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1、西华大学毕业设计说明书 目 录摘 要11 绪论21.1仿生机械的概述21.2课题的研究目的和意义31.3国内外该领域的研究现状31.4关节运动的驱动方式71.4.1绳索滑轮驱传动方式81.4.2 链条、钢带驱动91.4.3 闭式链连杆传动机构的驱动方式91.5本文主要研究内容102 原理方案的设计112.1 明确设计任务122.2 功能分析122.3 功能分析122.4 功能分解122.5 原理方案132.6. 具体工作原理142.6 本章总结153 机械手手指的运动分析163.1 手指机构运动学163.1.1 手指机构的自由度计算163.1.2 位置正解173.1.3 三自由度仿生机械手指的
2、位置反解分析183.2 仿生机械手指的速度分析223.3 仿生机械手指的运动空间分析与仿真234 基于Pro/e的仿生机械手的建模，装配及仿真254.1 Pro/e简介254.2仿生机械手各部分的建模264.3机械手的装配与仿真264.3.1机械手的装配264.3.2机械手的仿真32总结与体会36致谢词37参考文献381摘 要本设计是根据亚确定输入的原理设计的以少输入控制多自由度的三指九自由度机械手，当在机械手初始运动时机械手的每个手指作为一个运动单元作整体的运动，但当机械手手指的第一个指节因某种因素突然受阻，驱动力克服动力约束，自动启动了位于第一个指节和第二个指节之间关节的转动自由度，这时就
3、应用了各个手指的第二个自由度，同样的，当第二个指节和第三个指节间的转动自由度因为某种外在的因素突然受阻时，自动启动机械手各个手指的第三个自由度。这样就实现了机械手的以少输入控制多自由度的控制方式，以达到机械手对不同形状工件的抓取动作，可以达到省力、省能以及减少电动机设计容量，因而减少机构的负载及改善动力性能。【关键词】亚确定输入、自由度、指节AbstractThe design is based on the principle of deficient-determinate input to low input control means more than nine degrees of
4、 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
5、 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
6、 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 improv
7、e power sector performance .【Key words】deficient-determinate input；DOF；knuckle1 绪论1.1仿生机械的概述仿生学是近期发展起来的一门新兴学科，仿生学的的发展促进了与之密切相关的的仿生机械学的诞生和发展。机器人机构在仿生机械领域中发展最快，也是应用最广泛的仿生机构。模仿各类动物的行走爬行的动作，为移动机器人的设计与构思提供了美好的前景。在这里主要介绍生物运动机理与仿生机构的设计构思，为开展仿生机构的研究提供入门知识。在仿生机械中，仿生机构作为仿生机械的重要组成部分，是模仿生物的运动形态生理结构和控制原理设计制造出的功能
8、更集中效率更高应用更加广泛并具有生物特征的机构，是仿生机械中完成机械运动的物质载体。模仿生物的形态、结构和控制原理设计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。研究仿生机械的学科称为仿生机械学，它是20世纪60年代末期由生物学、生物力学、医学、机械工程、控制论和电子技术等学科相互渗透、结合而形成的一门边缘学科。在自然界中,生物通过物竞天择和长期的自身进化,已对自然环境具有高度的适应性。它们的感知、决策、指令、反馈、运动等机能和器官结构远比人类所曾经制造的机械更为完善。 模仿生物形态结构创造机械的技术有悠久的历史。15世纪意大利的列奥纳多达芬奇认为人类可以模仿鸟类飞行,并绘制了扑翼机图。
9、到19世纪,各种自然科学有了较大的发展,人们利用空气动力学原理,制成了几种不同类型的单翼机和双翼滑翔机。1903年，美国的W.莱特和O.莱特发明了飞机。然而，在很长一段时间内，人们对于生物与机器之间到底有什么共同之处还缺乏认识，因而只限于形体上的模仿。直到20世纪中叶，由于原子能利用、航天、海洋开发和军事技术的需要，迫切要求机械装置应具有适应性和高度的可靠性。而以往的各种机械装置远远不能满足要求，迫切需要寻找一条全新的技术发展途径和设计理论。随着近代生物学的发展，人们发现，生物在能量转换、控制调节、信息处理、辨别方位、导航和探测等方面有着以往技术所不可比拟的长处。同时在自然科学中又出现了“控制
10、论”理论。它是研究机器和生物体中控制和通信的科学。控制论是沟通技术系统和生物系统工作原理之间的桥梁，它奠定了机器与生物可以类比的理论基础。1960年 9月在美国召开了第一届仿生学讨论会，并提出了“生物原型是新技术的关键”的论题，从而确立了仿生学学科，以后又形成许多仿生学的分支学科。1960年由美国机械工程学会主办，召开了生物力学学术讨论会。1970年日本人工手研究会主办召开了第一届生物机构讨论会，从而确立了生物力学和生物机构学两个学科，在这个基础上形成了仿生机械学。 仿生机械研究的主要领域有生物力学、控制体和机器人。生物力学研究生命的力学现象和规律，包括生体材料力学和生体流体力学，生体机械力学
11、和生体流体力学。控制体和机器人是根据从生物了解到的知识建造的工程技术系统。其中用人脑控制的称为控制体(如肌电假手、装具)；用计算机控制的称为机器人。仿生机械学的主要研究课题有拟人型机械手、步行机、假肢以及模仿鸟类、昆虫和鱼类等生物的各种机械。1.2课题的研究目的和意义自从1960年第一台机器人问世以来，机器人技术有了迅猛的发展，在国防、科研、生产等领域都有了广泛的应用，代替人们从事一些复杂的、危险的、或者非人可达的工作，从而减轻了人们的劳动强度，提高了效率，扩大了人类活动的空间。但是就目前国内外的工业机器人而一言，大都是针对专门的任务而设计的，使用的也是夹钳式或平行移动式的单自由度末端执行器。
12、这种末端执行器的结构简单，控制方便，对于实现负荷的大范围运动作业十分有效，但却存在以下几个方面的缺点：1.它对物体的夹持和定位是通过施加较大的压力所产生的摩擦力来实现的，不存在抓取的几何封闭和力封闭，因此难于达到很高的抓取精度，稳定性和可靠性差。2.它限制了机器人系统的精细作业水平。传统的机器人通过臂调整末端位置，通过手腕调整末端姿态。由于臂的尺寸较大，因此通过整个臂部的运动很难实现物体的精确位姿调整和操作，且动态响应较差。3.它缺少精确的力控制，只能完成夹持力要求不高的作业。4.不能适应物体外形的变化。多指灵巧手的研制有助于解决上述问题。因为作为末端执行器的灵巧手相当于安装在机器人臂上的可独
13、立实现精细操作运动的一组机器人，通过机器人臂实现粗定位，利用灵巧手实现精确定位。若采用适当的抓取方式和抓取规划算法，从理论上可以抓取任意形状的物体并且对物体施加任意的运动和力。这对提高机器人智能化作业水平有着重要的意义。本课题通过对灵巧手手指结构的优化设计及对控制系统的研究，想解决以下几个问题:（1）能适应被操作对象外形的变化、尽可能抓取不同形状的物体;（2）能控制操作力，以便对不同材质的对象进行操作;（3）能对被抓物体进行微小的位姿调整;（4）通过上位机控制完成抓取运动规划，能够使灵巧手平稳的运动并能实现对物体的稳定抓取。1.3国内外该领域的研究现状1962年美国就有一种类似多指灵巧手的手爪
14、制造出来。但是真正的灵巧手是1974年日本的okada手1，如图1.1所示。该手具有三个手指，有一个手掌，拇指有三个自由度，另两个手指各有四个自由度。各自由度都是由电机驱动，并由钢丝和滑轮完成运动和动力的传递，属于n驱动方式。该手的抓取重量为0.8Kg，自重0.24Kg。这种手的灵巧性比较好，但由于拇指只有三个自由度，还不是最灵巧的手。此外，在结构上，各个手指细长而单薄，难以实现较大的抓取力和操作力。德国宇航中心研制的DLR手被公认为迄今为止世界上最复杂、智能化和集成化最高的仿人机器人多指灵巧手2。如图1.2所示，该手是一种仿人手，它是由四个完全相同手指组成，每个手指有四个关节。整个手共由10
15、00个机械零件以及1500个电子元件和112个传感器组成。其中，末端的两个关节同人手类似，存在着机械祸合，使用一个驱动器进行驱动。基关节使用两个驱动器，实现两个方向的运动。DLR手采用电驱动方式，使用微型直线驱动器作为驱动元件，n+1驱动方式。该直线驱动器将旋转电机、旋转直线转换结构和减速机构融为一体。所以它可将所有的驱动器集成在手指或手掌中，减小了手指的尺寸，同时使腿的传动距离缩短，提高了动态响应。DLR手在每个手指上集成有28个传感器，包括类似人工皮肤的触觉传感器、关节力矩传感器、位置传感器、速度传感器和温度传感器等。图1.2DLR多指灵巧手指具代表性的多指灵巧手是1985年美国麻省理工学院和犹他大学联合研制的Utah/M工T灵巧手3，这是一种仿人手，其大小、形状、功能都与人手相似。Utah/MIT手采用了模块化的结构设计，四个手指(拇指、食指、中指和无名指)完全相同，每个手指有四个自由度，各手指都连接到手掌并且相对于手掌运动。手指的每个关节都由腿(绳索)、滑轮进行远距离带动，属于2n驱动方式，驱动元件采用的是一排气动伺服缸，能在指尖上产生31N的抓取力。16个位置传感器装在每个关节上，32个腿拉紧传感器装在腕后面。目前该手多用于实验室的各种研究，它的主要问题是关节自由度太多，控制太复杂，难以实现实时的在线控制，还未得
