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1、第三章 智能机械手的整体结构设计 智能机械手的结构设计应尽可能从仿生学的角度出发，通过设计出仿人形的多指智能手来代替人手完成各种精细复杂的操作。它是机构、传动、控制三大系统的综合设计，人类的四肢经过了几十万年进化，经过了大自然的优胜劣汰的优化选择，可以说已经是最优的结构，所以本设计决定采用完全模仿能人手的结构。3.1智能机械手的机构设计 手的机构设计主要是确定机构的自由度、手指数目、机构原理、传动方案、关节、手掌的结构及几何尺寸、传感系统的布置位置。首先要求机构具有较高的运动传动精度，较好的可控性和经济性;其次要求机构本身有较佳的机械特性。本文智能机械手的设计主要包括以下七个方面：1) 手指关
2、节运动副的型式2) 手指自由度 3) 手指数目4) 手指的结构型式(关节的数目及相对姿态)5) 手指材料6) 手指具体结构设计7) 手掌结构设计 3.1.1手指关节运动副型式 智能机械手的手指机构同其它任何机构一样，由若干构件组成，构件之间则通过运动副彼此相连，用来产生确定的运动。运动副相当于人手的关节。常见的运动副有转动副、移动副、螺旋副、圆柱副和球面副，它们的约束数分别为5、5、5、4和3，相应的自由度数目为l、1、1、2和3。由于各运动副都要借助于驱动器来实现。而无论是转动的还是移动的驱动器又大多为一个自由度。所以在智能机械手关节驱动中，可以采用的只有转动副、移动副和螺旋副3种。但是采用
3、移动副和螺旋副的关节只能够使手指获得直线运动，其灵活性明显要比只含转动副的手指要差，因此，本文所设计的智能机械手的运动副全部采用转动副。3.1.2手指的自由度自由度多的优点是在满足指端到达空间指定点的前提下，可以调整末杆的姿态，从而保证手指与物体的接触处于最佳状态。但是我们也可以看到，自由度增多，结构也更复杂，控制也更难。对于2自由度的手指来说，虽然不存在抓取和操作物体的灵巧性，但其智能机械手的结构设计和控制设计都很方便。本文设计的智能机械手每个手指有2个关节。3.1.3手指的数目人手能够抓取各种不同形状、不同材质的物体，其根本原因在于人手能采取各种各样的抓取姿态去适应特殊的任务要求。智能机械
4、手的手指数目若小于3个，则无法完成对抓取物体的微细操作，当手指数为5时，是仿造人手的手指数目和结构，具有很多优势，如果技术允许可以完成人手的所有动作如图2-1，而且如果作为人的假肢则必须为5指。若手指数目多于5，由于每个关节需要分别独立驱动，如果再加上若干传感器，规划过程和控制过程都相当复杂，很难保证实时性，所以智能机械手的手指数目一般取3到5个手指。从仿生学角度出发，为能实现对各种不同形状物体的抓取，本文设计的智能机械手的手指数目取为5个。 图3-1人类手指对任意物体的抓取方式 通过对人手抓取任意物体方式的分析，可以将人手的抓取方式分为:手掌接触抓取、手指侧接触抓取、手指侧面接触抓取、3个虚
5、拟指的抓取、混合抓取等。而智能机械手对物体的操作即是实现不同抓取方式之间在的转换的运动。其中前三者为人手抓取的基本类型，可以实现其它几种类型的抓取。(1).指端接触抓取将大拇指作为“虚拟指1”，另外四指作为“虚拟指2”的相对面抓取。它具有良好的抓取灵活性，抓取精度较高，但在抓取稳定性及抓取力上受到一定限制。(2).手掌接触抓取定义手掌为“虚拟指1”，除大拇指外的四指为“虚拟指2”的相对面抓取。它以牺牲抓取灵活性以换取抓取的稳定性，手掌及各指的大面积接触被抓物使手抓充分发挥出抓取力，同时提供足够的摩擦力。大拇指可以用以增加抓力，因此这种抓取方法保证了最大的抓取力和抓取稳定性。(3).侧接触抓取大
6、拇指为“虚拟指1”，食指朝大拇指的侧面为“虚拟指2”接触面的抓取，其抓取灵活性和稳定性介于指端接触抓取和手掌接触抓取之间。本文所设计的五指智能机械手结构简单，易于控制，又能满足它对于各个应用环境都能很好的适应的功能要求，进而验证了选择手指数目的正确性3.1.4手指的结构形式 图3-2 由2个转动副构成的手指结构对于2自由度手指，按照关节轴线之间是否平行、相交垂直和交错垂直三种情况，共有9种不同的关节配置。由于轴线相交垂直使得传动布置较为困难，去掉这些情况还有4种组合，如图3-2所示。从手指的控制方面以及本文研究对象的具体要求，采用第种手指结构。3.1.5手指的材料为减轻重量，同时也由于手指所抓
7、取物体一般都不是很大，所以，手指的结构材料一般选用铝合金，本文设计采用7A04(超硬铝)为材料，刚度、强度好，重量轻。在一些特殊情况下，也可以采用碳素钢、铸钢、合成朔料等。一般在手指的表面再粘附一层橡胶或软塑料等材料，以减小手指与物体接触时的冲击，同时也可以增大接触摩擦力。3.1.6手指具体结构设计通过以上对智能机械手手指的结构分析，我们得出了手指的具体结构。由于智能机械手采取模块化设计，五个手指结构基本相同，其具体结构如图3-3至3-5所示，具有以下特点： 1.每指关节采用了由螺钉装配的活耳片，使手指关节的装拆更方便。2.指根座上预留螺钉孔，使五指能很容易的装配在手掌上。3.除了传动轴和手掌
8、外，整个手指采用7A04材料;强度高，刚性好，重量轻。4.表面材料为橡胶，可减少手指与物体接触时的冲击和增大磨擦 图3-3 拇指结构 图3-4 食指结构 图3-5 中指、无名指、小拇指结构3.1.7 手掌结构设计 研究出来的智能机械手可以分为具有手掌(以DLR手为代表)和不具有手掌(以JPL手为代表)两类。没有手掌的智能手，其抓取和操作的灵巧性都比较好，对抓取尺寸比较小的物体并对其进行微细操作有利;而具有手掌的智能机械手，当手掌及各指的大面积接触被抓物体能使手爪充分发挥出抓取力，同时提供足够的摩擦力，从而大大提高其抓取稳定性。就一般性和通用性而言，手指抓取应先以稳定性为前提，而且可以通过优化设
9、计来弥补灵活性的不足，故本文研究对象选择有手掌的结构形式。手掌结构设计较为复杂，要考虑的因素很多，因为它随着手指结构的不同而不同，几乎没有通用性。设计手掌主要考虑了手指根指座的支撑和定位安排、电机的安装定位、信号线的布置等因素。根据仿生学本文设计的手掌结构如图3-6所示：图3-6智能机械手的手掌结构它具有以下特点：1.手掌的部为一空腔，便于安装电机，引出驱动绳索和各种信号线；2.手掌的掌心处为一平面，便于与手指配合抓握物体；3.采用LC4为材料，刚度、强度好，重量轻。3.2 智能机械手传动方式的设计常见的几种比较常用的机械传动机构主要有以下几种：1. 齿轮传动：齿轮传动效率高，结构紧凑，工作可
10、靠，寿命长传动比稳定等。2. 蜗杆传动：蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力，传动比大，冲击载荷小，传动平稳，噪音低；并具有自锁性。3. 带传动：带传动是由固联于主动轴上的带轮，固联于从动轴上的带轮和紧套在两轮上的传动带组成。带传动具有结构简单，传动平稳，造价低廉以及缓冲吸振等特点。主要的带传动类型有v带传动多楔带传动和同步带传动。4. 链传动：它由链条和主，从动链轮所组成。链轮上制有特殊齿形的齿，依靠链轮轮齿与链节的啮合来传动动力。链传动的优点是能保持准确的平均传动比，传动效率高轴上所受径向力小；但同时存在两根平行轴只能同向回转传动不能保持恒定的瞬时传递比。综上所述，根据智能机械手对于
11、传动机构各种要求以及综合考虑个传动形式的优劣情况具体选择确定了各手指关节的传动机构。拇指2个关节、食指2个关节和其余3个手指的第一个关节共7个电机。传动方式拇指关节1采用锥齿轮传动（如图3-7所示），关节2采用蜗轮蜗杆传动；食指2个关节都采用蜗轮蜗杆传动（如图3-8所示）；中指、无名指和小拇指的关节1采用蜗轮蜗杆，关节2采用带轮传动（如图3-9所示）。图3-7 锥齿轮传动简图图3-8 蜗轮蜗杆传动简图图3-9 带轮传动简图3.3 智能机械手驱动动方式的设计驱动系统是机械手的重要组成部分，对系统的性能和操作能力具有决定性的作用。在一般情况下，机械手的驱动系统由驱动器和传动系统两部分组成。驱动器是
12、驱动系统的核心部件，用以产生运动和力；传动系统将运动和力从驱动器传递到智能机械手各手指的关节。 常见的驱动方式有： 电驱动：它是是技术最成熟、应用最广泛的一种驱动方式,为大多数智能机械手所采用。从电机的静态刚、动态刚度、加速度、线性度、维护性、噪音等技术指标来看，是综合性能最好的一种。 液压驱动; 它具有很好的稳定性和可靠性、很高的力矩体积比、很强的阻转能力,驱动器的结构简单并且价格便宜等。但是,在智能机械手中采用液压驱动方式有很大的难度和弊端,如:存在较大的泄漏流量,微型阀对污染物十分敏感等。 气压驱动：能量存储方便;传动介质空气来源于大气,获取很方便;气压传动具有抗燃、防爆及不污染环境;且
13、具有柔性，但是驱动器的刚度和空气的可压缩性有关,通常是很低的,并且驱动器的动态性能较差。 其它的新型驱动；如压电瓷驱动、可伸缩性聚合体驱动等。 综合比较以上各种驱动方式的优缺点 考虑到电驱动的技术比较成熟，而且电驱动具有良好的静态，动态刚度；大的加速度；好的线性度、易于维护、噪音低等这些优点，电驱动的综合性能明显比液压驱动和气压驱动来的所以选择电驱动作为智机械手的驱动方式。3.4 电机的选择 智能机械手的选择电机一般从电机的转速和扭矩方面的性能做为主要数据来考虑，一般根据资料人手手指的运动速度为4-5mm/s左右，根据各手指的传动比以及传动机构具体形式，根据估算得电机的转速应该在1918r/m
14、in左右。而且考虑到智能机械手的手指尺寸非常小一般的电机根本就不适用。必须选用微型电机根据综合比较国外个厂家生产的微型电机的性能最终选择了faulhaber公司生产的MicroMo 1516-006SR +型号的微型电机。因为电机的转速比较大，在联接机械传动部分之前，首先通过减速发动机进行了一次减速，由于其型号要与所选的电机型号相配，通过查阅资料进行比较，选用了与其配套的Gearhead Micro 15/5型齿轮减速箱。3.4 智能机械手总体结构尺寸的设计人类的4肢经过了几十万年进化, 经过了大自然的优胜劣汰的优化选择, 可以说已经是最优的结构。所以，机器人智能机械手的结构尺寸可以参考人类手
15、指的长度比例，并加以适当放大或缩小，或根据所设计的智能机械手的使用场合作适当的尺寸调整，根据测量本人手指的具体尺寸，给出智能机械手总体尺寸的参考，最后确定出智能机械手的总体结构尺寸.。图3-10 智能机械手装配图通过对智能机械手手指、手掌以及驱动和传动系统的结构设计，我们得出了智能机械手总体结构，装配图如图3-10所示。维了能更好的展现智能机械手的各部分结构及传动方式，特对智能机械手中的中指进行了爆炸效果的处理，得到了中指的爆炸视图如图3-11： 图3-11 中指的爆炸视图3.5本章小结本章详细分析了智能机械手手指的机械结构和手掌的机械结构，包括手指的数目、自由度数、关节运动副型式、结构形式以及手指的材料；根据本文的实际需要，确定了智能机械手的驱动方式为电驱动方式、传动方式为锥齿轮、蜗轮蜗杆和带轮的方式，给出了传动方式的结构图；最后给出了智能机械手的装配图。
