抓握式灵巧手主手机械系统设计
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抓握式灵巧手主手机械系统设计开题报告.doc
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支架1_a4.dwg
支架2_a4.dwg
无名指a3.dwg
食指a3.dwg
食指装配_a1.dwg
目 录
摘 要i
Abstractii
第一章 引 言1
1.1 灵巧手系统的发展概况1
1.2 灵巧型触感装置的介绍4
1.2.1 穿戴型主操作手例说5
1.2.2 桌面型主操作手例说6
第二章 抓握式灵巧手主手的设计概述8
2.1 设计综述8
2.2 灵巧手主手设计任务9
第三章 抓握式灵巧手主手的设计10
3.1 简介10
3.2 灵巧手主手指根关节设计11
3.2.1 指根关节工作原理11
3.2.2 指根关节的具体设计12
3.3 灵巧手主手指尖关节设计13
3.3.1 指尖关节设计方案13
3.3.2 指尖关节的力反馈单元设计15
3.3.3小结19
第四章 主手的仿真分析20
4.1 ADAMS软件介绍20
4.2 指尖机构的仿真分析21
4.2.1 指尖机构的仿真建模与任务21
4.2.2 指尖机构的仿真过程22
4.3 手指架的仿真分析24
4.3.1 手指架的仿真建模与任务24
4.3.2 手指架的仿真过程25
4.4 仿真小结27
第五章 总结与展望28
参 考 文 献30
致 谢31
附录32
摘 要
本文设计并优化了一种五指输入的鼠标型抓握式灵巧手主操作手。灵巧手可用于太空探索、核能开发、医疗器械等人难以适应的极端和精密微操作环境中以替代人手作业。主操作手是灵巧手系统中用于测量人手运动位姿并实现力反馈的触感交互装置。我们从电脑鼠标获得启示，设计一种符合人手操作习惯，小巧、简单的主操作手。它的每根手指具有三个自由度，每个自由度都能实现力反馈。这种装置的指根关节采用杠杆原理实现，由直流电机驱动钢丝拉动手指后端实现力反馈。指尖关节采用滚球鼠标传动原理设计，通过控制一个球套环逐渐抱紧滚球，增大滚动阻力实现力反馈。最后，运用ADAMS软件对主手的静力学和动力学特性进行了仿真分析，依此优化设计方案。
关键词：五指灵巧手，触感交互装置，结构优化设计，ADAMS
随着科技水平的不断进步和新兴的交叉学科不断涌现，如太空探索、核能开发、医疗器械等都对机器人技术提出了更高的要求，而传统的工业机器人末端夹持器有一些缺点，如灵活性差，感知能力低下，力的控制精度不高等。近二十几年来，由于工程应用的迫切需要，多指灵巧手的研究工作得到了迅速的发展，并已逐渐成为一个专门的研究领域，涵盖从空间探索到医疗器械等领域中的一些重大课题。由于多指灵巧手涉及机构学、材料科学、机器人学、计算机图形学、自动控制等学科，近年来很多国家都已成立了专门的多指灵巧手实验室或研究中心，以大力发展这一高新技术。目前，国内该技术的研究相对薄弱。随着我国载人航天事业的成功，太空探索的步伐也就大大加快了！其中如何帮助宇航员太空舱外的探索变得十分迫切。由于太空服内与太空舱的气压不等，宇航员在走出太空舱之前至少需要准备三个小时；在走出舱外时，宇航员会立即翻起筋斗，与太空舱相连的安全索会缠绕起来，这些都增加了不安全因数。虽然在一般场合下，人手远胜于灵巧手，但穿着笨重太空服的宇航员手的技能与灵巧手相比，已没有优势可言。如果灵巧手具备了五个手指，就能为宇航员提供一个有效的工具，宇航员就可以在舱内操纵舱外的灵巧手进行太空探索。此外，国外在核能开发的恶劣环境下和微创手术的医疗器械中，也都开始应用灵巧手。因此，无论是从理论上还是工程应用上看，大力加强多指灵巧手的研究，都显得格外迫切。
灵巧手技术的发展经历了4个阶段。(1). 早期阶段。多指手最先是从假肢开始的。1509年，人们为在战争中失去一只手的年轻战士Berlichingen制作了弹簧驱动的假手。这只假手在战斗中发挥了重要的作用，但是在生活中却很不方便。在Berlichingen手之后人们又相继研究了许多假手，有些假手至今仍在使用。Chilidress将这些手分为装饰型、被动型、身体驱动型和外部动力型四种，其中动力型手从1920年开始流行，从30年代开始得到广泛的应用。(2). 初期阶段。Tomovic和Boni于1962年研制成功的Belgrade手最初是为前南斯拉夫的一位伤寒病患者而设计的，它被认为是世界上最早的灵巧手。从20世纪70年代开始，国际上开始进行机器人多指灵巧手的系统化研究。1974年日本研制成功的Okada手，可以完成将螺栓拧进螺母之类的操作，它是初期灵巧手的典型代表，如图1.1所示。(3). 中期阶段。20世纪80年代以来，灵巧手进入了一个快速发展时期，一批著名的灵巧手相继问世。如美国麻省理工学院和犹他大学1980年联合研制成功的Utah/MIT手(图1.2)、美国斯坦福大学研制的Stanford/JPL手(又称Salisbury手)(图1.3)等，这些成果奠定了灵巧手的理论基石和技术基础。(4). 20世纪90年代以后，以德国和意大利为代表的欧洲和美国在灵巧手方面的研究非常活跃，典型代表是意大利研制的DIST手(图1.4)和UB手(图1.5)、德国宇航中心研制的两代DLR手(图1.6，1.7)以及美国宇航局研制的NASA手(图1.8)等。利用相关领域的成果，这些灵巧手具有很高的集成化和智能化水平，标志着灵巧手的研究已经进入了一个成熟的发展阶段。我国的灵巧手研究起步较晚，北京航空航天大学于80年代末开始灵巧手的研究与开发，其代表为BH系列灵巧手。图1.9就是BH-4型灵巧手。哈尔滨工业大学机器人研究所与德国宇航中心机器人与系统动力学研究所开展合作，双方基于DLR II共同研制开发了HIT/DLR机器人灵巧手，如图1.10所示[ 1 ]。 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。
主操作手从结构上可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。
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