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1、仿人柔性机械手设计摘要灵巧机械手是近年来机器人领域讨论的热门话题，世界上很多国家的研究机构都开展 了关于机械手的研究。本文重点讨论了机械手的运动系统，包括机构，传动和驱动，本课 题主要研究内容如下：第一章 概述。主要介绍课题来源、国内外现状以及本文所要作的工作。第二章 灵巧机械手总体方案设计。先后介绍了灵巧机械手总体方案的初步设计，灵巧机械手的设计步骤、主要参数的计算、关键的结构设计，机械传动系统和电气驱动设计。第三章 对方案二的改进设计综述。论述了方案二的结构与传动设计。第四章 关键结构（零部件）的分析和设计。为了提高机械手的运动速度和控制精度， 要求机械手的传动机构具有结构紧凑、体积小、重
2、量轻、无间隙和响应快的特点。第五章 总结和提高。本章是对全文的总结，在总结的基础上进一步的指出了本课题 研究存在的问题，及灵巧机械手研究发展方向等。关键词：仿人柔性机械手 工作原理 机构设计 自由度Design of Humanoid Flexible ManipulatorAbstractThe flexible manipulator is the hot issue that the robot realm discusses in recent years andMany research institutions have conducted research on the robo
3、t. This essay discussed the sport system of flexible manipulator, include mechanism, transmission and drive, this topic mainly studied the contents as follows:Chapter 1 Outline. Introduce the subject of the source of the topic at home and abroad as well as the work which will be accomplished.Chapter
4、 2 Overall program design. Introduce the preliminary design of the dexterous manipulator of the overall program, design steps, the calculation of the main parameters, the key structural design, mechanical transmission, and electric-driven design.Chapter 3 The plan of the two design improvement. Disc
5、usses the structre and transmission designChapter 4 Analysis and design of key structures (parts). In order to improve the robots movement speed and control accuracy, the robot drive mechanism has a compact structure, small size, light weight, seamless and fast response.Chapter 5 S ummarize and impr
6、ove. This chapter is a summary of the full text, and further pointed out the problems in this research, and Dexterous Manipulator direction of development on the basis of summing up.Keywords: Flexible manipulator; Working principle; Mechanical design; Freedom degree目录1. 引言11.1课题来源11.2国内外现状21.3关键技术 4
7、1.3.1小而强的驱动51.3.2丰富的感觉 51.3.3聪明的大脑62. 灵巧机械手方案设计72.1灵巧手设计的基本原则 72.1.1手型的选择72.1.2自由度的选择72.1.3驱动器的选择72.2总体方案的比较83. 方案二的改进设计综述103.1手指机构的传动方案设计 103.2 FRJ-11灵巧手的整体结构设计 113.2.1关节的结构设计 113.2.2手指关节间连接机构的设计 133.2.3手掌的结构设计与制作134. 关键结构（零部件）设计与分析 154.1手指机构设计 154.1.1 拇指机构运动学分析 184.1.2 4关节手指机构（食指，中指）运动学分析 194.2传动与
8、结构设计214.3驱动设计245. 纟吉论与展望 255.2未来展望25结语27参考文南犬28致谢291. 引言机器人多指灵巧手是一种仿人手的装置,它具有力觉、触觉、视觉和温度感知能力,可 以代替人在危险、恶劣的环境下完成普通装置所不能完成的复杂操作任务。多指手的每个 手指都相当于一个独立的、具有多自由度的微型机器人,这样通过协调各个手指间的相互 运动就可以实现对不同类型物体的精确操作。但同时多指手的使用使得整个系统的复杂性 增加,另外,由于操作上的要求,仿人形灵巧手本身的体积有比较严格的要求,所以设计一 种高性能且紧凑的控制系统对多指灵巧手的起着至关重要的作用。本论文根据人手抓取物体的仿生学
9、原理所设计机器人手爪为3指手爪，其中一个为拇 指，两个分别为食指和中指，并且按人手机构布局。3个手指共有11个自由度。其中拇指有 3个自由度，其余两根手指分别相当于食指和中指，它们结构相同，都具有4个自由度。每 个关节分别采用一个电机进行驱动。本文在完成了对机械手结构设计的同时，还对各手指 进行了运动学分析，以便于对机械手实现控制。在此，我通过整个设计过程，阅读相关文献资料，我对灵巧机械手技术有了一个全新 的认识，对我们国家的机械手技术产生很大的信心，也对机械手技术的未来充满期待。相 信随着我们国家国民经济水平提高，我国的机械手技术也会有一个相当大的飞跃，一定会 赶上甚至超过世界先进水平。1.
10、1 课题来源自 40 多年前，第一台计算机控制的机械臂出现之日起，人类将机械的概念延伸到了 一个新的领域机器人。在制造领域，可以看到众多机械臂在替代人们执行各种操作任 务，如喷漆，焊接，搬运，装配等。然而还有许多操作任务单靠机械臂的运动无法完成， 例如太空，水下，核辐射等环境下的实验，维护。排险等复杂任务。于是像人手一样的机 械手成为期待的目标。然而人类能否造出如此灵巧的机械手呢？在机械技术领域研究人员 一直在探索解答这一问题的技术途径。经过十几年的研究，世界一些大学和研究机构开发 出多种机械灵巧手样机。它们日益显示出在危险和有害环境下代替人类执行复杂操作任务 的可能性。像人一样，机器人需要用
11、它的手与环境发生作用。机器人发展初期，面向的需 求首先是制造领域，早期的工业机器人主要执行上下料的简单任务，功能单一的两指夹持 器就能满足任务需要。随着技术的进步，工业机器人开始向更多的应用领域发展，上百种 专门用途的“手”，统称为末端执行器，使机器人能够应对丰富多样的人物对象，从轮胎， 玻璃到布料，从大型金属热轧件到微小的电子器件。尽管如此，末端执行器仍然是制约机 器人应用的一个主要因素。于是，开发多用途机械手成为早期灵巧机械手研究的缘由和动 机。随着工业化的实现，信息化的到来，我们开始进入知识经济的新时代。创新是这个时 代的源动力。文化的创新、观念的创新、科技的创新、体制的创新改变着我们的
12、今天，并 将改造我们的明天。新旧文化、新旧思想的撞击、竞争，不同学科、不同技术的交叉、渗 透，必将迸发出新的精神火花，产生新的发现、发明和物质力量。机械手技术就是在这样 的规律和环境中诞生和发展的。科技创新带给社会与人类的利益远远超过它的危险。人若 失去双手，其生活和工作能力将极大降低。传统机器人多限于制造领域，一个重要原因在 于缺乏对复杂环境和对象的操作能力。研究和开发类似人手的智能灵巧手，对于机器人技 术在更为广泛的领域获得应用将会产生重要作用。机器人的发展史已经证明了这一点。机 器人的应用领域不断扩大，从工业走向农业、服务业；从产业走进医院、家庭；从陆地潜 入水下、飞往空间；。机器人展示
13、出它们的能力与魅力，同时也表示了它们与人的友好与合作。“工欲善其事，必先利其器”。人类在认识自然、改造自然、推动社会进步的过程中， 不断地创造出各种各样为人类服务的工具，其中许多具有划时代的意义。作为 20 世纪自 动化领域的重大成就，机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。世间万物，人力是 第一资源，这是任何其它物质不能替代的。尽管人类社会本身还存在着不文明、不平等的 现象，甚至还存在着战争，但是，社会的进步是历史的必然，所以，我们完全有理由相信 象其它许多科学技术的发明发现一样，机器人也应该成为人类的好助手、好朋友。中国的 未来在科学。展望 21 世纪，科学技术的灯塔指引着更加美好的明天
14、。怀着对灵巧机械手技术的浓厚兴趣和美好憧憬，这次毕业设计我选择了灵巧机械手作 为自己的课题，希望能通过这次毕业设计加深对现在国内外机械手方面的先进技术和成果 的了解，锻炼自己探索和创新的能力，树立为祖国科学技术的发展而奋斗的信心。1.2 国内外现状20世纪70年代至今，出现了多种灵巧手样机。从 20世纪70年代开始，伴随着计算 机控制技术的发展，出现了模拟人手结构的多指手。例如Okada手采用3个手指分别模仿 人手的拇指，食指和中指，总共 11个自由度，采用直流电动机驱动。20 世纪 70 年开发的多指手，在运动方面一考虑手指机构自由度为主，没有明显的手 掌，也没有触觉，力觉等外部传感器，靠测
15、量关节位置和力矩来控制指尖位置和抓持力。20世纪80年代初，美国斯坦福大学的学者Salisbury以灵巧性为焦点，探索了灵巧手 的设计理论和控制方法。他从运动学的观点出发，研究灵巧手需要满足哪些条件才能实现 对物体的抓持和操作。为此，他系统的分析了包含摩擦在内的接触约束，指出若要能稳定 抓持物体，并对物体施加任意的力和运动，灵巧手至少需要 3 个手指，且每个手指需要3 个自由度。20 世纪 80 年代中期，美国 Utah 大学生物医学设计中心和麻省理工人工智能实验室联 合开发了 Utah/MIT手，该手的设计兼顾了仿人和简单性的原则，采用模块化设计的思想， 将4个手指设计成相同的结构，在掌上采
16、用仿人式布局。每个手指4个自由度，整手16 个自由度，是当时自由度最多的仿人机械手。20世纪90年代，美国国家航空宇航局（NASA）和德国宇航中心（DLR）瞄准空间机 器人系统，相继开发出功能更强的灵巧手。NASA的喷气推进实验室首先开发了 4指灵巧 手,气候Johnson空间中心又开发了 Robonaut手。DLR的机器人研究中心也先后开发出了 两种型号的 4指灵巧手。自从1997年本田（Honda）公司率先推出人形机器人（humanoid robot）以来，Sony,HP 等公司相继进入开发行列，相继研发了 P3, Qrio等多种人形机器人。日本Gifu大学一人 形机器人和康复医疗为背景，在2002年开发出5个手指16个自由度的GifuII手。从
