仿生機械手結構設計與功能仿真【仿生物三指機械手】【說明書+CAD+PROE+仿真】
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畢業(yè)設計任務與要求：
仿生機械手作為提高機器人系統(tǒng)作業(yè)水平和智能水平的重要工具，成為機器人領域中一個重要的研究方向。仿生機械手是由幾根相對獨立的手指構成，而每一根手指機構都可以看作是獨立的機器人，因此，多指手抓取規(guī)劃問題實際上是多機器人系統(tǒng)的協(xié)調操作問題。本次畢業(yè)設計任務要求設計一個九自由度三指仿生機械手，主要進行該機械手的結構優(yōu)化設計和抓取性能兩個方面的研究工作，具體包括單個手指的結構設計、運動學分析（自由度計算、手指位置的正解分析與反解分析、速度分析、運動空間分析）、九自由度三指仿生機械手整體結構設計，并基于三維建模軟件Pro/E將九自由度機械手的零件進行實體建模，并完成九自由度三指仿真機械手的整體裝配及仿真。
具體要求如下：
1、 圍繞畢業(yè)設計的內容和要求進行兩周畢業(yè)實習，撰寫畢業(yè)實習報告；
2、 收集與畢業(yè)設計任務有關的國內外資料，并進行外文資料的翻譯；
3、 確定九自由度三指仿真機械手的總體設計方案；
4、 進行三自由度機械手指的結構設計與運動分析；
5、 進行九自由度三指仿真機械手的三維設計；
6、 進行機械手的裝配與仿真；
7、 撰寫設計說明書。
推薦的主要參考文獻和資料：
[1] 劉世廉.仿人型機器人簡易手指的設計與運動控制[D].長沙：國防科學技術大學研究生院，2003.
[2] Stansfield S A. Robotic grasping of unknown objects:a knowledge-based app -roach [ J ]. International Journal of Robotics Research, 1991, 10 (4): 314-326.
[3] Jacobsen S C， Wood J E， Knutti D F. TheUtah/MIT dexterous hand: work in progress[J ]. International Journal of Robotics Research, 1984, 3(4) : 20-30.
[4] 施建.連桿驅動式9自由度3指靈巧手的結構設計與性能研究[D].秦皇島： 燕山大學， 2003.
[5] 厲春元.多關節(jié)手指機構[J].現(xiàn)代機械, 2001，1：82-84.
[6] 牟德君.一種新型并聯(lián)手指機構[J].機械工程師，2004，6：72-73.
[7] 施建,顏國正,王坤東,方昀.閉式鏈靈巧手指機構的設計與分析[J].機械科學與技術, 2006，25(7)：848-851.
2011年 3 月 18 日
西華大學畢業(yè)實習報告
實習生姓名
班 級
聯(lián)系電話
指導教師姓名
職 稱
聯(lián)系電話
實習單位（地點）
西華大學
實習起止時間
2011 年 3 月 18日始， 2011 年 4 月 01 日止，共 2 周 14 （天）
1.仿生機械手簡介
1.1仿生機械的概述
仿生學是近期發(fā)展起來的一門新興學科，仿生學的的發(fā)展促進了與之密切相關的的仿生機械學的誕生和發(fā)展。機器人機構在仿生機械領域中發(fā)展最快，也是應用最廣泛的仿生機構。模仿各類動物的行走﹑爬行的動作，為移動機器人的設計與構思提供了美好的前景。在這里主要介紹生物運動機理與仿生機構的設計構思，為開展仿生機構的研究提供入門知識。
在仿生機械中，仿生機構作為仿生機械的重要組成部分，是模仿生物的運動形態(tài)﹑生理結構和控制原理設計制造出的功能更集中效率更高﹑應用更加廣泛并具有生物特征的機構，是仿生機械中完成機械運動的物質載體。
模仿生物的形態(tài)、結構和控制原理設計制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的機械。研究仿生機械的學科稱為仿生機械學，它是20世紀60年代末期由生物學、生物力學、醫(yī)學、機械工程、控制論和電子技術等學科相互滲透、結合而形成的一門邊緣學科。在自然界中,生物通過物競天擇和長期的自身進化,已對自然環(huán)境具有高度的適應性。它們的感知、決策、指令、反饋、運動等機能和器官結構遠比人類所曾經(jīng)制造的機械更為完善。
模仿生物形態(tài)結構創(chuàng)造機械的技術有悠久的歷史。15世紀意大利的列奧納多．達芬奇認為人類可以模仿鳥類飛行,并繪制了撲翼機圖。到19世紀,各種自然科學有了較大的發(fā)展,人們利用空氣動力學原理,制成了幾種不同類型的單翼機和雙翼滑翔機。1903年，美國的W.萊特和O.萊特發(fā)明了飛機。然而，在很長一段時間內，人們對于生物與機器之間到底有什么共同之處還缺乏認識，因而只限于形體上的模仿。直到20世紀中葉，由于原子能利用、航天、海洋開發(fā)和軍事技術的需要，迫切要求機械裝置應具有適應性和高度的可靠性。而以往的各種機械裝置遠遠不能滿足要求，迫切需要尋找一條全新的技術發(fā)展途徑和設計理論。隨著近代生物學的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，生物在能量轉換、控制調節(jié)、信息處理、辨別方位、導航和探測等方面有著以往技術所不可比擬的長處。同時在自然科學中又出現(xiàn)了“控制論”理論。它是研究機器和生物體中控制和通信的科學?？刂普撌菧贤夹g系統(tǒng)和生物系統(tǒng)工作原理之間的橋梁，它奠定了機器與生物可以類比的理論基礎。1960年 9月在美國召開了第一屆仿生學討論會，并提出了“生物原型是新技術的關鍵”的論題，從而確立了仿生學學科，以后又形成許多仿生學的分支學科。1960年由美國機械工程學會主辦，召開了生物力學學術討論會。1970年日本人工手研究會主辦召開了第一屆生物機構討論會，從而確立了生物力學和生物機構學兩個學科，在這個基礎上形成了仿生機械學。
仿生機械研究的主要領域有生物力學、控制體和機器人。生物力學研究生命的力學現(xiàn)象和規(guī)律，包括生體材料力學和生體流體力學，生體機械力學和生體流體力學?？刂企w和機器人是根據(jù)從生物了解到的知識建造的工程技術系統(tǒng)。其中用人腦控制的稱為控制體(如肌電假手、裝具)；用計算機控制的稱為機器人。仿生機械學的主要研究課題有擬人型機械手、步行機、假肢以及模仿鳥類、昆蟲和魚類等生物的各種機械。
1.2課題的研究目的和意義
自從1960年第一臺機器人問世以來，機器人技術有了迅猛的發(fā)展，在國防、科研、生產(chǎn)等領域都有了廣泛的應用，代替人們從事一些復雜的、危險的、或者非人可達的工作，從而減輕了人們的勞動強度，提高了效率，擴大了人類活動的空間。但是就目前國內外的工業(yè)機器人而一言，大都是針對專門的任務而設計的，使用的也是夾鉗式或平行移動式的單自由度末端執(zhí)行器。這種末端執(zhí)行器的結構簡單，控制方便，對于實現(xiàn)負荷的大范圍運動作業(yè)十分有效，但卻存在以下幾個方面的缺點：
1.它對物體的夾持和定位是通過施加較大的壓力所產(chǎn)生的摩擦力來實現(xiàn)的，不存在抓取的幾何封閉和力封閉，因此難于達到很高的抓取精度，穩(wěn)定性和可靠性差。
2.它限制了機器人系統(tǒng)的精細作業(yè)水平。傳統(tǒng)的機器人通過臂調整末端位置，通過手腕調整末端姿態(tài)。由于臂的尺寸較大，因此通過整個臂部的運動很難實現(xiàn)物體的精確位姿調整和操作，且動態(tài)響應較差。
3.它缺少精確的力控制，只能完成夾持力要求不高的作業(yè)。
4.不能適應物體外形的變化。
多指靈巧手的研制有助于解決上述問題。因為作為末端執(zhí)行器的靈巧手相當于安裝在機器人臂上的可獨立實現(xiàn)精細操作運動的一組機器人，通過機器人臂實現(xiàn)粗定位，利用靈巧手實現(xiàn)精確定位。若采用適當?shù)淖ト》绞胶妥ト∫?guī)劃算法，從理論上可以抓取任意形狀的物體并且對物體施加任意的運動和力。這對提高機器人智能化作業(yè)水平有著重要的意義。本課題通過對靈巧手手指結構的優(yōu)化設計及對控制系統(tǒng)的研究，想解決以下幾個問題:
（1）能適應被操作對象外形的變化、盡可能抓取不同形狀的物體;
（2）能控制操作力，以便對不同材質的對象進行操作;
（3）能對被抓物體進行微小的位姿調整;
（4）通過上位機控制完成抓取運動規(guī)劃，能夠使靈巧手平穩(wěn)的運動并能實
現(xiàn)對物體的穩(wěn)定抓取。
1.3國內外該領域的研究現(xiàn)狀
1962年美國就有一種類似多指靈巧手的手爪制造出來。但是真正的靈巧手是1974年日本的okada手[1]，如圖1.1所示。
該手具有三個手指，有一個手掌，拇指有三個自由度，另兩個手指各有四個自由度。各自由度都是由電機驅動，并由鋼絲和滑輪完成運動和動力的傳遞，屬于n驅動方式。該手的抓取重量為0.8Kg，自重0.24Kg。這種手的靈巧性比較好，但由于拇指只有三個自由度，還不是最靈巧的手。此外，在結構上，各個手指細長而單薄，難以實現(xiàn)較大的抓取力和操作力。
德國宇航中心研制的DLR手被公認為迄今為止世界上最復雜、智能化和集成化最高的仿人機器人多指靈巧手[2]。如圖1.2所示，該手是一種仿人手，它是由四個完全相同手指組成，每個手指有四個關節(jié)。整個手共由1000個機械零件以及1500個電子元件和112個傳感器組成。其中，末端的兩個關節(jié)同人手類似，存在著機械禍合，使用一個驅動器進行驅動?；P節(jié)使用兩個驅動器，實現(xiàn)兩個方向的運動。DLR手采用電驅動方式，使用微型直線驅動器作為驅動元件，n+1驅動方式。該直線驅動器將旋轉電機、旋轉直線轉換結構和減速機構融為一體。所以它可將所有的驅動器集成在手指或手掌中，減小了手指的尺寸，同時使腿的傳動距離縮短，提高了動態(tài)響應。DLR手在每個手指上集成有28個傳感器，包括類似人工皮膚的觸覺傳感器、關節(jié)力矩傳感器、位置傳感器、速度傳感器和溫度傳感器等。
圖1.2DLR多指靈巧手指
具代表性的多指靈巧手是1985年美國麻省理工學院和猶他大學聯(lián)合研制的Utah/M工T靈巧手[3]，這是一種仿人手，其大小、形狀、功能都與人手相似。Utah/MIT手采用了模塊化的結構設計，四個手指(拇指、食指、中指和無名指)完全相同，每個手指有四個自由度，各手指都連接到手掌并且相對于手掌運動。手指的每個關節(jié)都由腿(繩索)、滑輪進行遠距離帶動，屬于2n驅動方式，驅動元件采用的是一排氣動伺服缸，能在指尖上產(chǎn)生31N的抓取力。16個位置傳感器裝在每個關節(jié)上，32個腿拉緊傳感器裝在腕后面。目前該手多用于實驗室的各種研究，它的主要問題是關節(jié)自由度太多，控制太復雜，難以實現(xiàn)實時的在線控制，還未得到實際應用。
美國斯坦福大學研制的Stanford/JPL手(Salisbry手)[4]也是一種非常具有代表性的非仿人多指靈巧手。該手沒有手掌，共三個手指，每指三個關節(jié)，拇指相對另兩指布置。每個手指由四個直流力矩電機驅動，通過四條繩索張力的調節(jié)來控制三個關節(jié)力矩的大小，屬于n+1驅動。關節(jié)1、2有士90’的運動范圍，末端關節(jié)3有士135’的運動范圍。這種手每個手指的自由度只有三個，在抓取物體時，抓取點(指尖位置)一旦確定后，其抓取姿態(tài)就唯一確定。因此，實際上手指沒有冗余關節(jié)，也就沒有抓取的柔性，無法像人手一樣進行靈巧、穩(wěn)定的抓取和操作。
此外，根據(jù)欠驅動原理研制的三指10個自由度的機器人手爪具有驅動元件數(shù)量少、抓取物體范圍廣泛等優(yōu)點，在欠驅動手爪的4個主要機構中,欠驅動手指對抓取物體具有被動柔順和形狀自適應的特性，首先對三關節(jié)欠驅動手指機構進行靜力學分析,提出合理的設計目標和約束條件;然后根據(jù)設計目標,采用遺傳算法得到手指機構的各個關節(jié)連桿尺寸和抓取物體時的特殊構形,使得在抓取給定物體時各關節(jié)指面的接觸力達到均勻分布,得到高效的力傳遞和更加緊湊的機構尺寸。加拿大MD ROBOTICS公司和Laval大學合作研制出SARAH手爪 (Self-AdaptingRobotic Auxiliary Hand) [5]如圖1.3所示,該手爪共有10個自由度,只用兩個電機驅動,一個電機負責三個手指的開合;另一個負責調整手指方向,使其能采取不同的抓取姿勢抓取物體。SARAH手爪既可以用末關節(jié)指面捏取的方式完成各種精確捏取,如圖1.4所示，又可以用欠驅動的方式完成包絡抓取，如圖1.5所示。
圖1.3 欠驅動10-DOF SARAH手爪
圖1.4欠驅動10-DOF SARAH手爪用末關節(jié)指面捏取
圖1.5欠驅動10-DOF SARAH手爪用欠驅動的方式完成包絡抓取
在國內，對靈巧手的研究是從20世紀80年代后期開始的，其中以北京航空航天大學研制的BH系列為代表，從1987年以來，北航已先后研制出BH一1、BH一2、BH一3型多指靈巧手，該型手是一種仿Stanford/JPL手，三指九自由度，每個手指由四個電機驅動，屬于n+1驅動方式。近幾年，北航開始研究BH一4型靈巧手，該手為四指十六自由度，采用模塊化設計，分為手指、手掌和機械接口三個模塊，改變手掌設計一可以獲得擬人或非擬人手，機械接口用于確定手與臂的連接，改變機械接口可以使靈巧手適應不同的機械臂。傳動元件全部由齒輪副組成，電機完全置于手指中。傳動路線短，結構簡單、緊湊。
但是由于國內對機械手研究的滯后等原因，我國目前已經(jīng)制造出來的這些多指靈巧手在結構方面都存在許多不完善的地方。因此，有必要對多指靈巧手結構進行深入的分析，并引進合理的優(yōu)化設計方法，設計出結構更為合理的多指靈巧手，為多指靈巧手的實用化和其他方面的研究提供最理想的結構。
1.4關節(jié)運動的驅動方式
機器人關節(jié)運動的驅動方式有直接驅動方式和間接驅動方式兩種。直接驅動方式是驅動器的輸出軸和機器人的關節(jié)軸直接相連，間接驅動方式是把驅動器的力通過減速器或鋼絲繩、皮帶、平行連桿等傳遞給關節(jié)。
直接驅動方式的驅動器和關節(jié)之間的機械系統(tǒng)較少，因而能夠減少摩擦等非線性因素的影響，控制性能比較好。然而，在另一方面為了直接驅動關節(jié)，驅動器的輸出力矩必須很大，除此之外，對于本設計，要求手指結構要小巧的因素顯然決定了不能采取這種驅動方式。間接驅動方式也正是大部分機器人所采取的驅動方式，這種間接，驅動驅動器的輸出力矩一般遠遠小于驅動關節(jié)所需的力矩，因此，通常使用減速器。對于手臂的懸臂梁結構，如果驅動器的安裝位置不當，將會使手臂根部關節(jié)驅動器的負荷增大，對子手指結構同樣也存在這個問題。對此通常采用的間接驅動機構，常見的有以下幾種:
1.4.1繩索滑輪驅傳動方式
繩索滑輪驅傳動方式是常用的靈巧手驅傳動方式。這種傳動方式是比較有利的,它可以很方便地實現(xiàn)運動和動力的遠距離傳送,也能較好的滿足靈巧手結構上的要求,并且質量輕、 慣性負載低、 摩擦較小、 經(jīng)濟實用、 耐用性強,傳動結構示意圖如圖1.6所示。末端桿有兩個電機,分別驅動末端桿的正轉與反轉,以實現(xiàn)手指的夾持和松開。
圖1.6繩索滑輪驅傳動方式
但此種傳動方式具有力和運動傳遞的剛性不足的固有特點,并由此引起各種缺陷:
(1) 繩索有張力,容易變形,會引起傳動的滯后現(xiàn)象,使用時間長了,繩索會變松弛,將會帶來較大的運動傳遞誤差。
(2) 繩索在工作前還需要預緊,通常預緊力比較大,但又不能過大,張力過大可能會使繩索拉斷,不利于大負載條件下的抓取工作。
(3) 雖然繩索與滑輪或套筒的摩擦可以比較小,但采用這種方式需要正確布置繩索的走向,否則會產(chǎn)生很大的附加力和附加力矩。當產(chǎn)生這種附加力矩時,會使運動出現(xiàn)耦合,增加控制的難度。這種摩擦具有嚴重的非線性和強耦合性,給控制帶來了很大的困難。
（4）繩索只能受拉，不能受壓，所以實現(xiàn)回程將會很困難?？刂屏σ坏┏{,消除起來將是一件非常麻煩的事,但超調又是在實際中不可避免的。要想實現(xiàn)回程,只有在每個關節(jié)處再加置一個電機,使兩個電機配合工作實現(xiàn)一個關節(jié)的正反轉,這樣給手指的安裝和控制都會帶來不便。由上述分析可以看出,用繩索加滑輪這種傳動方式并不理想,不能滿足靈巧手的設計要求。
1.4.2 鏈條、鋼帶驅動
鏈條、鋼帶這種方式同樣是把驅動器和關節(jié)分開安裝，是遠程驅動的手段之一，鏈條、鋼帶與鋼絲繩相比，剛性高，可以傳遞較大的輸出，但設計上的限制也很大，在SCARA型的關節(jié)機器人中多采用了此法。
1.4.3 閉式鏈連桿傳動機構的驅動方式
對于像靈巧手指這類不是很遠距離的運動和動力傳送,連桿機構也是可行的方法。手指機構的主體是開環(huán)串聯(lián)三連桿機構,在此開環(huán)機構上添加一些零自由度的桿組,就可以構造出閉環(huán)連桿機構,通過這些桿組可以將手指根部的動力傳送到各個關節(jié),如圖1.7
圖1.7閉式鏈手指機構
桿件1、桿件2和桿件3分別為根關節(jié)、中關節(jié)和末關節(jié),根關節(jié)固定于掌上。圖 2 中的桿件 1、4、6 被同軸驅動,電機直接驅動桿件1、4 和6 ,桿件 4 通過一個四連桿機構帶動桿件2的運動。桿件6通過另外一個平面四連桿機構驅動蓮花桿8 ,然后再通過第 3 個四連桿機構驅動手指末關節(jié)桿 3。其中蓮花8的作用是在為了改善兩個平面四邊形之間的傳遞性能,這樣就實現(xiàn)了手指3個關節(jié)的獨立驅動?？紤]到一般四連桿機構傳動的運動在傳動過程中有較大變化,因此采用輸出等于輸入的平行四邊形機構?？梢钥闯?桿件3分別由桿件2和桿件9領銜的兩條支鏈直接并聯(lián)驅動,而這兩條支鏈又都串聯(lián)于桿件1上,所以手指末端的位形將由桿件1 的位形以及桿件1上的兩個平行四邊形機構分別所引導的支鏈的位形共同確定。以上的特征說明了這是一種混聯(lián)結構,同時具備并聯(lián)結構和串聯(lián)結構的優(yōu)勢,即繼承了并聯(lián)結構的高速、 高剛度,又兼?zhèn)淞舜?lián)結構的高靈活性;就驅動方式來說是并聯(lián)驅動,但對整個手指來說是串聯(lián)結構的,具有串聯(lián)結構的特點。
閉式鏈傳動機構的特點：
這種傳動結構在常規(guī)驅動方式下與傳統(tǒng)的繩索滑輪驅傳動方式相比,有以下一些優(yōu)點:
(1)運動副為低副,接觸面為面接觸,低副兩元素間便于潤滑,桿件幾何構形簡單,便于加工制造。
(2)剛性傳遞,變形小,沒有滯后性,通過幾何約束定位,傳動可靠,工作安全。
(3)桿件并聯(lián)驅動可以承受較大載荷,機械損耗比較小,這是連桿驅動最突出的優(yōu)點。
(4)桿件即可受拉也可受壓,一個電機就可實現(xiàn)關節(jié)的正反轉,回程方便,因此控制力一旦超調,消除起來很簡單。
(5)閉式鏈采用平行四邊形機構傳動,平行四邊形機構有著輸入等于輸出的特性,因此手指的運動學和各種性能等同于開環(huán)平面 3 自由度連桿機構,因此運動學求解和性能分析得以簡化。由以上的分析比較可知,所設計的新型并聯(lián)連桿機構傳動方式比傳統(tǒng)的繩索滑輪傳動有較好的優(yōu)勢,特別是針對傳統(tǒng)傳動方式傳遞剛性不足的固有缺陷,此種新型傳動方式具有一定的改善功效。當然,這種傳動方式將會使靈巧手的結構變得復雜些,在結構的具體設計時需注意。
綜合上述驅動方式的分析和研究，本文中的機械手采用閉式鏈連桿傳動機構的驅動方式驅動
1.5本文主要研究內容
針對目前多指靈巧手研究中存在的問題，并考慮現(xiàn)有的研究條件，本文著重進行以下研究工作:
1. 多指手結構設計的研究對多指手的結構型式進行綜合分析，選用合理的優(yōu)化方法對靈巧手結構參數(shù)進行優(yōu)化，從仿人手的角度，以人手結構形式及比例參數(shù)為依據(jù)，進行多指靈巧手的具體結構設計，使其有較好的機械特性，保證力傳遞的精度。并用Pro/e軟件進行了多指靈巧手的三維造型。
2. 多指靈巧手的運動學和靜力學分析對所設計的三指靈巧手分析并建立了運動學模型，得出正、反向運動學方程，并對抓持狀態(tài)下各手指的運動姿態(tài)進行了仿真。通過靜力學研究計算出在靜平衡狀態(tài)下各關節(jié)的力矩，為深入研究機械手的控制提供了理論依據(jù)。
3.進行機械手的裝配和仿真。
11
機械工程與自動化學院
畢 業(yè) 實 習 報 告
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
年 級：
學 生：
學 號：
指導教師：
日 期： 2011 年 04月 01日
畢業(yè)設計說明書
題 目: 仿生機械手結構設計與功能仿真
學院(直屬系): 機械工程與自動化學院
年級、 專業(yè): 2007級 機械設計制造及其自動化
姓 名:
學 號:
指 導 教 師:
完 成 時 間: 2011年5月31日
西華大學畢業(yè)設計說明書
目 錄
摘 要 1
1 緒論 2
1.1仿生機械的概述 2
1.2課題的研究目的和意義 3
1.3國內外該領域的研究現(xiàn)狀 3
1.4關節(jié)運動的驅動方式 7
1.4.1繩索滑輪驅傳動方式 8
1.4.2 鏈條、鋼帶驅動 9
1.4.3 閉式鏈連桿傳動機構的驅動方式 9
1.5本文主要研究內容 10
2 原理方案的設計 11
2.1 明確設計任務 12
2.2 功能分析 12
2.3 功能分析 12
2.4 功能分解 12
2.5 原理方案 13
2.6. 具體工作原理 14
2.6 本章總結 15
3 機械手手指的運動分析 16
3.1 手指機構運動學 16
3.1.1 手指機構的自由度計算 16
3.1.2 位置正解 17
3.1.3 三自由度仿生機械手指的位置反解分析 18
3.2 仿生機械手指的速度分析 22
3.3 仿生機械手指的運動空間分析與仿真 23
4 基于Pro/e的仿生機械手的建模，裝配及仿真 25
4.1 Pro/e簡介 25
4.2仿生機械手各部分的建模 26
4.3機械手的裝配與仿真 26
4.3.1機械手的裝配 26
4.3.2機械手的仿真 32
總結與體會 36
致謝詞 37
參考文獻 38
1
摘 要
本設計是根據(jù)亞確定輸入的原理設計的以少輸入控制多自由度的三指九自由度機械手，當在機械手初始運動時機械手的每個手指作為一個運動單元作整體的運動，但當機械手手指的第一個指節(jié)因某種因素突然受阻，驅動力克服動力約束，自動啟動了位于第一個指節(jié)和第二個指節(jié)之間關節(jié)的轉動自由度，這時就應用了各個手指的第二個自由度，同樣的，當?shù)诙€指節(jié)和第三個指節(jié)間的轉動自由度因為某種外在的因素突然受阻時，自動啟動機械手各個手指的第三個自由度。這樣就實現(xiàn)了機械手的以少輸入控制多自由度的控制方式，以達到機械手對不同形狀工件的抓取動作，可以達到省力、省能以及減少電動機設計容量，因而減少機構的負載及改善動力性能。
【關鍵詞】亞確定輸入、自由度、指節(jié)
Abstract
The design is based on the principle of deficient-determinate input to low input control means more than nine degrees of freedom of the three DOF manipulator, when the initial movement of the robot manipulator as a motor unit for each finger movement as a whole, but when the robot The first finger knuckles suddenly blocked by a certain factor, driving force to overcome the power constraints, automatically launched in the first knuckle and the second knuckle joint between the rotational DOF, then the application of the first of each finger two DOF, the same, when the second and third knuckle knuckle between the rotational DOF for some external factors suddenly blocked, the robot automatically start the third DOF of each finger. This realization of the robot with less DOF input control and more control to achieve the mechanical hand to capture action different shapes of the work piece can be achieved effort, saving energy and reducing the design capacity of electric motors, thus reducing the load and improve power sector performance .
【Key words】deficient-determinate input；DOF；knuckle
1 緒論
1.1仿生機械的概述
仿生學是近期發(fā)展起來的一門新興學科，仿生學的的發(fā)展促進了與之密切相關的的仿生機械學的誕生和發(fā)展。機器人機構在仿生機械領域中發(fā)展最快，也是應用最廣泛的仿生機構。模仿各類動物的行走﹑爬行的動作，為移動機器人的設計與構思提供了美好的前景。在這里主要介紹生物運動機理與仿生機構的設計構思，為開展仿生機構的研究提供入門知識。
在仿生機械中，仿生機構作為仿生機械的重要組成部分，是模仿生物的運動形態(tài)﹑生理結構和控制原理設計制造出的功能更集中效率更高﹑應用更加廣泛并具有生物特征的機構，是仿生機械中完成機械運動的物質載體。
模仿生物的形態(tài)、結構和控制原理設計制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的機械。研究仿生機械的學科稱為仿生機械學，它是20世紀60年代末期由生物學、生物力學、醫(yī)學、機械工程、控制論和電子技術等學科相互滲透、結合而形成的一門邊緣學科。在自然界中,生物通過物競天擇和長期的自身進化,已對自然環(huán)境具有高度的適應性。它們的感知、決策、指令、反饋、運動等機能和器官結構遠比人類所曾經(jīng)制造的機械更為完善。
模仿生物形態(tài)結構創(chuàng)造機械的技術有悠久的歷史。15世紀意大利的列奧納多．達芬奇認為人類可以模仿鳥類飛行,并繪制了撲翼機圖。到19世紀,各種自然科學有了較大的發(fā)展,人們利用空氣動力學原理,制成了幾種不同類型的單翼機和雙翼滑翔機。1903年，美國的W.萊特和O.萊特發(fā)明了飛機。然而，在很長一段時間內，人們對于生物與機器之間到底有什么共同之處還缺乏認識，因而只限于形體上的模仿。直到20世紀中葉，由于原子能利用、航天、海洋開發(fā)和軍事技術的需要，迫切要求機械裝置應具有適應性和高度的可靠性。而以往的各種機械裝置遠遠不能滿足要求，迫切需要尋找一條全新的技術發(fā)展途徑和設計理論。隨著近代生物學的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)，生物在能量轉換、控制調節(jié)、信息處理、辨別方位、導航和探測等方面有著以往技術所不可比擬的長處。同時在自然科學中又出現(xiàn)了“控制論”理論。它是研究機器和生物體中控制和通信的科學。控制論是溝通技術系統(tǒng)和生物系統(tǒng)工作原理之間的橋梁，它奠定了機器與生物可以類比的理論基礎。1960年 9月在美國召開了第一屆仿生學討論會，并提出了“生物原型是新技術的關鍵”的論題，從而確立了仿生學學科，以后又形成許多仿生學的分支學科。1960年由美國機械工程學會主辦，召開了生物力學學術討論會。1970年日本人工手研究會主辦召開了第一屆生物機構討論會，從而確立了生物力學和生物機構學兩個學科，在這個基礎上形成了仿生機械學。
仿生機械研究的主要領域有生物力學、控制體和機器人。生物力學研究生命的力學現(xiàn)象和規(guī)律，包括生體材料力學和生體流體力學，生體機械力學和生體流體力學。控制體和機器人是根據(jù)從生物了解到的知識建造的工程技術系統(tǒng)。其中用人腦控制的稱為控制體(如肌電假手、裝具)；用計算機控制的稱為機器人。仿生機械學的主要研究課題有擬人型機械手、步行機、假肢以及模仿鳥類、昆蟲和魚類等生物的各種機械。
1.2課題的研究目的和意義
自從1960年第一臺機器人問世以來，機器人技術有了迅猛的發(fā)展，在國防、科研、生產(chǎn)等領域都有了廣泛的應用，代替人們從事一些復雜的、危險的、或者非人可達的工作，從而減輕了人們的勞動強度，提高了效率，擴大了人類活動的空間。但是就目前國內外的工業(yè)機器人而一言，大都是針對專門的任務而設計的，使用的也是夾鉗式或平行移動式的單自由度末端執(zhí)行器。這種末端執(zhí)行器的結構簡單，控制方便，對于實現(xiàn)負荷的大范圍運動作業(yè)十分有效，但卻存在以下幾個方面的缺點：
1.它對物體的夾持和定位是通過施加較大的壓力所產(chǎn)生的摩擦力來實現(xiàn)的，不存在抓取的幾何封閉和力封閉，因此難于達到很高的抓取精度，穩(wěn)定性和可靠性差。
2.它限制了機器人系統(tǒng)的精細作業(yè)水平。傳統(tǒng)的機器人通過臂調整末端位置，通過手腕調整末端姿態(tài)。由于臂的尺寸較大，因此通過整個臂部的運動很難實現(xiàn)物體的精確位姿調整和操作，且動態(tài)響應較差。
3.它缺少精確的力控制，只能完成夾持力要求不高的作業(yè)。
4.不能適應物體外形的變化。
多指靈巧手的研制有助于解決上述問題。因為作為末端執(zhí)行器的靈巧手相當于安裝在機器人臂上的可獨立實現(xiàn)精細操作運動的一組機器人，通過機器人臂實現(xiàn)粗定位，利用靈巧手實現(xiàn)精確定位。若采用適當?shù)淖ト》绞胶妥ト∫?guī)劃算法，從理論上可以抓取任意形狀的物體并且對物體施加任意的運動和力。這對提高機器人智能化作業(yè)水平有著重要的意義。本課題通過對靈巧手手指結構的優(yōu)化設計及對控制系統(tǒng)的研究，想解決以下幾個問題:
（1）能適應被操作對象外形的變化、盡可能抓取不同形狀的物體;
（2）能控制操作力，以便對不同材質的對象進行操作;
（3）能對被抓物體進行微小的位姿調整;
（4）通過上位機控制完成抓取運動規(guī)劃，能夠使靈巧手平穩(wěn)的運動并能實
現(xiàn)對物體的穩(wěn)定抓取。
1.3國內外該領域的研究現(xiàn)狀
1962年美國就有一種類似多指靈巧手的手爪制造出來。但是真正的靈巧手是1974年日本的okada手[1]，如圖1.1所示。
該手具有三個手指，有一個手掌，拇指有三個自由度，另兩個手指各有四個自由度。各自由度都是由電機驅動，并由鋼絲和滑輪完成運動和動力的傳遞，屬于n驅動方式。該手的抓取重量為0.8Kg，自重0.24Kg。這種手的靈巧性比較好，但由于拇指只有三個自由度，還不是最靈巧的手。此外，在結構上，各個手指細長而單薄，難以實現(xiàn)較大的抓取力和操作力。
德國宇航中心研制的DLR手被公認為迄今為止世界上最復雜、智能化和集成化最高的仿人機器人多指靈巧手[2]。如圖1.2所示，該手是一種仿人手，它是由四個完全相同手指組成，每個手指有四個關節(jié)。整個手共由1000個機械零件以及1500個電子元件和112個傳感器組成。其中，末端的兩個關節(jié)同人手類似，存在著機械禍合，使用一個驅動器進行驅動?；P節(jié)使用兩個驅動器，實現(xiàn)兩個方向的運動。DLR手采用電驅動方式，使用微型直線驅動器作為驅動元件，n+1驅動方式。該直線驅動器將旋轉電機、旋轉直線轉換結構和減速機構融為一體。所以它可將所有的驅動器集成在手指或手掌中，減小了手指的尺寸，同時使腿的傳動距離縮短，提高了動態(tài)響應。DLR手在每個手指上集成有28個傳感器，包括類似人工皮膚的觸覺傳感器、關節(jié)力矩傳感器、位置傳感器、速度傳感器和溫度傳感器等。
圖1.2DLR多指靈巧手指
具代表性的多指靈巧手是1985年美國麻省理工學院和猶他大學聯(lián)合研制的Utah/M工T靈巧手[3]，這是一種仿人手，其大小、形狀、功能都與人手相似。Utah/MIT手采用了模塊化的結構設計，四個手指(拇指、食指、中指和無名指)完全相同，每個手指有四個自由度，各手指都連接到手掌并且相對于手掌運動。手指的每個關節(jié)都由腿(繩索)、滑輪進行遠距離帶動，屬于2n驅動方式，驅動元件采用的是一排氣動伺服缸，能在指尖上產(chǎn)生31N的抓取力。16個位置傳感器裝在每個關節(jié)上，32個腿拉緊傳感器裝在腕后面。目前該手多用于實驗室的各種研究，它的主要問題是關節(jié)自由度太多，控制太復雜，難以實現(xiàn)實時的在線控制，還未得到實際應用。
美國斯坦福大學研制的Stanford/JPL手(Salisbry手)[4]也是一種非常具有代表性的非仿人多指靈巧手。該手沒有手掌，共三個手指，每指三個關節(jié)，拇指相對另兩指布置。每個手指由四個直流力矩電機驅動，通過四條繩索張力的調節(jié)來控制三個關節(jié)力矩的大小，屬于n+1驅動。關節(jié)1、2有士90’的運動范圍，末端關節(jié)3有士135’的運動范圍。這種手每個手指的自由度只有三個，在抓取物體時，抓取點(指尖位置)一旦確定后，其抓取姿態(tài)就唯一確定。因此，實際上手指沒有冗余關節(jié)，也就沒有抓取的柔性，無法像人手一樣進行靈巧、穩(wěn)定的抓取和操作。
此外，根據(jù)欠驅動原理研制的三指10個自由度的機器人手爪具有驅動元件數(shù)量少、抓取物體范圍廣泛等優(yōu)點，在欠驅動手爪的4個主要機構中,欠驅動手指對抓取物體具有被動柔順和形狀自適應的特性，首先對三關節(jié)欠驅動手指機構進行靜力學分析,提出合理的設計目標和約束條件;然后根據(jù)設計目標,采用遺傳算法得到手指機構的各個關節(jié)連桿尺寸和抓取物體時的特殊構形,使得在抓取給定物體時各關節(jié)指面的接觸力達到均勻分布,得到高效的力傳遞和更加緊湊的機構尺寸。加拿大MD ROBOTICS公司和Laval大學合作研制出SARAH手爪 (Self-AdaptingRobotic Auxiliary Hand) [5]如圖1.3所示,該手爪共有10個自由度,只用兩個電機驅動,一個電機負責三個手指的開合;另一個負責調整手指方向,使其能采取不同的抓取姿勢抓取物體。SARAH手爪既可以用末關節(jié)指面捏取的方式完成各種精確捏取,如圖1.4所示，又可以用欠驅動的方式完成包絡抓取，如圖1.5所示。
圖1.3 欠驅動10-DOF SARAH手爪
圖1.4欠驅動10-DOF SARAH手爪用末關節(jié)指面捏取
圖1.5欠驅動10-DOF SARAH手爪用欠驅動的方式完成包絡抓取
在國內，對靈巧手的研究是從20世紀80年代后期開始的，其中以北京航空航天大學研制的BH系列為代表，從1987年以來，北航已先后研制出BH一1、BH一2、BH一3型多指靈巧手，該型手是一種仿Stanford/JPL手，三指九自由度，每個手指由四個電機驅動，屬于n+1驅動方式。近幾年，北航開始研究BH一4型靈巧手，該手為四指十六自由度，采用模塊化設計，分為手指、手掌和機械接口三個模塊，改變手掌設計一可以獲得擬人或非擬人手，機械接口用于確定手與臂的連接，改變機械接口可以使靈巧手適應不同的機械臂。傳動元件全部由齒輪副組成，電機完全置于手指中。傳動路線短，結構簡單、緊湊。
但是由于國內對機械手研究的滯后等原因，我國目前已經(jīng)制造出來的這些多指靈巧手在結構方面都存在許多不完善的地方。因此，有必要對多指靈巧手結構進行深入的分析，并引進合理的優(yōu)化設計方法，設計出結構更為合理的多指靈巧手，為多指靈巧手的實用化和其他方面的研究提供最理想的結構。
1.4關節(jié)運動的驅動方式
機器人關節(jié)運動的驅動方式有直接驅動方式和間接驅動方式兩種。直接驅動方式是驅動器的輸出軸和機器人的關節(jié)軸直接相連，間接驅動方式是把驅動器的力通過減速器或鋼絲繩、皮帶、平行連桿等傳遞給關節(jié)。
直接驅動方式的驅動器和關節(jié)之間的機械系統(tǒng)較少，因而能夠減少摩擦等非線性因素的影響，控制性能比較好。然而，在另一方面為了直接驅動關節(jié)，驅動器的輸出力矩必須很大，除此之外，對于本設計，要求手指結構要小巧的因素顯然決定了不能采取這種驅動方式。間接驅動方式也正是大部分機器人所采取的驅動方式，這種間接，驅動驅動器的輸出力矩一般遠遠小于驅動關節(jié)所需的力矩，因此，通常使用減速器。對于手臂的懸臂梁結構，如果驅動器的安裝位置不當，將會使手臂根部關節(jié)驅動器的負荷增大，對子手指結構同樣也存在這個問題。對此通常采用的間接驅動機構，常見的有以下幾種:
1.4.1繩索滑輪驅傳動方式
繩索滑輪驅傳動方式是常用的靈巧手驅傳動方式。這種傳動方式是比較有利的,它可以很方便地實現(xiàn)運動和動力的遠距離傳送,也能較好的滿足靈巧手結構上的要求,并且質量輕、 慣性負載低、 摩擦較小、 經(jīng)濟實用、 耐用性強,傳動結構示意圖如圖1.6所示。末端桿有兩個電機,分別驅動末端桿的正轉與反轉,以實現(xiàn)手指的夾持和松開。
圖1.6繩索滑輪驅傳動方式
但此種傳動方式具有力和運動傳遞的剛性不足的固有特點,并由此引起各種缺陷:
(1) 繩索有張力,容易變形,會引起傳動的滯后現(xiàn)象,使用時間長了,繩索會變松弛,將會帶來較大的運動傳遞誤差。
(2) 繩索在工作前還需要預緊,通常預緊力比較大,但又不能過大,張力過大可能會使繩索拉斷,不利于大負載條件下的抓取工作。
(3) 雖然繩索與滑輪或套筒的摩擦可以比較小,但采用這種方式需要正確布置繩索的走向,否則會產(chǎn)生很大的附加力和附加力矩。當產(chǎn)生這種附加力矩時,會使運動出現(xiàn)耦合,增加控制的難度。這種摩擦具有嚴重的非線性和強耦合性,給控制帶來了很大的困難。
（4）繩索只能受拉，不能受壓，所以實現(xiàn)回程將會很困難?？刂屏σ坏┏{,消除起來將是一件非常麻煩的事,但超調又是在實際中不可避免的。要想實現(xiàn)回程,只有在每個關節(jié)處再加置一個電機,使兩個電機配合工作實現(xiàn)一個關節(jié)的正反轉,這樣給手指的安裝和控制都會帶來不便。由上述分析可以看出,用繩索加滑輪這種傳動方式并不理想,不能滿足靈巧手的設計要求。
1.4.2 鏈條、鋼帶驅動
鏈條、鋼帶這種方式同樣是把驅動器和關節(jié)分開安裝，是遠程驅動的手段之一，鏈條、鋼帶與鋼絲繩相比，剛性高，可以傳遞較大的輸出，但設計上的限制也很大，在SCARA型的關節(jié)機器人中多采用了此法。
1.4.3 閉式鏈連桿傳動機構的驅動方式
對于像靈巧手指這類不是很遠距離的運動和動力傳送,連桿機構也是可行的方法。手指機構的主體是開環(huán)串聯(lián)三連桿機構,在此開環(huán)機構上添加一些零自由度的桿組,就可以構造出閉環(huán)連桿機構,通過這些桿組可以將手指根部的動力傳送到各個關節(jié),如圖1.7
圖1.7閉式鏈手指機構
桿件1、桿件2和桿件3分別為根關節(jié)、中關節(jié)和末關節(jié),根關節(jié)固定于掌上。圖 2 中的桿件 1、4、6 被同軸驅動,電機直接驅動桿件1、4 和6 ,桿件 4 通過一個四連桿機構帶動桿件2的運動。桿件6通過另外一個平面四連桿機構驅動蓮花桿8 ,然后再通過第 3 個四連桿機構驅動手指末關節(jié)桿 3。其中蓮花8的作用是在為了改善兩個平面四邊形之間的傳遞性能,這樣就實現(xiàn)了手指3個關節(jié)的獨立驅動?？紤]到一般四連桿機構傳動的運動在傳動過程中有較大變化,因此采用輸出等于輸入的平行四邊形機構。可以看出,桿件3分別由桿件2和桿件9領銜的兩條支鏈直接并聯(lián)驅動,而這兩條支鏈又都串聯(lián)于桿件1上,所以手指末端的位形將由桿件1 的位形以及桿件1上的兩個平行四邊形機構分別所引導的支鏈的位形共同確定。以上的特征說明了這是一種混聯(lián)結構,同時具備并聯(lián)結構和串聯(lián)結構的優(yōu)勢,即繼承了并聯(lián)結構的高速、 高剛度,又兼?zhèn)淞舜?lián)結構的高靈活性;就驅動方式來說是并聯(lián)驅動,但對整個手指來說是串聯(lián)結構的,具有串聯(lián)結構的特點。
閉式鏈傳動機構的特點：
這種傳動結構在常規(guī)驅動方式下與傳統(tǒng)的繩索滑輪驅傳動方式相比,有以下一些優(yōu)點:
(1)運動副為低副,接觸面為面接觸,低副兩元素間便于潤滑,桿件幾何構形簡單,便于加工制造。
(2)剛性傳遞,變形小,沒有滯后性,通過幾何約束定位,傳動可靠,工作安全。
(3)桿件并聯(lián)驅動可以承受較大載荷,機械損耗比較小,這是連桿驅動最突出的優(yōu)點。
(4)桿件即可受拉也可受壓,一個電機就可實現(xiàn)關節(jié)的正反轉,回程方便,因此控制力一旦超調,消除起來很簡單。
(5)閉式鏈采用平行四邊形機構傳動,平行四邊形機構有著輸入等于輸出的特性,因此手指的運動學和各種性能等同于開環(huán)平面 3 自由度連桿機構,因此運動學求解和性能分析得以簡化。由以上的分析比較可知,所設計的新型并聯(lián)連桿機構傳動方式比傳統(tǒng)的繩索滑輪傳動有較好的優(yōu)勢,特別是針對傳統(tǒng)傳動方式傳遞剛性不足的固有缺陷,此種新型傳動方式具有一定的改善功效。當然,這種傳動方式將會使靈巧手的結構變得復雜些,在結構的具體設計時需注意。
綜合上述驅動方式的分析和研究，本文中的機械手采用閉式鏈連桿傳動機構的驅動方式驅動
1.5本文主要研究內容
針對目前多指靈巧手研究中存在的問題，并考慮現(xiàn)有的研究條件，本文著重進行以下研究工作:
1. 多指手結構設計的研究對多指手的結構型式進行綜合分析，選用合理的優(yōu)化方法對靈巧手結構參數(shù)進行優(yōu)化，從仿人手的角度，以人手結構形式及比例參數(shù)為依據(jù)，進行多指靈巧手的具體結構設計，使其有較好的機械特性，保證力傳遞的精度。并用Pro/e軟件進行了多指靈巧手的三維造型。
2. 多指靈巧手的運動學和靜力學分析對所設計的三指靈巧手分析并建立了運動學模型，得出正、反向運動學方程，并對抓持狀態(tài)下各手指的運動姿態(tài)進行了仿真。通過靜力學研究計算出在靜平衡狀態(tài)下各關節(jié)的力矩，為深入研究機械手的控制提供了理論依據(jù)。
3.進行機械手的裝配和仿真。
2 原理方案的設計
產(chǎn)品開發(fā)一般要經(jīng)過產(chǎn)品規(guī)劃、方案設計、技術設計、施工設計等幾個階段。
方案設計階段針對產(chǎn)品的主要功能提出原理的構思，探索解決問題的物理效應和工作原理，并用機構運動簡圖、液路圖、電路圖等表達構思的內容。
方案設計對產(chǎn)品的結構、工藝、成本、性能和使用維護等都有很大的影響，是關系產(chǎn)品水平和競爭能力的關鍵環(huán)節(jié)。所以，原理方案的創(chuàng)新設計有其舉足輕重的義。
工程設計內容錯綜復雜，如果孤立靜止地分析某方面的問題，得出的結論往往是片面、局限的。系統(tǒng)工程方法是將事物當作一個整體系統(tǒng)來研究，分析系統(tǒng)
明確任務
求總功能
總體方案分析
求功能元
求功能元解
系統(tǒng)原理解
最佳原理方案
黑箱法
創(chuàng)新技法、設計目錄
功能樹
創(chuàng)新技法、設計目錄
形態(tài)學矩陣
評價法
收斂
組合
搜索
搜索
抽象
分解
圖2-1 原理方案設計步驟
各組成部分之間的有機聯(lián)系和系統(tǒng)與外界環(huán)境的關系，是較全面的綜合研究方法。在原理方案設計過程中往往利用系統(tǒng)工程的觀點、方法解決復雜的問題。
原理方案的設計是發(fā)散-收斂的過程。從功能分析入手，通過創(chuàng)新構思探求多種方案，然后進行技術經(jīng)濟評價，經(jīng)優(yōu)化篩選，求得最佳原理方案。其步驟和各階段應用的主要方法如圖2-1所示
用系統(tǒng)工程方法設計進行產(chǎn)品的原理方案設計是緊緊圍繞功能的分析和求解和組合實施的。
系統(tǒng)工程學用“黑箱法”研究分析問題。對于復雜的未知系統(tǒng)，猶如不透明不知其內部結構的“黑箱”，可以利用外部觀測，通過分析黑箱與周圍環(huán)境的聯(lián)系、輸入和輸出，了解其功能、特性，從而進一步探求其內部原理和結構。
2.1 明確設計任務
根據(jù)此次設計的設計任務書要求設計一個九自由度三指仿生機械手，以完成機械手對其他物體的抓取。具體要求如下：
（1）九自由度三指仿真機械手的總體設計方案；
（2）九自由度機械手指的結構設計與運動分析；
（3）九自由度三指仿真機械手的三維設計；
（4）械手的裝配與仿真。
2.2 功能分析
由于現(xiàn)代機械中動力源主要有電動機、汽油機、柴油機、氣動馬達等，但由于機械手的工作條件和各種動力源的特點決定了，在現(xiàn)代機械手中的動力源多以電動機作為動力源。故在本設計中均以電動機作為動力源進行研究探索。
總功能：機械手對不同形狀的物件實現(xiàn)靈活的抓取
黑箱
電動
物件
三指機械手
機械手對不同形狀的物件實現(xiàn)抓取動作
2.3 功能分析
仿生機械手和一般夾持工具實現(xiàn)對工件的抓取類似，但需要更高的靈活度，以便于實現(xiàn)機械手對于不同形狀的工件實現(xiàn)更為靈活可靠的抓取。
2.4 功能分解
對不同形狀的工件實現(xiàn)靈活的抓取
動力（步進電機）
手指運動
運動轉換
運動調節(jié)
往復運動
往復擺動
2.5 原理方案
圖2-2為一種較好的三指機械手的原理方案，即采用步進電機的回轉運動—曲柄滑塊—球面副—桿機構的組合。
圖2-2 單指2自由度機械手結構簡圖
本設計是要求九自由度三指仿生機械手的結構設計，故對圖2-2進行修改變異后即可得到單指三自由度的機械手結構， 變異后的機械手在pro/e軟件建模如圖2-3所示。
圖2-3 各種位形下手指的仿真圖
變異后得到的機械手結構在pro/e中抓取圓柱工件和球形工件的仿真如下圖2-4所示：
圖2-4 抓取圓柱形和球形工件的三自由度手指三維模型
2.6. 具體工作原理
在2.5中已說明了機械手夾持部分的原理方案，為了進一步明確機械手的具體結構設計和布局，下面針對機械手的整體布局和驅動方式作具體分析，由上述2.4可知，機械手的動力源采用的是步進電機，但是步進電機的輸出是電動機轉軸的回轉運動，但是經(jīng)分析，機械手執(zhí)行夾持的部分要求的是桿機構的直線運動，故需將電機主軸的回轉運動轉換為機械手執(zhí)行部件的桿機構的直線運動。由機構學可知，將一個回轉運動轉換為直線運動主要有以下幾種方案：
（1）曲柄滑塊機構
曲柄滑塊機構中的運動副均為低副（故又稱為低副機構）。其運動副元素為面接觸，壓力較小，承載能力較大，潤滑好，磨損小，加工制造容易，且曲柄滑塊機構中的低副是幾何封閉的，對保證工作的可靠性有利。
利用曲柄滑塊機構還可以很方便的達到改變運動的傳遞方向，實現(xiàn)增力和遠距離傳動的目的。
但是曲柄滑塊機構也存在一些特點，主要是電機轉軸的回轉運動需要通過中間構件曲柄和連桿的傳遞，故增加了傳動線路，易產(chǎn)生較大的累積誤差，并且使得機械效率降低。
（2）齒輪齒條機構
齒輪齒條機構雖然在提高機械傳動效率方面比曲柄滑塊機構具有較大的優(yōu)勢，但是齒輪的齒面作為一個較為復雜的型面，在加工和制造過程中較為困難，且加工成本比曲柄滑塊機構高，。
齒輪齒條傳動在傳動上還存在一個不可忽視的缺點，齒輪齒條嚙合傳動時是屬于線接觸，故相對曲柄滑塊機構，齒輪齒條嚙合傳動時的接觸應力較大，齒面容易磨損，最終會導致更大的傳動誤差。
（3）凸輪機構
凸輪機構作為將回轉運動轉換為其他運動形式的傳動機構，在工業(yè)應用中有其獨特的優(yōu)勢，其最大的優(yōu)點就是：只要適當?shù)卦O計出了凸輪的輪廓曲線，就可以使得推桿得帶各種預期的運動規(guī)律，而且響應快，機構簡單緊湊。
但由于凸輪機構自身的結構形式，決定了其固有的缺點，在凸輪機構中，凸輪廓線和推桿間為點、線接觸，所以接觸應力大，容易磨損，而且凸輪的加工制造較困難。
（4）螺旋機構
螺旋機構有螺桿、螺母和機架組成。一般情況下，它是將旋轉運動轉換為直線運動。螺旋機構的優(yōu)點是能獲得很大的減速比和力的增益，還可以自鎖性。但是由于螺紋的機構形式，螺旋機構的機械效率會比較低或者是效率提高，磨損則增大，兩者不可兼得。
由上述分析，綜合傳動誤差，傳動效率和經(jīng)濟成本的考慮，以下方案是采用曲柄滑塊機構對機械手的執(zhí)行部分實現(xiàn)驅動，機械手單個手指的的布局如示：則由圖2-5可知，機械手的工作原理：在曲柄1的外部鏈接一個步進電機，步進電機的旋轉運動通過曲柄滑塊機構將運動傳至三角板4，由于滑塊3將運動傳至構件是由球面副實現(xiàn)的，所以構件4可實現(xiàn)在豎直方向移動外，還可以實現(xiàn)三個方向的轉動。
圖2-5 機械手單個手指的的布局圖
再由4構件各個頂點的上下移動帶動5構件運動，再由桿機構6、7、8的運動將運動傳至指尖機構8，對工件實現(xiàn)夾持。而構件4連接構件5的運動副為球面副，則可以實現(xiàn)對各種形狀的工件進行自適應夾持。
2.6 本章總結
至此，三自由度的手指方案已給定，本章主要運用了機械的功能設計法對九自由度三指機械手進行了原理方案的設計，并基于pro/e進行了初步的建模仿真，但是在機構的運動空間和機構的各部分尺寸方面的考慮并未涉及。
3 機械手手指的運動分析
機器人運動學描述了機器人關節(jié)與組成機器人的各剛體之間的運動關系。本章首先對手指機構進行自由度分析，以確定有幾個獨立參數(shù)需要驅動，然后對手指機構進行位置正反解分析，速度分析，得到了雅克比矩陣。最后對機構的特殊位形和零點進行了討論，得出了一些設計條件。
3.1 手指機構運動學
物體在工作空間內的位置以及機器人手的位置，都是以某個確定的坐標系來描述的、而工作任務則是以某個中間坐標系(如賦于手指末端的坐標系)來規(guī)定的。由笛卡兒坐標系來描述工作任務時，必須把上述這些規(guī)定變換為一系列能夠由手指驅動的關節(jié)位置。確定手指位置和姿態(tài)的各關節(jié)位置的解答，即運動方程的求解。要知道工作物體和工具的位置，就要指定手指逐點運動的速度。雅克比矩陣是由某個笛卡兒坐標系規(guī)定的各單個關節(jié)速度對最后一個連桿速度的線性變換。
3.1.1 手指機構的自由度計算
平面機構的自由度計算公式為
（3-1）
其中 ：——機構中活動構件的數(shù)目；
——機構中低副的數(shù)目；
——機構中高副的數(shù)目。
從圖3-1中可以看出此手指結構有7個活動構件，9個轉動低副，沒有高副，也不存在局部自由度和虛約束，自由度計算如下：
圖3-1 手指的機構簡圖
3.1.2 位置正解
具有閉式鏈結構的靈巧手，決定手末端位姿及速度和加速度性能的主要桿件間的相對轉角中，有些是被間接驅動的，有些關節(jié)運動時，另一些關節(jié)會由于結構上的原因產(chǎn)生附加運動。所以，在求解時，必須先分析運動特點，找出直接決定末端位姿、速度和加速度性能的關節(jié)角，把它們分離出來，組成等價的開鏈機構，然后進行求解[6]。一個nDOF的閉式鏈可有nDOF的開式鏈和一個0DOF的桿組構成，自由度保持不變，閉式鏈的運動學特性及工作性能由開式鏈決定。對圖3-1所示的手指結構，可以將其等價為由桿1、5、7組成的開環(huán)平面三自由度連桿結構，再作運動學分析。建立如圖3-2所示的坐標系，各關節(jié)輸入角為，各關節(jié)相對基坐標系x軸的轉角為，也就是各電機輸入角，有如下關系：
（3-2）
利用幾何法可以得到手指末端的位置正解，手指末端點的位置可以通過坐標來表示，姿態(tài)用表示，經(jīng)過投影變換有如下關系：
（3-3）
（3-4）
（3-5）
圖3-2 平面三自由度開環(huán)連桿機構坐標系
國內外仿生機械手指的優(yōu)化設計，選定,根據(jù)不同的可以得到手指的不同的位置，代入公式(3-3)(3-4)(3-5)計算數(shù)據(jù)如下表3.1：
表3.1 仿生機械手指的位置正解實例
輸 入
輸 出
序 號
(°)
(°)
(°)
(mm)
(mm)
(°)
1
15
45
60
37.978
40.674
120
2
15
90
45
13.071
39.810
150
3
30
60
75
16.322
45.589
165
4
45
15
90
26.553
50.462
150
5
75
60
30
-21.694
51.365
165
3.1.3 三自由度仿生機械手指的位置反解分析
通過末端點的位置，求出能實現(xiàn)這一末端位置的一組或者一系列關節(jié)輸入角的過程即為位置反解的過程，而位置反解的求解可以分別用代數(shù)的方法以及幾何的方法。
(a) 代數(shù)法：設末端點的位置，圖3-3中
圖3-3 位置反解代數(shù)法分析
(3-6)
利用復數(shù)向量法列出矢量位移方程
（3-7）
當手指末端點的位置確定后，上式有兩個未知數(shù)，故可以求解。移項，對等式兩邊同乘以各自的共軛復數(shù)，有
(3-8)
將上式展開，合并同類項，有
(3-9)
其中令
均已知，化簡即為
(3-10)
可得有兩個解：
（3-11）
再利用式5)求解，即：
（3-12）
即得：
（ 3-13）
，這個可以在幾何的方法中詳細解釋，如圖3.2所示兩種位形可以滿足要求。
（b）幾何法：當手指末端點的位置確定后，如圖3-4可以求出點位置
，其中 (3-14)
圖3-4 位置反解幾何法分析
如圖3-4所示，在組成的三角形內，應用余弦定理可以求出，其中投影關系如下：
(3-15)
由此可得
(3-16)
值得注意的是：
(1)為了保證解的存在，目標點應滿足的條件；
(2)在滿足解的存在性的條件下，可能有兩個解（其中一由虛實線表示）：
為了求出，首先計算角度
其中
(3-17)
(3-18)
由此得出
(3-19)
其中，當時，取“+”號；當時，取“-”號。手指末端連桿的方位角由三個方位角之和決定：
(3-20)
從而確定。
現(xiàn)選擇幾何法來驗證反解，具體過程如下：
首先假定，根據(jù)設計要求還是令，選取表1其中位置的數(shù)據(jù)，， ，代入(3-14)式得
繼續(xù)代入(3-16)得：
則或者
用式(3-17) 、(3-18)，得到
當時，代入式(3-19) 、(3-20)
當?shù)臅r，代入式(3-19) 、(3-20)
從結果分析，有一組解即為正解分析中的位置，而另一組解為圖3.3中所示虛線的位置。也就是說，兩組解在手指末端關節(jié)的關節(jié)角是相同的，因為這由公式(3-14)決定。而兩組解的手指根段關節(jié)和手指中段關節(jié)的位置態(tài)，正好是關于經(jīng)過原點與的直線對稱，這是由于公式(3-16)決定的，但實際情況是兩組解都可能實現(xiàn)，只是第一組解比第二組解更容易到達，并且可以更好避免奇異位置的出現(xiàn)。
3.2 仿生機械手指的速度分析
式(3-3)、式（3-4）、式（3-5）對時間t求導，就得到手指末端P的速度
(3-21)
其中 ，，，，
，；
令 V=,,
將（3-21）式改寫成矩陣形式
V= (3-22)
其中 = (3-23)
就是手指機構的雅可比矩陣，它描述了機器人機構的操作空間速度和關節(jié)空間速度的線性映射關系。在這里描述了手指末端P點的速度和各關節(jié)速度的映射關系。
由于線速度和加速度的不同量綱，將雅可比矩陣分成子陣：
(3-24)
將（3-22）式寫成：
(3-25)
(3-26)
,速度反解為 (3-27)
當滿秩時，為雅克比矩陣的逆矩陣，當不滿秩時，=0，的逆矩陣不存在，此時任何一組關節(jié)運動變量為奇異關節(jié)變量，機構處于奇異位姿，欲使手末端沿某個笛卡兒方向以一定的速度運動，其某個關節(jié)所需的速度將變得非常大，且接近極限不確定值，但由于關節(jié)實際運動速度不可能無限大，所以末端勢必偏離所要求的運動或失去某個方向的運動而出現(xiàn)機構自由度瞬時減少的現(xiàn)象。
同位置分析一樣，若末端點P不考慮與物體的接觸姿態(tài)，則用來描述姿態(tài)的輸出變量可以任意，此時的速度雅克比將有所變化
= (3-28)
不是方陣，于是不存在逆矩陣，用其偽逆代替，有
(3-29)
由線性代數(shù)的知識可知式(3-29)的解不唯一，有無窮多組解，在進行速度規(guī)劃時應根據(jù)要求選取適合的解。
3.3 仿生機械手指的運動空間分析與仿真
目前，隨著機器人技術研究領域的不斷擴展，機器人計算機仿真系統(tǒng)作為機器人設計和研究的靈活方便的工具，發(fā)揮著重要的作用。本設計中的機械手作為一種仿人機械手，能完成較復雜的抓取動作。在機械手應用于作業(yè)研究時，一個重要的因素就是機械手在運動過程中能達到的空間位置，這對于作業(yè)和避障都有一定的實際意義，因此在機械手的設計和應用研究階段都應對機械手的可達空間進行分析。本節(jié)探討通過代數(shù)方法來求解3自由度手指的工作空間。首先根據(jù)設計要求，，，可以得出手指運動空間肯定分別在，方向都是在之內。加上約束條件，約定方向只在正方向，即在范圍內；由于機構中存在平行四邊形結構，所以約定在之間；而去除平行四邊形的奇異位置，也就是說通過程序對角度的判斷，把平行四邊形兩個相鄰的桿件夾角為或者時去除，當然在編制程序的時候是在的范圍內把這兩個位置去除掉；再加上分析公式(3-12)，其中判斷反解存在的條件是的非負性。通過以上這些約束條件，進行MATLAB的程序仿真，仿真結果如圖3.4。
圖3.4 3自由度手指工作空間分析圖
4 基于Pro/e的仿生機械手的建模，裝配及仿真
4.1 Pro/e簡介
Proe是美國PTC公司旗下的產(chǎn)品Pro/Engineer軟件的簡稱。Pro/E（Pro/Engineer操作軟件）是美國參數(shù)技術公司（Parametric Technology Corporation，簡稱PTC）的重要產(chǎn)品。是一款集CAD/CAM/CAE功能一體化的綜合性三維軟件，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，并作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣，是現(xiàn)今最成功CAD/CAM軟件之一。
經(jīng)過20多年不斷的創(chuàng)新和完善，pore現(xiàn)在已經(jīng)是三維建模軟件領域的領頭羊之一，它具有如下特點和優(yōu)勢：
參數(shù)化設計和特征功能 Pro/Engineer是采用參數(shù)化設計的、基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設計者提供了在設計上從未有過的簡易和靈活。
單一數(shù)據(jù)庫 Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不象一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設計過程的任何 一處發(fā)生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關環(huán)節(jié)上。
例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數(shù)控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應在整個三維模型上。這種獨特的數(shù)據(jù)結構與工程設計的完整的結合，使得一件產(chǎn)品的設計結合起來。這一優(yōu)點，使得設計更優(yōu)化，成品質量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場，價格也更便宜。
全相關性：Pro/ENGINEER的所有模塊都是全相關的。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設計圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關性鼓勵在開發(fā)周期的任一點進行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。
基于特征的參數(shù)化造型：Pro/ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構造要素。這些特征是一些普通的機械對象，并且可以按預先設置很容易的進行修改。例如：設計特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。
裝配、加工、制造以及其它學科都使用這些領域獨特的特征。通過給這些特征設置參數(shù)（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)很容易的進行多次設計疊代，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。
數(shù)據(jù)管理：加速投放市場，需要在較短的時間內開發(fā)更多的產(chǎn)品。為了實現(xiàn)這種效率，必須允許多個學科的工程師同時對同一產(chǎn)品進行開發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時進行的各項工作，由于使用了Pro/ENGINEER獨特的全相關性功能，因而使之成為可能。
裝配管理：Pro/ENGINEER的基本結構能夠使您利用一些直觀的命令，例如“嚙合”、“插入”、“對齊”等很容易的把零件裝配起來，同時保持設計意圖。高級的功能支持大型復雜裝配體的構造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。
易于使用：菜單以直觀的方式聯(lián)級出現(xiàn)，提供了邏輯選項和預先選取的最普通選項，同時還提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學習和使用。
4.2仿生機械手各部分的建模
由于此次設計的機械手采用連桿驅動方式，所以對于機械手的各部分建模并不存在難點，只需按照所給定的尺寸進行三維模型的建立即可。
4.3機械手的裝配與仿真
由于Pro/e自身的特點，若在組件裝配是沒有考慮后續(xù)的仿真過程的需要，只是機械的把各個組件生硬的裝配在一起，那么后續(xù)的仿真過程基本上是沒有辦法完成的。下面就開始具體說明機械手的裝配及仿真過程；
4.3.1機械手的裝配
由于此次設計的機械手的三個手指均具有三個自由度，所以三個手指可以采用相同的結構，從而機械手的三個手指具有三個相同的結構，只是將三個手指安裝在機械手手掌上的結構也是相同的，只是具體位置有差異而已，所以在進行裝配的時候就可以采用部裝，然后總裝的方式進行。從而將機械手的整個裝配分為三部分；
1. 機械手手掌的裝配
首先打開Pro/e軟件，點擊新建圖標創(chuàng)建一個新的裝配文shouzhang.asm，如圖4-1所示
圖4-1 Pro/e裝配的新建界面
點擊確定，然后選擇mmns_part_solid進入Pro/e的裝配界面，如圖4-2所示：
圖4-2 Pro/e裝配體的初始界面
接下來可以進行手掌的裝配，在添加組件的時候有兩種選擇，一是可以選擇Pro/e的工具欄中的“插入”選項再選擇“元件”菜單的下拉菜單中的“裝配”選項找到已建立好的三維模型將元件添加到裝配圖中，為了在后續(xù)的工程圖制作過程中滿足投影關系，在添加第一個組件的時候須選擇“缺省”的裝配約束，如本例中在添加第一個組件是應如圖4-3所示
圖4-3 Pro/e中裝入第一個組件的界面
點擊“”即可完成第一個元件的裝配。然后進行第二組件的裝配，前面的步驟是相同的只是在選擇裝配約束時應按照具體的組件與組件間的約束關系來選擇約束。按照同樣的步驟裝配手掌部件的所有元件，最終手掌部件完成裝配，如下圖4-4示：
圖4-4 手掌部件的裝配
2. 手指的裝配
在進入裝配界面和手指第一個元件的裝配和手掌的裝配時是完全相同的，在裝完第一個元件時如圖4-5所示
接下來的裝配就不能按照之前的裝配方式進行了，原因很簡單，之前的裝配都是機構部分機架的裝配，各個部件之間在機械手工作時都是不動的部件，只需要滿足各部件的相對位置關系即可，但是手指部分的各個部件在機械手工作是均是需要運動的，故不可按照機架的裝配方式進行裝配，由第二章工作原理的分析可以知道，機械手的手指是屬于連桿機構，所以各個桿件間有相對轉動所以在裝配手指部件是應選擇能夠實現(xiàn)相對轉動的約束進行約束。如圖4-6所示裝配第二個桿件
圖4-5第一個指節(jié)的裝配
在此，各桿件的轉動可以用“銷釘”約束進行約束，具體的銷釘約束應該是兩桿件相對轉動的兩根轉軸對齊約束和沿轉對軸的移動約束，這樣就可以限制除了沿軸線轉對之外的所有約束。如圖4-7完成第二個桿件的裝配
圖4-6 在裝配轉動副時選擇約束方式為銷釘約束
圖4-7 按定義的運動副約束裝配轉動副
其余的桿件均是按照此種方式進行“約束”裝配。最終完成裝配的手指機構如下圖4-8所示
圖4-8 完成單個手指的裝配
3.驅動部分的裝配
由第二章的功能原理設計可知，該機械手的驅動部分是采用的多個球面副對機構實現(xiàn)驅動，故在選擇約束是就應該選擇“球”約束對驅動部分的各個球面副約束裝配。球面副的約束方式具體的來講就是球面副的“點對齊”方式，所以在建模階段就需要建立基準點。裝配的步驟和以上手指機構的裝配方式基本一致，這里就不作過多的介紹。球面副完成裝配后如圖4-9所示
圖4-9 完成驅動部分球面副的裝配
至此，機械手各個部件的裝配已經(jīng)結束，最后對機械手進行總裝，裝配方法均和前面部裝的方法類似，在此不多做贅述。但是有一點是需要特別注意的地方，在總裝的時候，手掌部件應該新建一個約束“固定”來對手掌進行約束，因為在前面有說到，手掌部件在機械手工作是充當?shù)氖菣C架的角色，所以應該添加一個“固定”的約束來對手掌進行固定完成總裝后的機械手如下圖4-10所示
圖4-10 完成三指機械手的裝配
4.3.2機械手的仿真
該功能是由軟件自帶的機構模塊實現(xiàn)的。機構模塊（Mechanisms）主要有兩大功能：定義機構和機構仿真運動。由此可見，該模塊主要應用于產(chǎn)品結構檢測及仿真設計。
產(chǎn)品各零件之間的裝配關系，可使用仿真模塊模擬實際操作。它可快速、準確地檢測零部件的干涉、物理特征，模擬使用產(chǎn)品的操作過程，直觀顯示存在問題的區(qū)域及相關的零部件，指導設計者直接、快速地修改模型，從而縮短修改時間，提高設計效率。
由4.3.1的方式將機械手按運動副的約束裝配成功后即可點擊Pro/e工具欄中應用程序的下拉菜單“機構”進入機構模塊，在進行機構的運動仿真時首先應該給機構定義一個起始位置，在Pro/e機構模塊中可以點擊拖動圖標“”對機構進行拖動，然后點擊快照圖標“”以定義機構的起始位置，其次，在某些機構中對于機構的某些組件需要定義一個初始條件以確定在機構運動開始時這些組件處于一個特定的位置，在Pro/e的機構模塊中同樣可以定義，具體步驟如下：點擊定義初始條件圖標“”對機構的初始位置進行定義。最后當然就是對機構的原動件添加伺服電機，以確定原動件的運動方式和運動參數(shù)。下面就按照以上給定的步驟對機械手進行運動仿真。
首先，打開已裝配好的機械手組件“jixieshou-asm”文件，點擊應用程序的下拉菜單中的機構模塊進入Pro/e的機構模塊，點擊拖動圖標“”將機械手各組件拖動到合適的位置如圖，然后點擊快照圖標即可生成快照“Snapshot1”。
然后點擊第一初始條件圖標“”對機構的初始條件進行定義，在此我們對機械手的第一個指節(jié)的轉動軸轉速進行定義，定義好后如圖4-11所示，即完成對機構初始條件的定義。
最后我們應該為機構定義伺服電機以實現(xiàn)機構的運動，由第二章可以知道，機械手每個手指均具有三個自由度，總有九個自由度。于是我們應給機械手定義九個伺服電機，在此我們選擇在每個指關節(jié)處定義一個伺服電機，定義伺服電機的步驟如下：點擊定義伺服電機圖標“”對伺服電機進行編輯定義，在進入對伺服電機的定義后，在對從動圖元的定義時有兩個選項，分別為“運動軸”和“幾何”選項，由于我們的伺服電機控制手指各個關節(jié)的轉動，所以我們應該選擇“運動軸”選項，然后選擇任意一個手指的第一個指節(jié)的運動軸如圖4-12所示 圖4-11 初始條件的定義
圖4-12 在定義伺服電機是選擇運動軸類型
在點擊確定之前，應該注意
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