仿生機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能仿真【仿生物三指機(jī)械手】【說明書+CAD+PROE+仿真】
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畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)與要求：
仿生機(jī)械手作為提高機(jī)器人系統(tǒng)作業(yè)水平和智能水平的重要工具，成為機(jī)器人領(lǐng)域中一個重要的研究方向。仿生機(jī)械手是由幾根相對獨(dú)立的手指構(gòu)成，而每一根手指機(jī)構(gòu)都可以看作是獨(dú)立的機(jī)器人，因此，多指手抓取規(guī)劃問題實(shí)際上是多機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)調(diào)操作問題。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)一個九自由度三指仿生機(jī)械手，主要進(jìn)行該機(jī)械手的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和抓取性能兩個方面的研究工作，具體包括單個手指的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動學(xué)分析（自由度計(jì)算、手指位置的正解分析與反解分析、速度分析、運(yùn)動空間分析）、九自由度三指仿生機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并基于三維建模軟件Pro/E將九自由度機(jī)械手的零件進(jìn)行實(shí)體建模，并完成九自由度三指仿真機(jī)械手的整體裝配及仿真。
具體要求如下：
1、 圍繞畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容和要求進(jìn)行兩周畢業(yè)實(shí)習(xí)，撰寫畢業(yè)實(shí)習(xí)報告；
2、 收集與畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)有關(guān)的國內(nèi)外資料，并進(jìn)行外文資料的翻譯；
3、 確定九自由度三指仿真機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案；
4、 進(jìn)行三自由度機(jī)械手指的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動分析；
5、 進(jìn)行九自由度三指仿真機(jī)械手的三維設(shè)計(jì)；
6、 進(jìn)行機(jī)械手的裝配與仿真；
7、 撰寫設(shè)計(jì)說明書。
推薦的主要參考文獻(xiàn)和資料：
[1] 劉世廉.仿人型機(jī)器人簡易手指的設(shè)計(jì)與運(yùn)動控制[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院，2003.
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2011年 3 月 18 日
西華大學(xué)畢業(yè)實(shí)習(xí)報告
實(shí)習(xí)生姓名
班 級
聯(lián)系電話
指導(dǎo)教師姓名
職 稱
聯(lián)系電話
實(shí)習(xí)單位（地點(diǎn)）
西華大學(xué)
實(shí)習(xí)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(jī)械手簡介
1.1仿生機(jī)械的概述
仿生學(xué)是近期發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，仿生學(xué)的的發(fā)展促進(jìn)了與之密切相關(guān)的的仿生機(jī)械學(xué)的誕生和發(fā)展。機(jī)器人機(jī)構(gòu)在仿生機(jī)械領(lǐng)域中發(fā)展最快，也是應(yīng)用最廣泛的仿生機(jī)構(gòu)。模仿各類動物的行走﹑爬行的動作，為移動機(jī)器人的設(shè)計(jì)與構(gòu)思提供了美好的前景。在這里主要介紹生物運(yùn)動機(jī)理與仿生機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)構(gòu)思，為開展仿生機(jī)構(gòu)的研究提供入門知識。
在仿生機(jī)械中，仿生機(jī)構(gòu)作為仿生機(jī)械的重要組成部分，是模仿生物的運(yùn)動形態(tài)﹑生理結(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﹑應(yīng)用更加廣泛并具有生物特征的機(jī)構(gòu)，是仿生機(jī)械中完成機(jī)械運(yùn)動的物質(zhì)載體。
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。在自然界中,生物通過物競天擇和長期的自身進(jìn)化,已對自然環(huán)境具有高度的適應(yīng)性。它們的感知、決策、指令、反饋、運(yùn)動等機(jī)能和器官結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比人類所曾經(jīng)制造的機(jī)械更為完善。
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，美國的W.萊特和O.萊特發(fā)明了飛機(jī)。然而，在很長一段時間內(nèi)，人們對于生物與機(jī)器之間到底有什么共同之處還缺乏認(rèn)識，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)航和探測等方面有著以往技術(shù)所不可比擬的長處。同時在自然科學(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月在美國召開了第一屆仿生學(xué)討論會，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年由美國機(jī)械工程學(xué)會主辦，召開了生物力學(xué)學(xué)術(shù)討論會。1970年日本人工手研究會主辦召開了第一屆生物機(jī)構(gòu)討論會，從而確立了生物力學(xué)和生物機(jī)構(gòu)學(xué)兩個學(xué)科，在這個基礎(chǔ)上形成了仿生機(jī)械學(xué)。
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。生物力學(xué)研究生命的力學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，包括生體材料力學(xué)和生體流體力學(xué)，生體機(jī)械力學(xué)和生體流體力學(xué)。控制體和機(jī)器人是根據(jù)從生物了解到的知識建造的工程技術(shù)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(jì)算機(jī)控制的稱為機(jī)器人。仿生機(jī)械學(xué)的主要研究課題有擬人型機(jī)械手、步行機(jī)、假肢以及模仿鳥類、昆蟲和魚類等生物的各種機(jī)械。
1.2課題的研究目的和意義
自從1960年第一臺機(jī)器人問世以來，機(jī)器人技術(shù)有了迅猛的發(fā)展，在國防、科研、生產(chǎn)等領(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用，代替人們從事一些復(fù)雜的、危險的、或者非人可達(dá)的工作，從而減輕了人們的勞動強(qiáng)度，提高了效率，擴(kuò)大了人類活動的空間。但是就目前國內(nèi)外的工業(yè)機(jī)器人而一言，大都是針對專門的任務(wù)而設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)簡單，控制方便，對于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的大范圍運(yùn)動作業(yè)十分有效，但卻存在以下幾個方面的缺點(diǎn)：
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(shí)現(xiàn)的，不存在抓取的幾何封閉和力封閉，因此難于達(dá)到很高的抓取精度，穩(wěn)定性和可靠性差。
2.它限制了機(jī)器人系統(tǒng)的精細(xì)作業(yè)水平。傳統(tǒng)的機(jī)器人通過臂調(diào)整末端位置，通過手腕調(diào)整末端姿態(tài)。由于臂的尺寸較大，因此通過整個臂部的運(yùn)動很難實(shí)現(xiàn)物體的精確位姿調(diào)整和操作，且動態(tài)響應(yīng)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(yīng)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?yàn)樽鳛槟┒藞?zhí)行器的靈巧手相當(dāng)于安裝在機(jī)器人臂上的可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)精細(xì)操作運(yùn)動的一組機(jī)器人，通過機(jī)器人臂實(shí)現(xiàn)粗定位，利用靈巧手實(shí)現(xiàn)精確定位。若采用適當(dāng)?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(yùn)動和力。這對提高機(jī)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(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及對控制系統(tǒng)的研究，想解決以下幾個問題:
（1）能適應(yīng)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(zhì)的對象進(jìn)行操作;
（3）能對被抓物體進(jìn)行微小的位姿調(diào)整;
（4）通過上位機(jī)控制完成抓取運(yùn)動規(guī)劃，能夠使靈巧手平穩(wěn)的運(yùn)動并能實(shí)
現(xiàn)對物體的穩(wěn)定抓取。
1.3國內(nèi)外該領(lǐng)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(jī)驅(qū)動，并由鋼絲和滑輪完成運(yùn)動和動力的傳遞，屬于n驅(qū)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(jié)構(gòu)上，各個手指細(xì)長而單薄，難以實(shí)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(rèn)為迄今為止世界上最復(fù)雜、智能化和集成化最高的仿人機(jī)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(guān)節(jié)。整個手共由1000個機(jī)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(guān)節(jié)同人手類似，存在著機(jī)械禍合，使用一個驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動。基關(guān)節(jié)使用兩個驅(qū)動器，實(shí)現(xiàn)兩個方向的運(yùn)動。DLR手采用電驅(qū)動方式，使用微型直線驅(qū)動器作為驅(qū)動元件，n+1驅(qū)動方式。該直線驅(qū)動器將旋轉(zhuǎn)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)直線轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和減速機(jī)構(gòu)融為一體。所以它可將所有的驅(qū)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(yīng)。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(guān)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(xué)院和猶他大學(xué)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(yùn)動。手指的每個關(guān)節(jié)都由腿(繩索)、滑輪進(jìn)行遠(yuǎn)距離帶動，屬于2n驅(qū)動方式，驅(qū)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(guān)節(jié)上，32個腿拉緊傳感器裝在腕后面。目前該手多用于實(shí)驗(yàn)室的各種研究，它的主要問題是關(guān)節(jié)自由度太多，控制太復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時的在線控制，還未得到實(shí)際應(yīng)用。
美國斯坦福大學(xué)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(guān)節(jié)，拇指相對另兩指布置。每個手指由四個直流力矩電機(jī)驅(qū)動，通過四條繩索張力的調(diào)節(jié)來控制三個關(guān)節(jié)力矩的大小，屬于n+1驅(qū)動。關(guān)節(jié)1、2有士90’的運(yùn)動范圍，末端關(guān)節(jié)3有士135’的運(yùn)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(diǎn)(指尖位置)一旦確定后，其抓取姿態(tài)就唯一確定。因此，實(shí)際上手指沒有冗余關(guān)節(jié)，也就沒有抓取的柔性，無法像人手一樣進(jìn)行靈巧、穩(wěn)定的抓取和操作。
此外，根據(jù)欠驅(qū)動原理研制的三指10個自由度的機(jī)器人手爪具有驅(qū)動元件數(shù)量少、抓取物體范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)，在欠驅(qū)動手爪的4個主要機(jī)構(gòu)中,欠驅(qū)動手指對抓取物體具有被動柔順和形狀自適應(yīng)的特性，首先對三關(guān)節(jié)欠驅(qū)動手指機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析,提出合理的設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束條件;然后根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo),采用遺傳算法得到手指機(jī)構(gòu)的各個關(guān)節(jié)連桿尺寸和抓取物體時的特殊構(gòu)形,使得在抓取給定物體時各關(guān)節(jié)指面的接觸力達(dá)到均勻分布,得到高效的力傳遞和更加緊湊的機(jī)構(gòu)尺寸。加拿大MD ROBOTICS公司和Laval大學(xué)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(jī)驅(qū)動,一個電機(jī)負(fù)責(zé)三個手指的開合;另一個負(fù)責(zé)調(diào)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(guān)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(qū)動的方式完成包絡(luò)抓取，如圖1.5所示。
圖1.3 欠驅(qū)動10-DOF SARAH手爪
圖1.4欠驅(qū)動10-DOF SARAH手爪用末關(guān)節(jié)指面捏取
圖1.5欠驅(qū)動10-DOF SARAH手爪用欠驅(qū)動的方式完成包絡(luò)抓取
在國內(nèi)，對靈巧手的研究是從20世紀(jì)80年代后期開始的，其中以北京航空航天大學(xué)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(jī)驅(qū)動，屬于n+1驅(qū)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(shè)計(jì)，分為手指、手掌和機(jī)械接口三個模塊，改變手掌設(shè)計(jì)一可以獲得擬人或非擬人手，機(jī)械接口用于確定手與臂的連接，改變機(jī)械接口可以使靈巧手適應(yīng)不同的機(jī)械臂。傳動元件全部由齒輪副組成，電機(jī)完全置于手指中。傳動路線短，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。
但是由于國內(nèi)對機(jī)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的分析，并引進(jìn)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)更為合理的多指靈巧手，為多指靈巧手的實(shí)用化和其他方面的研究提供最理想的結(jié)構(gòu)。
1.4關(guān)節(jié)運(yùn)動的驅(qū)動方式
機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動的驅(qū)動方式有直接驅(qū)動方式和間接驅(qū)動方式兩種。直接驅(qū)動方式是驅(qū)動器的輸出軸和機(jī)器人的關(guān)節(jié)軸直接相連，間接驅(qū)動方式是把驅(qū)動器的力通過減速器或鋼絲繩、皮帶、平行連桿等傳遞給關(guān)節(jié)。
直接驅(qū)動方式的驅(qū)動器和關(guān)節(jié)之間的機(jī)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(qū)動關(guān)節(jié)，驅(qū)動器的輸出力矩必須很大，除此之外，對于本設(shè)計(jì)，要求手指結(jié)構(gòu)要小巧的因素顯然決定了不能采取這種驅(qū)動方式。間接驅(qū)動方式也正是大部分機(jī)器人所采取的驅(qū)動方式，這種間接，驅(qū)動驅(qū)動器的輸出力矩一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于驅(qū)動關(guān)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(jié)構(gòu)，如果驅(qū)動器的安裝位置不當(dāng)，將會使手臂根部關(guān)節(jié)驅(qū)動器的負(fù)荷增大，對子手指結(jié)構(gòu)同樣也存在這個問題。對此通常采用的間接驅(qū)動機(jī)構(gòu)，常見的有以下幾種:
1.4.1繩索滑輪驅(qū)傳動方式
繩索滑輪驅(qū)傳動方式是常用的靈巧手驅(qū)傳動方式。這種傳動方式是比較有利的,它可以很方便地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動和動力的遠(yuǎn)距離傳送,也能較好的滿足靈巧手結(jié)構(gòu)上的要求,并且質(zhì)量輕、 慣性負(fù)載低、 摩擦較小、 經(jīng)濟(jì)實(shí)用、 耐用性強(qiáng),傳動結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.6所示。末端桿有兩個電機(jī),分別驅(qū)動末端桿的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn),以實(shí)現(xiàn)手指的夾持和松開。
圖1.6繩索滑輪驅(qū)傳動方式
但此種傳動方式具有力和運(yùn)動傳遞的剛性不足的固有特點(diǎn),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(yùn)動傳遞誤差。
(2) 繩索在工作前還需要預(yù)緊,通常預(yù)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(fù)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(dāng)產(chǎn)生這種附加力矩時,會使運(yùn)動出現(xiàn)耦合,增加控制的難度。這種摩擦具有嚴(yán)重的非線性和強(qiáng)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(shí)現(xiàn)回程將會很困難。控制力一旦超調(diào),消除起來將是一件非常麻煩的事,但超調(diào)又是在實(shí)際中不可避免的。要想實(shí)現(xiàn)回程,只有在每個關(guān)節(jié)處再加置一個電機(jī),使兩個電機(jī)配合工作實(shí)現(xiàn)一個關(guān)節(jié)的正反轉(zhuǎn),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(shè)計(jì)要求。
1.4.2 鏈條、鋼帶驅(qū)動
鏈條、鋼帶這種方式同樣是把驅(qū)動器和關(guān)節(jié)分開安裝，是遠(yuǎn)程驅(qū)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(shè)計(jì)上的限制也很大，在SCARA型的關(guān)節(jié)機(jī)器人中多采用了此法。
1.4.3 閉式鏈連桿傳動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動方式
對于像靈巧手指這類不是很遠(yuǎn)距離的運(yùn)動和動力傳送,連桿機(jī)構(gòu)也是可行的方法。手指機(jī)構(gòu)的主體是開環(huán)串聯(lián)三連桿機(jī)構(gòu),在此開環(huán)機(jī)構(gòu)上添加一些零自由度的桿組,就可以構(gòu)造出閉環(huán)連桿機(jī)構(gòu),通過這些桿組可以將手指根部的動力傳送到各個關(guān)節(jié),如圖1.7
圖1.7閉式鏈?zhǔn)种笝C(jī)構(gòu)
桿件1、桿件2和桿件3分別為根關(guān)節(jié)、中關(guān)節(jié)和末關(guān)節(jié),根關(guān)節(jié)固定于掌上。圖 2 中的桿件 1、4、6 被同軸驅(qū)動,電機(jī)直接驅(qū)動桿件1、4 和6 ,桿件 4 通過一個四連桿機(jī)構(gòu)帶動桿件2的運(yùn)動。桿件6通過另外一個平面四連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動蓮花桿8 ,然后再通過第 3 個四連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動手指末關(guān)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(shí)現(xiàn)了手指3個關(guān)節(jié)的獨(dú)立驅(qū)動?？紤]到一般四連桿機(jī)構(gòu)傳動的運(yùn)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(jī)構(gòu)?？梢钥闯?桿件3分別由桿件2和桿件9領(lǐng)銜的兩條支鏈直接并聯(lián)驅(qū)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(jī)構(gòu)分別所引導(dǎo)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(jié)構(gòu),同時具備并聯(lián)結(jié)構(gòu)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢,即繼承了并聯(lián)結(jié)構(gòu)的高速、 高剛度,又兼?zhèn)淞舜?lián)結(jié)構(gòu)的高靈活性;就驅(qū)動方式來說是并聯(lián)驅(qū)動,但對整個手指來說是串聯(lián)結(jié)構(gòu)的,具有串聯(lián)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。
閉式鏈傳動機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)：
這種傳動結(jié)構(gòu)在常規(guī)驅(qū)動方式下與傳統(tǒng)的繩索滑輪驅(qū)傳動方式相比,有以下一些優(yōu)點(diǎn):
(1)運(yùn)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(gòu)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(qū)動可以承受較大載荷,機(jī)械損耗比較小,這是連桿驅(qū)動最突出的優(yōu)點(diǎn)。
(4)桿件即可受拉也可受壓,一個電機(jī)就可實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的正反轉(zhuǎn),回程方便,因此控制力一旦超調(diào),消除起來很簡單。
(5)閉式鏈采用平行四邊形機(jī)構(gòu)傳動,平行四邊形機(jī)構(gòu)有著輸入等于輸出的特性,因此手指的運(yùn)動學(xué)和各種性能等同于開環(huán)平面 3 自由度連桿機(jī)構(gòu),因此運(yùn)動學(xué)求解和性能分析得以簡化。由以上的分析比較可知,所設(shè)計(jì)的新型并聯(lián)連桿機(jī)構(gòu)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(dāng)然,這種傳動方式將會使靈巧手的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜些,在結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)時需注意。
綜合上述驅(qū)動方式的分析和研究，本文中的機(jī)械手采用閉式鏈連桿傳動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動方式驅(qū)動
1.5本文主要研究內(nèi)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(jìn)行以下研究工作:
1. 多指手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究對多指手的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行綜合分析，選用合理的優(yōu)化方法對靈巧手結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從仿人手的角度，以人手結(jié)構(gòu)形式及比例參數(shù)為依據(jù)，進(jìn)行多指靈巧手的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其有較好的機(jī)械特性，保證力傳遞的精度。并用Pro/e軟件進(jìn)行了多指靈巧手的三維造型。
2. 多指靈巧手的運(yùn)動學(xué)和靜力學(xué)分析對所設(shè)計(jì)的三指靈巧手分析并建立了運(yùn)動學(xué)模型，得出正、反向運(yùn)動學(xué)方程，并對抓持狀態(tài)下各手指的運(yùn)動姿態(tài)進(jìn)行了仿真。通過靜力學(xué)研究計(jì)算出在靜平衡狀態(tài)下各關(guān)節(jié)的力矩，為深入研究機(jī)械手的控制提供了理論依據(jù)。
3.進(jìn)行機(jī)械手的裝配和仿真。
11
機(jī)械工程與自動化學(xué)院
畢 業(yè) 實(shí) 習(xí) 報 告
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
年 級：
學(xué) 生：
學(xué) 號：
指導(dǎo)教師：
日 期： 2011 年 04月 01日
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
題 目: 仿生機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與功能仿真
學(xué)院(直屬系): 機(jī)械工程與自動化學(xué)院
年級、 專業(yè): 2007級 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
姓 名:
學(xué) 號:
指 導(dǎo) 教 師:
完 成 時 間: 2011年5月31日
西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
目 錄
摘 要 1
1 緒論 2
1.1仿生機(jī)械的概述 2
1.2課題的研究目的和意義 3
1.3國內(nèi)外該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀 3
1.4關(guān)節(jié)運(yùn)動的驅(qū)動方式 7
1.4.1繩索滑輪驅(qū)傳動方式 8
1.4.2 鏈條、鋼帶驅(qū)動 9
1.4.3 閉式鏈連桿傳動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動方式 9
1.5本文主要研究內(nèi)容 10
2 原理方案的設(shè)計(jì) 11
2.1 明確設(shè)計(jì)任務(wù) 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(jié) 15
3 機(jī)械手手指的運(yùn)動分析 16
3.1 手指機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué) 16
3.1.1 手指機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算 16
3.1.2 位置正解 17
3.1.3 三自由度仿生機(jī)械手指的位置反解分析 18
3.2 仿生機(jī)械手指的速度分析 22
3.3 仿生機(jī)械手指的運(yùn)動空間分析與仿真 23
4 基于Pro/e的仿生機(jī)械手的建模，裝配及仿真 25
4.1 Pro/e簡介 25
4.2仿生機(jī)械手各部分的建模 26
4.3機(jī)械手的裝配與仿真 26
4.3.1機(jī)械手的裝配 26
4.3.2機(jī)械手的仿真 32
總結(jié)與體會 36
致謝詞 37
參考文獻(xiàn) 38
1
摘 要
本設(shè)計(jì)是根據(jù)亞確定輸入的原理設(shè)計(jì)的以少輸入控制多自由度的三指九自由度機(jī)械手，當(dāng)在機(jī)械手初始運(yùn)動時機(jī)械手的每個手指作為一個運(yùn)動單元作整體的運(yùn)動，但當(dāng)機(jī)械手手指的第一個指節(jié)因某種因素突然受阻，驅(qū)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(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動自由度，這時就應(yīng)用了各個手指的第二個自由度，同樣的，當(dāng)?shù)诙€指節(jié)和第三個指節(jié)間的轉(zhuǎn)動自由度因?yàn)槟撤N外在的因素突然受阻時，自動啟動機(jī)械手各個手指的第三個自由度。這樣就實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手的以少輸入控制多自由度的控制方式，以達(dá)到機(jī)械手對不同形狀工件的抓取動作，可以達(dá)到省力、省能以及減少電動機(jī)設(shè)計(jì)容量，因而減少機(jī)構(gòu)的負(fù)載及改善動力性能。
【關(guān)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(jī)械的概述
仿生學(xué)是近期發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，仿生學(xué)的的發(fā)展促進(jìn)了與之密切相關(guān)的的仿生機(jī)械學(xué)的誕生和發(fā)展。機(jī)器人機(jī)構(gòu)在仿生機(jī)械領(lǐng)域中發(fā)展最快，也是應(yīng)用最廣泛的仿生機(jī)構(gòu)。模仿各類動物的行走﹑爬行的動作，為移動機(jī)器人的設(shè)計(jì)與構(gòu)思提供了美好的前景。在這里主要介紹生物運(yùn)動機(jī)理與仿生機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)構(gòu)思，為開展仿生機(jī)構(gòu)的研究提供入門知識。
在仿生機(jī)械中，仿生機(jī)構(gòu)作為仿生機(jī)械的重要組成部分，是模仿生物的運(yùn)動形態(tài)﹑生理結(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﹑應(yīng)用更加廣泛并具有生物特征的機(jī)構(gòu)，是仿生機(jī)械中完成機(jī)械運(yùn)動的物質(zhì)載體。
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。在自然界中,生物通過物競天擇和長期的自身進(jìn)化,已對自然環(huán)境具有高度的適應(yīng)性。它們的感知、決策、指令、反饋、運(yùn)動等機(jī)能和器官結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比人類所曾經(jīng)制造的機(jī)械更為完善。
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，美國的W.萊特和O.萊特發(fā)明了飛機(jī)。然而，在很長一段時間內(nèi)，人們對于生物與機(jī)器之間到底有什么共同之處還缺乏認(rèn)識，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)航和探測等方面有著以往技術(shù)所不可比擬的長處。同時在自然科學(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)?？刂普撌菧贤夹g(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月在美國召開了第一屆仿生學(xué)討論會，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年由美國機(jī)械工程學(xué)會主辦，召開了生物力學(xué)學(xué)術(shù)討論會。1970年日本人工手研究會主辦召開了第一屆生物機(jī)構(gòu)討論會，從而確立了生物力學(xué)和生物機(jī)構(gòu)學(xué)兩個學(xué)科，在這個基礎(chǔ)上形成了仿生機(jī)械學(xué)。
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。生物力學(xué)研究生命的力學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，包括生體材料力學(xué)和生體流體力學(xué)，生體機(jī)械力學(xué)和生體流體力學(xué)?？刂企w和機(jī)器人是根據(jù)從生物了解到的知識建造的工程技術(shù)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(jì)算機(jī)控制的稱為機(jī)器人。仿生機(jī)械學(xué)的主要研究課題有擬人型機(jī)械手、步行機(jī)、假肢以及模仿鳥類、昆蟲和魚類等生物的各種機(jī)械。
1.2課題的研究目的和意義
自從1960年第一臺機(jī)器人問世以來，機(jī)器人技術(shù)有了迅猛的發(fā)展，在國防、科研、生產(chǎn)等領(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用，代替人們從事一些復(fù)雜的、危險的、或者非人可達(dá)的工作，從而減輕了人們的勞動強(qiáng)度，提高了效率，擴(kuò)大了人類活動的空間。但是就目前國內(nèi)外的工業(yè)機(jī)器人而一言，大都是針對專門的任務(wù)而設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)簡單，控制方便，對于實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的大范圍運(yùn)動作業(yè)十分有效，但卻存在以下幾個方面的缺點(diǎn)：
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(shí)現(xiàn)的，不存在抓取的幾何封閉和力封閉，因此難于達(dá)到很高的抓取精度，穩(wěn)定性和可靠性差。
2.它限制了機(jī)器人系統(tǒng)的精細(xì)作業(yè)水平。傳統(tǒng)的機(jī)器人通過臂調(diào)整末端位置，通過手腕調(diào)整末端姿態(tài)。由于臂的尺寸較大，因此通過整個臂部的運(yùn)動很難實(shí)現(xiàn)物體的精確位姿調(diào)整和操作，且動態(tài)響應(yīng)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(yīng)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?yàn)樽鳛槟┒藞?zhí)行器的靈巧手相當(dāng)于安裝在機(jī)器人臂上的可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)精細(xì)操作運(yùn)動的一組機(jī)器人，通過機(jī)器人臂實(shí)現(xiàn)粗定位，利用靈巧手實(shí)現(xiàn)精確定位。若采用適當(dāng)?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(yùn)動和力。這對提高機(jī)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(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及對控制系統(tǒng)的研究，想解決以下幾個問題:
（1）能適應(yīng)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(zhì)的對象進(jìn)行操作;
（3）能對被抓物體進(jìn)行微小的位姿調(diào)整;
（4）通過上位機(jī)控制完成抓取運(yùn)動規(guī)劃，能夠使靈巧手平穩(wěn)的運(yùn)動并能實(shí)
現(xiàn)對物體的穩(wěn)定抓取。
1.3國內(nèi)外該領(lǐng)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(jī)驅(qū)動，并由鋼絲和滑輪完成運(yùn)動和動力的傳遞，屬于n驅(qū)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(jié)構(gòu)上，各個手指細(xì)長而單薄，難以實(shí)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(rèn)為迄今為止世界上最復(fù)雜、智能化和集成化最高的仿人機(jī)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(guān)節(jié)。整個手共由1000個機(jī)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(guān)節(jié)同人手類似，存在著機(jī)械禍合，使用一個驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動?；P(guān)節(jié)使用兩個驅(qū)動器，實(shí)現(xiàn)兩個方向的運(yùn)動。DLR手采用電驅(qū)動方式，使用微型直線驅(qū)動器作為驅(qū)動元件，n+1驅(qū)動方式。該直線驅(qū)動器將旋轉(zhuǎn)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)直線轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和減速機(jī)構(gòu)融為一體。所以它可將所有的驅(qū)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(yīng)。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(guān)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(xué)院和猶他大學(xué)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(yùn)動。手指的每個關(guān)節(jié)都由腿(繩索)、滑輪進(jìn)行遠(yuǎn)距離帶動，屬于2n驅(qū)動方式，驅(qū)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(guān)節(jié)上，32個腿拉緊傳感器裝在腕后面。目前該手多用于實(shí)驗(yàn)室的各種研究，它的主要問題是關(guān)節(jié)自由度太多，控制太復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時的在線控制，還未得到實(shí)際應(yīng)用。
美國斯坦福大學(xué)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(guān)節(jié)，拇指相對另兩指布置。每個手指由四個直流力矩電機(jī)驅(qū)動，通過四條繩索張力的調(diào)節(jié)來控制三個關(guān)節(jié)力矩的大小，屬于n+1驅(qū)動。關(guān)節(jié)1、2有士90’的運(yùn)動范圍，末端關(guān)節(jié)3有士135’的運(yùn)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(diǎn)(指尖位置)一旦確定后，其抓取姿態(tài)就唯一確定。因此，實(shí)際上手指沒有冗余關(guān)節(jié)，也就沒有抓取的柔性，無法像人手一樣進(jìn)行靈巧、穩(wěn)定的抓取和操作。
此外，根據(jù)欠驅(qū)動原理研制的三指10個自由度的機(jī)器人手爪具有驅(qū)動元件數(shù)量少、抓取物體范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)，在欠驅(qū)動手爪的4個主要機(jī)構(gòu)中,欠驅(qū)動手指對抓取物體具有被動柔順和形狀自適應(yīng)的特性，首先對三關(guān)節(jié)欠驅(qū)動手指機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析,提出合理的設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束條件;然后根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo),采用遺傳算法得到手指機(jī)構(gòu)的各個關(guān)節(jié)連桿尺寸和抓取物體時的特殊構(gòu)形,使得在抓取給定物體時各關(guān)節(jié)指面的接觸力達(dá)到均勻分布,得到高效的力傳遞和更加緊湊的機(jī)構(gòu)尺寸。加拿大MD ROBOTICS公司和Laval大學(xué)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(jī)驅(qū)動,一個電機(jī)負(fù)責(zé)三個手指的開合;另一個負(fù)責(zé)調(diào)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(guān)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(qū)動的方式完成包絡(luò)抓取，如圖1.5所示。
圖1.3 欠驅(qū)動10-DOF SARAH手爪
圖1.4欠驅(qū)動10-DOF SARAH手爪用末關(guān)節(jié)指面捏取
圖1.5欠驅(qū)動10-DOF SARAH手爪用欠驅(qū)動的方式完成包絡(luò)抓取
在國內(nèi)，對靈巧手的研究是從20世紀(jì)80年代后期開始的，其中以北京航空航天大學(xué)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(jī)驅(qū)動，屬于n+1驅(qū)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(shè)計(jì)，分為手指、手掌和機(jī)械接口三個模塊，改變手掌設(shè)計(jì)一可以獲得擬人或非擬人手，機(jī)械接口用于確定手與臂的連接，改變機(jī)械接口可以使靈巧手適應(yīng)不同的機(jī)械臂。傳動元件全部由齒輪副組成，電機(jī)完全置于手指中。傳動路線短，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。
但是由于國內(nèi)對機(jī)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的分析，并引進(jìn)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)更為合理的多指靈巧手，為多指靈巧手的實(shí)用化和其他方面的研究提供最理想的結(jié)構(gòu)。
1.4關(guān)節(jié)運(yùn)動的驅(qū)動方式
機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動的驅(qū)動方式有直接驅(qū)動方式和間接驅(qū)動方式兩種。直接驅(qū)動方式是驅(qū)動器的輸出軸和機(jī)器人的關(guān)節(jié)軸直接相連，間接驅(qū)動方式是把驅(qū)動器的力通過減速器或鋼絲繩、皮帶、平行連桿等傳遞給關(guān)節(jié)。
直接驅(qū)動方式的驅(qū)動器和關(guān)節(jié)之間的機(jī)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(qū)動關(guān)節(jié)，驅(qū)動器的輸出力矩必須很大，除此之外，對于本設(shè)計(jì)，要求手指結(jié)構(gòu)要小巧的因素顯然決定了不能采取這種驅(qū)動方式。間接驅(qū)動方式也正是大部分機(jī)器人所采取的驅(qū)動方式，這種間接，驅(qū)動驅(qū)動器的輸出力矩一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于驅(qū)動關(guān)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(jié)構(gòu)，如果驅(qū)動器的安裝位置不當(dāng)，將會使手臂根部關(guān)節(jié)驅(qū)動器的負(fù)荷增大，對子手指結(jié)構(gòu)同樣也存在這個問題。對此通常采用的間接驅(qū)動機(jī)構(gòu)，常見的有以下幾種:
1.4.1繩索滑輪驅(qū)傳動方式
繩索滑輪驅(qū)傳動方式是常用的靈巧手驅(qū)傳動方式。這種傳動方式是比較有利的,它可以很方便地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動和動力的遠(yuǎn)距離傳送,也能較好的滿足靈巧手結(jié)構(gòu)上的要求,并且質(zhì)量輕、 慣性負(fù)載低、 摩擦較小、 經(jīng)濟(jì)實(shí)用、 耐用性強(qiáng),傳動結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.6所示。末端桿有兩個電機(jī),分別驅(qū)動末端桿的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn),以實(shí)現(xiàn)手指的夾持和松開。
圖1.6繩索滑輪驅(qū)傳動方式
但此種傳動方式具有力和運(yùn)動傳遞的剛性不足的固有特點(diǎn),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(yùn)動傳遞誤差。
(2) 繩索在工作前還需要預(yù)緊,通常預(yù)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(fù)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(dāng)產(chǎn)生這種附加力矩時,會使運(yùn)動出現(xiàn)耦合,增加控制的難度。這種摩擦具有嚴(yán)重的非線性和強(qiáng)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(shí)現(xiàn)回程將會很困難?？刂屏σ坏┏{(diào),消除起來將是一件非常麻煩的事,但超調(diào)又是在實(shí)際中不可避免的。要想實(shí)現(xiàn)回程,只有在每個關(guān)節(jié)處再加置一個電機(jī),使兩個電機(jī)配合工作實(shí)現(xiàn)一個關(guān)節(jié)的正反轉(zhuǎn),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(shè)計(jì)要求。
1.4.2 鏈條、鋼帶驅(qū)動
鏈條、鋼帶這種方式同樣是把驅(qū)動器和關(guān)節(jié)分開安裝，是遠(yuǎn)程驅(qū)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(shè)計(jì)上的限制也很大，在SCARA型的關(guān)節(jié)機(jī)器人中多采用了此法。
1.4.3 閉式鏈連桿傳動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動方式
對于像靈巧手指這類不是很遠(yuǎn)距離的運(yùn)動和動力傳送,連桿機(jī)構(gòu)也是可行的方法。手指機(jī)構(gòu)的主體是開環(huán)串聯(lián)三連桿機(jī)構(gòu),在此開環(huán)機(jī)構(gòu)上添加一些零自由度的桿組,就可以構(gòu)造出閉環(huán)連桿機(jī)構(gòu),通過這些桿組可以將手指根部的動力傳送到各個關(guān)節(jié),如圖1.7
圖1.7閉式鏈?zhǔn)种笝C(jī)構(gòu)
桿件1、桿件2和桿件3分別為根關(guān)節(jié)、中關(guān)節(jié)和末關(guān)節(jié),根關(guān)節(jié)固定于掌上。圖 2 中的桿件 1、4、6 被同軸驅(qū)動,電機(jī)直接驅(qū)動桿件1、4 和6 ,桿件 4 通過一個四連桿機(jī)構(gòu)帶動桿件2的運(yùn)動。桿件6通過另外一個平面四連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動蓮花桿8 ,然后再通過第 3 個四連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動手指末關(guān)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(shí)現(xiàn)了手指3個關(guān)節(jié)的獨(dú)立驅(qū)動?？紤]到一般四連桿機(jī)構(gòu)傳動的運(yùn)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(jī)構(gòu)?？梢钥闯?桿件3分別由桿件2和桿件9領(lǐng)銜的兩條支鏈直接并聯(lián)驅(qū)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(jī)構(gòu)分別所引導(dǎo)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(jié)構(gòu),同時具備并聯(lián)結(jié)構(gòu)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢,即繼承了并聯(lián)結(jié)構(gòu)的高速、 高剛度,又兼?zhèn)淞舜?lián)結(jié)構(gòu)的高靈活性;就驅(qū)動方式來說是并聯(lián)驅(qū)動,但對整個手指來說是串聯(lián)結(jié)構(gòu)的,具有串聯(lián)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。
閉式鏈傳動機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)：
這種傳動結(jié)構(gòu)在常規(guī)驅(qū)動方式下與傳統(tǒng)的繩索滑輪驅(qū)傳動方式相比,有以下一些優(yōu)點(diǎn):
(1)運(yùn)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(gòu)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(qū)動可以承受較大載荷,機(jī)械損耗比較小,這是連桿驅(qū)動最突出的優(yōu)點(diǎn)。
(4)桿件即可受拉也可受壓,一個電機(jī)就可實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的正反轉(zhuǎn),回程方便,因此控制力一旦超調(diào),消除起來很簡單。
(5)閉式鏈采用平行四邊形機(jī)構(gòu)傳動,平行四邊形機(jī)構(gòu)有著輸入等于輸出的特性,因此手指的運(yùn)動學(xué)和各種性能等同于開環(huán)平面 3 自由度連桿機(jī)構(gòu),因此運(yùn)動學(xué)求解和性能分析得以簡化。由以上的分析比較可知,所設(shè)計(jì)的新型并聯(lián)連桿機(jī)構(gòu)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(dāng)然,這種傳動方式將會使靈巧手的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜些,在結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)時需注意。
綜合上述驅(qū)動方式的分析和研究，本文中的機(jī)械手采用閉式鏈連桿傳動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動方式驅(qū)動
1.5本文主要研究內(nèi)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(jìn)行以下研究工作:
1. 多指手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究對多指手的結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行綜合分析，選用合理的優(yōu)化方法對靈巧手結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從仿人手的角度，以人手結(jié)構(gòu)形式及比例參數(shù)為依據(jù)，進(jìn)行多指靈巧手的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其有較好的機(jī)械特性，保證力傳遞的精度。并用Pro/e軟件進(jìn)行了多指靈巧手的三維造型。
2. 多指靈巧手的運(yùn)動學(xué)和靜力學(xué)分析對所設(shè)計(jì)的三指靈巧手分析并建立了運(yùn)動學(xué)模型，得出正、反向運(yùn)動學(xué)方程，并對抓持狀態(tài)下各手指的運(yùn)動姿態(tài)進(jìn)行了仿真。通過靜力學(xué)研究計(jì)算出在靜平衡狀態(tài)下各關(guān)節(jié)的力矩，為深入研究機(jī)械手的控制提供了理論依據(jù)。
3.進(jìn)行機(jī)械手的裝配和仿真。
2 原理方案的設(shè)計(jì)
產(chǎn)品開發(fā)一般要經(jīng)過產(chǎn)品規(guī)劃、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)等幾個階段。
方案設(shè)計(jì)階段針對產(chǎn)品的主要功能提出原理的構(gòu)思，探索解決問題的物理效應(yīng)和工作原理，并用機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖、液路圖、電路圖等表達(dá)構(gòu)思的內(nèi)容。
方案設(shè)計(jì)對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工藝、成本、性能和使用維護(hù)等都有很大的影響，是關(guān)系產(chǎn)品水平和競爭能力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。所以，原理方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)有其舉足輕重的義。
工程設(shè)計(jì)內(nèi)容錯綜復(fù)雜，如果孤立靜止地分析某方面的問題，得出的結(jié)論往往是片面、局限的。系統(tǒng)工程方法是將事物當(dāng)作一個整體系統(tǒng)來研究，分析系統(tǒng)
明確任務(wù)
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(shè)計(jì)目錄
功能樹
創(chuàng)新技法、設(shè)計(jì)目錄
形態(tài)學(xué)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(shè)計(jì)步驟
各組成部分之間的有機(jī)聯(lián)系和系統(tǒng)與外界環(huán)境的關(guān)系，是較全面的綜合研究方法。在原理方案設(shè)計(jì)過程中往往利用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)、方法解決復(fù)雜的問題。
原理方案的設(shè)計(jì)是發(fā)散-收斂的過程。從功能分析入手，通過創(chuàng)新構(gòu)思探求多種方案，然后進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(yīng)用的主要方法如圖2-1所示
用系統(tǒng)工程方法設(shè)計(jì)進(jìn)行產(chǎn)品的原理方案設(shè)計(jì)是緊緊圍繞功能的分析和求解和組合實(shí)施的。
系統(tǒng)工程學(xué)用“黑箱法”研究分析問題。對于復(fù)雜的未知系統(tǒng)，猶如不透明不知其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jìn)一步探求其內(nèi)部原理和結(jié)構(gòu)。
2.1 明確設(shè)計(jì)任務(wù)
根據(jù)此次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù)書要求設(shè)計(jì)一個九自由度三指仿生機(jī)械手，以完成機(jī)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(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案；
（2）九自由度機(jī)械手指的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動分析；
（3）九自由度三指仿真機(jī)械手的三維設(shè)計(jì)；
（4）械手的裝配與仿真。
2.2 功能分析
由于現(xiàn)代機(jī)械中動力源主要有電動機(jī)、汽油機(jī)、柴油機(jī)、氣動馬達(dá)等，但由于機(jī)械手的工作條件和各種動力源的特點(diǎn)決定了，在現(xiàn)代機(jī)械手中的動力源多以電動機(jī)作為動力源。故在本設(shè)計(jì)中均以電動機(jī)作為動力源進(jìn)行研究探索。
總功能：機(jī)械手對不同形狀的物件實(shí)現(xiàn)靈活的抓取
黑箱
電動
物件
三指機(jī)械手
機(jī)械手對不同形狀的物件實(shí)現(xiàn)抓取動作
2.3 功能分析
仿生機(jī)械手和一般夾持工具實(shí)現(xiàn)對工件的抓取類似，但需要更高的靈活度，以便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對于不同形狀的工件實(shí)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(shí)現(xiàn)靈活的抓取
動力（步進(jìn)電機(jī)）
手指運(yùn)動
運(yùn)動轉(zhuǎn)換
運(yùn)動調(diào)節(jié)
往復(fù)運(yùn)動
往復(fù)擺動
2.5 原理方案
圖2-2為一種較好的三指機(jī)械手的原理方案，即采用步進(jìn)電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動—曲柄滑塊—球面副—桿機(jī)構(gòu)的組合。
圖2-2 單指2自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡圖
本設(shè)計(jì)是要求九自由度三指仿生機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，故對圖2-2進(jìn)行修改變異后即可得到單指三自由度的機(jī)械手結(jié)構(gòu)， 變異后的機(jī)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(jī)械手結(jié)構(gòu)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(jī)械手夾持部分的原理方案，為了進(jìn)一步明確機(jī)械手的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局，下面針對機(jī)械手的整體布局和驅(qū)動方式作具體分析，由上述2.4可知，機(jī)械手的動力源采用的是步進(jìn)電機(jī)，但是步進(jìn)電機(jī)的輸出是電動機(jī)轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，但是經(jīng)分析，機(jī)械手執(zhí)行夾持的部分要求的是桿機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動，故需將電機(jī)主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為機(jī)械手執(zhí)行部件的桿機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動。由機(jī)構(gòu)學(xué)可知，將一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動主要有以下幾種方案：
（1）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動副均為低副（故又稱為低副機(jī)構(gòu)）。其運(yùn)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(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)還可以很方便的達(dá)到改變運(yùn)動的傳遞方向，實(shí)現(xiàn)增力和遠(yuǎn)距離傳動的目的。
但是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)也存在一些特點(diǎn)，主要是電機(jī)轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動需要通過中間構(gòu)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(jī)械效率降低。
（2）齒輪齒條機(jī)構(gòu)
齒輪齒條機(jī)構(gòu)雖然在提高機(jī)械傳動效率方面比曲柄滑塊機(jī)構(gòu)具有較大的優(yōu)勢，但是齒輪的齒面作為一個較為復(fù)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(jī)構(gòu)高，。
齒輪齒條傳動在傳動上還存在一個不可忽視的缺點(diǎn)，齒輪齒條嚙合傳動時是屬于線接觸，故相對曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，齒輪齒條嚙合傳動時的接觸應(yīng)力較大，齒面容易磨損，最終會導(dǎo)致更大的傳動誤差。
（3）凸輪機(jī)構(gòu)
凸輪機(jī)構(gòu)作為將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為其他運(yùn)動形式的傳動機(jī)構(gòu)，在工業(yè)應(yīng)用中有其獨(dú)特的優(yōu)勢，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是：只要適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)出了凸輪的輪廓曲線，就可以使得推桿得帶各種預(yù)期的運(yùn)動規(guī)律，而且響應(yīng)快，機(jī)構(gòu)簡單緊湊。
但由于凸輪機(jī)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)形式，決定了其固有的缺點(diǎn)，在凸輪機(jī)構(gòu)中，凸輪廓線和推桿間為點(diǎn)、線接觸，所以接觸應(yīng)力大，容易磨損，而且凸輪的加工制造較困難。
（4）螺旋機(jī)構(gòu)
螺旋機(jī)構(gòu)有螺桿、螺母和機(jī)架組成。一般情況下，它是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動。螺旋機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)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(jī)構(gòu)形式，螺旋機(jī)構(gòu)的機(jī)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(jì)成本的考慮，以下方案是采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)對機(jī)械手的執(zhí)行部分實(shí)現(xiàn)驅(qū)動，機(jī)械手單個手指的的布局如示：則由圖2-5可知，機(jī)械手的工作原理：在曲柄1的外部鏈接一個步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將運(yùn)動傳至三角板4，由于滑塊3將運(yùn)動傳至構(gòu)件是由球面副實(shí)現(xiàn)的，所以構(gòu)件4可實(shí)現(xiàn)在豎直方向移動外，還可以實(shí)現(xiàn)三個方向的轉(zhuǎn)動。
圖2-5 機(jī)械手單個手指的的布局圖
再由4構(gòu)件各個頂點(diǎn)的上下移動帶動5構(gòu)件運(yùn)動，再由桿機(jī)構(gòu)6、7、8的運(yùn)動將運(yùn)動傳至指尖機(jī)構(gòu)8，對工件實(shí)現(xiàn)夾持。而構(gòu)件4連接構(gòu)件5的運(yùn)動副為球面副，則可以實(shí)現(xiàn)對各種形狀的工件進(jìn)行自適應(yīng)夾持。
2.6 本章總結(jié)
至此，三自由度的手指方案已給定，本章主要運(yùn)用了機(jī)械的功能設(shè)計(jì)法對九自由度三指機(jī)械手進(jìn)行了原理方案的設(shè)計(jì)，并基于pro/e進(jìn)行了初步的建模仿真，但是在機(jī)構(gòu)的運(yùn)動空間和機(jī)構(gòu)的各部分尺寸方面的考慮并未涉及。
3 機(jī)械手手指的運(yùn)動分析
機(jī)器人運(yùn)動學(xué)描述了機(jī)器人關(guān)節(jié)與組成機(jī)器人的各剛體之間的運(yùn)動關(guān)系。本章首先對手指機(jī)構(gòu)進(jìn)行自由度分析，以確定有幾個獨(dú)立參數(shù)需要驅(qū)動，然后對手指機(jī)構(gòu)進(jìn)行位置正反解分析，速度分析，得到了雅克比矩陣。最后對機(jī)構(gòu)的特殊位形和零點(diǎn)進(jìn)行了討論，得出了一些設(shè)計(jì)條件。
3.1 手指機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)
物體在工作空間內(nèi)的位置以及機(jī)器人手的位置，都是以某個確定的坐標(biāo)系來描述的、而工作任務(wù)則是以某個中間坐標(biāo)系(如賦于手指末端的坐標(biāo)系)來規(guī)定的。由笛卡兒坐標(biāo)系來描述工作任務(wù)時，必須把上述這些規(guī)定變換為一系列能夠由手指驅(qū)動的關(guān)節(jié)位置。確定手指位置和姿態(tài)的各關(guān)節(jié)位置的解答，即運(yùn)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(diǎn)運(yùn)動的速度。雅克比矩陣是由某個笛卡兒坐標(biāo)系規(guī)定的各單個關(guān)節(jié)速度對最后一個連桿速度的線性變換。
3.1.1 手指機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算
平面機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算公式為
（3-1）
其中 ：——機(jī)構(gòu)中活動構(gòu)件的數(shù)目；
——機(jī)構(gòu)中低副的數(shù)目；
——機(jī)構(gòu)中高副的數(shù)目。
從圖3-1中可以看出此手指結(jié)構(gòu)有7個活動構(gòu)件，9個轉(zhuǎn)動低副，沒有高副，也不存在局部自由度和虛約束，自由度計(jì)算如下：
圖3-1 手指的機(jī)構(gòu)簡圖
3.1.2 位置正解
具有閉式鏈結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)角中，有些是被間接驅(qū)動的，有些關(guān)節(jié)運(yùn)動時，另一些關(guān)節(jié)會由于結(jié)構(gòu)上的原因產(chǎn)生附加運(yùn)動。所以，在求解時，必須先分析運(yùn)動特點(diǎn)，找出直接決定末端位姿、速度和加速度性能的關(guān)節(jié)角，把它們分離出來，組成等價的開鏈機(jī)構(gòu)，然后進(jìn)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(gòu)成，自由度保持不變，閉式鏈的運(yùn)動學(xué)特性及工作性能由開式鏈決定。對圖3-1所示的手指結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)，再作運(yùn)動學(xué)分析。建立如圖3-2所示的坐標(biāo)系，各關(guān)節(jié)輸入角為，各關(guān)節(jié)相對基坐標(biāo)系x軸的轉(zhuǎn)角為，也就是各電機(jī)輸入角，有如下關(guān)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(diǎn)的位置可以通過坐標(biāo)來表示，姿態(tài)用表示，經(jīng)過投影變換有如下關(guān)系：
（3-3）
（3-4）
（3-5）
圖3-2 平面三自由度開環(huán)連桿機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系
國內(nèi)外仿生機(jī)械手指的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jì)算數(shù)據(jù)如下表3.1：
表3.1 仿生機(jī)械手指的位置正解實(shí)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(jī)械手指的位置反解分析
通過末端點(diǎn)的位置，求出能實(shí)現(xiàn)這一末端位置的一組或者一系列關(guān)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(shè)末端點(diǎn)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(fù)數(shù)向量法列出矢量位移方程
（3-7）
當(dāng)手指末端點(diǎn)的位置確定后，上式有兩個未知數(shù)，故可以求解。移項(xiàng)，對等式兩邊同乘以各自的共軛復(fù)數(shù)，有
(3-8)
將上式展開，合并同類項(xiàng)，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(xì)解釋，如圖3.2所示兩種位形可以滿足要求。
（b）幾何法：當(dāng)手指末端點(diǎn)的位置確定后，如圖3-4可以求出點(diǎn)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(nèi)，應(yīng)用余弦定理可以求出，其中投影關(guān)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(biāo)點(diǎn)應(yīng)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(shí)線表示）：
為了求出，首先計(jì)算角度
其中
(3-17)
(3-18)
由此得出
(3-19)
其中，當(dāng)時，取“+”號；當(dāng)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(yàn)證反解，具體過程如下：
首先假定，根據(jù)設(shè)計(jì)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(dāng)時，代入式(3-19) 、(3-20)
當(dāng)?shù)臅r，代入式(3-19) 、(3-20)
從結(jié)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(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角是相同的，因?yàn)檫@由公式(3-14)決定。而兩組解的手指根段關(guān)節(jié)和手指中段關(guān)節(jié)的位置態(tài)，正好是關(guān)于經(jīng)過原點(diǎn)與的直線對稱，這是由于公式(3-16)決定的，但實(shí)際情況是兩組解都可能實(shí)現(xiàn)，只是第一組解比第二組解更容易到達(dá)，并且可以更好避免奇異位置的出現(xiàn)。
3.2 仿生機(jī)械手指的速度分析
式(3-3)、式（3-4）、式（3-5）對時間t求導(dǎo)，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(jī)構(gòu)的雅可比矩陣，它描述了機(jī)器人機(jī)構(gòu)的操作空間速度和關(guān)節(jié)空間速度的線性映射關(guān)系。在這里描述了手指末端P點(diǎn)的速度和各關(guān)節(jié)速度的映射關(guān)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(dāng)滿秩時，為雅克比矩陣的逆矩陣，當(dāng)不滿秩時，=0，的逆矩陣不存在，此時任何一組關(guān)節(jié)運(yùn)動變量為奇異關(guān)節(jié)變量，機(jī)構(gòu)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(yùn)動，其某個關(guān)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(guān)節(jié)實(shí)際運(yùn)動速度不可能無限大，所以末端勢必偏離所要求的運(yùn)動或失去某個方向的運(yùn)動而出現(xiàn)機(jī)構(gòu)自由度瞬時減少的現(xiàn)象。
同位置分析一樣，若末端點(diǎn)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(jìn)行速度規(guī)劃時應(yīng)根據(jù)要求選取適合的解。
3.3 仿生機(jī)械手指的運(yùn)動空間分析與仿真
目前，隨著機(jī)器人技術(shù)研究領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，機(jī)器人計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)作為機(jī)器人設(shè)計(jì)和研究的靈活方便的工具，發(fā)揮著重要的作用。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手作為一種仿人機(jī)械手，能完成較復(fù)雜的抓取動作。在機(jī)械手應(yīng)用于作業(yè)研究時，一個重要的因素就是機(jī)械手在運(yùn)動過程中能達(dá)到的空間位置，這對于作業(yè)和避障都有一定的實(shí)際意義，因此在機(jī)械手的設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究階段都應(yīng)對機(jī)械手的可達(dá)空間進(jìn)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(shè)計(jì)要求，，，可以得出手指運(yùn)動空間肯定分別在，方向都是在之內(nèi)。加上約束條件，約定方向只在正方向，即在范圍內(nèi)；由于機(jī)構(gòu)中存在平行四邊形結(jié)構(gòu)，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?qū)嵌鹊呐袛?，把平行四邊形兩個相鄰的桿件夾角為或者時去除，當(dāng)然在編制程序的時候是在的范圍內(nèi)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(fù)性。通過以上這些約束條件，進(jìn)行MATLAB的程序仿真，仿真結(jié)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(jī)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(shù)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(lǐng)域中占有著重要地位，并作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)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(lǐng)域的領(lǐng)頭羊之一，它具有如下特點(diǎn)和優(yōu)勢：
參數(shù)化設(shè)計(jì)和特征功能 Pro/Engineer是采用參數(shù)化設(shè)計(jì)的、基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)者提供了在設(shè)計(jì)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(dú)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(shè)計(jì)過程的任何 一處發(fā)生改動，亦可以前后反應(yīng)在整個設(shè)計(jì)過程的相關(guān)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(yīng)在整個三維模型上。這種獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計(jì)的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)合起來。這一優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場，價格也更便宜。
全相關(guān)性：Pro/ENGINEER的所有模塊都是全相關(guān)的。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進(jìn)行的修改，能夠擴(kuò)展到整個設(shè)計(jì)中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計(jì)圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性鼓勵在開發(fā)周期的任一點(diǎn)進(jìn)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(gòu)造要素。這些特征是一些普通的機(jī)械對象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進(jìn)行修改。例如：設(shè)計(jì)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(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨(dú)特的特征。通過給這些特征設(shè)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(jìn)行多次設(shè)計(jì)疊代，實(shí)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(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)這種效率，必須允許多個學(xué)科的工程師同時對同一產(chǎn)品進(jìn)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(jìn)行的各項(xiàng)工作，由于使用了Pro/ENGINEER獨(dú)特的全相關(guān)性功能，因而使之成為可能。
裝配管理：Pro/ENGINEER的基本結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)意圖。高級的功能支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)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(xiàng)和預(yù)先選取的最普通選項(xiàng)，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(xué)習(xí)和使用。
4.2仿生機(jī)械手各部分的建模
由于此次設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用連桿驅(qū)動方式，所以對于機(jī)械手的各部分建模并不存在難點(diǎn)，只需按照所給定的尺寸進(jìn)行三維模型的建立即可。
4.3機(jī)械手的裝配與仿真
由于Pro/e自身的特點(diǎn)，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(jī)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(jī)械手的裝配及仿真過程；
4.3.1機(jī)械手的裝配
由于此次設(shè)計(jì)的機(jī)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(jié)構(gòu)，從而機(jī)械手的三個手指具有三個相同的結(jié)構(gòu)，只是將三個手指安裝在機(jī)械手手掌上的結(jié)構(gòu)也是相同的，只是具體位置有差異而已，所以在進(jìn)行裝配的時候就可以采用部裝，然后總裝的方式進(jìn)行。從而將機(jī)械手的整個裝配分為三部分；
1. 機(jī)械手手掌的裝配
首先打開Pro/e軟件，點(diǎn)擊新建圖標(biāo)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(diǎn)擊確定，然后選擇mmns_part_solid進(jìn)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(jìn)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(xiàng)再選擇“元件”菜單的下拉菜單中的“裝配”選項(xiàng)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(guān)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(yīng)如圖4-3所示
圖4-3 Pro/e中裝入第一個組件的界面
點(diǎn)擊“”即可完成第一個元件的裝配。然后進(jìn)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(yīng)按照具體的組件與組件間的約束關(guān)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(jìn)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(jìn)行了，原因很簡單，之前的裝配都是機(jī)構(gòu)部分機(jī)架的裝配，各個部件之間在機(jī)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(guān)系即可，但是手指部分的各個部件在機(jī)械手工作是均是需要運(yùn)動的，故不可按照機(jī)架的裝配方式進(jìn)行裝配，由第二章工作原理的分析可以知道，機(jī)械手的手指是屬于連桿機(jī)構(gòu)，所以各個桿件間有相對轉(zhuǎn)動所以在裝配手指部件是應(yīng)選擇能夠?qū)崿F(xiàn)相對轉(zhuǎn)動的約束進(jìn)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(zhuǎn)動可以用“銷釘”約束進(jìn)行約束，具體的銷釘約束應(yīng)該是兩桿件相對轉(zhuǎn)動的兩根轉(zhuǎn)軸對齊約束和沿轉(zhuǎn)對軸的移動約束，這樣就可以限制除了沿軸線轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動副時選擇約束方式為銷釘約束
圖4-7 按定義的運(yùn)動副約束裝配轉(zhuǎn)動副
其余的桿件均是按照此種方式進(jìn)行“約束”裝配。最終完成裝配的手指機(jī)構(gòu)如下圖4-8所示
圖4-8 完成單個手指的裝配
3.驅(qū)動部分的裝配
由第二章的功能原理設(shè)計(jì)可知，該機(jī)械手的驅(qū)動部分是采用的多個球面副對機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動，故在選擇約束是就應(yīng)該選擇“球”約束對驅(qū)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(diǎn)對齊”方式，所以在建模階段就需要建立基準(zhǔn)點(diǎn)。裝配的步驟和以上手指機(jī)構(gòu)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(qū)動部分球面副的裝配
至此，機(jī)械手各個部件的裝配已經(jīng)結(jié)束，最后對機(jī)械手進(jìn)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(diǎn)是需要特別注意的地方，在總裝的時候，手掌部件應(yīng)該新建一個約束“固定”來對手掌進(jìn)行約束，因?yàn)樵谇懊嬗姓f到，手掌部件在機(jī)械手工作是充當(dāng)?shù)氖菣C(jī)架的角色，所以應(yīng)該添加一個“固定”的約束來對手掌進(jìn)行固定完成總裝后的機(jī)械手如下圖4-10所示
圖4-10 完成三指機(jī)械手的裝配
4.3.2機(jī)械手的仿真
該功能是由軟件自帶的機(jī)構(gòu)模塊實(shí)現(xiàn)的。機(jī)構(gòu)模塊（Mechanisms）主要有兩大功能：定義機(jī)構(gòu)和機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動。由此可見，該模塊主要應(yīng)用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)檢測及仿真設(shè)計(jì)。
產(chǎn)品各零件之間的裝配關(guān)系，可使用仿真模塊模擬實(shí)際操作。它可快速、準(zhǔn)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(guān)的零部件，指導(dǎo)設(shè)計(jì)者直接、快速地修改模型，從而縮短修改時間，提高設(shè)計(jì)效率。
由4.3.1的方式將機(jī)械手按運(yùn)動副的約束裝配成功后即可點(diǎn)擊Pro/e工具欄中應(yīng)用程序的下拉菜單“機(jī)構(gòu)”進(jìn)入機(jī)構(gòu)模塊，在進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真時首先應(yīng)該給機(jī)構(gòu)定義一個起始位置，在Pro/e機(jī)構(gòu)模塊中可以點(diǎn)擊拖動圖標(biāo)“”對機(jī)構(gòu)進(jìn)行拖動，然后點(diǎn)擊快照圖標(biāo)“”以定義機(jī)構(gòu)的起始位置，其次，在某些機(jī)構(gòu)中對于機(jī)構(gòu)的某些組件需要定義一個初始條件以確定在機(jī)構(gòu)運(yùn)動開始時這些組件處于一個特定的位置，在Pro/e的機(jī)構(gòu)模塊中同樣可以定義，具體步驟如下：點(diǎn)擊定義初始條件圖標(biāo)“”對機(jī)構(gòu)的初始位置進(jìn)行定義。最后當(dāng)然就是對機(jī)構(gòu)的原動件添加伺服電機(jī)，以確定原動件的運(yùn)動方式和運(yùn)動參數(shù)。下面就按照以上給定的步驟對機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動仿真。
首先，打開已裝配好的機(jī)械手組件“jixieshou-asm”文件，點(diǎn)擊應(yīng)用程序的下拉菜單中的機(jī)構(gòu)模塊進(jìn)入Pro/e的機(jī)構(gòu)模塊，點(diǎn)擊拖動圖標(biāo)“”將機(jī)械手各組件拖動到合適的位置如圖，然后點(diǎn)擊快照圖標(biāo)即可生成快照“Snapshot1”。
然后點(diǎn)擊第一初始條件圖標(biāo)“”對機(jī)構(gòu)的初始條件進(jìn)行定義，在此我們對機(jī)械手的第一個指節(jié)的轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行定義，定義好后如圖4-11所示，即完成對機(jī)構(gòu)初始條件的定義。
最后我們應(yīng)該為機(jī)構(gòu)定義伺服電機(jī)以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，由第二章可以知道，機(jī)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(yīng)給機(jī)械手定義九個伺服電機(jī)，在此我們選擇在每個指關(guān)節(jié)處定義一個伺服電機(jī)，定義伺服電機(jī)的步驟如下：點(diǎn)擊定義伺服電機(jī)圖標(biāo)“”對伺服電機(jī)進(jìn)行編輯定義，在進(jìn)入對伺服電機(jī)的定義后，在對從動圖元的定義時有兩個選項(xiàng)，分別為“運(yùn)動軸”和“幾何”選項(xiàng)，由于我們的伺服電機(jī)控制手指各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，所以我們應(yīng)該選擇“運(yùn)動軸”選項(xiàng)，然后選擇任意一個手指的第一個指節(jié)的運(yùn)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(jī)是選擇運(yùn)動軸類型
在點(diǎn)擊確定之前，應(yīng)該注意
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