能测量合力，无法识别接触点的数量和分布。后者靠接触传感器测量。这类传感器通常由多个触点组成阵列，用来测量接触区域和触点的压力，从而可以获得接触点的位置、接触区域的外形和力信息。由此，还可以进一步获得摩擦信息，以便推断是否发生滑动。尽管灵活手样机的开发承受了多种触觉传感器，但到底使用哪种触觉传感器或几种结合更好，还没有明确答案。另外，接触传感器在区分率、信号处理、走线，以及制作和价格等方面离应用还有距离。加的。在运动学构造上越来越接近人手，但由于触觉传感功能滞后，限制了机械功能的发挥。聪明的大脑就像人假设“手巧”必需“心灵”一样。即机器人有自己的大脑。变得直观而简便。因此，主从掌握比较适合于仿人手。自主掌握系统的难题是如何使机器人有一个聪明的大脑。机器人要能够知道物体在何处、物体的外形如何，并能够自主规划如何完成抓取和操作任务。一方面依据理论设计的规划算法还不能满足掌握的实时需要，另一方面这些理论的假设条件依靠于触觉和视觉信息。受触觉传感器性能的限制，目前还无法获得足够准确和完整的触觉信息。因此，除个以用来识别人手的抓持类型，并建立人手与灵活手之间的抓持映射关系。指。承受微型电磁电机驱动,就可以像内置型灵活手那样,将电机全部置于手掌内,形成独简洁,从而使灵活手可以获得像人手一样的自由度，并且提高了牢靠性，降低了本钱。灵活机械手方案设计自由度，驱动种类，传感器种类等，在本论文中主要争论了前三个因素。灵活手设计的根本原则手型的选择个方向。目前国内外比较流行的主要是3～5指的灵活手。为了使构造简洁，降低制作本钱3指灵活手作为设计方向，并且依据人手来配置手指的布局。自由度的选择仅能帮助我们识别和理解问题，还可以找到问题的答案。驱动器的选择在机器人灵活手的设计中,驱动器的形式主要有电磁(电机)驱动、液(气)压驱动和承受记忆合金等[1～5]。现在在灵活手的争论中,电机驱动是主要的驱动方式。体积小、现灵活手手指的模块化。灵活手需要小而轻的驱动器，常见的为电动机。目前灵活手最多有24个自由度。自由度越多，设计难度越大。那就要解决如何安放众多驱动器的问题。一般的微型电机由于人工肌肉是最近消灭的另一种驱动方式，不过体积浩大仍旧是一个未解决的问题。而简化构造，提高牢靠性，降低本钱。总体方案的比较比较。方案一如图2.1所示，承受仿人手布局设计，共有三根手指，分别相当于人手的拇指，食指和中指。其中拇指有3个自由度，食指与中指各有4个自由度。所以此灵活手手爪共有1111便利地实现对手指的驱动掌握。图2.1 FRJ-12灵活手方案二如图2.2所示，柔性手共有两个手指，每个手指有5个关节，图中只有画两个关节，其余各关节与此类似。该柔性手的每个手指由多个关节串联而成，手指传动局部由钢是电动机是外置的。图2.2 多关节柔性手便于操作，构造简洁。方案二使用的是两指多关节手指对称布局，虽然在构造上要比较简洁，但是操作的敏捷性较差。在自由度的选取上，方案一共有11个自由度，每个关节都分别有一个电机驱动，这样10个自由度，每个手指有5节都在钢丝绳的牵引下同时运动，敏捷性较差。在驱动与传动方面，方案一承受微型电机,可以像内置型灵活手那样,将电机全部置于手掌内,形成独立的手部构造；同时可以借鉴外置型灵活手的方式,承受线驱动方式使手指其优势在于:可以利用高功率的驱动器产生格外大的驱动力,如气压驱动;驱动器的外置可以使手指构造变得简洁,从而使得多关节多自由度的灵活手成为可能,然而,由于驱动器的外置,这种灵活手很难和各种机器人手臂相联,而且手的工作空间变得有限,工作敏捷性降低。综上所述，承受方案一的3指机械手作为这次毕业设计的争论方向。毕业设计〔论文〕方案二的改进设计综述由上一章对两种方案的比较，可以看出方案二也有着很多不行替代的优点。譬如，设计构造简洁，虽然驱动器外置，但是这种仿人灵活手我个人认为是最适合用来做单一的抓5指灵活手，外形完全仿人化设计，由于专用于抓握工作，所以取消侧摆关节。以下即为对被弃用的方案二改进的具体内容，主要论述其传动和构造方面的设计，其他运动学及驱动方面的设计就不再论述，总的设计还是以方案一为主，我将在第四章开头对方案一进展完全的设计综述。手指机构的传动方案设计此手指机构的运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方案的设计完全满足设计方案要求的平稳牢靠。图3.1是用solidworksFRJ-115手指5自由度说明机构的传动方案。图3.1 FRJ-11灵活手图3.2所示为中指三维模型，手指构造主要有两局部组成：硬固机构局部、手指软连机构局部。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14毕业设计〔论文〕关键。的整体构造设计

图3.2 FRJ-11灵活手器手臂关心联动机构。连接轴、万向节等组成，动力源是电机，机器手对被持物体的外形、大小、重量的规划由规划、视觉、触觉和掌握系统给出，本章主要争论机构局部的设计。关节的构造设计厉害。最终我选择了硬度和刚度都比较适宜的铝合金。图3.3、3.4、3.5、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。15毕业设计〔论文〕图3.3远指节图3.4中指节图3.5近指节16毕业设计〔论文〕手指关节间连接机构的设计一个小滑轮还有一个好处，就是能让钢丝绳拉得更加便利协调。制作模型如图3.6。手掌的构造设计与制作

图3.6小滑轮机构统与掌握电板都要安装在手掌中。电板的合理布局。最终我设计了如图3.7所示的手掌模型。图3.7手掌17毕业设计〔论文〕毕业设计〔论文〕20手在平面上的稳定伫立。最终我承受了比较简洁的矩形模块，使得以上问题有所改善。运动过程简述为：机器手抓握时55个手指靠5个舵机驱动实现抓握。当决策与掌握系统推断出有抓紧需要时，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：抓握预备、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、中指与无名指、无名指与小指之间有耦合机四个手指区分在于类人手长短不同，可以对非规章物体实现握、拿、捏、夹等动作。电源可以外接。关键构造〔零部件〕设计与分析这一章我开头进展方案一的灵活手的设计，虽然FRJ-12FRJ-11么仿人化，但是拥有侧摆关节却让它在性能上更加仿人化。手指机构设计FRJ－124.1所示，共有3个手指，11个自由度。如前所述，拇指有3123个独立的关节，分别1231223的轴线平行。其余两根手指分别相当于食指和中指，它们构造一样，都具有4个自由度。可实现1341，关节23412234的轴线均平行。3根手指的各个关节均为独立运动的关节，分别由电动机通过柔性绳来驱动。中指中指食指4拇指323121图4.1 FRJ-12灵活手手指构造拇指机构运动学分析拇指为3关节手指机构，每个关节有1个自由度，分别实现手指的侧摆和两个屈曲运机构进展运动学分析。正运动学D-H4.2所示，xyz0 0

为定坐标系，其他为动坐标系，各指节长度分别为 a,a,a1 2 3

各关节转角分别,nnn,1 2

,指尖在坐标系中的位置坐标为x,y,z,D-H4-1。x2x2n3a3z3x3x1n2y3y2a2z1y1a1x0n1z0y0y0图4.2 3关节手指〔拇指〕机构简图及坐标系4-13〔拇指〕机构D-H关节号关节号杆号ai/㎜d㎜i/i1/(°)ni/(°)1122a1a2a3000-903300n1n2n3对于该手指机构，各坐标间的齐次变换矩阵分别为：毕业设计〔论文〕毕业设计〔论文〕21c 0 s 1

a c 1 1A0 s1

0 c1

a1s11 0 1 0 0 ，0 0 0 1 A1 2

2cs20cs20a c 2 2 2s2c0a s2 20 0 0 1 c s 3

0 a c 3 3A2 s3

c 0 a s3 3 33 0 0 1 0 ，0 0 0 1 cc

cs s acc

acc

ac1 23

1 23

31

2 1

11sc

ss

c asc

ascasA0

1

1

1 31

21 2 113 s c

0 as

as 23 23 3 23 2 2

(4-1)0 0 0 1 式中s sinn，c cosn，s sin(n n)，c cos(nn)，i,j1,2,3.i i i i ji i j ji i j43个元素即为指尖在定参考系中的坐标x,y,z，因此有：xac3 23ac3

ac2 2ac2

ac，1 1c，s，as，1 1

(4-2)(4-3)关节转角nnn1 2 3

zas as，323 2 2,3式可求出指尖位置坐标xyz。

(4-4)逆运动学毕业设计〔论文〕毕业设计〔论文〕22xyznnn1 2 3

称为逆运动学问题，下面给出求解逆运动学问题的方程。(4-2)，(4-3)有：narctany

(4-5) 1 x由式〔4-2〕,(4-4)联立，消去n1

n得：3BcCs A (4-6)2 2 B2C2B2C2A22

arctanBCC

(4-7)x 2

， x ，式中，A a a2z2a2

B2 aa C2za。c 1 2 31

c 1 2 21

DcEs F3 3 D E

(4-8)narctan3

arctanE2E2F2D2F

(4-9)DzasEasFac.22 32 32指尖位置坐标，由上上述式可求出各关节的转角。4关节手指机构〔食指，中指〕运动学分析22的旋转轴线相互垂直，模拟人手掌指关节，其余各关节〔2，3，4〕的轴4关节手指机构和拇指一样，也是侧摆型手指机构，下面就对该机构进展运动学分析。(1) 正运动学3D-H4.3xyz为定坐0 0 0标系，其他为动坐标系，各指节长度分别为a,a1 2

,a,a3

，各关节转角分别为n,n1 2

nn,指3 4尖在坐标系中的位置坐标为x,y,z,D-H4-2.x4x4z4n4a4z3n3a3x2z2a202z1a1=0n1z0y0图4.3 4关节手指机构简图及坐标系关节号aidinii关节号aidinii1/(°)10a1=00n1290a20n230a30n340a40n4对于该手指机构，各坐标间的齐次变换矩阵分别为：毕业设计〔论文〕毕业设计〔论文〕24c 1

s 01 A0 s1 0 c1 01 0 1

0，1000 1000 c s 2

0 a c 2 2A1 s2

c 0 a s2 2 22 0 0 1 0 ，0001 0001 c s 3

0 ac 3 3A2 s3

c 0 a s3 3 33 0 0 1 0 ，0001 0001 c s 4

0 ac 4 4A3 s4

c 0 a s4 4 44 0

0 1 0 ，

00cs

0 0s

11ac

ac

1234

1234 1 4 234 323 2 21

sc

ss c ac ac as s1234 1 4 234 323 22 14 1 2 3 4 s c

0 (as

as

as) 234

234

4234

323

22

(4-10) 0 0 0 1 式中 s sinn ，c cosn ，s sin(n n) ，c cos(n n) ，i i i i ji i j ij i js sin(n n n )c cos(nn n)i,j1,2,3,4。jik i j k ijk i j k43个元素即为指尖在定参考系中的坐标x,y,z，因此有：xa4

c234

ac323

，2 2 1，

(4-11)ya4

c234

ac323

ac2

1

(4-12)z(as as as)，4 234 323 2 2

(4-13)毕业设计〔论文〕毕业设计〔论文〕25关节转角n,n1 2

,n,n3

3式可求出指尖位置坐标x,y,z。〔2〕指尖在参考坐标系中的位置xyz，求手指各关节的转角nn1 2

,n,n3

下面给出求解逆运动学问题的方程。对于侧摆型手指机构，由式(4-11)，(4-12)有：n arctany

(4-14) 1 x式〔4-11〕,式(4-12)，式(4-13),为关于转角nnn的非线性方程组，没有解析解，需承受2 3 4数值解法求解。传动与构造设计作，并传递肯定动力。其传动示意图如图4.4所示其主要优点是构造简洁，传动平稳，造价低廉以及缓冲吸振等特点，在机械中应用广泛。vvv图4.4 带传动示意图食指与中指承受一样的传动方案，如图4.5所示，它们4个关节的运动均有电动机通指关节处，使机械手的机构紧凑，增加了机械手的通用性能。2 3234n1n1n2n31n4图4.5 4关节手指〔食指，中指〕传动示意图1 3 nn带动关2n3n4处的带轮做屈曲运动，各指节与带轮相连，跟随带轮一起转动。带轮与指节可以承受胶接的方式连接在一起，连接后与轴为间隙协作〔1处除外1 3 S7h6带轮指根手掌h6H7h6手掌图4.6 食指，中指指根关节装配图4.7为拇指传动示意图。n11n2n3图图4.7 拇指传动示意图结论与展望结论的运动进展了运动学方面的分析，而对灵活手的传感与掌握等方面并未做太多的争论。在这次的毕业设计中所作的机械手样机是一个仿人3指灵活手，11个自由度，该机一局部功能。但是还存在很多的缺乏与缺陷：设计，虽然也参考的一些现有的灵活手样机，但没有太多的理论依据的支持。虑到如何使用传感器以及使用传感器的种类。PLC掌握，就可以借鉴使用。将来展望纵观灵活手的进展历史，我们不难觉察灵活手，在现在近消灭的样机一4指至5指居多，在运动学构造上与人手越来越接近，灵活手设计明显有拟人化的趋势。承受拟人化设计的主要缘由包括：①事实证明人手具有丰富的操作功能，能够应付简单多样的任务。象。动作通过数据手套等人机交互设备传递给灵活手，实现遥控操作。④满足某些特别需要，如：用于消遣，护理等的人形机器人需要有人的外形和行为。进入21世纪，机器人的拟人化程度进一步增