毕业设计（论文）-抓握式灵巧手主手机械系统设计（全套图纸三维）.pdf

编号 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 南京航空航天大学金城学院南京航空航天大学金城学院 本科毕业设计（论文）诚信承诺书本科毕业设计（论文）诚信承诺书 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） （题目： 抓握式灵巧 手主手机械系统设计 ）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的 内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写的成果作品。 作者签名： 2011 年 6 月 5 日 （学号） ： 毕业设计（论文）报告纸 - i - 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。 全套图纸，三维，加全套图纸，三维，加 153893706 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。 毕业设计（论文）报告纸 - ii - 关键词：五指灵巧手，触感交互装置，结构优化设计，ADAMS 毕业设计（论文）报告纸 - iii - The Design of Mechanical System of a Dexterous Hand Master Abstract In 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 毕业设计（论文）报告纸 - iv - 目 录 摘 要 . i Abstract . iii 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 . 21 4.1 ADAMS 软件介绍 . 21 4.2 指尖机构的仿真分析 . 22 4.2.1 指尖机构的仿真建模与任务 . 22 4.2.2 指尖机构的仿真过程 . 23 4.3 手指架的仿真分析 . 25 毕业设计（论文）报告纸 - v - 4.3.1 手指架的仿真建模与任务 . 25 4.3.2 手指架的仿真过程 . 26 4.4 仿真小结 . 28 第五章 总结与展望 . 29 参 考 文 献 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致 谢 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 附录 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 毕业设计（论文）报告纸 - 1 - 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。 毕业设计（论文）报告纸 - 2 - 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 毕业设计（论文）报告纸 - 3 - 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。 毕业设计（论文）报告纸 - 4 - 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。 毕业设计（论文）报告纸 - 5 - 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， 毕业设计（论文）报告纸 - 6 - 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 毕业设计（论文）报告纸 - 7 - 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。 毕业设计（论文）报告纸 - 8 - 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。 毕业设计（论文）报告纸 - 9 - 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。 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。 总体设计总体设计 确定各单元设计方案 详细设计详细设计 零件的设计和装配 ADAMS 仿真分析仿真分析 静力学、动力学分析 确定设计方案确定设计方案 绘制装配图和零件图 （1） （2） （3）改进）改进 （3）改进）改进 （4） 毕业设计（论文）报告纸 - 10 - 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 2 0.460.083 DIPPIPPIP =+gg (3.1) 2 1.13410.286 MPIPIP =+gg (3.2) 毕业设计（论文）报告纸 - 11 - 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 毕业设计（论文）报告纸 - 12 - 2 1 1 feedback l FT R l =gg (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。 （a）主视图 手指架手指架 钢丝钢丝 l1 l2 指尖关节指尖关节 Ffinger Ffeedback T 电位器电位器 预紧器预紧器 （内侧）（内侧） 电机电机 限位轴限位轴 转轴转轴 紧钉螺钉紧钉螺钉 套筒套筒 毕业设计（论文）报告纸 - 13 - （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 64.5 84.6 食指 40.2 74.6 中指 49.8 53.9 无名指 42.1 44.3 小指 35 67.5 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 毕业设计（论文）报告纸 - 14 - 发生接触。 (4). 机构不宜复杂，质量要轻。 方案一方案一：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 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：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。 底板底板 电位器电位器 毕业设计（论文）报告纸 - 15 - 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 毕业设计（论文）报告纸 - 16 - 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。 毕业设计（论文）报告纸 - 17 - 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， 毕业设计（论文）报告纸 - 18 - 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。 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： 弹簧限位轴弹簧限位轴 弹簧弹簧 吸盘式电磁铁吸盘式电磁铁 球套环球套环 电磁吸力电磁吸力 弹簧阻力弹簧阻力 毕业设计（论文）报告纸 - 19 - (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) 20 o 50 o PIP (MP) 26 o 指根关节摆动 26 o 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。 毕业设计（论文）报告纸 - 20 - 图 3.10 设计装配图 毕业设计（论文）报告纸 - 21 - 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 。 毕业设计（论文）报告纸 - 22 - 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