仿生機(jī)械手說明書

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1、山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文（畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書） 目 錄 摘 要Ⅲ ABSTRACTⅣ 1前 言1 1.1仿生機(jī)械學(xué)的簡(jiǎn)介歷史及研究動(dòng)向1 1.1.1仿生機(jī)械學(xué)的簡(jiǎn)介1 1.1.2仿生機(jī)械學(xué)的歷史1 1.1.3仿生機(jī)械學(xué)的研究動(dòng)向2 1.2選題背景及意義3 2．系統(tǒng)方案的確定7 2．1現(xiàn)有機(jī)械手種類7 2.2機(jī)械手結(jié)構(gòu)總體方案的確定10 2.3機(jī)械手控制機(jī)構(gòu)總體方案的確定11 3機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)13 3.1人手的結(jié)構(gòu)13 3.2仿生機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)13 3.2.1手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副的型式13 3.2.2手指的自由度14 3.2.3手指的數(shù)目14 3.2.4手指的結(jié)構(gòu)形式

2、16 3.2.5手指的材料17 3.2.6手指具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)17 3.2.7手指關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)18 3.2.8手掌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)25 Ⅰ 3.3仿生機(jī)械手電機(jī)的選擇26 3.4仿生機(jī)械手傳動(dòng)方式的設(shè)計(jì)27 3.4.1仿生機(jī)械手傳動(dòng)方式的選擇27 3.4.2仿生機(jī)械手具體傳動(dòng)結(jié)構(gòu)30 3.5仿生機(jī)械手驅(qū)動(dòng)動(dòng)方式的設(shè)計(jì)33 3.6本章小結(jié)34 參考文獻(xiàn)35 致謝37 需要圖加企鵝519025124 Ⅱ 摘 要 隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制技術(shù)和機(jī)械制造工藝水平的飛速發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域逐步從汽車拓展到其它領(lǐng)域。在各種類型的機(jī)器人中，模擬人體手臂而構(gòu)成的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，

3、具有結(jié)構(gòu)緊湊、所占空間小、運(yùn)動(dòng)空間大等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最為廣泛的機(jī)器人之一。尤其由柔性關(guān)節(jié)組成的柔性仿生機(jī)器人在服務(wù)機(jī)器人及康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用和需求越來越突出。 本課題重點(diǎn)在于仿生機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和其可行性分析。由于仿生學(xué)的研究歷史短、資料少，很多內(nèi)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(biāo)的滿足。 本文重點(diǎn)解決的問題——結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 本課題中主要內(nèi)容是： （1）機(jī)械手的外形：仿人手外形，具有五指與手掌之間有掌關(guān)節(jié)連接，每根手指具有可活動(dòng)的指關(guān)節(jié)。 （2）運(yùn)動(dòng)要求：掌關(guān)節(jié)及各個(gè)指關(guān)節(jié)具有伸縮能力，力的協(xié)調(diào)性和柔性：仿人手實(shí)現(xiàn)捏握運(yùn)動(dòng)。 目標(biāo)：滿足機(jī)械手關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

4、的設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；機(jī)械手關(guān)節(jié)；仿生設(shè)計(jì) Ⅲ Abstract As microelectronic technology, sensor technology, control technology 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

5、 to simulate human arm, consisting of compact, small footprint, exercise space, etc., is one of the most widely 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

6、 topic focuses on the bionic robot mechanical structure design and feasibility analysis. The short history of bionics, 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 a

7、rticle focused on solving problems - structural design. The main content of this topic is: (1) The shape of the robot: 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

8、 joint and knuckle ability to scale movement of the force coordination and flexibility: the humanoid hand pinch grip. Objective: To meet the design requirements of the joint structure of the robot. KEY WORDS：structural design； the joints of the manipulator;；biomimetic design Ⅳ 1前 言 1.1仿生機(jī)

9、械學(xué)的簡(jiǎn)介歷史及研究動(dòng)向 1.1.1仿生機(jī)械學(xué)的簡(jiǎn)介 仿生機(jī)械是通過研究和探討生物機(jī)制，模仿生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和控制原理設(shè)計(jì)制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的機(jī)械。研究仿生機(jī)械的學(xué)科稱為仿生機(jī)械學(xué)，它是20世紀(jì)60年代末期由生物學(xué)、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)、機(jī)械工程、控制論和電子技術(shù)等學(xué)科相互滲透、結(jié)合而形成的一門邊緣學(xué)科。仿生機(jī)械研究的主要領(lǐng)域有生物力學(xué)、控制體和機(jī)器人。把生物系統(tǒng)中可能應(yīng)用的優(yōu)越結(jié)構(gòu)和物理學(xué)的特性結(jié)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(jī)械。 1.1.2仿生機(jī)械學(xué)的歷史 模仿生物形態(tài)結(jié)構(gòu)創(chuàng)造機(jī)械的技術(shù)有悠久的歷史。 15世紀(jì)意大利的列奧

10、納多達(dá)芬奇認(rèn)為人類可以模仿鳥類飛行,并繪制了撲翼機(jī)圖。 到19世紀(jì),各種自然科學(xué)有了較大的發(fā)展,人們利用空氣動(dòng)力學(xué)原理,制成了幾種不同類型的單翼機(jī)和雙翼滑翔機(jī)。 1903年，美國(guó)的W.萊特和O.萊特發(fā)明了飛機(jī)。然而，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人們對(duì)于生物與機(jī)器之間到底有什么共同之處還缺乏認(rèn)識(shí)，因而只限于形體上的模仿。 直到20世紀(jì)中葉，由于原子能利用、航天、海洋開發(fā)和軍事技術(shù)的需要，迫切要求機(jī)械裝置應(yīng)具有適應(yīng)性和高度的可靠性。而以往的各種機(jī)械裝置遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，迫切需要尋找一條全新的技術(shù)發(fā)展途徑和設(shè)計(jì)理論。隨著近代生物學(xué)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，生物在能量轉(zhuǎn)換、控制調(diào)節(jié)、信息處理、辨別方位、導(dǎo)航

11、和探測(cè)等方面有著以往技術(shù)所不可比擬的長(zhǎng)處。同時(shí)在自然科學(xué)中又出現(xiàn)了“控制論”理論。它是研究機(jī)器和生物體中控制和通信的科學(xué)。控制論是溝通技術(shù)系統(tǒng)和生物系統(tǒng)工作原理之間的橋梁，它奠定了機(jī)器與生物可以類比的理論基礎(chǔ)。 1960年 9月在美國(guó)召開了第一屆仿生學(xué)討論會(huì)，并提出了“生物原型是新技術(shù)的關(guān)鍵”的論題，從而確立了仿生學(xué)學(xué)科，以后又形成許多仿生學(xué)的分支學(xué)科。 1960年由美國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)主辦，召開了生物力學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)。 1970年日本人工手研究會(huì)主辦召開了第一屆生物機(jī)構(gòu)討論會(huì)，從而確立了生物力學(xué)和生物機(jī)構(gòu)學(xué)兩個(gè)學(xué)科，在這個(gè)基礎(chǔ)上形成了仿生機(jī)械學(xué)。 1.1.3仿生機(jī)械學(xué)的研究動(dòng)向 仿

12、生機(jī)械學(xué)是以力學(xué)或機(jī)械學(xué)作為基礎(chǔ)的，綜合生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及工程學(xué)的一門邊緣學(xué)科，它既把工程技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物學(xué)，又把醫(yī)學(xué)、生物學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于工程技術(shù)。它包含著對(duì)生物現(xiàn)象進(jìn)行力學(xué)研究，對(duì)生物的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)作進(jìn)行工程分析，并把這些成果根據(jù)社會(huì)的要求付之實(shí)用化。 　從習(xí)慣上說，可把仿生機(jī)械學(xué)的各個(gè)研究動(dòng)向歸納如下： ?。ㄒ唬┥锊牧狭W(xué)和機(jī)械力學(xué)。以骨或軟組織（肌肉、皮膚等）作為對(duì)象，通過模型實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)定其應(yīng)力、變形特性，求出力的分布規(guī)律。還可根據(jù)骨骼、肌肉系統(tǒng)力學(xué)的研究，對(duì)骨和肌肉的相互作用等進(jìn)行分析。 　另外，生物的形態(tài)研究也是一大熱門。因?yàn)樯锏男螒B(tài)經(jīng)過億萬(wàn)年的變化，往往已形成最佳結(jié)構(gòu)，如人

13、體骨骼系統(tǒng)具有最少材料、最大強(qiáng)度的構(gòu)造形態(tài)，可以通過最優(yōu)論的觀點(diǎn)來學(xué)習(xí)模擬建造工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。 ?。ǘ┥锪黧w力學(xué)。主要涉及生物的循環(huán)系統(tǒng)，關(guān)于血液動(dòng)力學(xué)等的研究已有很長(zhǎng)的歷史，但仍有許許多多的問題尚未解決，特別是因?yàn)樗难芯颗c心血管疾病關(guān)系十分密切，已成為一門倍受關(guān)注的學(xué)科。 　（三）生物運(yùn)動(dòng)學(xué)。生物的運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，因?yàn)樗c骨骼和肌肉的力學(xué)現(xiàn)象、感覺反饋及中樞控制牽連在一起。 　雖然各種生物的運(yùn)動(dòng)或人體各種器官的運(yùn)動(dòng)測(cè)定與分析都是重要的基礎(chǔ)研究，但在仿生機(jī)械學(xué)中，目前特別重視人體上肢運(yùn)動(dòng)及步行姿態(tài)的測(cè)定與分析，因?yàn)槿梭w上肢運(yùn)動(dòng)機(jī)能非常復(fù)雜，而下肢運(yùn)動(dòng)分析對(duì)動(dòng)力學(xué)研究十分典型。這對(duì)康復(fù)工

14、程的研究也有很大的幫助。 ?。ㄋ模┥镞\(yùn)動(dòng)能量學(xué)。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(yùn)動(dòng)能量消耗最優(yōu)性的特點(diǎn)對(duì)生物體的運(yùn)動(dòng)形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能等進(jìn)行分析、研究，特別是對(duì)有關(guān)能量的傳遞與變換的研究，是很有意義的。 　（五）康復(fù)工程學(xué)。包括如動(dòng)力假肢、電動(dòng)輪椅、病殘者用環(huán)境控制系統(tǒng)等。它涉及許多學(xué)科和技術(shù)，比如對(duì)于動(dòng)力假肢，只有在解決了材料、能源、控制方式、信號(hào)反饋與精密機(jī)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(jī)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)、試用，走向?qū)嵱没牡缆肥欠浅ＦD難和曲折的。 （六）機(jī)器人的工程學(xué)。是把生物學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于工程領(lǐng)域的典型范例，其目的一是省力；二

15、是在宇宙、海洋、原子能生產(chǎn)、災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)等異常環(huán)境中幫助和代替人類進(jìn)行作業(yè)。機(jī)器人不僅要有移動(dòng)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(diǎn)為人造手、步行機(jī)械、三維物體的聲音識(shí)別等。 1.2選題背景及意義 目前仿生機(jī)械在抓取功能方面的研究集中于仿人形機(jī)械手,主要因?yàn)槿耸?含手臂)共有27個(gè)自由度,不但能精確定位還能做出復(fù)雜精細(xì)的動(dòng)作,這些都是傳統(tǒng)機(jī)械很難做到的。它們可分為工業(yè)機(jī)器人用機(jī)械手、科研智能機(jī)器人用機(jī)械手和醫(yī)療用機(jī)械手。 1）工業(yè)機(jī)器人用機(jī)械手。 20世紀(jì)50年代末,美國(guó)在機(jī)械手和操作機(jī)的基礎(chǔ)上,采用伺服機(jī)構(gòu)和自動(dòng)控制等技術(shù),研制出有通用性的獨(dú)立的工業(yè)用自動(dòng)操作裝置

16、,并將其稱為工業(yè)機(jī)器人;自第一臺(tái)正式工業(yè)機(jī)器人成功投入使用以來,各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都開始重視研制和應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人。許多單調(diào)、頻繁和重復(fù)的長(zhǎng)時(shí)間作業(yè),或是危險(xiǎn)、惡劣環(huán)境下的作業(yè),均是由工業(yè)機(jī)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(jī)械加工和簡(jiǎn)單裝配等工序,以及在原子能工業(yè)等部門中,搬運(yùn)對(duì)人體有害物料。在這方面,日本一直處于領(lǐng)先地位,具有代表的如川崎重工的工業(yè)機(jī)器人(手)。 圖1.1 工業(yè)機(jī)械手 2）科研智能機(jī)器人用機(jī)械手。 人類對(duì)太空和海洋進(jìn)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(jī)器人替代人去完成大量的工作,能實(shí)現(xiàn)精確操作

17、的仿生機(jī)械手可以大大擴(kuò)大機(jī)器人的工作任務(wù)范圍和任務(wù)精度。最具代表性的當(dāng)屬月球車上的仿生機(jī)械手,不僅可以承擔(dān)探測(cè)、拍照等任務(wù),還可以進(jìn)行樣本采集、分析等。 圖1.2 月球車 3）醫(yī)療用機(jī)械手。 醫(yī)療機(jī)器人是一個(gè)新興的、多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域,已經(jīng)成為國(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)前沿研究熱點(diǎn)。很多外科手術(shù)需要醫(yī)生長(zhǎng)時(shí)間的或在有限的時(shí)間內(nèi)完成一系列復(fù)雜精確的操作?？梢灶A(yù)見,在不久的未來,仿生機(jī)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、高可靠地實(shí)施手術(shù),并在規(guī)定的時(shí)限內(nèi)完成。仿生機(jī)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(jī)械手最早就是用于人的假肢,隨著技術(shù)的發(fā)展,有可能出現(xiàn)假肢可

18、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(jī)械手 4）其他領(lǐng)域的應(yīng)用。 除了以上幾個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用外,仿生機(jī)械手還可用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)、生物合成等高精度的任務(wù)中去;還有一些如在安全領(lǐng)域,利用安裝有靈巧手的機(jī)器人從事排爆、掃雷等排險(xiǎn)、反恐作業(yè)。我們可以相信,在未來仿生機(jī)械手的應(yīng)用會(huì)越來越廣,具有人手一樣的靈巧度,同時(shí)具有高度的精確度和可靠度。 在高新技術(shù)快速發(fā)展的今天，仿生機(jī)械學(xué)已經(jīng)成為一個(gè)重要的發(fā)展方向。在仿生機(jī)械中，以人類身體為原型的仿生機(jī)械目前正處于火熱的研究中，手作為人類身體上最復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)器官以成為仿人機(jī)械研究與發(fā)展中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。想要作仿整個(gè)人體的運(yùn)動(dòng)機(jī)械，

19、就必須做好人手的機(jī)械結(jié)構(gòu)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(jī)械手所能替代的，因此，將仿人手機(jī)械手作好是十分必要的。 由于實(shí)際應(yīng)用環(huán)境較為復(fù)雜，面對(duì)如今嚴(yán)峻的社會(huì)形勢(shì)，仿生機(jī)械可手替代人類完成一些危險(xiǎn)、復(fù)雜情況下的工作。比如，在航天領(lǐng)域，利用仿生機(jī)械手完成在宇宙空間內(nèi)安裝、維修機(jī)械設(shè)備的一些工作，這樣可避免在宇航員進(jìn)行太空行走時(shí)所帶來低壓、輻射等危險(xiǎn)；在安全領(lǐng)域，可利用仿生機(jī)械手完成諸如探險(xiǎn)營(yíng)救，搬運(yùn)危險(xiǎn)品等惡劣條件下的工作；在化學(xué)、生物領(lǐng)域，由于仿生機(jī)械手具有對(duì)人手動(dòng)作高仿的特性，因此可利用仿生機(jī)械手完成危險(xiǎn)的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)，從而保證實(shí)驗(yàn)者本身的人身安全。對(duì)于仿生機(jī)

20、械手的研究，這是一種結(jié)合了機(jī)械、電氣控制、仿生學(xué)等多領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)設(shè)備，它的設(shè)計(jì)思想本身具有創(chuàng)新性，其多學(xué)科技術(shù)跨越也需要設(shè)計(jì)與制造人員有一定的綜合能力與創(chuàng)新能力。而在當(dāng)今復(fù)雜的國(guó)際形勢(shì)下，對(duì)于仿生機(jī)械的設(shè)計(jì)水平與技術(shù)先進(jìn)程度也從一個(gè)側(cè)面反映了一個(gè)國(guó)家科研的綜合技術(shù)水平，因此對(duì)仿生機(jī)械手的研究有重大的意義。 2．系統(tǒng)方案的確定 2．1現(xiàn)有機(jī)械手種類 機(jī)械手屬于機(jī)器人的一種，它能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。機(jī)械手可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全。機(jī)械手主要由手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

21、組成。手部是用來抓持工件的部件，根據(jù)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(jié)構(gòu)形式；運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。 按照傳動(dòng)方式的不同，機(jī)械手分為液壓式機(jī)械手、氣動(dòng)式機(jī)械手、電動(dòng)式機(jī)械手、機(jī)械式機(jī)械手。 1）液壓式機(jī)械手：液壓傳動(dòng)（hydrostatic transmission）是用液體的壓力能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換與傳遞。液壓系統(tǒng)主要由：動(dòng)力元件（油泵）、執(zhí)行元件（油缸或液壓馬達(dá)）、控制元件（各種閥）、輔助元件和工作介質(zhì)等五部分組成。近30年來，由于控制技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)及材料科學(xué)的發(fā)展，極大的推動(dòng)

22、了液壓傳動(dòng)與控制技術(shù)的發(fā)展，使其成為集傳動(dòng)、控制、計(jì)算機(jī)、傳感檢測(cè)、機(jī)電液為一體化的全新的自動(dòng)控制技術(shù)。 液壓傳動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)： （1）體積小、重量輕，因此慣性力較小，當(dāng)突然過載或停車時(shí)，不會(huì)發(fā)生大的沖擊。因此，液壓傳動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)、制動(dòng)及頻繁換向，每分鐘的換向次數(shù)可達(dá)500次（左右擺動(dòng)）、1000次（往復(fù)移動(dòng)）。 （2）能在給定范圍內(nèi)平穩(wěn)的自動(dòng)調(diào)節(jié)牽引速度，并可實(shí)現(xiàn)大范圍的無極調(diào)速。這使得液壓傳動(dòng)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(jī)旋轉(zhuǎn)方向的情況下，可以較方便地實(shí)現(xiàn)工作機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)和直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。 （4）液壓裝置易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。當(dāng)液壓系統(tǒng)超過負(fù)荷（

23、或系統(tǒng)承受液壓沖擊）時(shí)，液壓油可以經(jīng)溢流閥排回油箱，系統(tǒng)特到過載保護(hù)。 （5）由于采用油液為工作介質(zhì)，元件相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間能自行潤(rùn)滑，磨損小，使用壽命長(zhǎng)。 （6）操縱控制簡(jiǎn)便，自動(dòng)化程度高。 （7）易于設(shè)計(jì)和制造。因?yàn)橐簤涸家呀?jīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化，使液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造都比較方便。 正是由于液壓傳動(dòng)的以上優(yōu)點(diǎn)，所以液壓式機(jī)械手占機(jī)械手發(fā)展領(lǐng)域的絕大部分，特別是工業(yè)機(jī)械手大多屬于液壓式。 2）氣動(dòng)式機(jī)械手、電動(dòng)式機(jī)械手：由于氣動(dòng)傳動(dòng)的不準(zhǔn)確性，單一的氣動(dòng)式機(jī)械手已經(jīng)逐漸被淘汰。機(jī)電一體化的發(fā)展則將氣動(dòng)與電動(dòng)聯(lián)系起來，擺脫了氣動(dòng)傳動(dòng)的劣勢(shì)，形成了當(dāng)今機(jī)器人專業(yè)最尖端的科技。“人

24、工肌肉”便是這一尖端科技的產(chǎn)物。 人工肌肉作為一種新型的物理一化學(xué)一牛物工程產(chǎn)品，正處于研究、開發(fā)階段。無論是研究機(jī)構(gòu)，還是商、 公司，都對(duì)人工肌肉有很大的研究興趣并取得一定成果。氣動(dòng)人工肌肉是一種新型的拉伸型氣動(dòng)執(zhí)行元件,當(dāng)通入壓縮空氣時(shí),能像人類的肌肉那樣產(chǎn)生很強(qiáng)的收縮力,所以稱作氣動(dòng)人工肌肉。氣動(dòng)人工肌肉以嶄新的設(shè)計(jì)構(gòu)思突破了氣動(dòng)執(zhí)行元件作功必須由壓縮空氣推動(dòng)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(nèi)管、纖維編織網(wǎng)外套和兩端部連接頭組成。氣動(dòng)人工肌肉具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出力大、無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的摩擦、特別是安全、柔順等特點(diǎn)。

25、圖2.1　氣動(dòng)人工肌肉的制作材料和成品 氣動(dòng)人工肌肉動(dòng)通入壓縮空氣后,橡膠內(nèi)管在氣壓力作用下開始膨脹變形,并和外套編織網(wǎng)緊緊貼住,使柵格中的纖維網(wǎng)格夾角變大,在長(zhǎng)度方向收縮,從而產(chǎn)生收縮力帶動(dòng)外負(fù)載。當(dāng)氣壓力被釋放后,彈性的橡膠材料迫使特殊纖維編織網(wǎng)回復(fù)原位。 氣動(dòng)人工肌肉的初始長(zhǎng)度影響著工作行程,為得到大的行程需要選用長(zhǎng)的氣動(dòng)人工肌肉,所以可根據(jù)所需的行程來確定初始長(zhǎng)度;氣動(dòng)人工肌肉的初始直徑則影響著產(chǎn)生的收縮力大小,直徑越大的氣動(dòng)人工肌肉產(chǎn)生的收縮力越大,也即帶動(dòng)負(fù)載的能力越大,所以可根據(jù)所需帶動(dòng)負(fù)載的大小來確定初始直徑。當(dāng)氣動(dòng)人工肌肉的這三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定下來后,其結(jié)構(gòu)也就定下來了,而

26、氣動(dòng)人工肌肉的特性主要與這三個(gè)參數(shù)有關(guān)。 3）機(jī)械式機(jī)械手：機(jī)械傳動(dòng)在機(jī)械工程中應(yīng)用非常廣泛，主要是指利用機(jī)械方式傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)。分為兩類:一是靠機(jī)件間的摩擦力傳遞動(dòng)力與摩擦傳動(dòng)，二是靠主動(dòng)件與從動(dòng)件嚙合或借助中間件嚙合傳遞動(dòng)力或運(yùn)動(dòng)的嚙合傳動(dòng)。機(jī)械傳動(dòng)的主要方式包括：摩擦傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、皮帶傳動(dòng)、渦輪渦桿傳動(dòng)、棘輪傳動(dòng)、曲軸連桿傳動(dòng)等。機(jī)械傳動(dòng)是人類使用最廣泛、時(shí)間最長(zhǎng)的傳動(dòng)方式，機(jī)械式機(jī)械手也是研究最廣泛的機(jī)械手類型。 2.2機(jī)械手結(jié)構(gòu)總體方案的確定 根據(jù)對(duì)仿生機(jī)械手系統(tǒng)的技術(shù)要求，使機(jī)械手基本能夠?qū)崿F(xiàn)人手的握捏等基本動(dòng)作，自由度保證基本達(dá)到人手的程度，基本達(dá)到仿生要

27、求。 液壓傳動(dòng)方式由于安裝要求范圍較大，一般用于工業(yè)機(jī)械手，不適于仿生機(jī)械手之類的微型系統(tǒng)中。仿生肌肉作為尖端科技，本科學(xué)習(xí)的內(nèi)容無法掌握其設(shè)計(jì)使用的方法，所以也不能作為本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方案。 機(jī)械傳動(dòng)作為最基本的傳動(dòng)方式，研究資料較多，本科學(xué)習(xí)內(nèi)容中對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)的學(xué)習(xí)占了大部分內(nèi)容，掌握的較其他傳動(dòng)方式也要好，所以最終選擇機(jī)械式機(jī)械手作為機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)方案。方案如圖： 圖2.2 仿生機(jī)械手裝配機(jī)構(gòu)圖 2.3機(jī)械手控制機(jī)構(gòu)總體方案的確定 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，就傳統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)來說，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可簡(jiǎn)單的定義為，根據(jù)輸入的脈沖信號(hào)每改變一次勵(lì)磁狀態(tài)就前進(jìn)一定角度，若不

28、改變則保持一定的位置而靜止的電動(dòng)機(jī)。從廣義上講，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種受電脈沖信號(hào)控制的無刷式直流電動(dòng)機(jī)，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖同步的同步電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)最大特征即是能夠簡(jiǎn)單的做到高精度的定位控制?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，仿生機(jī)械手選擇使用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 由于用可編程控制器（PLC）對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制價(jià)格比較貴，而單片機(jī)由于其運(yùn)算速度和精度已得到廣泛的應(yīng)用，尤其在工業(yè)過程控制及儀表中，單片機(jī)對(duì)于步進(jìn)電機(jī)的精確控制具有特別重要的意義。它具有體積小、是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的理想控制裝置等顯著優(yōu)點(diǎn)，因此本次設(shè)計(jì)利用單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)是機(jī)電控制中一種常用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它的用途是將電脈沖

29、轉(zhuǎn)化為角位移，通俗地說：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（步進(jìn)角）。通過控制脈沖個(gè)數(shù)即可以控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)通過控制單片機(jī)的脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，不需要速度感應(yīng)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(chǎng)合下使用。同時(shí)步進(jìn)電機(jī)在中低速時(shí)具有較大的轉(zhuǎn)矩，故能夠較同級(jí)伺服電機(jī)提供更大的扭力輸出。使用步進(jìn)電機(jī)裝置與使用離合器、減速機(jī)及極限開關(guān)等其它裝置相較，步進(jìn)電機(jī)的故障及誤動(dòng)作少，所

30、以在檢查及保養(yǎng)時(shí)也較簡(jiǎn)單容易。步進(jìn)電機(jī)體積小、扭力大，盡管于狹窄的空間內(nèi)，仍可順利做安裝，并提供高轉(zhuǎn)矩輸出。非常適合仿生機(jī)械手這種微型精密的設(shè)備。 如若在時(shí)間充裕的前提下，則可以設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)手套來控制此仿生機(jī)械手。數(shù)據(jù)手套設(shè)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(dǎo)線連接至信號(hào)處理電路；在柔性電路板上設(shè)有至少兩根導(dǎo)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(dǎo)線與外電路連接。把人手姿態(tài)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)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(jìn)行交互

31、，大大增強(qiáng)了互動(dòng)性和沉浸感。并為操作者提供了一種通用、直接的人機(jī)交互方式。 圖2.3 數(shù)據(jù)手套 3機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1人手的結(jié)構(gòu) 一般而言, 人們所稱的手有兩種意義, 一是指整個(gè)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(jī)械學(xué)的形式分析, 可以用大約27個(gè)自由度的連桿機(jī)構(gòu)來表示。但其中大約20個(gè)自由度集中在手部。 仿生機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能從仿生學(xué)的角度出發(fā)，通過設(shè)計(jì)出仿人形的多指智能手來代替人手完成各種精細(xì)復(fù)雜的操作。它是機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)、控制三大系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)，人類的四肢經(jīng)過了幾十萬(wàn)年進(jìn)化，經(jīng)過了大自然的優(yōu)勝劣汰的優(yōu)化選擇，可以說

32、已經(jīng)是最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，所以本設(shè)計(jì)決定采用完全模仿能人手的結(jié)構(gòu)。 3.2仿生機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是確定機(jī)構(gòu)的自由度、手指數(shù)目、關(guān)節(jié)、手掌的結(jié)構(gòu)及幾何尺寸。首先要求機(jī)構(gòu)具有較高的運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)精度，較好的可控性和經(jīng)濟(jì)性;其次要求機(jī)構(gòu)本身有較佳的機(jī)械特性。本文仿生機(jī)械手的設(shè)計(jì)主要包括以下七個(gè)方面： 1) 手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副的型式 2) 手指自由度 3) 手指數(shù)目 4) 手指的結(jié)構(gòu)型式(關(guān)節(jié)的數(shù)目及相對(duì)姿態(tài)) 5) 手指材料 6) 手指具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7) 手掌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.2.1手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副的型式 仿生機(jī)械手的手指機(jī)構(gòu)同其它任何機(jī)構(gòu)一樣，由若干構(gòu)件組成，構(gòu)件之間則通過運(yùn)動(dòng)

33、副彼此相連，用來產(chǎn)生確定的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)副相當(dāng)于人手的關(guān)節(jié)。常見的運(yùn)動(dòng)副有轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、螺旋副、圓柱副和球面副，它們的約束數(shù)分別為5、5、5、4和3，相應(yīng)的自由度數(shù)目為l、1、1、2和3。由于各運(yùn)動(dòng)副都要借助于驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)。而無論是轉(zhuǎn)動(dòng)的還是移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器又大多為一個(gè)自由度。所以在仿生機(jī)械手關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)中，可以采用的只有轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副和螺旋副3種。但是采用移動(dòng)副和螺旋副的關(guān)節(jié)只能夠使手指獲得直線運(yùn)動(dòng)，其靈活性明顯要比只含轉(zhuǎn)動(dòng)副的手指要差，因此，本文所設(shè)計(jì)的仿生機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)副全部采用轉(zhuǎn)動(dòng)副。 3.2.2手指的自由度 自由度多的優(yōu)點(diǎn)是在滿足指端到達(dá)空間指定點(diǎn)的前提下，可以調(diào)整末桿的姿態(tài)，從而保證手指與

34、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(jié)構(gòu)也更復(fù)雜，控制也更難。對(duì)于2自由度的手指來說，雖然不存在抓取和操作物體的靈巧性，但其仿生機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制設(shè)計(jì)都很方便。本文設(shè)計(jì)的仿生機(jī)械手每個(gè)手指有3個(gè)關(guān)節(jié)。且為了設(shè)計(jì)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(shù)目 人手能夠抓取各種不同形狀、不同材質(zhì)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(yīng)特殊的任務(wù)要求。仿生機(jī)械手的手指數(shù)目若小于3個(gè)，則無法完成對(duì)抓取物體的微細(xì)操作，當(dāng)手指數(shù)為5時(shí)，是仿造人手的手指數(shù)目和結(jié)構(gòu)，具有很多優(yōu)勢(shì)，如果技術(shù)允許可以完成人手的所有動(dòng)作如圖2-1，而且如果作為仿生

35、型的機(jī)械手則必須為5指。若手指數(shù)目多于5，由于每個(gè)關(guān)節(jié)需要分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，如果再加上若干傳感器，規(guī)劃過程和控制過程都相當(dāng)復(fù)雜，很難保證實(shí)時(shí)性，所以仿生機(jī)械手的手指數(shù)目一般取3到5個(gè)手指。 從仿生學(xué)角度出發(fā)，為能實(shí)現(xiàn)對(duì)各種不同形狀物體的抓取，本文設(shè)計(jì)的仿生機(jī)械手的手指數(shù)目取為5個(gè)。 圖3.1人類手指對(duì)任意物體的抓取方式 通過對(duì)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(nèi)側(cè)接觸抓取、手指?jìng)?cè)面接觸抓取、3個(gè)虛擬指的抓取、混合抓取等。而仿生機(jī)械手對(duì)物體的操作即是實(shí)現(xiàn)不同抓取方式之間在的轉(zhuǎn)換的運(yùn)動(dòng)。其中前三者為人手抓取的基本類型，可以實(shí)現(xiàn)其它幾種類型的抓取。

36、 (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(duì)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。 (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(duì)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(shí)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(cè)接觸抓取大拇指為“虛擬指1”，食指朝大拇指的側(cè)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(shè)計(jì)

37、的五指仿生機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，又能滿足它對(duì)于各個(gè)應(yīng)用環(huán)境都能很好的適應(yīng)的功能要求，進(jìn)而驗(yàn)證了選擇手指數(shù)目的正確性。 3.2.4手指的結(jié)構(gòu)形式 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 圖3.2 由2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副構(gòu)成的手指結(jié)構(gòu) 對(duì)于2自由度手指，按照關(guān)節(jié)軸線之間是否平行、相交垂直和交錯(cuò)垂直三種情況，共有9種不同的關(guān)節(jié)配置。由于軸線相交垂直使得傳動(dòng)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(duì)象的具體要求，采用第Ⅱ種手指結(jié)構(gòu)。 3.2.5手指的材料 為減輕重量，同時(shí)也由于手指所抓取物體一

38、般都不是很大，同時(shí)由于仿生機(jī)械手的所有零件都屬于微型精密部件，所以，手指的結(jié)構(gòu)材料選用塑料，通過注塑成型加工，本文設(shè)計(jì)采用自潤(rùn)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(shì)，耐正高溫260度、機(jī)械性能優(yōu)異、自潤(rùn)滑性好、耐化學(xué)品腐蝕、阻燃、耐剝離性、耐磨，不耐強(qiáng)硝酸、濃硫酸、抗輻射、超強(qiáng)的機(jī)械性能可用于高端的機(jī)械和航空等科技。如果在不計(jì)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(shí)的沖擊，同時(shí)也可以增大接觸摩擦力。 3.2.6

39、手指具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 通過以上對(duì)仿生機(jī)械手手指的結(jié)構(gòu)分析，我們得出了手指的具體結(jié)構(gòu)。由于仿生機(jī)械手采取模塊化設(shè)計(jì)，五個(gè)手指結(jié)構(gòu)基本相同，其具體結(jié)構(gòu)如圖3-3至3-5所示，具有以下特點(diǎn)： 1.每指關(guān)節(jié)采用了基孔制的過盈配合和基軸制的間隙配合，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)副只用圓柱軸實(shí)現(xiàn)，使手指關(guān)節(jié)的裝拆更方便。 2.指根座上預(yù)留螺釘孔，使五指能很容易的裝配在手掌上。 3.除了傳動(dòng)軸和手掌外，整個(gè)手指采用工程塑料PEEK，強(qiáng)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(shí)的沖擊和增大磨擦 圖3.3 手指總體結(jié)構(gòu)圖

40、 3.4 大拇指總體結(jié)構(gòu) 3.2.7手指關(guān)節(jié)設(shè)計(jì) 1）手指關(guān)節(jié)一： 圖3.5 關(guān)節(jié)一結(jié)構(gòu) 關(guān)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(duì)固定，指頭指中軸4與指中3相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。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(jì)算得到，指頭重量只有2,12g，假設(shè)可以握起的物品質(zhì)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的力矩為12.495Nmm，又因?yàn)橹割^指中軸4半徑為2mm≤500mm，屬于較高等級(jí)的配合，選擇基孔制，孔標(biāo)準(zhǔn)公差選擇IT7級(jí)，此時(shí)由于孔

41、比同級(jí)軸加工困難，所以軸選擇標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)為IT6級(jí)，查表可知基本尺寸為2mm時(shí)，IT7級(jí)標(biāo)準(zhǔn)公差為10μm，IT6級(jí)便準(zhǔn)公差為6μm，又因?yàn)闄C(jī)械手關(guān)節(jié)一裝配完成以后不需要經(jīng)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(dá)到傳遞要求大小的力矩的作用。 由基準(zhǔn)軸為Φ2s6查表可知，指頭指中軸4的下偏差ei=+14μm，上偏差es=ei+IT=14+6=+20μm。所以軸的最大極限尺寸為2.02mm。對(duì)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

42、，也就是孔的下偏差EI≥+20μm，同時(shí)為了保證同軸精度要求，查表后選擇D7級(jí)，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(duì)于指頭外帶輪5與指頭指中軸4之間的相對(duì)靜止，屬于過盈配合，選擇基軸制，由前面已經(jīng)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≤+14μm，同時(shí)為了保證同軸精度要求，查表后選擇K7級(jí)，配合為K7/s6。 2）手指關(guān)節(jié)二： 圖3.6 關(guān)節(jié)二結(jié)構(gòu) 圖3.7 指后結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)二中指中1圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)的軸與指后5做成一體，二關(guān)節(jié)連接

43、主輪4與之相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)并通過齒輪傳動(dòng)將運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)到指中1，使指中1圍繞指后5上的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。 對(duì)于圖3.7中軸1與二關(guān)節(jié)連接主輪4之間配合，因?yàn)橛邢鄬?duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以選擇間隙配合，配合的基本尺寸為φ2.5mm≤500mm，仍然應(yīng)該使用較高等級(jí)的配合，選擇基軸制，軸標(biāo)準(zhǔn)公差選擇IT7級(jí)，此時(shí)由于孔比同級(jí)軸加工困難，所以孔選擇標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)為IT8級(jí)，查表可知基本尺寸為2.5mm時(shí)，IT7級(jí)標(biāo)準(zhǔn)公差為10μm，IT8級(jí)便準(zhǔn)公差為14μm，又因?yàn)闄C(jī)械手關(guān)節(jié)一裝配完成以后不需要經(jīng)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轉(zhuǎn)動(dòng)配合，用于中等轉(zhuǎn)速與中等軸頸壓力的精確轉(zhuǎn)動(dòng)，也用于裝配較易的中等定

44、位配合。 對(duì)于圖3.7中2軸與外連片2之間配合，同樣因?yàn)橄鄬?duì)轉(zhuǎn)動(dòng)選擇間隙配合，基本尺寸為φ1.5mm≤500mm，使用較高等級(jí)的配合，選擇基軸制，軸標(biāo)準(zhǔn)公差選擇IT7級(jí)，此時(shí)由于孔比同級(jí)軸加工困難，所以孔選擇標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)為IT8級(jí)，從基軸制優(yōu)先、常用配合中同樣選擇F8/h7。 對(duì)于圖3.7中軸3與指后外小帶輪4之間配合，基本尺寸為φ1 mm≤500mm，使用較高等級(jí)的配合，選擇基軸制，軸標(biāo)準(zhǔn)公差選擇IT7級(jí)，此時(shí)由于孔比同級(jí)軸加工困難，所以孔選擇標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)為IT8級(jí)，從基軸制優(yōu)先、常用配合中同樣選擇F8/h7。 3）手指關(guān)節(jié)三： 圖3.8 關(guān)節(jié)三結(jié)構(gòu) 關(guān)節(jié)三有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，同時(shí)

45、為了實(shí)現(xiàn)微幅擺動(dòng)，使用扇形齒輪與蝸桿傳動(dòng)。 對(duì)于指后架2與指后架軸5之間配合，沒有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使用過盈配合，基本尺寸為φ1.5mm≤500mm，屬于較高等級(jí)的配合，選擇基孔制，孔標(biāo)準(zhǔn)公差選擇IT7級(jí)，此時(shí)由于孔比同級(jí)軸加工困難，所以軸選擇標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)為IT6級(jí)，查表可知基本尺寸為1.5mm時(shí)，IT7級(jí)標(biāo)準(zhǔn)公差為10μm，IT6級(jí)便準(zhǔn)公差為6μm，又因?yàn)闄C(jī)械手關(guān)節(jié)一裝配完成以后不需要經(jīng)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(duì)于指后二1與指后架軸5之間配合，由基準(zhǔn)軸為Φ1.5s

46、6查表可知，指后架軸5的下偏差ei=+14μm，上偏差es=ei+IT=14+6=+20μm。所以軸的最大極限尺寸為1.52mm。對(duì)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≥+20μm，同時(shí)為了保證同軸精度要求，查表后選擇D7級(jí)，所以此間隙配合為D7/s6。 圖3.9 關(guān)節(jié)三內(nèi)部結(jié)構(gòu) 電機(jī)5與擺動(dòng)小齒輪3之間沒有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，使用過盈配合，基本尺寸為1.5mm，≤500mm，屬于較高等級(jí)的配合，由于電機(jī)的軸為采購(gòu)件，選擇基軸制，軸標(biāo)準(zhǔn)公差選擇IT6級(jí)，此時(shí)由于孔比同級(jí)軸加

47、工困難，所以孔選擇標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)為IT7級(jí)，查表可知基本尺寸為1.5mm時(shí)，IT7級(jí)標(biāo)準(zhǔn)公差為10μm，IT6級(jí)便準(zhǔn)公差為6μm，又因?yàn)闄C(jī)械手關(guān)節(jié)一裝配完成以后不需要經(jīng)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(dòng)大齒輪4之間沒有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，此配合同樣適用于蝸桿軸1與擺動(dòng)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，僅需保證轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)配合，用于中等轉(zhuǎn)速與中等軸頸壓力的精確轉(zhuǎn)動(dòng)，也用于裝配較易的中等定位配合。 4）大拇指關(guān)節(jié)四： 圖3.10 大拇指

48、關(guān)節(jié)四 大拇指關(guān)節(jié)一與大拇指關(guān)節(jié)二與手指關(guān)節(jié)一、二結(jié)構(gòu)完全一致，所用配合可參考前文所述。 大拇指關(guān)節(jié)四中，指后電機(jī)齒輪2與指后二1內(nèi)齒輪嚙合，實(shí)現(xiàn)定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，指后電機(jī)齒輪2與電機(jī)軸3之間無相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，選擇過盈配合，基本尺寸為1.5mm≤500mm，屬于較高等級(jí)的配合，由于電機(jī)的軸為采購(gòu)件，選擇基軸制，軸標(biāo)準(zhǔn)公差選擇IT6級(jí)，此時(shí)由于孔比同級(jí)軸加工困難，所以孔選擇標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)為IT7級(jí)，又因?yàn)闄C(jī)械手關(guān)節(jié)一裝配完成以后不需要經(jīng)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(zhuǎn)動(dòng)小帶輪9與電機(jī)8的軸之間同樣無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此配合同樣適用于大拇指轉(zhuǎn)

49、動(dòng)小帶輪9與電機(jī)8的軸之間配合。 指尾軸6與大拇指轉(zhuǎn)動(dòng)大帶輪10之間沒有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，基本尺寸為2mm≤500mm，使用過盈配合，屬于較高等級(jí)的配合，選擇基孔制，孔標(biāo)準(zhǔn)公差選擇IT7級(jí)，此時(shí)由于孔比同級(jí)軸加工困難，所以軸選擇標(biāo)準(zhǔn)公差等級(jí)為IT6級(jí)，查表可知基本尺寸為2mm時(shí)，IT7級(jí)標(biāo)準(zhǔn)公差為10μm，IT6級(jí)便準(zhǔn)公差為6μm，又因?yàn)闄C(jī)械手關(guān)節(jié)裝配完成以后不需要經(jīng)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(dá)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，選擇過盈配合，H7/s6的配合同樣適用。 大拇指掌連接7和

50、指尾軸6之間有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，基本尺寸2mm≤500mm，由基準(zhǔn)軸為Φ2s6查表可知，指頭指中軸4的下偏差ei=+14μm，上偏差es=ei+IT=14+6=+20μm。所以軸的最大極限尺寸為2.02mm。對(duì)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≥+20μm，同時(shí)為了保證同軸精度要求，查表后選擇D7級(jí)，所以此間隙配合為D7/s6。 3.2.8手掌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 研究出來的仿生機(jī)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

51、作的靈巧性都比較好，對(duì)抓取尺寸比較小的物體并對(duì)其進(jìn)行微細(xì)操作有利;而具有手掌的仿生機(jī)械手，當(dāng)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(shí)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(yīng)先以穩(wěn)定性為前提，而且可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)來彌補(bǔ)靈活性的不足，故本文研究對(duì)象選擇有手掌的結(jié)構(gòu)形式。 手掌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，要考慮的因素很多，因?yàn)樗S著手指結(jié)構(gòu)的不同而不同，幾乎沒有通用性。設(shè)計(jì)手掌主要考慮了手指根指座的支撐和定位安排、電機(jī)的安裝定位、信號(hào)線的布置等因素。根據(jù)仿生學(xué)本文設(shè)計(jì)的手掌結(jié)構(gòu)如圖3.12所示： 圖3.11 手掌結(jié)構(gòu) 它具有以下特點(diǎn)： 1

52、.手掌的內(nèi)部為一空腔，便于安裝電機(jī)，引出驅(qū)動(dòng)繩索和各種信號(hào)線； 2.手掌的掌心處為一平面，便于與手指配合抓握物體； 3.采用PEEK為材料，剛度、強(qiáng)度好，重量輕。 3.3仿生機(jī)械手電機(jī)的選擇 由于仿生機(jī)械手屬于微型設(shè)備，設(shè)計(jì)尺寸都非常小，所以無法放置減速機(jī)構(gòu)，而本次設(shè)計(jì)對(duì)于機(jī)械手的抓取能力也沒有非常高的要求，所以機(jī)械手電機(jī)的選擇優(yōu)先考慮通過尺寸來選擇，本次設(shè)計(jì)選擇西鐵城IG-10減速電機(jī)實(shí)現(xiàn)。 圖3.12 IG-10電機(jī)基本資料 一般根據(jù)資料人手手指的運(yùn)動(dòng)速度為4-5mm/s左右，根據(jù)各手指的傳動(dòng)比以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具體形式，根據(jù)估算得電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)該在1918r/min左右。IG

53、-10減速電機(jī)減速比為1/16—1/1024,完全能夠在沒有減速機(jī)構(gòu)的情況下實(shí)現(xiàn)預(yù)定的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，再通過機(jī)械手總體尺寸的設(shè)計(jì)，選擇長(zhǎng)度L=15.75的IG-10減速電機(jī)。 3.4仿生機(jī)械手傳動(dòng)方式的設(shè)計(jì) 3.4.1仿生機(jī)械手傳動(dòng)方式的選擇 常見的幾種比較常用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有以下幾種： 1. 齒輪傳動(dòng)：齒輪傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長(zhǎng)傳動(dòng)比穩(wěn)定等。 2. 蝸桿傳動(dòng)：蝸桿傳動(dòng)是在空間交錯(cuò)的兩軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，傳動(dòng)比大，沖擊載荷小，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪音低；并具有自鎖性。 3. 帶傳動(dòng)：帶傳動(dòng)是由固聯(lián)于主動(dòng)軸上的帶輪，固聯(lián)于從動(dòng)軸上的帶輪和緊套在兩輪上的傳動(dòng)帶組成。帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)

54、簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，造價(jià)低廉以及緩沖吸振等特點(diǎn)。主要的帶傳動(dòng)類型有v帶傳動(dòng)多楔帶傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)。 4. 鏈傳動(dòng)：它由鏈條和主，從動(dòng)鏈輪所組成。鏈輪上制有特殊齒形的齒，依靠鏈輪輪齒與鏈節(jié)的嚙合來傳動(dòng)動(dòng)力。鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是能保持準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比，傳動(dòng)效率高軸上所受徑向力小；但同時(shí)存在兩根平行軸只能同向回轉(zhuǎn)傳動(dòng)不能保持恒定的瞬時(shí)傳遞比。 綜上所述，根據(jù)仿生機(jī)械手對(duì)于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各種要求以及綜合考慮傳動(dòng)形式的優(yōu)劣情況具體選擇確定了各手指關(guān)節(jié)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。拇指3個(gè)關(guān)節(jié)、其余4指2個(gè)關(guān)節(jié)共11個(gè)電機(jī)。傳動(dòng)方式中有的關(guān)節(jié)采用齒輪傳動(dòng)（如圖3-7所示），有的關(guān)節(jié)采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)；有的關(guān)節(jié)采用繩（帶）傳動(dòng)（如圖3-8

55、所示），有的關(guān)節(jié)采用端面齒輪傳動(dòng)。 圖3.13 齒輪傳動(dòng) 圖3.14 蝸桿蝸輪傳動(dòng) 圖3.15 帶傳動(dòng) 圖3.16 端面齒輪傳動(dòng) 3.4.2仿生機(jī)械手具體傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 1）關(guān)節(jié)二齒輪傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)： 圖3.17 關(guān)節(jié)二齒輪傳動(dòng)示意圖 圖中1為指后，2為二關(guān)節(jié)電機(jī)齒輪，3為指中，4為二關(guān)節(jié)連接主輪上的端面齒輪，5為二關(guān)節(jié)連接主輪上的帶輪。 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)（二關(guān)節(jié)電機(jī)齒輪2與電機(jī)軸過盈配合），二關(guān)節(jié)電機(jī)齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)二關(guān)節(jié)連接主輪4上的端面齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，二關(guān)節(jié)連接主輪繞指后1上固定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，二關(guān)節(jié)連接主輪上面的普通直齒圓柱齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)指中3上面的內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，也就

56、是帶動(dòng)指中3轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，實(shí)現(xiàn)了關(guān)節(jié)二的轉(zhuǎn)動(dòng)。 3）關(guān)節(jié)二帶動(dòng)其他關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)： 圖3.18 關(guān)節(jié)二帶動(dòng)關(guān)節(jié)一轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖 圖3.19 帶輪卡示意圖 圖3.18中1為二關(guān)節(jié)連接主輪上面固結(jié)的帶輪，2為指頭外帶輪。 所有帶輪都如圖3.19所示，將繩固定在帶輪上卡死，做出這種設(shè)計(jì)是因?yàn)榉律鷻C(jī)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(dá)到不出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象，所以為了保證帶輪傳動(dòng)的傳動(dòng)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(guān)節(jié)二帶動(dòng)關(guān)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

57、指后外小帶輪，3為外連片。 同樣為了保證帶輪傳動(dòng)的傳動(dòng)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(guān)節(jié)四中帶輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)： 圖3.22 關(guān)節(jié)四中帶輪傳動(dòng)示意圖 圖中1為大拇指轉(zhuǎn)動(dòng)小帶輪，2為大拇指轉(zhuǎn)動(dòng)大帶輪。 同樣為了保證帶輪傳動(dòng)的傳動(dòng)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。 3.5仿生機(jī)械手驅(qū)動(dòng)動(dòng)方式的設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)械手的重要組成部分，對(duì)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(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)系統(tǒng)兩部分組成。驅(qū)動(dòng)器是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，用以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)和力；傳動(dòng)系統(tǒng)將運(yùn)動(dòng)和力從驅(qū)動(dòng)器傳遞到智能機(jī)械手各手指的關(guān)節(jié)。

58、 常見的驅(qū)動(dòng)方式有： 電驅(qū)動(dòng)：它是是技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種驅(qū)動(dòng)方式,為大多數(shù)智能機(jī)械手所采用。從電機(jī)的靜態(tài)剛、動(dòng)態(tài)剛度、加速度、線性度、維護(hù)性、噪音等技術(shù)指標(biāo)來看，是綜合性能最好的一種。 液壓驅(qū)動(dòng); 它具有很好的穩(wěn)定性和可靠性、很高的力矩體積比、很強(qiáng)的阻轉(zhuǎn)能力,驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并且價(jià)格便宜等。但是,在智能機(jī)械手中采用液壓驅(qū)動(dòng)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(duì)污染物十分敏感等。 氣壓驅(qū)動(dòng)：能量存儲(chǔ)方便;傳動(dòng)介質(zhì)空氣來源于大氣,獲取很方便;氣壓傳動(dòng)具有抗燃、防爆及不污染環(huán)境;且具有柔性，但是驅(qū)動(dòng)器的剛度和空氣的可壓縮性有關(guān),通常是很低的,并且驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)性能

59、較差。 其它的新型驅(qū)動(dòng)；如壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)、可伸縮性聚合體驅(qū)動(dòng)等。 綜合比較以上各種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn) 考慮到電驅(qū)動(dòng)的技術(shù)比較成熟，而且電驅(qū)動(dòng)具有良好的靜態(tài)，動(dòng)態(tài)剛度；大的加速度；好的線性度、易于維護(hù)、噪音低等這些優(yōu)點(diǎn)，電驅(qū)動(dòng)的綜合性能明顯比液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)來的所以選擇電驅(qū)動(dòng)作為仿生機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式。 3.6本章小結(jié) 本章詳細(xì)分析了仿生機(jī)械手手指的機(jī)械結(jié)構(gòu)和手掌的機(jī)械結(jié)構(gòu)，包括手指的數(shù)目、自由度數(shù)、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副型式、結(jié)構(gòu)形式以及手指的材料；根據(jù)本文的實(shí)際需要，確定了智能機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式為電驅(qū)動(dòng)方式、傳動(dòng)方式為齒輪、蝸輪蝸桿和帶輪的方式，給出了傳動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)圖及示意圖；同時(shí)給出

60、了仿生機(jī)械手的裝配圖。 參考文獻(xiàn) [1] 莫雨松，李碩根，楊興駿.互換性與技術(shù)測(cè)量（第五版）[M].北京；中國(guó)計(jì)量出版社，2007.6 [2] 王福瑞.單片微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全.北京航空航天大學(xué)出版社.1998.4 [3] 常斗南等.可編程序控制器原理、應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998 [4] 劉保延等. 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)[M] . 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1997 [5] 耿德根. 單片機(jī)創(chuàng)新開發(fā)與機(jī)器人制作.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005 [6] [日]坪島茂彥、中村修照.電動(dòng)機(jī)實(shí)用技術(shù)[M].北京

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