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1、仿人手机械手设计 单位名称：河南工程学院 设 计 者：郭旭各、刘朝俊、段永朋 指导教师：吴素珍、王新莉 摘 要本文设计了一个与人手相仿的五指仿生机械手。采用气动系统作为其驱动方式，利用连杆进行动力传递，实现机械手各关节的弯曲功能。为了以自然、直观的方式控制仿人机械手，提高仿人机械手的操作性能，设计了数据手套和仿人机械手控制系统。提出了从14-传感器数据手套到仿真虚拟手和五指型仿人机械手的关节角度映射方案。设计了实时仿真控制的控制模式，借助数据手套上的传感器可实时控制机械手动作，解决了传统仿人机械手时运动时不能够实时控制的问题。Solidwoeks建模与仿真结果证明了仿生机械手和基于人手姿态传递
2、感应信号的数据手套的正确性和实用性。本文重点介绍了目前国内与国际上仿生机械的研究现状，展示了该机械手的设计结构与基本运动原理，考虑了在小体积、多自由度状态下的机械机构的灵活运动的问题以及其部分力学性能的校验与分析；绘制了仿人手机械手各部件的零件图、机械手的装配图，同时基于solidworks对仿人手机械手的各个零部件进行了三维建模及整个机械手的虚拟装配。给出了数据手套的机械结构原理以及传感器的信号检测方式，并介绍了与其相适应的控制系统。关键词：仿生机械手 数据手套 实时仿真 在线控制 目 录第一章 绪论11.1仿人手机械手及其虚拟现实控制系统的研究现状11.2 研制仿人手机械手的必要性及意义2
3、第二章 总体设计方案32.2.信号输入方式选择32.3驱动方式选择42.4传动方式选择5第三章 机械手具体结构设计63.1人手解剖学分析及机械手力学模型的建立：63.1.1人手运动学特点63.2.1 气缸顶端连杆的受力分析103.2.2 气缸的运动特性与设计113.2.3 气缸活塞杆拉压校核123.2.4 连杆销剪切强度校核133.2.5 全系统力学性能状况13在完成对单个手指的力学性能分析后可得到全手的力学性能13第四章 数据手套详细设计144.1 数据手套运动结构分析144.2 数据手套上传感器的安装16第五章 仿人机械手虚拟装配165.1各零部件的模型建立165.1.1手指各个零件的设计
4、与建模165.1.2关于机械手，手指根部及手掌的设计及优化185.2仿人手机械手的整体装配2053总结20第六章 控制设计方案216.1 控制系统具体设计方案216.2 数据手套上的感应系统的设计21结论 创新点与不足227.1本系统再设计中的创新点227.2本系统在设计中的不足与未来的改进方法23参考文献24第一章 绪论1.1仿人手机械手及其虚拟现实控制系统的研究现状从第一台商业机器人诞生至今，人类探索的脚步就从来没有停止过，四十多年的历史，机器人的理论和技术不断地发展和完善，其中相当一部分已经成熟。人作为机器人最初的设计原型，直到今天，依然不能完全将其运动器官所做出的所有动作使用机械结构全
5、部表达出来。在人体各运动器官中，人手无疑是其中最复杂而又最灵活的部分。人类在自然界400万年的进化过程中，人类的手逐渐演变成为了大自然所能创造出的最完美的工具。 而在今天，人手被认为是与神经系统中枢大脑和感受三维空间的眼睛相并列的三大高度智慧器官。对人类来说，每只手都有29块骨头，这些骨头由123条韧带联系在一起，由35条强劲的肌肉来牵引，而控制这些肌肉的是48条神经。这些从一个侧面提供给了我们一个全面的机械运动系统。随着机器人应用领域的不断扩展，机器人作业的任务和环境的复杂性不断增加，仿人机械手作为机器人末端操作器，具有多自由度、多指协调、灵活性强的特点，因此能满足更灵巧以及精细的任务的要求
6、。手是人与外界进行物理接触及意识表达的主要媒介。当人与计算机控制系统进行交互操作时,传统的输入输出接口设备,如键盘、鼠标等只能限制手在桌面上或一个小区域内进行简单的运动控制,而表达意识的大多数手的自然运动被牺牲了,妨碍了人们对系统控制意识表达的全面性与灵活性。数据手套可以跟踪操作者灵活多变的手势及空间方位,使操作者自然而然地将自己的意识传送至计算机。因此数据手套作为一种重要的人机交互接口,广泛地应用于虚拟现实的研究领域中。在哺乳动物中，人类的手独一无二。大拇指同其他4个手指相对的结构是人手的最大优越性，许多类人猿可以将自己的拇指和食指对合，但不能将拇指与中指、无名指以及小指对合，因为它们的手指
7、不够柔韧。只有人类，可以自如地运用自己的手指，这是人类文化和科技进步的关键。仿人机械手是一个复杂的机器人系统，若采用传统的操作者向控制器输入指令的控制模式，很难实现实时性和较好的交互性。采用数据手套作为输入，不仅能灵活的控制仿人机械手，而且具有自然、直观、实时性强的优点，是提高仿人机械手操作性能和作业水平的有效途径。图1-1 一种仿人手机械手的设计模型目前，在国外，有使用数据手套作为输入设备，对机械手抓取操作控制等的研究 ，也有对手势识别的研究。在国内，也有学者对相关方面的研究，然而，许多都是控制虚拟手的操作，或者以静止的几种手势指示机器臂的运动。本设计提出使用数据手套作为输入设备，映射为机械
8、手运动信息后，在虚拟环境中实时控制仿真虚拟手的运动，以及以在线控制的方式，最直观的控制仿人机械手的运动，其中包括直接控制和手势识别控制。同时，借助仿真虚拟手可以实时反映人手动作，及时展示运动效果，解决了仿人机械手的电机运动速度比人手运动速度慢而造成时延带来的控制效果不直观的问题。 虚拟现实(Virtual Reality,简称VR)技术是近年来最热门的研究领域之一,有着巨大的发展潜力和广泛的应用前景,受到各界、尤其是军方的青睐。虚拟现实是一种虚拟的沉浸式交互环境,具体地说,就是采用以计算机技术为核心的现代高科技生成逼真的视、听、触觉一体化的特定范围的虚拟环境,用户借助必要的设备以自然的方式与虚
9、拟环境中的对象进行交互作用、相互影响,从而产生“沉浸”于等同真实环境的感受和体验。VR带来了人机交互的新概念、新内容、新方式和新方法,使人机交互的内容更加丰富、形象,方式更加自然、和谐。随着虚拟现实技术在各个领域的广泛应用,数据手套的研制和应用也不断深入。例如,美国宇航局的Ames实验室将数据手套工程化,使其成为可用性较高的产品,在约翰逊空间中心完成空间站操纵的实时仿真。美国Boneing公司制造了一架虚拟飞机,运用数据手套进行控制,从而观察设计结果,考察性能指标。NEC公司开发的虚拟现实系统,操作者通过使用数据手套可以处理三维CAD中的形体模型。国内的研究也取得了一批成果。1.2 研制仿人手
10、机械手的必要性及意义在高新技术快速发展的今天，仿生机械学已经成为一个重要的发展方向。在仿生机械中，以人类身体为原型的仿生机械目前正处于火热的研究中，手作为人类身体上最复杂的运动器官以成为仿人机械研究与发展中的重点和难点。想要作仿整个人体的运动机械，就必须做好人手的机械结构与控制系统。而人手由于其在使用中的灵巧性与方便性，又不能是其他机械手所能替代的，因此，将仿人手机械手作好是十分必要的。由于实际应用环境较为复杂，面对如今严峻的社会形势，仿生机械可手替代人类完成一些危险、复杂情况下的工作。比如，在航天领域，利用仿生机械手完成在宇宙空间内安装、维修机械设备的一些工作，这样可避免在宇航员进行太空行走
11、时所带来低压、辐射等危险；在安全领域，可利用仿生机械手完成诸如探险营救，搬运危险品等恶劣条件下的工作；在化学、生物领域，由于仿生机械手具有对人手动作高仿的特性，因此可利用仿生机械手完成危险的生物化学实验，从而保证实验者本身的人身安全。对于数据手套，这是一种结合了机械、电气控制、仿生学等多领域的先进技术设备，它的设计思想本身具有创新性，其多学科技术跨越也需要设计与制造人员有一定的综合能力与创新能力。而在当今复杂的国际形势下，对于仿生机械的设计水平与技术先进程度也从一个侧面反映了一个国家科研的综合技术水平，因此对仿生机械手及数据手套的研究有重大的意义。第二章 总体设计方案2.1 系统框架从设计题目
12、上看，本系统机械部分主要由机械手、数据手套两大部分组成，为辅助机械系统能够完成更加灵活稳定的运动，还需要为本系统设计一个合理的电气控制系统。图2-1 系统总体方案设计2.2.信号输入方式选择在通常所见到的机械手中，很多是将事先写好的程序输入到ROM中存储，让处理器读取并运行这些程序，从而完成一些动作。这样的机械手的智能程度大大降低，机械手所作出的各种动作取决于编程者事先输入的程序。为使机械手能够实现操作者想要做出的各种动作，本系统采用了数据手套作为整个系统的输入方式。其原理是利用架设在人手上的各种传感设备对人手的动作进行检测，如图3所示。即设计一个布满传感器的手套，操作者佩戴这个手套时，传感器
13、会自动记录操作者各关节的检测量变化情况。然后将各信号进行转换、处理。图2-2 控制系统的信号输入方式该信号输入方式有别于其他机械手，因此可以使机械手做到实时生成操作者想要的动作，同时对操作者也无任何计算机编程方面的要求，因此在工程应用上将有广泛的前景。2.3驱动方式选择虽然仿生机械手的种类较多，但根据其关节运动驱动机构来分，一般有两种：第一种机械手的各关节转动的驱动方式是采用旋转驱动方式，其动力来源一般是各型号的电机和舵机。如图2-3所示使用这种驱动方式的机械手机械结构简单，动作十分灵敏，控制较为方便。但是驱动设备一般体积较大，而且受驱动设备性能参数的影响，一般抓取力量较小，在工程应用中较少。
14、图 2-3 采用旋转驱动方式的机械手第二种机械手的各关节转动的驱动方式采用的是直线驱动方式，这是目前世界仿人手机械手研究与发展的主要方向。这种机械手大多以解剖学为基础，以人手的实际运动方式为原理，驱动设备多样，目前应用较多的有液压系统、气压系统、直线电机等等。这种机械手受到其驱动设备的影响，机械手尺寸与力学性能也有较大差别。液力驱动机械手一般抓取力较强，是目前力学性能最好的机械手，但是采用液压驱动的机械手一般重量与体积都比较大，而且液压控制系统的反应速度较低，所以其机械手的灵敏性和灵巧程度收到了很大的影响。而气动机械手较之液力驱动机械手，其力学性能上有一定的差距，但是气动系统通常体积较小，而且
15、启动设备安装方便，同时又能够保证整个机械手具有足够的灵巧程度与灵敏性，所以，对于小型仿人手机械手，这种驱动方式更能够发挥其作用。因此，本机械手设计采用了气动系统作为整套设备的驱动方式。 2.4传动方式选择由于输入方式选用了气动系统，因此在传动方式的选择上也较为明确，日本和德国都曾经成功制作了以引线传动的仿生机械手如图2-4所示，是德国刚刚研制成功的新一代仿生机械手。这种机械手的传动十分灵活，具有多个自由度，并且机械结构简单。但是考虑到工程实际应用，这种机械手不能提供较大的抓取力度，因此在应用上受到了一定的限制。图2-4 线传动机械手因此本系统采用了连杆机构作为机械手的传动方式。相比于其他传动方式，采用连杆机构
