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抓握式灵巧手主手机械系统设计【带PROE三维图】【10张CAD图纸】【独家】

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抓握式灵巧手主手机械系统设计

38页 15700字数+说明书+开题报告+任务书+10张CAD图纸+Proe文件三维图纸

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无名指a3.dwg

食指a3.dwg

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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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内容简介：: 届毕业设计（论文）中期检查表（学生用表）学生姓名学号专业指导教师姓名题目名称学生精力投入日平均工作时数6周平均工作时数30备注教师辅导情况每周指导次数1每次指导时数1备注毕业设计（论文）工作进度已完成的主要内容待完成的主要内容科技文翻译开题报告部分零件图、装配图初稿已完成的内容占总任务的 60 %剩余零件图、装配图撰写论文存在的问题和解决办法翻译中的一些专业术语翻译不到位零件的数据参数有待修改学生签字：年月日指导教师意见：指导教师签名：年月日指导教师评价毕业设计(论文)原计划内容有无调整有无学生是否按计划进度完成工作任务是否学生是否按计划独立完成工作任务是否学生工作态度认真一般较差其他：指导教师签名：年月日南京航空航天大学金城学院南京航空航天大学金城学院毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书题目题目抓握式灵巧手主手机械系统设计系部系部机电工程系专业专业机电工程及其自动化学生姓名学生姓名顾厚玮学号 2007011708 指导教师指导教师孙志峻职称职称副教授毕设地点毕设地点南京航空航天大学金城学院 2011 年 1 月 10 日填写要求 1任务书只需填写“内容及要求”、 “主要技术指标” 、 “进度安排” 、 “参考文献”等四部分内容，其他信息由系统自动生成，不需要手工填写。 2为了与网上任务书兼容及最终打印格式一致，任务书采用固定格式，各表行高度固定不变，如有变化请调整内容以适应表格大小，切勿轻易改变格式。 3请严格按照有关规范要求填写“参考文献” 。 4任务书须用 A4 纸，小 4 号字，黑色宋体，行距 1.5 倍。如果表格空间不够，请缩小行距或字号。 5使用此任务书模板填写完毕，可直接粘接复制相应的内容到毕业设计网络系统。毕业设计（论文）课题任务书学生姓名顾厚玮学号 2007011708系部机电工程系题目抓握式灵巧手主手机械系统设计题目来源其他题目性质工程设计类别毕业设计团队 1内容及要求：内容及要求： ? 内容主手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，灵巧型主手可以指挥从手（灵巧手）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。 ? 要求首先确定主手所采用的机构，考虑如何实现人手的运动到机械臂之间的映射。通过不断分析人手的运动特点逐步确定了主手的机构并建立了人手和机构的运动方程。运用计算机进行分析和优化得到了较优的尺寸。在此基础考虑机械部件间的配合问题，进行机械零件的细节设计。 2主要技术指标：主要技术指标：五个手指，机构简单轻便，能感知人手的位姿和感受到的力。 3进度安排：进度安排：(包括起迄日期、主要工作内容等) 第一周：查阅资料第二周：提出几种设计方案第三周：分析并确定最优方案第四周：分析计算第五周：绘制、修改装配图第六周：绘制、修改装配图第七周：绘制零件图第八周：绘制零件图第九周：绘制零件图第十周：绘制零件图第十一周：绘制零件图第十二周：科技文献翻译第十三周：撰写论文第十四周：修改论文第十五周：完成论文，制作 PPT，准备答辩 4 参考文献：参考文献： 1 宋伟刚译，机器人机械系统原理理论、方法和算法M，北京：机械工业出版社，2004 2 熊有伦，机器人技术基础M，武汉：华中理工大学出版社，1996 3 朱世强，王宣银，机器人技术及其应用M，杭州：浙江大学出版社，2001 4 于靖军，机器人机构学的数学基础M，北京：机械工业出版社， 2008 5 肖南峰，仿人机器人M，北京：科学出版社， 2008 6 韩宝玲，罗庆生，现代仿生机器人设计M，北京：电子工业出版社，2008 指导教师签字指导教师签字：年月日上级审查意见：上级审查意见：负责人签字：年月日南京航空航天大学金城学院毕业设计（论文）开题报告题目抓握式灵巧手主手机械系统设计系部机电工程系专业机械工程及自动化学生姓名顾厚玮学号2007011708指导教师孙志峻职称副教授毕设地点南京航空航天大学2011年02月28日填写要求1开题报告只需填写“文献综述”、“研究或解决的问题和拟采用的方法”两部分内容，其他信息由系统自动生成，不需要手工填写。2为了与网上任务书兼容及最终打印格式一致，开题报告采用固定格式，如有不适请调整内容以适应表格大小并保持整体美观，切勿轻易改变格式。3任务书须用A4纸，小4号字，黑色宋体，行距1.5倍。4使用此开题报告模板填写完毕，可直接粘接复制相应的内容到毕业设计网络系统。1. 结合毕业设计（论文）课题任务情况，根据所查阅的文献资料，撰写15002000字左右的文献综述：1.1 机械手的发展和应用机械手(mechanical hand)是一种能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按预定程序轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工件或操纵工具的自动化装置。能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。机械手是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。机械手首先是从美国开始研制的，美国于1947年开发了遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手。1.2机械手的组成及分类机械手主要由手部、运动机构和控制系统三大部分组成。手部是用来抓持工件（或工具）的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构，使手部完成各种转动（摆动）、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式，称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方位的物体，需有6个自由度。自由度是机械手设计的关键参数。自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。一般专用机械手有23个自由度。控制系统是通过对机械手每个自由度的电机的控制，来完成特定动作。同时接收传感器反馈的信息，形成稳定的闭环控制。控制系统的核心通常是由单片机或dsp等微控制芯片构成，通过对其编程实现所要功能。机械手的种类，按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。1.3机械手的机械系统设计灵巧手设计的难点是解决自由度与驱动、传感以及外型尺寸等多因素之间的矛盾。系统设计应遵循灵活、开放、可靠的原则。为了可重组，将灵巧手划分为手指、手掌和机械接口三个模块。手指的主要功能是执行灵巧操作，其运动学结构应类似人的手指。手掌主要决定手指的相对位置分布，改变手掌的设计可以获得拟人或非拟人手。机械接口用于确定手与臂的连接，改变机械接口可以使灵巧手适应不同的机械臂。手指设计为4个自由度结构，其关节由包括直流伺服电机、行星减速器和光码盘在内的电机单元驱动。光码盘用于测量电机轴相对转角，关节轴绝对转角由电位计测量。考虑下一步研究的需要，手指指端设计成能方便地接入力传感器。1.4灵巧手主手的运动位姿测量和力触觉反馈问题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。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。理想的触感交互装置应具有以下几个因素：首先，反馈力的大小应与末端受力一致；其次，反馈力的方向与末端也应保持一致；再次，装置整体应具有操作轻便，工作空间大等特点；最后，安全性也是触感交互装置的一个重要因素，特别是主动式力反馈机构需要增加限位环节，以避免装置失控时操作者受到伤害。1.5灵巧手的未来展望近20年来，机械手在各种自动化生产线上得到广泛应用。电气可编程控制技术使整个系统自动化程度更高，控制方式更灵活，性能更加可靠；气动机械手、柔性自动生产线迅速发展；微电子技术的引入，促进了电气比例伺服技术的发展；现代控制理论的发展，控制精度不断提高；抗污染能力越来越强和成本越来越低廉。未来的机械手正朝着重复高精度、模块化、无给油化(节能化、)机电气一体化的方向发展。参考文献1 王承义，机械手及其应用，北京，机械工业出版社， 19812 朱龙根，机械系统设计，北京，机械工业出版社， 20043 郭语，孙志峻，灵巧型触感互交装置综述，南京航空航天大学精密驱动研究所4龙立新，工业机械手的设计分析， 1999.35王雄耀，近代气动机械人（气动机械手）的发展及应用， 1999.5 6 李允文，工业机械手设计，北京，机械工业出版社， 19947王希敏，工业机械手发展途径，机械工程师， 1992，（2）：43 8天津大学编，工业机械手设计基础，天津，天津人民出版社，1980 9陆祥生，机械手理论与应用，北京，中国铁道出版社， 1985 10周伯英，工业机器人设计，北京，机械工业出版社， 1995 2. 毕业设计任务要研究或解决的问题和拟采用的方法：（1）毕业设计任务要研究或解决的问题灵巧手主手机械系统设计，要求阅读机械手相关的论文和书籍，系统地了灵巧手系统设计相关知识和原理。掌握机械设计的基本原理和常用解决方案。掌握AUTOCAD和PRO/E软件的应用和操作，掌握在机械绘图软件中对实体模型的建立。通过对设计灵巧手机械系统的仿真和分析，实现抓握式灵巧手的实际应用。（2）预期成果：通过研究和分析各种灵巧手机械结构模型，掌握蚁机械手的基本原理和实现步骤，并在计算机辅助系统环境中进行仿真，分析灵巧手主手中各关键参数对这个灵巧手性能的影响。针对触感交互装置问题，掌握其对主手的运动位姿测量和力触觉反馈基本结构与工作原理。（3）拟采用的研究方法在抓握式灵巧手主手机械系统设计中，采用以下研究方法：研究各种灵巧手的基本原理，通过其结构分析了解各个机械结构的关键参数对性能的影响。通过理论分析和实体建模，研究灵巧手主手的工作性能。分析触感互交装置的设计方案，并对其在灵巧手中的实际应用结果进行比较分析。指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见和对毕业设计（论文）结果的预测）：课题深度和广度适宜，经该生努力后，可以完成任务。指导教师签字：年月日上级审查意见：负责人签字：年月日编号南京航空航天大学金城学院毕业设计题目抓握式灵巧手主手机械系统设计学生姓名学号系部机电工程系专业机械工程及自动化班级指导教师二一一年六月抓握式灵巧手主手机械系统设计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，ADAMSThe Design of Mechanical System of a Dexterous Hand MasterAbstractIn this paper, the design and optimization of a five-fingered mouse-shaped dexterous hand master is proposed. The dexterous hands are applied for tasks that are difficult for human to execute, such as dexterous micro operation and operation in extreme environments: space exploration, nuclear energy development and medical device. The dexterous hand master, as a haptic interface， can measure movement of the operator and display force feedback. From the idea of the computer mouse, we designed a simple compact master hand which is adapted to the human hand. It is manipulated on the desk. Each finger of this device has three DOF with feedback in three directions. The root joint of this device is designed in the use of leverage and its force feedback is transmitted from the DC motor through a rotation link. Front finger part of the device is designed based on the principle of ball mouse. We use a spherical ring wraps a ball. The rolling resistance, as the force feedback on the joints, increases with the contraction of the ring.Finally, we simulate the statics and dynamics of this device using ADAMS. The optimization of the design is based on the results of the simulation.Key Words：Dexterous hand; Haptic interface device; Structural optimal design; ADAMS目录摘要iAbstractii第一章引言11.1 灵巧手系统的发展概况11.2 灵巧型触感装置的介绍41.2.1 穿戴型主操作手例说51.2.2 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82.1 设计综述82.2 灵巧手主手设计任务9第三章抓握式灵巧手主手的设计103.1 简介103.2 灵巧手主手指根关节设计113.2.1 指根关节工作原理113.2.2 指根关节的具体设计123.3 灵巧手主手指尖关节设计133.3.1 指尖关节设计方案133.3.2 指尖关节的力反馈单元设计153.3.3小结19第四章主手的仿真分析204.1 ADAMS软件介绍204.2 指尖机构的仿真分析214.2.1 指尖机构的仿真建模与任务214.2.2 指尖机构的仿真过程224.3 手指架的仿真分析244.3.1 手指架的仿真建模与任务244.3.2 手指架的仿真过程254.4 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第一章引言1.1 灵巧手系统的发展概况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 。图1.1 Okada手图1.2 Utah/MIT手图1.3 Stanford/JPL手图1.4 DIST手图1.5 UB手图1.6 DLR-1手图1.7 DLR-2手图1.8 NASA手图1.9 BH-4手图1.10 HIT/DLR手这些灵巧手都采用了仿人手的设计，以便于将人手的动作准确地映射到灵巧手上，实现人手位姿的再现，在实际作业环境下完成操作者所希望的操作动作。在灵巧手系统中，我们把以上用于实际作业的机械手称为从手，而人实际操作的，用于获取人手位姿信息的装置，称为触感交互装置。1.2 灵巧型触感装置的介绍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。1.2.1 穿戴型主操作手例说（1）意大利PERCRO实验室开发了一种具有力反馈的主操作手，如图1.11所示。图1.11 PERCRO手整个主操作手是穿戴式结构，由四个独立的背部骨架式结构组成，每个手指骨架有四个自由度，其中三个主动自由度，分别由三个伺服直流电机驱动，一个被动自由度，整体具有15个自由度。主操作手与操作者每根指骨都有力接触点，最大施力为3N，因此在抓取工作时，该主操作手的力场还原性较真实。传动方式采用单向腱传动，这就使得手指部分结构简单，重量较轻。腱传动方式虽然可以降低电机到连杆的惯性引起的振动，但是也会产生电机转矩和关节转矩之间的耦合关系，而且腱传动会引起额外的摩擦力。该主操作手采用基于金属应变计的内置力传感器进行力的测量，而关节角度由一种采用康铜+导电塑料混合技术的内置电位传感器测量。此外，该操作手重量达到了1.3kg，操作者需承受整个主操作手的自身重量，在长时间操作时，操作者容易产生疲劳感。（2）日本东京大学的Nakagawara, Kajimoto等人设计制作的一种碰撞式多指主操作手，使用迂回式关节的外骨架机构，结构紧凑，实现了操作者手指的较大工作空间，如图1.12所示。图1.12 碰撞式多指主操作手该主操作手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办法，解决了主操作手手指弯曲时对操作者造成的干涉。巧妙地采用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。在目标无接触运动过程中，操作者手指末端不与主操作手接触，这就使得操作者在运动过程中非常自由。当目标接触物体并施加力作用时，主操作手将对操作者产生力反馈。该操作手结构比较复杂，力反馈接触点集中于操作者手指末端。由于主操作手单个手指具有的三个关节被关联起来，由一个电机驱动，因此整个主操作手只能跟踪人手的自然弯曲过程，且具有较高的耦合性。1.2.2 桌面型主操作手例说（1） SensAble科技公司的PHANTOM系列是目前使用最多的触感交互装置，如图1.13所示。它其实是一个具有良好反向驱动能力的机器人臂。图1.13 PHANTOM触感交互装置PHANTOM作为一种高精度的触觉交互设备，可以提供非常大的工作空间和反馈力，以及6自由度的运动能力。该装置只能提供类似一个手指的力反馈，缺少灵巧性,但它作为一个单指结构可以为多指触感交互装置提供设计思路。（2）日本Keio大学的Ueda和Maeno研制了一种多指输入鼠标型主操作手，如图1.14所示。图1.14 多指输入鼠标型主操作手该装置具有四个独立的手指结构，分别具有3个自由度，分别对应从手的四个关节(其中一个自由度对应从手两个关节)。利用杠杆原理，将直流电机的驱动力矩转换为施加在操作者手指上的力作用。结构简单、小巧，采用双向控制方法，实时地与从手进行位姿和力信息的交互。操作者可以像操作鼠标一样对其进行操作，无需承受主手自身重量，而且具有结构可调单元，可适应不同操作者的手掌。整体结构只采用了一种电阻式电位器作为角度传感器，而所受力反馈大小可由计算得出，省去了力传感器的使用，因此降低了结构复杂性。第二章抓握式灵巧手主手的设计概述2.1 设计综述本课题目的是设计一种灵巧手主手。从上文介绍不难看出，主操作手的结构形式多种多样，只要便于实现准确的人手位姿测量，并能反馈从手受到的接触力的主手结构都可以作为设计的参考形式。本设计借鉴了上文提到的由日本Keio大学的Ueda和Maeno研制的多指输入鼠标型主操作手，利用杠杆原理开发一种优于该装置的主手机械系统。我们采用这种杠杆原理的主操作手的理由有：(1). 这种桌面型主手采用类似鼠标的结构形式，符合现代人的操作习惯；不需人手承担装置自重，易于实现在采用一般的电机进行力反馈驱动和进行其他功能扩展时，不会因装置质量的增加而影响人手的正常运动。(2). 鼠标型主操作手结构简单、紧凑，采用普通驱动装置(普通电机)即可实现力反馈，测量精度好，制作方便，制作成本低。(3). 该装置有尚待改进之处。原先的鼠标型主操作手只有四个手指，只能测量四个手指的位姿。不仅使操作者操作不方便，而且不利于该装置对五指灵巧手从手的映射。另外，该装置只有一个自由度上的力反馈，显然不能满足实际工作中对多自由度力反馈的要求，降低了操作者的沉浸感。(4). 设计具有创新性。虽然本设计将采纳该鼠标型主操作手的杠杆传动原理，但依然不失设计中的创新之处。首先，该鼠标型触感装置的设计方案并未公布，各部件机构需要自行设计。其次，本设计会对该装置进行改进，增加其手指数，扩展其力反馈功能，设计一种功能、性能优于原主操作手的装置。在总结该装置传动原理的优势及其存在的缺陷的基础上，形成了本设计的思路和主要任务。2.2 灵巧手主手设计任务本设计利用杠杆原理设计一种五指输入的鼠标型主操作手。首先，对机械系统进行总体设计，明确每个部件单元的设计方案；然后，运用Pro/E对每个部件单元进行详细设计；最后，运用虚拟样机技术(ADAMS软件)对机械系统进行仿真分析，检验并改进设计方案。具体的工作流程如图2.1所示。总体设计确定各单元设计方案详细设计零件的设计和装配ADAMS仿真分析静力学、动力学分析确定设计方案绘制装配图和零件图（1）（2）（3）改进（3）改进（4）图2.1 设计任务流程图该设计特点如下：(1). 指根关节采用杠杆原理传动。(2). 具有五个输入端，对应人的五根手指。(3). 每根手指具有3个自由度，每个自由度都配有力反馈输出。第三章抓握式灵巧手主手的设计3.1 简介人的手指各关节如图3.1所示，每个手指都有三个关节，四个自由度。拇指的关节分别是TM关节、MP关节、IP关节，其余四手指的关节类似，分别是MP关节、PIP关节、DIP关节。其中，手指的MP关节(拇指的TM关节)有两个自由度，完成弯曲MP1(TM1)和摆动MP2(TM2)运动，其余两个关节都分别只有一个弯曲自由度，如图3.2所示。图3.1 人手指各关节示意图图3.2 人手各关节自由度PIP(拇指的MP)关节随着MP(拇指的TM)关节同步运动，DIP(拇指的IP)关节也能随着PIP(拇指的MP)关节同步运动。研究表明，DIP(拇指的IP)关节与PIP(拇指的MP)关节的弯曲角度存在关系，如式(3.1)，(3.2)所示 2 。这一关系可以帮助简化装置结构，在设计中便可以去掉对DIP(拇指IP)关节弯曲角度的测量，通过测量与之相关的上一关节的弯曲角度值计算出该关节的角度。本设计每个手指只有三个自由度，除去了PIP(拇指IP)关节自由度的输入(3.1)(3.2)3.2 灵巧手主手指根关节设计指根关节的弯曲运动是通过主操作手手指架的转动运动实现的。该手指架是本设计中手指的基体，它承载了指尖关节的重量，传递了指根关节的反馈力。前面已经讲到，这个关节将采用杠杆原理进行设计。因此，手指架这个杠杆的前后合理配重，以使手指架在自由状态保持一定的初始位置，成为设计需要考虑的首要问题。另外，手指架的设计应该满足人机工程的要求，便于人的操作。综合看来，这部分的设计特点为：原理简单，思路清晰，要求考虑周全，为接下来的上层建筑(指尖关节的设计)打好基础。3.2.1 指根关节工作原理本节所设计的指根关节与MP(拇指的TM)关节对应。不过，这里的指根关节只具有弯曲自由度，其摆动自由度将在下一节的设计中实现。指根关节利用杠杆原理实现转动，采用电位器测量该关节的转动角度，如图3.3所示。图3.3 指根关节原理示意图整个手指架与转轴固定于O点。人的手指在手指架前端施力Ffinger时，手指架便绕O点随手指的弯曲动作转动。当从手受到接触力时，主手手指后边的电机便在手指架后端输出力矩T，手指架便绕O点产生与人手弯曲运动相反的转动趋势，人的手指与手指架前端接触的地方便产生了一个反馈力Ffeedback。显然，电机的输出力矩T与产生的反馈力Ffeedback具有数学关系，如式(3.3)所示 2 。在主手工作中，可以依据此关系控制电机转速以提供与从手真实受力相当的主手反馈力，保证了操作者的沉浸感(3.3)3.2.2 指根关节的具体设计利用前述的原理，设计了手指架结构，如图3.4所示为食指结构。图中l1的尺寸由人的手指MP(拇指TM)关节到DIP(拇指IP)关节的距离决定。人用右手在操作本装置时，与装置的指尖机构接触的部分基本在DIP(拇指IP)关节稍靠指尖的部位，以便于装置测量该关节的角位置。l1的长度就是根据实际接触的关节到指根关节的经验长度确定的。手指架的后端部分一方面用于配重，使手指架的初始位置如图中所示，由于此时后重前轻，所以需要一根限位轴保持手指架静止；另一方面还会影响电机所需输出的扭矩值。所以l2的长度是在后面的ADAMS仿真分析后最终确定的。最后的设计数据如表3.1所示。手指架钢丝l1l2指尖关节FfingerFfeedbackT电位器预紧器（内侧）（a）主视图电机限位轴转轴紧钉螺钉套筒（b）俯视图图3.4 食指结构设计图表3.1 手指架主要设计值手指l1 (mm)l2 (mm)拇指64.584.6食指40.274.6中指49.853.9无名指42.144.3小指3567.5手指架与转轴配合，并由紧钉螺钉与转轴固定，一个端面由轴的台阶定位，另一端面紧贴套筒，这样就限制了手指架的轴向自由度。工作时，手指架带动转轴旋转，侧面的电位器直接测量转轴的角度以获取对应的指根MP(拇指TM)关节的角位置。产生反馈力时，电机带动钢丝旋转，由于钢丝绕过手指架与内侧的预紧器相连，钢丝便能把电机的扭矩转化为作用于手指架后端的向下的拉力，在杠杆作用下，人的手指在与手指架前端接触处便能感受到反馈力。3.3 灵巧手主手指尖关节设计指尖关节是本装置的一个重要部件，具有自由度多，结构尽量简单、紧凑的要求。本节的设计任务是要在前述手指架前端安放一个具有两个自由度及其力反馈输出的机构。由于日本的鼠标型灵巧手对这个部分的设计原理并未提及，所以这部分的设计思考空间很大，不会受先入为主的定势思维束缚，可运用的原理也很多。在充分了解当前市面上灵巧手一般传动原理的基础上，提出了多个设计方案。下文将对这几个设计方案一一介绍，经全面分析各自特点之后，优选最终设计方案。本部分设计具有思路广阔，结构简约的特点，要求原理简单，设计精细。3.3.1 指尖关节设计方案指尖关节的具体设计要求为：(1). 具有两个自由度，分别对应PIP(拇指MP)关节的弯曲自由度和指根关节的内外摆动自由度，这两个自由度转动中心相互垂直。(2). 在这两个自由度上设计力反馈单元，反馈力须是可调的。(3). 结构要尽量小巧、紧凑，能安放在手指架前端部分，各手指之间保留适当间距，不发生接触。(4). 机构不宜复杂，质量要轻。方案一：双旋转叠加机构这个方案思路清晰，直扣主题。如图3.5所示底板电位器图3.5 双旋转叠加机构这个方案每个自由度都由转轴的旋转完成。指尖部分的底板固定于手指架上，内外摆动的执行单元固定在底板上转动，其转轴与手指架的前端走向一致。在这个执行单元的上边固定一个与其转动轴线垂直的转动单元，获取PIP(拇指MP)关节的弯曲信息。这个设计虽然原理直观，机构简单，但存在以下缺点：(1). 初始位置不好固定，不易安装限位装置，给传感器的标定带来麻烦。在初始状态，需要限制它的转动；在工作状态，却要满足它的转动。这给限位装置的设计增加了难度，显然不能满足简化机构的要求。(2). 由于两个自由度是分开的，所以每个手指的指尖需要配备两个反馈单元，其中包括两个驱动和传动装置，会使结构复杂化。(3). 两自由度合成运动时，给人的操作带来不便，人机交互性不高。方案二：滚球式指尖机构通过上述分析，有理由否定方案一的设计。回到鼠标型灵巧手的主题审视，又一个设计思路呈现眼前。本方案设计了一种类似于滚球鼠标的滚球式指尖机构。如图3.6所示，当滚球鼠标在桌面上移动时，滚球在摩擦力带动下旋转。带动与它接触的两根压力滚轴旋转。这两根压力滚轴转动轴线相互垂直，对应鼠标平移运动的X、Y轴运动。与压力滚轴相连的是一个编码器，他可以测量滚轴旋转角度，随后依据这个角度值可以换算出滚球在X、Y方向上的位移。图3.6 滚球式鼠标滚球传动结构本设计方案正是利用这一滚球结构可以获取两个相互垂直的转动角位置信息，达到测量手指关节两个相互垂直的转动角度的目的，如图3.7所示。图3.7 滚球式指尖机构该结构的设计与前述滚球鼠标基本类似。这种结构具有以下优点：(1).结构简单，小巧。(2).操作方便，合成运动时，人的沉浸感好。这种传动方案优势明显，接下来还需设计满足要求的力反馈单元。3.3.2 指尖关节的力反馈单元设计考虑到该结构是依靠球运动副与滚轴的摩擦带动滚轴转动，常规的通过驱动装置施加阻力的方式实现力反馈的方法难以解决问题，并且会陷入使结构复杂化，重型化的困境。在指尖关节的机构设计中，不宜沿用指根关节设计中直接施加反馈力的思路，而是考虑通过增加球运动副滚动摩擦阻力的方式产生反馈力。另外，当人握紧物体时，指根关节的摆动自由度是被限制住的。因此，在设计中可以考虑将指尖关节这两个自由度的力反馈单元整合起来，用一套力反馈装置提供两个自由度的阻力。沿这一思路看，只有在滚球上施加力以实现上述目的。因为滚球是两个自由度运动产生的源头，阻碍了它的滚动就同时阻碍了两个压力滚轴的转动，为两个关节自由度提供了反馈力。另外，这一思路还能进一步简化力反馈单元的设计，达到事半功倍的效果。力反馈单元方案A：电流变液体电流变液是一种液体智能材料，当有电场存在时，其流变学特性如粘度、屈服力等发生剧烈变化，这种现象叫电流变效应。电流变液是悬浮溶液，由固体粒子(分散相)均匀地分散在基础溶液(连续相)里，固体粒子和基础溶液均是绝缘性较好的电解质。固体粒子的直径大小在0.1-0.01微米，电流变效应有时称作Winslow效应，是由分散相粒子和连续相粒子的极化产生的，当有电场存在时，分散相的粒子由于极化运动，在电场方向上形成链，当电场强度不断加大时，这种链就会变大，从而导致电流变液的粘度、屈服力和其他特性发生变化，由原来流体状态变成半流体(具有一定粘弹性)如凝胶体，甚至变成固体。当移去电场时，电流变液恢复成原来的流体。电流变液在液态与固态之间的转换时间在毫秒级，而且凝胶体程度与电场强度成比例，所以只要通过选择所施加的电压，电流变液的液体与固态之间任何状态都能够平滑和快速地得到 12 。东南大学的王爱民，戴金桥两位老师在电流变液的研究方面卓有成效，并开发了一种基于电流变液体的力反馈装置给数据手套提供反馈力，通过如图3.8的刚体活塞结构，为穿戴型主操作手提供力反馈。图3.8 基于电流变液体的力反馈装置在这一启示下，产生了方案A：将电流变液体注入滚球副的滚球与基座配合的空隙中，通电控制电流变液体的相变。当没有力反馈时，不提供电场，此时的电流变液体是液态，滚球能自由运动，电流变液体还可起到润滑作用。当需要提供力反馈时，通电产生电场，电场的强度控制着电流变液体的相变，电流变液体向凝胶态转变程度越大，滚球副转动间隙就越小，滚球的转动阻力也就越大。这一方案有以下优点：(1).力反馈单元极为简单，只要给球运动副内的电流变液体通电就可以实现。(2).电流变液体的响应特性好，转化时间是毫秒级，便于实时控制。(3).因为电流变液体的相变程度是受电场大小控制的，所以产生的滚动阻力是一个渐变值，并且大小可调。不过，该方案存在一些较难解决的问题：(1).电流变液体在电场作用下相变，发生流变特性变化，对滚球产生阻力。这三者(电场大小，粘度特性参数，滚动阻力)的数学关系需要做大量实验研究方可得出。而这一关系正是在力反馈控制中，通过控制电流大小产生准确的滚动阻力的重要依据，工作量大。而且流变特性的影响参数非单因素，流体性能复杂，反馈力的精度要求不易达到。(2).这种方案还涉及液体的密封保存和绝缘问题。滚球总是有一部分要露在外面与人的手指接触的，并且露在外面的部分不是固定的某个面，在转动过程中整个球面都有可能以部分交替形式露在外面。而球面是与电流变液体直接接触，这就意味着电流变液体会随球面带出，难以密封。同时，液体是通电的，设计还需解决人手与液体的绝缘问题。综上所述，灌注电流变液体的方案优势突出，问题明显，具有良好的发展前景，需要加大研究深度和试验投入才可解决准确控制的难题。由于实验条件有限，本设计最终没有采用该方案。力反馈单元方案B：球套环抱紧装置本方案依然围绕给滚球运动副增加滚动阻力以实现力反馈的思路展开设计。影响阻力的因素除了接触面摩擦系数，还与压力大小有关。方案A就是通过电流变液体的相变实现滚球副内部接触面的粗糙度和接触压力的改变。要知道，摩擦系数与接触面性质有关，不易改变。因此，新的方案采取增加滚球副内部接触压力的方式产生滚动阻力。设计如图3.9所示。弹簧限位轴弹簧吸盘式电磁铁球套环电磁吸力弹簧阻力图3.9 球套环抱紧装置的指尖结构在原来的滚球运动副里增加了一个球套环包裹滚球，球套环的伸出部分一侧与电磁铁贴紧，伸出部分两侧之间放有弹簧。没有力反馈时，滚球可以在套环里自由滚动。施加反馈力时，吸盘式电磁铁对套环产生吸引力，这个吸力能克服弹簧阻力将不与电磁铁接触的套环左侧伸出部分吸引过来，弹簧也因此收缩。左侧伸出部分在引力下产生位移，带动套环收缩，逐渐抱紧滚球，阻力产生。当反馈力消失时，电磁铁断电，吸力消失，左侧伸出部分在弹簧力作用下复位。套环采用导磁体(如：钢)制作，其余部分可采用不导磁材料(如：铝)制作。这个方案有以下特点：(1).结构简单，将两个自由度的反馈力整合到一套力反馈单元，紧凑实用。(2).通过控制电磁铁电流大小就能调节电磁铁吸引力，产生的抱紧力大小可以控制。(3).套环与滚球间隙配合，施加反馈力时，只要套环稍微收缩就能与滚球产生接触力。加之人手操作滚球运动的力矩不大，所以不需要很大的接触压力就能产生满足要求的抱紧力。当然，该方案也面临以下问题：(1).电磁铁的电流，电磁吸力，套环产生的抱紧阻力，这三因素间数学关系的建立。这一工作是通过电磁铁电流准确控制反馈力大小的保证。虽然跟方案A同样需要实验解决这一问题，但是工作量不大，没有太深的研究要求。(2).电磁铁的选取，电磁铁既要产生足够的吸引力，又要尽量选择轻型磁铁，不过多增加手指架前端负重。3.3.3小结经过比较分析，最终选用配有球套环抱紧装置的滚球式指尖机构。该机构能满足工作需求，结构小巧紧凑，原理清晰简单，容易控制，操作方便，基本满足了指尖机构的设计要求。具体设计如图3.9所示。在此基础上完成了各个手指零件的详细设计，并把它们组装起来，完成了本设计的组装图，如图3.10所示。另外，本设计中各关节的活动范围也在表3.2中列出。表3.2 灵巧手各关节最大转角手指拇指其余手指MP (TM)20o50oPIP (MP)26o指根关节摆动26o下一章将介绍本设计的仿真分析，这是另一项重要内容。仿真分析将进一步验证设计的可靠性，为选择合适的电机和电磁铁提供依据，为方案的改进提供参考。图3.10 设计装配图第四章主手的仿真分析4.1 ADAMS软件介绍ADAMS是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术揉和在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。再设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行验证，当通过试验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。设计周期难以缩短，单机制造成本较高。虚拟样机技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传统的设计与制造过程弊端的高新技术。工程设计人员可以使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，观察并试验不同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直至获得最优的设计方案以后，再做出物理样机。虚拟样机技术可使产品设计人员在各种虚拟环境中真实地模拟产品整体的运动及受力情况，快速分析多种设计方案，进行对物理样机而言难以进行或根本无法进行的试验，直到获得系统级的优化设计方案。ADAMS是美国MDI公司开发的已被广泛使用的虚拟样机分析软件。软件使用交互图形环境和零件库、约束库、力库、创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等 15 。4.2 指尖机构的仿真分析4.2.1 指尖机构的仿真建模与任务利用ADAMS和Proe/E共同支持的图形交换格式Parasolid格式，把Proe/E中鼠标型主操作手的指尖机构三维模型导入ADAMS中，然后根据设计要求定义各零件的材料密度和相关性能参数，随后添加约束和力。这样，仿真模型就建立起来了，如图4.1所示为指尖机构的仿真分析模型。图4.1 指尖机构仿真模型这里需要指出：鼠标型主操作手的指尖结构上的电磁铁是此前预估的。由于电磁铁的质量相对较大，所以随指尖机构固定在手指架前端的电磁铁的选用对手指架静平衡的影响不容忽视。首先分析指尖机构就是为了选定电磁铁型号，为后面的手指架静平衡分析做好准备。在建立模型时，原先三维模型中的电磁铁和弹簧被去除了，这是因为电磁铁吸力在仿真过程中只要添加作用在球套环上的力就能模拟实现，去除它们可以达到简化模型的目的。指尖机构的仿真任务主要是分析完全限制滚球滚动需要多大的抱紧力，电磁铁需要提供多大的吸力，以此作为选定电磁铁的依据。4.2.2 指尖机构的仿真过程在分析过程中，遇到了一个难题：指尖机构的球套环在工作中需要产生形变才能抱紧滚球。而ADAMS/View的仿真模块一般只进行刚体的分析，难以进行柔性体的建模分析。相关资料显示，要在ADAMS/View中进行柔性体的分析，须在ANSYS软件中进行柔性体建模和网格划分，然后通过ADAMS/Flex模块导入ADAMS/View中添加约束进行分析。根据这一思路，将球套环导入ANSYS软件进行柔性体建模，如图4.2所示。建模后发现：该模型导入ADAMS之后不易正确添加约束，给它施加吸引力时，套环变形与滚球相互作用产生的接触关系比较复杂。在征求了一些研究生意见之后，认为这种分析方法工作量比较大，该结构本身比较简单，通过试验研究球套环变形对滚球阻力产生的影响比较容易，不必把过多的时间花费在仿真问题的解决上，若是建立的仿真模型与实际情况相差较大，则分析结果无效。图4.2 球套环的ANSYS柔性体建模最后决定放弃对球套环的柔性体建模，将球套环变形引起的阻力变化情况问题留待以后的试验完成。此次仿真的主要任务只是在滚球与球套环之间添加接触力以模拟套环变形时的抱紧力，在抱紧力作用下两者接触面产生摩擦阻力。通过分析滚球的滚动被完全限制住时，接触力的大小，选定合适的电磁铁。在仿真中，先假设人的手指作用于滚球杆时推动滚球的最大力为5N，定义球套环与滚球产生的接触力为2N，分析结果如图4.3所示。图4.3 施加5N推力时的仿真分析图中显示了滚球在5N的推动力下丝毫未动，此时只添加了2N的接触力。图4.3右侧的曲线图表示的是滚球杆轴线相对于仿真系统Y轴的夹角随时间的变化情况，该角度一直为零。为了验证需要多大的手指推力能推动施加了2N接触力的滚球，需要继续增加推力。仿真结果表明：直至推力增加到250N时，滚球才被推动，如图4.4所示。图4.4 施加250N推力时的仿真结果由以上结论看出，只要滚球套环对滚球施加很小的抱紧力就能完全限制滚球的滚动。而且，套环包裹着滚球，二者的间隙很小，只要套环在吸力作用下产生微小的收缩就能对滚球产生很大的抱紧力。因此可以选择小吸力的电磁铁，设计中选择了中山市小榄镇兰达电磁铁公司生产的型号为H2311的吸盘式电磁铁，这种电磁铁吸住物体时最大能提供20N的电磁力，能够在吸引球套环的过程中提供给滚球足够的抱紧力。另外，选择这一电磁铁还考虑到另外两个因素：(1). 市面上这种提供的小吸力轻型吸盘式电磁铁种类有限。(2). 所谓20N的吸力是指被吸引物体与电磁铁贴合 (间距0mm) 时的吸引力，而套环的被吸引端与电磁铁有大约3.5mm的间距，这会减弱电磁场强度，实际提供的吸引力比20N小。另外，弹簧在套环形变过程中会因受压产生与吸引力相反的阻力，所以选择该电磁铁裕度合适，选用合理。4.3 手指架的仿真分析4.3.1 手指架的仿真建模与任务与上一个分析内容相同，首先建立仿真模型，如图4.5所示为食指的仿真分析模型。考虑到除拇指以外的其余四个手指结构类似，只选取其中的两个进行动力学分析。由上一章介绍可知，食指和无名指分别是四个手指架中后端部分最长和最短的，这对反馈力大小影响很大，所以选择它们与拇指进行动力学分析。图4.5 食指的仿真分析模型这一部分的分析任务是：(1). 检验手指静平衡位置，看它能否满足空载状态的初始位置要求。(2). 分析主手在工作过程中所需的反馈力，以此作为选择电机的依据。这一阶段将对每根手指进行仿真建模，检验它们的静平衡位置。若不满足静平衡要求，则对手指架的l2长度进行修改，增加手指架后端配重，使之满足静平衡要求。4.3.2 手指架的仿真过程首先，在空载荷下检验每根手指的静平衡位置是否满足要求。这时的模型还未添加图4.5所示的后端弹簧，保证手指架完全不受外力。经过分析和对设计的修改，静平衡满足要求。其次，分析食指，无名指和拇指的力反馈。由于这个鼠标型主操作手将被应用控制的从手每根手指最大承受4.4N的反馈力，而手在抓握物体时手指处于平衡状态。所以，从手所能受到的最大反馈力即作为主手指尖施加的最大载荷进行仿真分析。前面已经提到，电机提供的扭矩是通过带动缠绕在电机主轴上的钢丝收紧而使钢丝与手指架后端的连接处产生拉力，这个拉力通过杠杆作用传递到指尖成为反馈力。然而，钢丝属于柔性体，它缠绕在电机上的运动建模比较困难。采用弹簧代替钢丝完成钢丝对手指架提供拉力大小的测量。在模型中，主手因抓握物体所处的静平衡位置可以通过改变弹簧刚度系数模拟得出，只要适当调节弹簧的阻尼系数，即可消除弹簧反弹引起的手指震动。图4.6展示了食指抓握物体而处于某个静平衡位置的状态。图4.7 食指仿真结果图中显示的是指根关节转动21.97度抓握住物体时，电机需要通过钢丝在手指架后端提供2.674N的拉力。合理设置弹簧刚度系数，可以得到更多抓握位置的数据，经统计处理得到的相关数据如表4.1，图4.8所示。表4.1 手指反馈拉力仿真分析数据食指无名指小指角度（度）力（牛）角度（度）力（牛）角度（度）力（牛）0.44823.7830.469218.450.47096.6960.78593.7190.910717.491.5035.7961.2653.6351.68416.052.5235.2032.3553.4713.73513.274.7764.4264.4973.2315.19511.8814.723.495.9223.1157.410.3414.733.4898.9262.9410.998.71918.393.40812.352.81714.587.69619.443.39321.972.67420.686.66720.013.386图4.8 各手指不同平衡位置的后端拉力比较从上表不难看出，由于无名指的力臂l2比较小，对反馈力矩的放大作用不明显，所以需要提供较大的拉力。抓握物体静止时，指根关节转动位置越小，电机所要提供的拉力也就越大。选取无名指的指根关节转动0.47度时(假设指根关节最小分辨转角为0.5度)，所需提供的最大拉力18.45N计算出电机最大扭矩(设计钢丝绕电机主轴转动半径为4mm)为0.0738Nm(73.8mNm)。依此选择MAXON公司出品的型号为A-max 26,石墨电刷，11瓦的电机，其堵转扭矩为77.6mNm。这里需要指出：装置在提供反馈力时，手指常常处于静平衡状态，此时电机处于堵转状态。所以，在选择电机时以堵转力矩作为主要参考参数。上文3.2.1节式(3.3)提供了一种通过反馈力计算电机扭矩的方法。当最大反馈力为4.4N时，计算得出电机扭矩为0.0167Nm。这个值与仿真结果相差很大。究其原因发现：该关系式在推倒过程中忽略了手指架前后端和指尖机构的自重，特别是添加电磁铁以后，这一重量更不能忽略。因此，仿真数据更加真实可靠。4.4 仿真小结仿真分析对原设计尺寸的优化，电机、电磁铁的合理选用提供了依据。在仿真之后，又对设计进行了修改和完善。以后的工作将是完成控制系统的设计和制作物理样机。通过主手对从手的映射控制试验，进一步验证和改进设计方案。在此之前，还需针对滚球套环所受吸力与套环收缩时对滚球产生的阻力之间的关系进行实验分析，由于该结构简单，试验难度不大。第五章总结与展望经过三个月的工作，设计和分析工作顺利完成。在不断遇到问题，分析问题，解决问题的过程中，设计方案不断提出，最后优选确定。本装置具有以下特点：(1). 原理简单，结构小巧、轻便，容易操作和进行结构改进。(2). 对一些重要部分的设计提出了有价值的方案，通过多种途径实现装置对手指位姿的测量和多自由度反馈力的提供。(3). 应用仿真分析的方法对设计进行验证，确保了最终方案的实用性，为后续开发奠定了良好的基础。不过，由于时间和实验条件有限，设计还有许多有价值的工作没有进行：(1). 指尖机构设计提出的一种应用电流变液体提供力反馈的方法发展前景广阔，与电磁吸力原理同样易于控制，而且可以进一步减轻装置重量，节省设计空间。虽然因条件限制而无法实现，但也能作为一种有价值的设想留待研究。(2). 电磁吸力与滚球套环收缩引起的阻力之间存在什么样的关系，这需要以后的试验来解答。它对反馈力的控制很重要，是以后工作中一项很有意义的课题。灵巧手主操作手的形式多样，设计思路发散性强，是一个多学科交叉领域，涉及到机构学、材料学、计算机、控制学、传感技术、通讯技术等相关学科。在遥操作、虚拟现实以及仿真训练等领域，灵巧型触感交互装置都是非常重要的设备。未来的灵巧手主操作手的发展呈现出以下主要特征：(1). 开发更加灵活

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