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哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 排牙多指手结构设计抓取规划及仿真 摘要 随着科学技术的飞速进步，机器人在诸多领域得到发展和应用。其中医 用机器人是一个重要的发展方向，而医用机器人在全口义齿排牙中的应用很 少，并且存在很多的问题和不足。为了适应不断发展的社会需要，未来的全 口义齿机器人必须能够满足人性化要求，使全口义齿的制作实现规范化、标 准化、自动化、工业化的水平，从而极大地提高其制作效率和质量。排牙机 器人的研制是将机器人应用于口腔修复医学的一次大胆尝试。 机器人多指手( 灵巧手) 作为机器人与环境作用的最后环节和执行工具， 相当于安装在机器人臂上的可独立实现精细操作运动的一组机器人，是真正 拟人化并能实现灵活操作的机器人手。 本文提出了基于m o t o m a nu p 6 机器人排牙多指手的排牙的实现方案， 主要进行了排牙多指手的结构、抓取和仿真的研究。首先对多指手的结构型 式进行综合分析，选用多目标函数优化法对多指手各结构参数进行优化计 算。在所设计的排牙多指手优化结构基础上，建立手指及整体运动学方程， 并对正、反向运动学方程求解。进一步对单指结构进行分析，计算出单指灵 巧手的工作空间，并利用m a t l a b 软件对工作空间进行可视化模拟。然后对 多指手的抓取方法进行研究，并深入研究了力封闭抓取方法，进行了实例计 算。最后利用u g 软件对排牙多指手进行三维建模，并利用a d m a s 模块进 行动力学仿真，可视化的验证了排牙多指手排牙操作的可行性与准确性。 本课题的研究是机器人技术由传统工业领域向医学领域扩展的又一次体 现，既符合医用机器人的发展趋势、满足日益发展的社会需要，又促进了机 器人技术、口腔修复学全口义齿制作技术的发展，因而课题的研究具有良好 的社会效果和应用前景。 关键词机器人；多指手；抓取；运动仿真；排牙 竺查耋矍二奎兰：兰竺圭兰竺鎏兰 s t r u c t u r a ld e s i g ng r a s pp l a na n ds i m u l a t i o no f t o o t h - a r r a n g e m e n tm u l t i f i n g e r e dh a n d a b s t r a c t w i t ht h er a p i da d v a n c e m e n to ft e c h n o l o g y , r o b o th a sb e e nd e v e l o p e da n d a p p l i e di nm a n yf i e l d s ，a n di a t r i c a lr o b o ti sa l li m p o r t a n td e v e l o p i n gd i r e c t i o n b u ti a t r i c a lr o b o th a ss e l d o mb e e nu s e di nt o o t h - a r r a n g e m e n to ff u l l d e n t u r ea n dal o to fp r o b l e m sa n ds h o r t a g e sa r ee x i s t i n g i no r d e rt o a d a p tt h ec o n t i n u o u s l yd e v e l o p i n gn e e d so fs o c i e t y , r o b o to ft o o t h - a r r a n g e m e n t i nf u l ld e n t u r en o t o n l y n e e d st os a t i s f yh u m a n r e q u i r e m e n t b u tm a k e st h em a n u f a c t u r i n go ff u l ld e n t u r er e a l i z e t h e l e v e lo fs t a n d a r d i z a t i o n ，a u t o m a t i o na n di n d u s t r i a l i z a t i o nw i t hh i g h q u a l i t y a n d h i g he f f i c i e n c y a sw e l l t h e d e v e l o p m e n t o fr o b o t m a n u f a c t u r i n gs y s t e mf o rf u l ld e n t u r ei sab o l da t t e m p to fr o b o tt e c h n o l o g yi n o r a lc a v i t yr e p a i r i n g m u l t i - f i n g e r e dh a n d ( d e x t e r o u sh a n d ) ，a sal a s tl i n ka n de x e c u t o rb e t w e e n r o b o ta n de n v i r o n m e n t ，i se q u i v a l e n tt oas e to fr o b o tw h i c hi sf i x e do nt h e r o b o t i ca r m ，c a nd od e l i b e r a t ew o r ki n d e p e n d e n t l y i ti sar e a lp e r s o n a t e dr o b o t h a n dw h i c hi sa b l et or e a l i z ea g i l eo p e r a t i o n t h i st h e s i sp r e s e n t sat o o t h a r r a n g e m e n ts c h e m eu s i n gam u l t i f i n g e r e dh a n d b a s e do nm o t o m a nu p 6 ，a n dm a k e sas t u d yo ns t r u c t u r e ，g r a s pa n ds i m u l a t i o no f t h em u l t i - f i n g e r e dh a n d f i r s to fa l lt h i st h e s i sm a k e sa na g g r e g a t ea n a l y s i so n s t r u c t u r eo ft h em u l t i - f i n g e r e dh a n d , a n do p t i m a l l yc a l c u l a t e st h es t r u c t u r a l p a r a m e t e ro fe a c hf i n g e rw i t ham u l t i p l eo b j e c t i v ef u n c t i o n b a s e do nt h eo p t i m a l s t r u c t u r eo ft h em u l t i f i n g e r e dh a n d ，k i n e m a t i c a lf u n c t i o ni se s t a b l i s h e da n dt h e n o b v e r s ea n dr e v e r s ek i n e m a t i c a ls o l u t i o n sa r eg o t t e n f u r t h e rm o r et h i st h e s i s a n a l y z e st h es t r u c t u r eo f af i n g e r , a n dc a l c u l a t e st h ew o r ks p a c eo fs i n g l ef i n g e r , a n dt h ev i s u a ls i m u l m i o no ft h ew o r ks p a c ei sm a d eb ym a t l a bs o f t w a r e a n d t h e ni tm a k e sr e s e a r c ho ng r a s p ，e s p e c i a l l yl u c u b r a t e st h ef o r c e c l o s eg r a s p ，a n d a ne x a m p l eo fc a l c u l a t i o ni sg i v e n a tl a s t , a d m a sm o d u l eo fu gs o f t w a r ei s - - 竺玺蒌：三奎兰三耋蝥圭兰竺丝三 u s e dt om o d e l i n gt h em u l t i - f i n g e r e dh a n da n dt om a k ed y n a m i cs i m u l a t i o no f t h e h a n d t h i sv i s u a l l yd e m o n s t r a t e st h ef e a s i b i l i t ya n dv e r a c i t yo f t o o t h a r r a n g e m e n t o p e r a t i o n t h er e s e a r c ho ft h i sp r o j e c ti sar e a l i z a t i o nt h a tr o b o tt e c h n i q u ee x t e n d i n g f t o mt r a d i t i o n a li n d u s t r yf i e l dt om e d i c i n ef i e l d t h i sn o to n l ya c c o r d sw i t ht h e d e v e l o p m e n t a lt r e n do fm e d i c a lr o b o ta n da c h i e v e st h es o c i a lr e q u i r e m e n t ，b u t a l s oa c c e l e r a t e st h ed e v e l o p m e n to fr o b o tt e c h n i q u ea n dt h et e c h n o l o g yo ff u l l d e n t u r em a n u f a c t u r i n gi no r a lc a v i t yr e p a i r i n g ，s ot h i sp r o j e c th a sag o o ds o c i a l e 虢c ta n dr e s u l t k e y w o r d sr o b o t ；m u l t i f i n g e r e dh a n d ；g r a s p ；k i n e m a t i c a ls i m u l a t i o n ；t o o t h - a r r a n g e m e n t - m 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文排牙多指手结构设计抓取规划 及仿真，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表 或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者躲避净吼少缉? 月夕日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 排牙多指手结构设计抓取规划及仿真系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大 学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理 工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和 电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密日。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名： 娃c 导师签名：j 如辽表 k 一，、 ，i 、 日期：抄缉? 月夕日 日期：护石年3 月7 日 ! 玺釜垩三銮：二耋耋圭：竺兰三 1 1 课题背景 第1 章绪论 牙齿是人类健康的保护神，拥有一口结实、完好的牙齿是身体健康的保 证。然而随着人年龄的增长，牙齿将会出现松动脱落。据统计，人类的天然牙 齿平均在6 5 岁时就会丧失其功能因而需要部分或全部的人工修复体来代替。人 类的上下牙齿全部缺失后，称为无牙颌，需要全口义齿修复。目前，世界上大 多数发达国家都步入了老龄化社会，很多老人出现了全口牙齿脱落。在我国目 前人口也逐渐向老龄化发展，无牙颌患者日益增多，据统计，我国有近一千两 百万的无牙颌患者“】 全口义齿的设计和制作是一项复杂的、操作要求高的精细劳动。人工牙列 是恢复无牙颌患者咀嚼、语言功能和面部美观的关键，也是制作全口义齿的技 术核心和难点。传统的全口义齿制作方式是由医生和技师根据患者的颌骨形 态，靠经验用手工制作来完成的。这远不能满足日益增长的患者需求，极大的 阻碍了口腔医学的发展和医疗质量的普遍提高，并使得口腔修复医学发展水平 远远落后于其他科学技术的发展水平。 机器人多指手作为机器人与环境作用的最后环节和执行工具，相当于安装 在机器人臂上的可独立运动的一组机器人，是真正拟人化并能实现精细、灵活 操作的机器人手。所以本文提出把多指手与精细的排牙工作结合在一起，用机 械手代替人手的方案。 1 2 课题来源 本课题来源于。黑龙江省教育厅科技计划项目”。这一项目将为全口义齿 修复机器人的一些关键技术问题提出一些新的思路和想法。无论是在总体机构 的设计方面还是在控制电路、驱动电路、接口软件、实时性等方面都提出新的 探索。项目成果直接用于医用排牙实践中，具有相当程度的实用性。 1 3 国内外口腔医学发展现状 7 0 年代初，法国牙医、世界著名的口腔医学专家f r a n c o i sd u r e t 教授开创 哈尔滨理- 大学 学硕士学位论文 性地将原本用于工业生产的c a d c a m 技术引进到口腔固定义齿( 镶嵌体、 冠、固定桥、种植体) 的设计和制造过程，经历二十多年的努力获得成功，这 极大的促进了l = l 腔医学在计算机领域中的应用嘲。目前，法国，美国、瑞士和 日本等国家都开发了用于口腔修复的c a d c a m 系统，这些系统均可用于冠、 桥、镶嵌体等口腔固定修复的设计和制作，属于固定义齿修复系统，但无法用 于口腔活动局部义齿及全口义齿的设计与制作。1 9 9 4 年，日本东京都大学生物 工程研究中心的s a c a n it s u t s u m i 教授所领导的研究小组，利用三维激光 扫描和光固化成型技术开发了一种对已有的全口义齿进行仿制实验c a d c a m 系统，但由于制作出的义齿在外观形态上和所用的材料的毒性方面都无法为临 床所接受，因而不具有实用性嘲旧旧。 日本早稻田大学的h t a k n o b u 等人利用人类头骨模型制作了一个叽嚼机器 人机构，用以定量和动态地研究人类口腔的叽嚼运动规律，他们还研制了六自 由度的嘴部开合训练口腔康复机器人嘲m 。美国r u t g e r s 大学的g c b u r d e a 等 人提出了一个具有六个自由度位置传感器手臂的机器人辅助治疗系统，该系统 采用x 射线生成牙齿图像，从而准确地诊断牙齿腐蚀活动及骨质脱落情况嘲。 奥地利v i e n n a 大学的w b i r k f e l l n e r 研究了计算机辅助外科的模块式软件系 统，并在口腔修复义齿种植上进行了应用”，美国k e n t u c k y 大学的l w a n g 等 人研制了局部固定义齿种植机器人系统，该机器人系统能够模拟人类的上下颚 运动和上下牙咬合过程，从而有效地实验和评价各种义齿种植的设计和工序是 否合理。这些研究主要在口腔运动功能的康复和局部固定义齿的修复上，还 没有应用到全口义齿。 与国际相比，我国在这一方面的起步相对较晚。国内学者开展了全口义齿 排牙的数学化和定量化描述的研究，北京大学口腔医学院吕培军等人建立了颌 弓曲线和牙弓曲线的幂函数模型，并采用计算机辅助设计的方法开发了排牙软 件，利用计算机图形功能实现了对全口义齿排牙过程的二维模拟“l 】“”。湖北医 科大学口腔医学院程祥荣等人开发出了一套计算机辅助全口义齿设计系统。经 过对无牙颌模型、人工牙及具有正中关系位的上下颌托的三维测量、数据处理 与建模等环节后，该系统能够根据全口义齿人工牙排列的原则和要求进行排 牙，并进行三维显示。这些工作为实现全口义齿的机器人制作提供了医学上的 数学基础和理论保证“”。 由北京理工大学机器人研究中心和北京大学口腔医学院组成的科研小组研 制出一个由计算机和机器人辅助设计、制作全口义齿人工牙列的应用试验系 统。该系统利用图像、图形技术来获取生成无牙颌患者的口腔软硬组织计算机 模型，利用自行研制的非接触式三维激光扫描测量系统来获取患者无牙颌骨形 态的几何参数，采用专家系统软件完成全口义齿人工牙列的计算机辅助统计。 另外，发明和制作了单颗塑料人工牙与最终要完成的人工牙列之间的过渡转换 装置可调节排牙器“”。 1 4 多指灵巧手的研究历史与现状 随着机器人应用领域日益扩大，自动化水平不断提高，特别是在水下、高 空及危险的作业环境中，迫切希望能给机器人末端赋予一个类似人手的通用夹 持器，以便在危险、复杂及非结构化的环境中，适应抓取任意形状物体完成各 种复杂的细微操作任务的要求，机器人多指灵巧手正是为适应这一需要而提出 的旧。 1 4 1 灵巧手发展经历的阶段 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。1 5 0 9 年，人们为在战争中失去 一只手的年轻战士b e r l i c h i n g e n 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b e r l i c h i n g e n 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。c h i l i d r e s s 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1 9 2 0 年开始 流行，从3 0 年代开始得到广泛的应用。 2 初期阶段t o m o v i c 和b o n i 于1 9 6 2 年研制成功的b e l g r a d e 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 2 0 世纪7 0 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。1 9 7 4 年日本研制成功的o k a d a 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。 3 中期阶段2 0 世纪8 0 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1 9 8 0 年联合研制 成功的u t a h m i t 手、美国斯坦福大学研制的s t a n f o r d j p l 手( 又称s a l i s b u r y 手) 等，这些成果奠定了灵巧手的理论基石和技术基础。 4 成熟阶段2 0 世纪9 0 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d i s t 手和u b 手、德 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 国宇航中心研制的两代d l r 手以及美国宇航局研制的n a s a 手等。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。 1 4 2 国外多指灵巧手的发展概况 多指手的研究始于2 0 世纪7 0 年代，其中具有代表性的早期灵巧手有：日 本“电子技术实验室”的o k a d a 灵巧手n 岫。如图1 - 1 所示。该手有3 个手指和 一个手掌，是一种仿人手。拇指有3 个自由度，另外两个手指各有4 个自由 度，手指关节由电机驱动，通过钢丝和滑轮实现运动和动力的传递。能进行拧 螺栓等动作。o k a d a 灵巧手采用电驱动腱式关节，灵活性受到一定限制，只能 进行简单的重复性动作。 进入2 0 世纪8 0 年代，由于机器人应用领域的不断扩大，各国都加强了机 器人多指灵巧手的研制开发，取得了许多很有应用价值的成果，一些著名的多 指灵巧手也应运而生。2 0 世纪8 0 年代初美国斯坦福大学研制成功了 s t a n f o r d j p l 手“”，如图卜2 所示。该手有3 个手指，每指各有3 自由度， 图卜1o k a d a 多指灵巧手 f i g 1 - 1o k a d a d e x t e r o 峭r o b o th a n do f j a p a n 图卜2s t a n f o r d j p l 多指灵巧手 f 嘻i - 2s t a n f o r d j p ld e x t e r o u sr o b o th a a d 没有手掌，是一种非常具有代表性的非仿人多指灵巧手。采用1 2 个直流伺服 电机作为关节驱动器，与o k a d a 手相比，s t a n f o r d j p l 手的灵活性有较大的改 善，可以抓取不同形状的物体如方块或鸡蛋等，其控制系统也更为复杂。但这 种手每个手指的自由度只有三个，在抓取物体时，抓取点( 指尖位置) 一旦确定 后，其抓取姿态就唯一确定。因此，实际上手指没有冗余关节，也就没有抓取 啥尔演理丁大学t 学硕士学位论文 的柔性，无法像人手一样进行灵巧、稳定的抓取和操作。 美国麻省理工学院和犹他大学联合研制了u t a h m i t 手“”，如图卜3 所 示。这是一种仿人手，其大小、形状、功能都与人手相似。u t a h m i t 手采用了 模块化的结构设计，四个手指( 拇指、食指、中指和无名指) 完全相同，每个手 指有四个自由度，各手指都连接到手掌并且相对于手掌运动。手指关节采用气 动伺服缸为驱动元件，能在指尖上产生3 1 n 的抓取力。1 6 个位置传感器装在每 个关节上，3 2 个腱拉紧传感器装在腕后面。配上数据手套可以实现拧灯泡等动 作。目前该手多用于实验室的各种研究，但它的主要问题是关节自由度太多， 控制太复杂，难以实现实时的在线控制，还未得到实际应用。 1 9 8 4 年日本研制成功了h i t a c h i 手“”，如图1 - 4 所示。该灵巧手共有3 个 手指，每指4 个自由度，采用形状记忆合金驱动方式，驱动速度快、负载能力 强。 图1 - 3u t a h g i t 多指灵巧手 f 粤l - 3u t a h m i td e x t e r o u sr o b o th a n d 图1 4 日本h i t a c h i 灵巧手 f i l l 4 h i t a c l l id e x t e r o u sh a n do f j a p a n 进入2 0 世纪9 0 年代，以意大利和德国为代表的欧洲在多指灵巧手方面取 得了很大进展。由意大利热那亚大学研制的d i s t 手有4 个手指，每指4 个自 由度，大小跟普通人的手差不多，手指的每个关节都能屈伸9 0 。，每个手指通 过5 个直流电机和6 根直径为0 4 m m ，用聚酯制造的腱进行驱动。该手加上 2 0 个电机总重量不超过1 0 n ，可以很方便地装在各种机械臂上该手是装在 p u m h2 6 0 机械臂上自1 9 8 5 年以来意大利博洛尼亚大学先后研制成功了u b i 和u b 一灵巧手，其中u b 一为博洛尼亚大学联合帕尔马大学和比萨大学共 同研制成功的，该手有3 个手指，共1 1 个自由度，安装在配有前臂和手腕的 哈尔滨理丁大学 学顿十学位论文 p u i i a5 6 0 的实验平台，以实现在关节有感应器的机器人手上 德国宇航中心研制的d l r 手被公认为迄今为止世界上最复杂、智能化和集 成化最高的仿人机器人多指灵巧手，如图1 - 5 所示嘲。该手是一种仿人手，它 是由四个完全相同手指组成，每个手指有四个关节。整个手共由1 0 0 0 个机械 零件以及1 5 0 0 个电子元件和1 1 2 个传感器组成。其中，末端的两个关节同人 手类似，存在着机械耦合，使用一个驱动器进行驱动基关节使用两个驱动 器，实现两个方向的运动。d l r 手采用电驱动方式，使用微型直线驱动器作为 驱动元件。该直线驱动器将旋转电机、旋转直线转换结构和减速机构融为一 体。所以它可将所有的驱动器集成在手指或手掌中，减小了手指的尺寸，同时 使腱的传动距离缩短，提高了动态响应。d l r 手在每个手指上集成有2 8 个传感 器，包括类似人工皮肤的触觉传感器、关节力矩传感器、位置传感器、速度传 感器和温度传感器等。 图l - 5i ) l r 多指灵巧手 f i g 1 - 5d l rd e x t e r o u sr o b o th a n d 2 0 世纪末，美国国家航空和宇航局利用国家基金研制用于国际空间站舱外 作业的n a s a 灵巧手。该手完全模拟人手的结构与动作，由1 个前臂、1 个手腕 和5 个手指组成，共1 4 个自由度( 手腕2 个自由度，拇指、食指和中指各3 个，无名指、小指和手掌各1 个自由度) 。目前该手可以拿起一些常用工具进 行操作。 1 4 3 国内多指灵巧手的发展概况 在国内，对灵巧手的研究是从2 0 世纪8 0 年代后期开始的，其中以北京航 空航天大学研制的阴系列为代表，从1 9 8 7 年以来，北航已先后研制出b h _ l 、 阴一2 、b h - 3 型多指灵巧手1 其中，阴一1 型多指灵巧手，如图1 - 6 所示，该 型手是一种仿s t a n f o r d j p l 手，三指九自由度，每个手指由四个电机驱动。 近几年，北航开始研究b h - 4 型灵巧手，如图1 - 7 所示。该手为四指十六 自由度，采用模块化设计，分为手指、手掌和机械接口三个模块，改变手掌设 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。传动元件全部由齿轮副组成，电机完全置于 手指中。传动路线短，结构简单、紧凑该灵巧手主要用于灵巧操作研究及为 相关技术开发与应用提供有效的实验平台。灵巧手可以在计算机的控制下用手 指灵巧地弹奏简单的乐曲；研究人员佩带具有多个传感器的数据手套后，可以 通过数据手套中手指的动作，利用计算机网络通讯，对灵巧手进行距离控制操 作，比如远距离遥控机器人灵巧手抓物、倒水等等。 图l - 6b h - l 型多指灵巧手 f i g 1 6b h - ld e x t e r o mm t x ，th a n d 图1 - 7b h - 4 型多指灵巧手 f 嘻l 一7 b h - 4 d e x t c r o m m b o t h a n d 哈尔滨工业大学于2 0 0 1 年研制成功具有多种感知功能的h i t - 1 型多指灵 巧手，如图卜8 所示。该手与人手相似，是一种仿d l r 手，共有四个手指， 每个手指三个自由度四个关节，末端两个关节具有机械耦合，通过一个直线电 机实现驱动。该灵巧手具有位置、温度、多维指尖力和关节力矩等9 6 个传感 器，共有机械零件6 0 0 多个，表面贴装电子元件1 6 0 0 多个，实现了基于多传 感器的手指阻抗控制及基于数据手套的远程遥控作业可以通过数据手套中手 指的动作，利用计算机网络通讯，对灵巧手进行远距离控制操作。 此外，北京科技大学也研制了一种多指灵巧手，这是一种非仿人手，共三 个手指，第一和第三指分别有五个自由度，第二指有四个自由度。这种手自由 图l - 8h i t - i 型灵巧手 f i g 1 - $ b h id e x t e r o u sm b o t 度过多，增加了控制的难度，外形上显得比较笨拙，结构上需大大加以改进。 目前已经制造出来的这些多指灵巧手在结构方面都存在许多不完善的地 方。因此，有必要对多指灵巧手结构进行深入的分析，并引进合理的优化设计 方法，设计出结构更为合理的多指灵巧手，为多指灵巧手的实用化和其他方面 的研究提供最理想的结构。 1 5 课题研究的意义及主要研究内容 1 5 1 课题研究的意义 随着老龄化社会的到来，牙齿缺损与缺失的比例将增加，这将会是一个很 大的市场。而且修复体在一定时间必须修改或互换，口腔修复有望成为新的经 济增长点。口腔修复的社会需求量的增加，也将极大的促进口腔修复材料工 业、制造业及加工业的发展，特别各种类型的义齿制作加工中心的出现，使义 齿制作加工业的发展一改往日小作坊的加工方式，使口腔修复加工业出现规模 化、产业化。不仅降低了成本，减轻了劳动强度，最重要的是减少了浪费，彻 底改变以往的口腔修复既浪费机器、设备、材料，效率又低的局面，使义齿加 工的质量从根本上得到全面的提高，从而提高国家的整体口腔修复水平嘲。 利用口腔修复机器人相当于快速培养和造就了一批高级口腔修复医疗专家 和技术员。利用机器人来代替手工排牙，不但比口腔医疗专家更精确地以数字 哈尔滨理亡大学工学硕士学位论文 的方式操作，同时还能避免专家因疲劳、情绪、疏忽等原因造成的失误。这将 使全口义齿的设计与制作进入到既能满足无牙颌患者的个体生理功能及美观需 求，又能达到规范化、标准化、自动化、工业化的水平，从而大大提高其制作 效率和质量。 1 5 2 课题主要研究内容 针对目前多指灵巧手研究中存在的问题，并考虑现有的研究条件，本文着 重进行以下研究工作： 1 多指手结构设计的研究对多指手的结构型式进行综合分析，选用合理 的优化方法对灵巧手结构参数进行优化，从仿人手的角度，以人手结构形式及 比例参数为依据，进行多指灵巧手的具体结构设计，确定手掌和手指各关节的 具体结构参数。 2 排牙多指手的运动学分析和工作空间在所设计的排牙多指手优化结构 基础上，建立手指及整体运动学方程，并对正、反向运动学方程求解。对已建 立的结构进行分析，计算出多指灵巧手的工作空间，并利用m a t l a b 软件对工 作空间进行可视化模拟。 3 排牙多指手的抓取规划对抓取模式进行回顾和比较，分析一种基于机 械结构的多指手模式的分类。对抓取方法进行研究，并深入研究力封闭抓取方 法，得出优化的抓取方案，最后对单位球体进行实例计算。 4 排牙多指手的运动仿真分析利用三维建模软件u g 对排牙多指手建 模，并利用a d m a s 模块进行动力学仿真分析，生成m p e g 电影文件，可视 化的验证排牙多指手排牙操作的可行性与准确性。 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 2 1 引言 第2 章排牙多指手的结构分析 灵巧手的设计是机构、传感、控制三大系统的综合设计，从系统观点来 看，各子系统的设计应首先使系统具有最佳的整体效果，同时使其它子系统的 设计变得相对简单，最后才考虑子系统内部的设计。这应该是我们设计灵巧手 必须遵循的准则。机构是系统中很重要的一部分，因此有必要对灵巧手的结构 进行系统的研究。 2 2 多指灵巧手的结构分析总述 灵巧手的研究目的主要是为了克服目前一般工业机器人末端夹持器的局限 性，扩大高性能机器人的应用范围，使机器人能真正灵巧地进行精细复杂的操 作作业，其次获得对被操作物体的识别和高度适应能力：如能抓取和识别不同 形状、不同大小、不同质地的物体，以提高机器人与周围环境直接交互的能 力。为了达到这一目的，在多指灵巧手、智能手爪等研究领域中，一般仿人形 地将机械手设计成多关节多自由度形式，尽可能地模仿人手的功能。 人手可称得上是世界上最灵巧的“机构”，至今仍没有能完全取代人手的 机械手。人手是经过生物界长期的优胜劣汰而得出的“优化机构”，它无论是 在操作性还是灵巧性上都是最优的。人体上肢机构的自由度为2 7 个，而其三 分之二都集中在手指部位( 1 4 个关节，2 0 个自由度) 。人手可以操作任意形状 的物体，并可进行各种复杂精细的操作。因而，灵巧手结构的设计应尽可能从 仿生学的角度出发，通过设计出仿人形的多指灵巧手来代替人手完成各种精细 复杂的操作。 多指灵巧手结构的优化分析和选择，主要包括以下几方面的内容： 1 手指关节运动副的形式； 2 手指数目； 3 手指的结构形式； 4 。手掌的结构； 5 各关节运动的驱动方式及传动方式； 哈尔滨理工大学工学颂十学位论文 6 手指的截面结构形式； 7 手指的材料； 8 传感器的选用及布置。 2 3 多指灵巧手指的关节运动副型式 多指灵巧手的机构与其他任何机构一样，由若干构件组成，构件之间则通 过运动副彼此相连，以产生确定的相对运动。运动副相当于人手的关节。常见 的运动副如表2 - 1 所示嘲 表2 - 1 常见运动副形式 t a b l e2 - 1c o m m o nm o t i o np a i r s 运动副名称约束条件数自由度数级别 转动副 5lv 移动副 5lv 螺旋副5lv 圆柱副 42 球面低副 33 如图2 - 1 所示，由于多指灵巧手各运动副中的运动变量都要借助于各个驱 动器来实现，而无论是转动的或移动的驱动器又均为一个自由度，所以在多指 灵巧手中所采用的运动副形式，实际上只有转动副、移动副和螺旋副。移动副 和螺旋副能够获得直线运动，在具有相同数目运动副的手指中，包含移动副和 螺旋副的手指，其灵巧性明显比只含转动副的手指要差。 从目前所获得的资料来看，手指的运动副全部采用转动副。从仿人手的角 度，建议采用转动副，可用多个转动副替代球窝关节、鞍状关节。因此，本文 所研究多指灵巧手所有关节均采用转动副形式。 2 4 手指的数目 对灵巧手而言，手指的数目是决定其抓取稳定性和灵巧性的重要因素。从 仿生学的角度来看，人手能够抓取各种不形状、不同材质的物体，其根本原因 在于人手能采取各种各样的抓取姿态去适应特殊的任务要求。概括人手的抓取 行为，可分为指端接触抓取、手掌接触抓取、手指侧面接触抓取、三个虚拟的 哈尔演理t 大学t 学硕+ 学位论史 a ) a ) 由移动副、旋转副 组成的手指 b ) b ) 由转动副和螺旋副 组成的手指 c ) c ) 只由旋转副组成的 手指 图2 - 1 移动副、螺旋副、旋转副组成的手指灵巧性的比较 f i g 2 1c o m p a r i s o n o l ld e x t e r i t yo f f i n g e r sc o m p o s e db yt r a n s i t i o np a i r s ，簧t e wp a i r s a n dr o t a t i o np a i r s 抓取和混合抓取，如表2 - 2 所示。 其中前三者为人手抓取的基本类型： 1 指端接触抓取将大拇指作为“虚拟指1 ”，另外四指作为“虚拟指2 ” 的相对面抓取。它具有良好的抓取灵活性，抓取精度较高，但在抓取稳定性及 抓取力上受到一定限制。 2 手掌接触抓取定义手掌为“虚拟指l ”，除大拇指外的四指为“虚拟指 2 ”的相对面抓取。+ 它以牺牲抓取灵活性以换取抓取的稳定性，手掌及各指的 大面积接触被抓物使手抓充分发挥出抓取力，同时提供足够的摩擦力。大拇指 可以用以增加抓力，因此这种抓取方法保证了最大的抓取力和抓取稳定性。 3 侧接触抓取大拇指为“虚拟指1 ”，食指朝大拇指的侧面为“虚拟指 2 ”接触面的抓取，其抓取灵活性和稳定性介于指端接触抓取和手掌接触抓取 之间。 上述三种基本抓取形式可以实现其它几种典型的抓取，因而可知大部分的 抓取任务可以用两个虚拟指来完成，而对于一些诸如高精度的圆球、圆盘等抓 取，可以引入第三个虚拟指来提高其稳定性。因此，有三个虚拟指的手爪其抓 取是绝对可靠的。 竺釜釜登三奎兰：罂圭兰竺丝三 表2 - 0 人手对物体的抓取方式 t a b l e2 - 2h u m a n g r a s po no b j e c 协 手掌 彩孑 鼙箭 接触 抓取球开挚抓取圆柱体 斜对手掌扼取匍拳掘取圆柱体l 氡a 奄q瓤、 、 手指 内侧 端部两指捏廷伸抓取端部抓取五指升式捏夹捏 接触 鞠 灸 险 氍民 i 、 二三指夹指尖捏两指捏球 二指捏球两指捏圆拄四指捏圆柱 手指 藿立 黜 侧面 接触 饲捏 翻夹 虚拟， 丈鞫钮 指莎影 指尖接触 平贴钩握 混 暌l 雹餐 厶 口 内儡接齄拇指的圆柱抓取i强力抓取定向抓取 握笔 多指灵巧手的手指数目应在可以实现抓取和细微操作的前提下，尽可能取 小值。由表2 2 可知，所有的抓取方式都可以不用五指，而只用三指( 大拇 指，食指，中指) 就能实现。因而说明，结构简单，易于控制，又能满足功能 要求的多指灵巧手应是三指灵巧手。 2 5 手指的结构形式 对于单个手指，希望它有使指端达到空间任一点的功能，这样才能适应物 体外形的变化，由于空间点是三维矢量，所以手指的自由度至少应是三个，少 于三个时就不能满足要求。相反如果手指自由度多于三个，则存在冗余自由 度，冗余自由度的优点是在满足指端到达空间指定点的前提下，可以调整末杆 竺玺篓垩三奎兰三兰竺圭兰竺耋圣 的姿态，从而保证手指与物体的接触处于最佳状态。但是我们也可以看到，冗 余自由度增多，结构过于复杂，控制也更难，所以不可取。 对于三自由度手指，按照关节轴线之间是否平行、相交垂直和交错垂直三 种情况，共有2 7 种不同的关节配置。由于轴线相交垂直使得传动布置较为困 难，去掉这些情况还有八种组合嘧力( 见图2 2 ) 。 liiiil lu|u l vvw垤 图2 - 2 由3 个转动副构成的手指结构 f i g 2 - 2f i n g e rc o n s t r u c t i o nf o r m sc o m p o s e do f t h r e er o t a t i o np a i r s 在图2 2 中，和i 、和、v 和、和手指结构相同。 和的手指结构指端只能作平面运动，不能满足手指结构的功能要求 剩下了、和v 三种结构类型。从手指机构的正逆解和手指结构的 等方面的分析和研究，以及本文所研究对象的具体要求，采用第中 较为合理。 2 6 手掌的结构 但是， ，这样只 操作空间 手指结构 如图2 3 所示，人类的手有手掌，因此仿人多指灵巧手一般也都有手掌， 但是，一些不是完全仿人的多指灵巧手也可以没有手掌。 目前已经研究出来的多指灵巧手可以分为具有手掌( 以d l r 手为代表) 和不 具有手掌( 以j p l 手为代表) 两类。没有手掌的灵巧手，其抓取和操作的灵巧性 都比较好，对抓取尺寸比较小的物体并对其进行微细操作有利；而具有手掌的 灵巧手，当手掌及各指的大面积接触被抓物体能使手爪充分发挥出抓取力，同 时提供足够的摩擦力，从而大大提高其抓取稳定性。 116ii夺i上万 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 多指灵巧手的关节驱动方式、运动及动力的传动方式问题是多指灵巧手结 构设计的难点，是结构研究的瓶颈问题，目前的技术还难以彻底逾越这一障 碍，一旦这一问题得到突破，机器人多指灵巧手的结构和性能将会发生根本的 变化。灵巧手研究的最终目的是控制它完成精确稳定的操作任务，因而要解决 以下两个问题：关节驱动源和关节传动方式 2 7 1 关节驱动源的选择 2 7 1 1 驱动方式的选择驱动源的选择要从操作力、反应速度、灵巧手大小 和重量的极限、安全性、使用方便性、寿命以及造价和成本综合考虑，主要有 三种形式：电驱动方式、气压驱动方式和液压驱动方式。 1 电驱动方式能获得中等程度的操作力，若采用性能良好的伺服电机能 获得接近液压式的反应速度，成本适中，控制比较方便，易于实现精确运动。 驱动负载较小，过载时会发热而发生故障。电驱动是技术最成熟、应用最广泛 的一种驱动方式，其综合性能大大地优于气压驱动和液压驱动，电驱动方式能 ：玺至耋三盔茎三耋2 圭兰譬兰兰 够驱动的负载较小，但控制比较方便，且易于实现精确运动。因此大多数灵巧 手均采用电驱动。 2 气压驱动方式气压驱动的驱动负载也较小，动作速度较快，过载安全 性大，污染小，对人体危害小，成本低，但噪音大，灵敏度差，动作租糙，由 于通常使用压缩的空气作为能源，所以价格较便宜并且对环境的要求不严格； 刚度与空气的可压缩性有关，通常很低，同时动态性能较差，适合于开关量运 动。 3 液压式驱动方式其主要优点是具有很好的稳定性和可靠性，能够驱动 的负载较大，容易实现精确的位置控制，噪音小，但造价较高，且在灵巧手中 使用微型的液压驱动器有很大的缺点，如密封处摩擦较大，输液管线复杂，存 在较大的泄漏流量，对环境造成污染物等。近年来一些新型的驱动技术，如形 状记忆合金驱动、压电陶瓷驱动等在少数灵巧手中也被采用。容易获得较大的 操作力，能驱动较大负载，同时其反应速度快，过载安全性大。但一般需要液 压动力装置以便将电能转换成液压能，故它比电驱动方式多了一个动力装置， 体积大、成本高，易污染，使用不方便。 根据比较，电驱动方式在负载小，所需操作力不大的前提下较液压和气压 驱动有较大优越性，故本文所研究对象采用电驱动方式。 2 7 1 2 电动机的选择电动机主要有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电 机。在实际工程中我们根据它们的具体情况和电机的各自特性来选择使用。 1 步进电机直接实现数字控制，控制结构简单，控制性能好，而且成本 低廉，通常不需要反馈就能对位置和速度进行控制，位置误差不会积累，步进 电机具有自锁能力( 变磁阻式) 和保持转矩( 永磁式) 的能力，有利于控制系统的 定位。 2 直流伺服电机直流伺服电机具有良好的调速特性，较大的启动力矩， 相对功率大及快速响应等特点，并且控制技术成熟。但其结构复杂，体积偏 大，成本较高，而且需要外围转换电路与微机配合实现数字控制