佩戴式灵巧手主手机械系统设计【12张CAD图纸】【独家】

佩戴式灵巧手主手机械系统设计

32页 10600字数+说明书+12张CAD图纸

主手手背.DWG

佩戴式灵巧手主手机械系统设计论文.doc

半月齿 2.DWG

半月齿.DWG

大拇指安装板.DWG

导轮板.DWG

小齿轮轴.DWG

手指部件图.DWG

装配图.dwg

齿条导轮板.DWG

齿条板1.DWG

齿条板2.DWG

齿轮支撑.DWG

目录

摘   要i

Abstractii

第一章  引  言1

1.1  灵巧型触感交互装置的发展研究概况1

1.1.1  感应手套2

1.2  具有力反馈的主操作手3

1.2.1  穿戴型机械手4

第二章  灵巧手主手的设计概述9

2.1  设计综述9

2.2  灵巧手主手设计任务9

第三章  灵巧手主手的设计10

3.1  人手指关节10

3.2  灵巧手主手指设计11

3.2.1  被动式灵巧手设计11

3.2.2  主动式灵巧手设计11

第四章  灵巧手的控制17

4.1  计算扭矩的模型17

4.2  控制方法21

第五章  总结与展望23

5.1  总结23

5.2  佩戴式灵巧手的展望23

参 考 文 献25

致     谢26

附录27

摘   要

本文设计了一种五指输入的佩戴式灵巧手主手。主手可指挥机械手完成更为精密的任务，如定位、感知物体的质感等，并具有较高的效率，此外，还可以操作机械手在太空探索、核能开发等人难以适应的极端和精密微操的环境中以替代人手作业。该灵巧手具有符合人手结构的支撑骨架，外形与人手相似。我们根据人手结构，设计一种符合人手操作习惯，并且简单易于操作的主手。它采用类似齿轮齿条机构，通过与关节角位移成比例的延伸连杆长度的方法避免了主手手指弯曲时对操作者照成的干涉。该装置采用了反射式光电传感器和薄板式压力传感器，对操作者手指进行跟踪和压力测量。该主手单个手指的三个关节是关联的且由一个电机驱动，因此整个主手只能跟踪人手的自然弯曲过程，且具有较高的耦合性。

关键词：佩戴式灵巧手主手，传感器，操作者，机械手　　　In this paper, the design of a five-fingered wear type dexterous hand master is proposed. The dexterous hands can control slave hands to finish precise work with higher efficiency, such as fixed position and feel the material of a subject. What is more, it can replace people to work in some environment people can not work in it, such as dexterous micro operation and operation in extreme environments: space exploration, nuclear energy development. The dexterous hand master has a skeleton which is similar with human being’s. According to hand structure, we design a hand master which is simple and easy-to-use and in accord with hands habit. Our hand master is similar with rack and gear, it also avoid the interference when finger bends by extending the connecting rod which is proportional with joint angular displacement. The dexterous hand employs reflecting photoelectric sensor and plate type pressure sensor to track the finger of operator and pressure measurement. Three joints of each finger are parallel are driven by one motor. Therefore, hand master can only track the process of hand bending naturally and have higher couplin

Key Words：Wear type dexterous hand; Sensor; Operator; Slave hand

　　　触感交互装置是一种与操作者交换信息的机器人。一方面它将操作者的有关运动信息（一般是手部的）作为输入，另一方面将虚拟环境或远程控制中从机器人所受的力作用反馈给操作者。一般我们认为灵巧型触感交互装置即为具有力感应的主操作手。与仅有视觉反馈的系统相比, 灵巧型触感交互装置可以指挥从机器人完成更为精确的工作任务,如定位、感知物体的质感等,并具有较高的效率。

　　　灵巧型触感交互装置的两大主要功能是主操作手的运动位姿测量和力触觉反馈。目前，它主要用于两个方面：一、主从控制系统，如精密微操作、极端环境中的工作：外太空、核反应堆等。二、虚拟现实系统，如模拟外科手术、游戏以及各种模拟训练。早期触感交互装置一般只应用于主从控制系统，1949年美国ANL实验室研制的纯机械结构的M1型主从式遥操作机[ 1 ]是最早的应用实例。随着计算机的发展，智能化、虚拟现实及科学可视化促进了触感交互装置应用领域的拓展。现在，越来越多的触感交互装置应用于虚拟现实领域。

　　　由于人手上拥有最多、最丰富的触觉神经，因此目前所研究的触感交互装置大都基于手部结构。此外，相对人身体其他部位，人手的结构更加复杂，运动更加灵活，这也使得触感交互装置成为机器人研究领域的难点之一。近年来，各式各样的主操作手应运而生，从仅有位置检测的感应手套到兼具位置检测和力触觉反馈的交互装置。

　　　从结构上可以将主操作手分为穿戴型和桌面型。穿戴型主操作手一般具有符合人手结构的支撑骨架，外形与人手相似，其自身重量需由人手负担，一般固定于手掌背部（极少数采用掌内固定），传感器需参照人手关节位置进行放置。桌面型主操作手一般不需由人手负重，通常放置在桌面上或有独立支撑机构，传感器放置空间较大，结构上不受人手限制，但往往随着自由度的增加而变得庞大和复杂。

　　　主操作手的力反馈机构可以分为两类：一、主动式力反馈，即采用驱动器和传动机构对操作者手部产生反作用力，从而达到力反馈的效果。二、被动式力反馈，即采用阻尼器或弹性元件结合制动器、离合器等组成力反馈机构。主动式力反馈具有控制灵活，力作用较大等特点，但也有诸如结构较复杂，尺寸较大等缺点。被动式力反馈在控制灵活性上不如前者，但其具有结构简单，较安全等优点。          

1.1.1  感应手套

　　　市场上多以只具有位置检测的感应手套为主。随着虚拟现实，新型传感器以及计算机的发展，带力反馈的主操作手渐渐成为新宠。越来越多的国内外高校开展了该领域的研究，并取得了丰硕的成果，甚至各相关公司也纷纷推出自己的产品。由于相关研究作品非常丰富，下面将针对近几年比较典型的主操作手进行阐述。

　　　严格意义上讲，感应手套并不属于触感交互装置，早期还曾用于手语翻译[ 2 ]。然而在某些场合，感应手套可以经过加装力反馈机构，实现触感交互功能。一般，感应手套按传感原理可以分为光纤式、电阻或导电墨水式、机械式三种。具有代表性的作品有Data Glove、Power Glove、Exos’s Dexterous Hand Master（DHM）以及Cyber Glove等[ 3 ]。

　　　（1）Data Glove  由VPL Research公司设计的Data Glove曾经是当时最有名的感应手套。它使用光纤传感器测量手指的弯曲，光纤的一端连接光源，另一端连接光电探测器。当手指弯曲时，光纤也同时弯曲，而通过光纤的光强则依弯曲的程度成反比变化，依照光强与弯曲角度之间的线性关系实现了关节角位移的检测，而人手在空间的姿态由三维磁场传感器检测，该手套如图1所示。

图1.1  VPL  Data Glove图1.2  Mattel  Power Glove

　　　（2） Power Glove  Power Glove是由Mattel公司制造，其传感器基本元件为应变仪或导电墨水，由一条长约3英寸，表面涂有厚0.6mm导电墨水的多元脂构成，如图2所示。当手指弯曲时，传感器也随着弯曲发生电阻变化，从而计算出手指弯曲的程度。此外，它还采用了超声传感器来确定人手位置。

（3） Dexterous Hand Master（DHM） 由Exos公司设计的DHM使用复杂的外骨架结构固定在手指各关节之间，骨架由软金属铝制成，软带和衬垫把连杆机构固定在指关节之间，