毕业设计（论文）-基于连杆耦合原理的仿人假手结构设计.doc

全套图纸加扣3012250582摘 要本文目的是设计一种体积小、重量轻、运动稳定以及操作灵活的多自由度残疾人假手手指。本文将耦合原理引入到假手手指的机构设计中，解决了体积小和灵活性高之间的矛盾。在体积小、重量轻的基础上，假手手指也足够的灵活。同时在外观和运动形式上，与人手手指十分相似。本文首先综述国内外假手的发展状况，分析了假手的发展趋势，在此基础上采用了基于耦合原理的设计方案。设计出一种新型仿生的多自由度假手的手指（食指），使之在外形、功能、体积等方面尽可能模仿人手手指。根据人手的形态结构及骨骼特点，采用连杆机构实现手指的耦合。设计了手指结构，并进行手指的运动学分析，使手指在运动过程中近指节与中指节、中指节与指尖的转角实现近似 1:1 传动。利用虚位移原理及坐标变换理论进行了静力学分析，求出了远指节出力与基关节输入转矩关系的表达式。并绘制了一套二维图纸。设计了基关节力矩传感器，同时还设计了关节绝对位置传感器。分别提供假手手指的基关节力矩和基关节绝对位置信息。提高假手手指的智能化水平。关键词：假手；耦合；四杆机构；力矩传感器AbstractThe purpose of this paper is to design a multi-degree prosthetic finger with low- weight, small-volume, high-reliability and satisfied manipulative performance. The coup-ling theory was introduced in the structure design of the finger, and the contradiction between small-volume and dexterity of prosthetic finger has been resolved. On the premise of low-weight and small-volume, the finger is also dexterous enough.Simultaneously, the shape and the locomotion way are almost the same as peoples.First of all, the paper carries out an extensive research on the state of the development of prosthetic hand in and out of China, and analyzes the trend of prosthetic hand develop- ment. Based on the study above, a design scheme based on coupling theory is put forward. Design of a new type of multi-DOF prosthetic hand bionic finger (index finger) to make it in form, function, size and other aspects of manpower finger to imitate as much as possible.Secondly, based on the morphology of staff and the features of the skeleton, improve- ments have been made. Four-linkage structure is used to accomplish coupling of the finger. Kinematic design of the finger structure, and analyze the finger, the finger during exercise near the knuckle and middle section, the middle section of the fingertip rotation angle to achieve an approximate 1: 1 transmission. Virtual displacement principle and use of coordinate transformation theory of static analysis obtained far knuckle joint with the base input torque output relationship of expression. And draw a two-dimensional drawings.Torque sensor is designed, and the absolute position sensor for the joints is also desi- gned. Respectively prosthetic hand finger joint group joint torque and absolute position information group. Improve the level of intelligent artificial hand finger.Key words ：prosthetic hand, coupling, four-linkage structure, torque sensor目 录摘 要IAbstractII1 绪 论11.1 课题的背景及研究意义11.2 假手的国内外研究状况和分析21.2.1 德国 Otto Bock 假手21.2.2美国 IOWA 州立大学研制的假手21.2.3 英国 TB 手31.2.4 多伦多假手31.2.5 意大利假手41.2.6清华 TH-1 假手51.2.7 HIT 仿人型假手51.3 本文的主要研究内容61.3.1 研究的理论依据61.3.2主要研究内容72 假手手指的结构设计82.1引言82.2总体方案设计82.3 驱动及减速系统设计92.3.1 电动机与减速器的选择92.3.2圆锥齿轮转动设计112.4 耦合连杆设计132.4.1 连杆长度参数设计132.4.2 连杆截面积设计142.4.3 压杆稳压校核152.5 轴系设计162.5.1 基关节轴系设计162.5.2 中关节轴系设计192.5.3 远关节轴系设计202.6 假手手指整体结构设计202.7 本章小结203 假手手指运动学与静力学分析213.1 引言213.2 运动学分析213.3 静力学分析223.4 本章小结254 假手手指传感器设计264.1 引言264.2 基关节力矩传感器设计264.3 位置传感器的设计274.3.1 测量原理274.3.2 测量装置设计284.4 本章小结29结 论30致 谢31参考文献323全套图纸加扣30122505821 绪 论1.1 课题的背景及研究意义现代人的生活水平越来越高，但由于交通事故、工伤和疾病等原因，残疾人的数量越来越多，这已经成为一个世界范围内的问题。根据中国残疾人联合会的资料统计，全国现有残疾人总数约 6000 万人，其中肢体残疾近 877 万人。另外，随着人类物质财富的增长，残疾人越来越受到社会的关注。而假肢（包括假手）的研究对于改善残疾人的生活和帮助他们更好地融入社会是非常重要的，因此这已经得到了社会各界的高度重视。同时，对临床病人需求的调查结果显示：残疾人假手的外观和功能相比，残疾人往往更看重假手的外观。外形和人手接近，形态逼真的假手能大大提高使用者的自信。因此，与工业机器人的设计相比，在残疾人假手的设计过程中，对外观美观程度的要求要高得多。在假手的设计中，手指的机构设计占据着举足轻重的地位。现在已有的商业假手一般具有 3-5 个手指，但大部分仅有 1 个自由度，因此只能实现简单的张合运动，难以完成复杂的动作。19 世纪 80 年代以来，随着航天宇航技术的迅速发展，智能多指灵巧手技术有了飞速的发展，其典型代表是美国宇航局的 NASA 灵巧手和德国宇航中心的 DLR-I, II 型灵巧手。这些手的手指的主要特点是传感器丰富，驱动器多，功能强大，但结构复杂。正因为它们结构复杂，重量重，所以不能直接用于残疾人福利事业中。因此，新一轮残疾人用假手手指机构的研究迫在眉睫。欠驱动手指可以实现柔性的抓握，在抓握时，手指可以根据抓取对象的形状而将之包络于手指中，具有较好的自适应能力。但经过多次试验发现，采用这种机构的假手存在抓取力不大，机构控制不够稳定等问题。应用耦合原理可以很好的解决以上的问题。本文采用耦合原理解决手指结构复杂性和运动灵活性之间的矛盾。只需单一电机驱动，通过耦合连杆的运动模拟人手手指的运动。手指运动灵活，指尖出力大。同时结构简单，重量轻，便于应用。本课题的目的是根据对人手的研究，设计一种新型仿生的多自由度假手的手指（食指），使之在外形、功能、体积等方面尽可能模仿人手手指。该项目研究具有多种感知功能的新一代仿人型残疾人假手系统及理论。研究的具体内容包括：欠驱动手指机构的最优化设计及理论；传感、驱动和微处理器系统的集成化设计及理论；基于多生物电信号（肌电信号和脑电信号）的残疾人假手通讯控制系统及理论；基于语音的残疾人假手接口系统及理论；假手的局部自主控制系统及理论。由于本科生所学知识及科研能力有限，进行假手手指的机构设计。课题的目的是根据对人手的研究，设计一种新型仿生的多自由度假手的手指（食指），使之在外形、功能、体积等方面尽可能模仿人手手指。课题研究的意义：本课题的研究涉及到多个学科的融合，包括机械学科、电子学科、控制理论等，需要综合运用本科期间所学知识，可以达到毕业设计的锻炼目的。另外，本课题的研究能促进假肢事业的发展，也能促进残疾人康复事业的发展，有着很大的经济效益和社会效益。1.2 假手的国内外研究状况和分析人类历史上最早的假手出现于 1509 年，这是为在战争中失去手的年轻战士Berlichingen 制作的假手。这只假手通过弹簧驱动，在战斗中发挥了很大的作用，但在生活中却并不适用1。近年来，随着航天技术的发展，太空和无人环境作业的要求下，世界上的航天大国对灵巧手展开了研究。虽然灵巧手和假手有着很大的区别，但在灵巧手技术的推动下，假手的研制工作近年来也取得了很大进展。1.2.1 德国 Otto Bock 假手德国 Otto Bock 公司单自由度假手（如图 1-1所示）是目前商业上运作最成功，实际运用中最广泛的假手2。Otto Bock 假手外观、大小和人手相近，具有多个（3或者 5）手指，由1个电机驱动。该手的特点是肌电信号的处理与控制比较成熟，使用性能稳定，有滑动觉传感器，最大抓取力可达 90N。其缺点是自由度少，灵活性较差。图 1-1 德国 Otto Bock 假手1.2.2美国 IOWA 州立大学研制的假手美国 IOWA 州立大学开发出了一种新颖的假手，如图1-2所示。与以往假手不同的是，它采用的手指机构是由弹簧、压缩连杆、绳索和导管。每个弹簧就是一个手指的指节，压缩连杆的作用是用来作为弹簧的连接支架和抑制弹簧的移动使弹簧完成伸缩和弯曲变形，从而达到模拟手指的弯曲。绳索连在手指的末端指节上，通过驱动绳索使手指的三个指节同时完成弯曲变形，从而实现抓握物体的运动。该假手相比以前的假手有了很多的优点，过去的假手大多是只有拇指和食指是主动弯曲的，其它的手指多为从动式，这使得手指的弯曲不能完全模仿人手的运动，而且受自由度的限制，不能实现手指的外展和并拢。而该手的五个手指都是主动式的，由于弹簧是弹性元件，可以完成各个方向的移动，它能随物体形状的变化产生各种各样的包络形式，从而完成对物体的抓握。由于弹簧的重量比较轻，相比以前的假手而言，该手的重量要轻很多。但是也因为弹簧是弹性元件，控制较难，同样也是因为靠绳索驱动，运动不平稳，精度较低。图 1-2 美国 IOWA 州立大学研制的假手1.2.3 英国 TB 手英国 TB 手是继德国 Otto Bock 假手之后，英国于 2007 年研制的又一例商业用假手，如图1-3所示，其外观大小和人手相近，有六个自由度，大拇指由两个电机驱动，其它每个手指有一个电机驱动，除大拇指的一个电机在手掌中，其余电机均布置在各手指近指节，每个手指的电机用来实现手指的抓握，大拇指还可以沿手掌侧摆。每个手指有两个活动关节，近指节和中指节通过带轮耦合。这个手重量轻，结构简单，形状和抓取功能都和人手相似，但手的抓握力不大。图 1-3 TB 手及其手指结构图1.2.4 多伦多假手国际上有很多假手都采用连杆传动，其中做得比较突出的是 2001 年多伦多大学研制成功的多手指从动自适应控制式假手，即 TBM 手，如图1-4所示。该手主要是为儿童患者所研制，具有机构简单小巧（可达一般孩童手的尺寸），控制方便，重量轻，外形好的优点。这种使用机械结构来取代力传感和触觉传感器构成的力反馈系统，从而实现稳定抓取，减少了信号处理所使用的电路，减小了手的重量和体积，简化了控制方法。但由于手指之间的耦合，每个手指缺乏足够的灵活度；同时因为五个手指靠一个电机驱动，在抓取物体时存在着力的不平衡问题。图 1-4 多伦多假手1.2.5 意大利假手20 世纪的后二十年，国际上有人提出了欠驱动的概念，用来解决假手的机构复杂性和灵活性之间的矛盾。所谓欠驱动，即驱动器的数量少于自由度的数量，这样的机构保证了手指的运动灵活性，也减小了手的重量和体积，是当前假手机构研究的一个新的突破。欠驱动假手3一般采用两种运动传递方式：腱驱动和连杆驱动。腱驱动可以减小手的结构尺寸，但是传递力较小；而连杆驱动用于传递较大的力。意大利三手指多关节假手（如图 1-5 所示）是一种新型的肌电信号控制的假手。可实现精确抓取和力量抓取，丰富的传感系统控制保证了不需使用者的意识而可以达到稳定的抓取。该手基于欠驱动原理，具有对被抓握物体形状的自适应能力。实现抓取功能最主要的是要解决好三手指之间的运动方案，需要拇指和其余手指有独立的运动链和控制，因此至少需要两个电机，从机构的重量和体积的角度考虑，该手采用两个微直线电机分别控制拇指和其它两个手指，为增大输出力，还使用了齿轮箱减速器4 。该电机的缺点是速度慢，输出力小。图1-5意大利 RTR假手1.2.6清华 TH-1 假手综观近几年假手的发展，为了解决假手手指的驱动器与自由度（灵活性）的矛盾，国内外的研究人员先后都提出了采用具有自适应抓取物体能力的欠驱动机构假手。我国的清华大学在 20 世纪 80 年代初引进了德国 Otto Bock 的肌电控制假手，在此基础上，于 1996 年对假手的结构作了一定的改进工作，设计了双螺旋传动的增力机构，没有使用超越离合器，机构较以前简单、可靠，抓取力也得到增强5。同时清华大学还研制成功了指物之间的压觉和滑觉传感器，压觉传感器检测握力的大小，滑觉传感器实现假手握力的自适应控制6。此外，在 2003 年，他们又研制出具有欠驱动功能随动自适应仿人假手，如图1-6所示。该手具有两个手指，拇指有一个外展/内收自由度，单电机驱动，其弯曲依靠欠驱动机构。食指被做成四个手指形状，双电机驱动。该手结构比较简单，灵活性较差。图 1-6 清华 TH-1 假手1.2.7 HIT 仿人型假手哈尔滨工业大学机器人研究所于 2001 年开始研制仿人型假手，哈尔滨工业大学在灵巧手和假手上工作了大量的研究工作，先后研制了第一代假手样机和第二代 HIT-DLR 仿人假手7，如图1-7。基于欠驱动原理，第二代 HIT-DLR 仿人假手具有抓取自适应能力；尺寸小，重量轻（500克左右）；仿人手结构设计，具有 5 个手指，拇指有 2 个关节，其他 4 个手指完全相同，有 3 个关节；采用 3 个微型电机驱动；拇指和食指可以独立运动，拇指可以沿锥面运动，其它三指联动。具有关节位置传感器和力矩传感器；传感、驱动和微处理器系统高度集成。假手主要采用肌电和脑电控制，同时辅以语音控制。但是 HIT-DLR 的第一代和第二代仿人假手的外形和运动形式和人手还有一定差别，其三指联动抓取预紧力较小，拇指和小指只有两个指节，和人手尚有一定差别，另外手指的抓取可靠性，和传感器系统的不高，本文研究的新一代假手将在这些方面予以改进，并着重加强假手的仿人化外观设计。图 1-7 HIT 假手综观假手的发展情况和趋势，本文可以得到以下结论：(1)假手首先应该具有人手的外形、尺寸和重量，对于残疾人来说，假手的外观比功能更重要。而现在假手的尺寸和重量相对比人手较大，其外形和人手也有较大差别。(2)由于功能需要，多自由度化是假手发展的必然趋势，在多自由度假手的研究中，国内外主要采用腱驱动和连杆驱动两种方式。腱驱动假手在尺寸和外形上很容易做到和人手形状一致，但存在着以下缺点：手指抓取力量比较小，假手的摩擦力较大且形状易变，不易控制。采用连杆驱动的假手，手指抓取力比较大，假手能保持固定的位姿，假手可控性强，只是在假手的尺寸上和外形做到与人手一致，稍有困难。(3)新出现的假手具有高度集成化，具有多手指、多活动关节和多自由度的特点，为保证假手灵巧性的同时机构尽量简单化，受重量和体积的限制，一般为 2-3 个电机驱动。此外还具有高度集成的传感器、驱动、通讯和微处理器系统。(4)具有自适应抓取能力成为假手的一个发展方向（如 RTR II 假手，TH-1 假手）。欠驱动假手可以以较少的电机数来实现较多的自由度运动，且其包络性和自适应抓取能力较好。但欠驱动假手由于要有弹性元件，如扭簧，这样手指在运动的过程中扭簧会吸收一定的能量，使得手指的出力减小。且实验表明，由于储能元件的存在，手指在运动的起点和终点会发生震动，这些都限制了欠驱动技术在假手中的应用。本文基于耦合原理和四杆机构，使用小型连杆机构设计了仿人型残疾人假手手指。1.3 本文的主要研究内容1.3.1 研究的理论依据该项目研究具有多种感知功能的新一代仿人型残疾人假手系统及理论。研究的具体内容包括：欠驱动手指机构的最优化设计及理论；传感、驱动和微处理器系统的集成化设计及理论；基于多生物电信号（肌电信号和脑电信号）的残疾人假手通讯控制系统及理论；基于语音的残疾人假手接口系统及理论；假手的局部自主控制系统及理论。由于本科生所学知识及科研能力有限，进行假手手指的机构设计。1.3.2主要研究内容课题的目的是根据对人手的研究，设计一种新型仿生的多自由度假手的手指（食指），使之在外形、功能、体积等方面尽可能模仿人手手指。课题研究的意义：本课题的研究涉及到多个学科的融合，包括机械学科、电子学科、控制理论等，需要综合运用本科期间所学知识，可以达到毕业设计的锻炼目的。另外，本课题的研究能促进假肢事业的发展，也能促进残疾人康复事业的发展，有着很大的经济效益和社会效益。具体研究内容包括：(1) 基于耦合原理，设计多自由度仿人型假手手指，该手指的灵活性高，其外形、体积、功能和人手手指相似。(2)对假手手指进行运动学分析，并在此基础上确定假手手指连杆参数。(3)对手指进行静力学分析，并在此基础上进行手指机构设计。对其进行静力学仿真验证。(4)为假手手指设计力矩传感器与绝对位置传感器，实现对物体的准确抓取。技术要求：假手手指尺寸为正常人手指的 85%，近指节长度 32.3mm，中指节长度 23mm，远指节长度 21mm。指尖出力 10N，基关节速度 /s。2 假手手指的结构设计2.1引言在现阶段的假手手指设计中，存在一对矛盾：为了适应各种不同的抓取环境和对象，对假手手指的适应性和灵活性提出了很高的要求，而为了能够满足这些要求，就必须具备复杂的控制系统和机构，然而复杂的机构必然会导致庞大的体积和重量，这对于残疾人来说是不可接受的，大大限制了假手的推广应用。反之，为优先满足重量和体积限制于一定范围的要求，手指在结构和运动上趋于简单，但不能很好的模拟人手的运动，也不具备良好的抓握适应性，阻碍了其应用和发展。欠驱动假手手指可以以较少的电机数来实现较多的自由度运动，且其包络性和自适应抓取能力较好。但欠驱动手指需要弹性元件，如扭簧，这样手指的尺寸很难做得比较小。手指在运动的过程中弹性元件会吸收一定的能量，使得手指的出力减小。且实验表明，由于储能元件的存在，手指在运动的起点和终点会发生震动，这些都限制了欠驱动技术在假手手指中的应用。采用连杆的耦合驱动机构应用于假手的设计能较好的解决这个问题。利用耦合驱动可以使手指外观更加仿人化，结构简单，运动的起点和终点运动稳定，运动轨迹拟人化，抓取力大。2.2总体方案设计由人体构造学可知，人自然手由很多骨骼组成，包括食指在内的五指各个关节的运动有一定的顺序，五指的运动也是有一定范围的，它们是靠各个关节处限制手指无序运动的骨骼构造来完成的，从机械学的角度我们称之为运动限位。图2-1 人手骨骼结构简图假手要想完全模仿人手的运动非常困难。人自然手的骨骼构造8，其几个主要的特征可以用图 2-1 描述，其中食指有三个关节，其中近指骨关节(MCP)有 2 个自由度，中指骨关节(PIP)和远指骨关节(DIP)各有 1 个自由度。了解人手手指的骨骼结构对于假手手指的设计有非常重要的意义。在假手手指的设计过程中应使其尽量模仿人手手指。综合考虑各种机械结构的特点，决定采用与人手指骨骼最相似的杆机构作为机构的主体。为使手指运动模拟人的手指，有较大的指尖出力，采用耦合连杆原理设计手指的结构。参考人手食指的尺寸确定了手指各指节尺寸。近指节 32.3mm，中指23mm，远指节 21mm。近指节和中指节之间，中指节和远指节之间均采用耦合连杆实现手指的运动和力的传递，根据运动学分析的结果，保证其实现近似为 1:1 的耦合运动。食指耦合连杆结构简图如图 2-2 所示。图2-2食指耦合连杆结构简图2.3 驱动及减速系统设计综合考虑手指空间及手指出力要求，减速系统由行星齿轮减速器和圆锥齿轮传动组成。驱动电机选用直径 13mm 的电机。2.3.1 电动机与减速器的选择1电动机的选择由静力学分析，得手指在初始位置时基关节输入转矩与指尖出力关系 (2.1)手指正常运转时，又基关节角速度基关节输入功率传动系统效率其中为电机效率，为减速器效率，为齿轮传动效率。故电机所需功率综合考虑输出功率与转矩，查 FAULHABER 直流微电机参数表，选择1319T006SR 型直流微电机。附带编码器 IE2-400。电机基本参数如下：名义电压 U N =6V;电枢电阻 R=8.26 ；最大输出功率 P=1.00W;最大输出转矩 T=1.3Nm;空转转速 n 0 =13100r/min。图2-3电动机结构图2.减速器的选择设齿轮传动减速比为 2-4 ，指尖在初始位置正常出力 5N ，则减速器输出转矩为电机最大输出转矩 T=1.3m m N ，设减速器减速比为 i ，则由 (2.2)查表选择 Portescap 的 R13 四级行星轮减速器，减速比 484。L=26.8 m=15g。图2-4减速器结构图2.3.2圆锥齿轮转动设计1.齿轮的选择齿轮传动设计为轴交角 的一对直齿圆锥齿轮传动。小齿轮悬臂支承，大齿轮两端支承。选择齿轮材料、热处理方式和精度等级：大、小齿轮均选用 20Cr，渗碳、淬火，齿面硬度为 5863HRC。选用6级精度。2.初步计算传动主要尺寸按齿面接触疲劳强度进行设计，由 (2.3)式中各计算参数：(1) 小齿轮传递的转矩,由静力学分析，指尖初始位置受力 5N 时 = (2) 载荷系数 1.3(3) 弹性系数 (4) 直齿轮。节点区域系数 (5) 齿数比 (6) 取齿宽系数 (7) 许用接触应力，由式 接触疲劳极限应力寿命系数;安全系数。初算小齿轮的当量齿轮分度圆直径，得1 .确定传动尺寸(1) 考虑以上计算为长期工作的设计方法，假手手指要求屈伸 5 万次，为有限寿命设计。又齿轮所占空间不能太大，选择，选齿数= =(2) 取标准模数 (3) 大端分度圆直径(4) 变位系数不发生根切的最小齿数其中为直齿圆柱齿轮不发生根切的最小齿数,为分度锥顶角。变位系数考虑变位系数过大会导致齿顶过薄，取,允许小齿轮有微量根切。(5) 锥顶距(6) 取齿宽系数2.校核齿根弯曲疲劳强度 （2.4）(1)、K、m、同前，对于齿形系数和应力修正系数当量齿数由文献 9 ，得，由文献 9 ，得，(2) 许用弯曲应力 （2.5）弯曲疲劳极限应力寿命系数安全系数故(2) 计算齿根弯曲应力满足齿根弯曲疲劳强度要求。2.4 耦合连杆设计2.4.1 连杆长度参数设计经过运动学分析计算，得出以下杆件参数：中指节：=23mm ， = =4mm ，=22mm 。近指节：=32.3mm ， = =4.5mm ，=31.4mm 。2.4.2 连杆截面积设计1 、连杆内力计算由静力学分析，当指尖上加最大外力 F=10N 时，基关节输入扭矩 （2.6）下面计算连杆 CD 和 EF 的内力，对连杆整体分析如图 2-5 所示。图 2-5 连杆整体受力分析图由，得对杆 FGH 分析如图 2-6 所示。图 2-6 杆 FGH 受力分析图 由,得即2 .连杆截面积设计连杆最大内力。选耦合连杆材料为 45 号钢，查机械设计手册得 45 号钢压缩屈服极限为。故连杆最小横截面积设计中取 可满足要求。2.4.3 压杆稳压校核由于近指节耦合连杆受压力较大，故对其进行压杆稳定校核。受压杆件稳定性条件式为 （2.7）式中压杆稳定的临界载荷，式中 E 材料的弹性常数，对于 45 号钢,E= 210GPa；I 压杆截面的惯性积，对矩形截面；长度因数，对一端较支，一端不完全固定，； 压杆长度。代入数据计算，得故压杆是稳定的。2.5 轴系设计2.5.1 基关节轴系设计1.基关节轴设计基关节轴主要承受径向载荷，同时承受少量轴向载荷。按剪切强度计算最小轴径。(1) 近指节径向力计算对耦合连杆整体受力分析如图 2-7所示图 2-7 耦合连杆受力分析图由耦合连杆长度参数设计，得由,得即 由，得即(2) 齿轮所受圆周力大齿轮所受径向力与小齿轮所受轴向力相等(3) 对基关节轴受力分析如图 2-8 所示图 2-8 基关节轴受力分析图轴中最大剪力基关节轴剪力图如图 2-9 所示图 2-9 基关节轴剪力图选取基关节轴材料为 40Cr ，由公式 (2.9)式中 A 轴横截面积，；材料的许用剪切应力；材料承受的最大剪切应力；安全系数。故设计基关节轴径为 3mm ，满足要求。2 .轴承设计由于基关节轴承主要承受径向载荷，同时承受少量轴向载荷，因此选用深沟球轴承可满足要求。对基本不转动、极低速转动()或摆动的轴承，其接触应力为静应力或应力变化次数很少。基关节转速，故按滚动轴承的静强度计算如下：(1)径向力计算(2) 轴向力计算(3) 计算当量静载荷对于向心轴承，当量静载荷取下面两式中计算出的较大值式中、静径向系数和静轴向系数，可在表 2-1 中查得。表2-1当量静载荷的、系数深沟球轴承0.60.5角接触球轴承0.50.460.50.38圆锥滚子轴承0.5(4) 选择滚动轴承式中轴承的基本额定静负荷； 静强度安全系数，正常使用取 1 ；当量静载荷， N 。查微型轴承参数表，对轴承 EZO682 ，,满足要求。3 .其他轴系部件设计通过基关节大伞齿轮左、右挡套以及右侧板套筒实现大伞齿轮在基关节轴上的轴向定位，并通过螺钉与垫圈将它们与微型轴承紧固在一起，相对食指基座转动。基关节轴系结构如图 2-10所示。图 2-10 基关节轴系结构图2.5.2 中关节轴系设计中关节轴盘最小轴径 2mm ，选用 EZO 轴承 682 。轴肩经由垫片与轴承连接。中关节轴盘一端与近指节连杆通过销轴铰接，另一端通过销轴与中指节侧板紧固，从而实现中指节绕中关节轴转动。中关节轴系部件结构如图 2-11 所示。图 2-11 中关节轴系结构图2.5.3 远关节轴系设计远关节轴最小轴径 2mm ，选用 EZO 轴承 682 。远关节轴通过轴肩实现中指节侧板轴向定位，并与轴承内环紧固。轴承外环嵌入远指节侧板座孔，实现远指节绕远关节轴的转动。远关节轴系结构如图 2-12 所示。图 2-12 远关节轴系结构图2.6 假手手指整体结构设计在设计了手指传动系统，耦合连杆及轴系部件的基础上，设计了手指基座，各指节侧板等手指其它部件，绘出了假手手指结构图。手指的结构图如图 2-13所示。图 2-13 食指结构图2.7 本章小结本章首先分析了人手手指结构的特点，选定耦合连杆作为假手手指的主体结构。根据运动学与静力学的分析结果，先后设计了手指的驱动与传动系统、耦合连杆、轴系部件以及其它部件。3 假手手指运动学与静力学分析3.1 引言假手手指的设计与运动学及静力学的分析是交互式的，紧密相连的：分析是设计的依据，设计是分析的实现，两者交叉进行，最终实现手指机构设计的最优化。运动学分析，就是将设计思想进行简单的提炼，分析手指各关节间的转角关系，防止角速度突变等不稳定情况的出现。为了使所设计的假手手指更好地模拟人手手指，使手指在运动过程中近指节与中指节及中指节与远指节的转角近似相等，需要进行手指的运动学分析。假手手指基关节力矩和手指出力有唯一确定的关系，静力学特性的分析就是要找到这个关系，根据出力需要确定输入转矩，以进行驱动系统设计。一般情况下，手指的工作速度较低，因此静力学性能的分析具有代表性。同时，为了保证手指耦合连杆的强度与稳定性，也需要进行手指的静力学分析。3.2 运动学分析运动学分析在耦合连杆参数设计中进行。目的是使手指在运动过程中近指节与中指节、中指节与指尖的转角实现近似 1:1 传动。首先设计中指节耦合连杆参数。结构原理如图 3-1 所示图 3-1 中指节耦合连杆结构原理图 为主动杆，为中间杆传动件，为从动杆，为机架。在传动过程中，主动件中指节带动远指节进行耦合传动。设主动件为，通过连杆 推动杆同方向运动，则 相当于中指节，相当于远指节。由此组成一四连杆机构。在手指的运动过程中，手指末端耦合运动的两个指节转向一致，即角（主动旋转角 BAD ）和角（耦合、被动旋转角 CBA ）旋转方向一致，且转过的角度尽可能地相等，当增加 90 度时，相应的角也增加大约 90 度。确定各杆的长度以及初始角度，使角和角转过的角度之差最小，近似实现 1:1 传动。模仿人手大小的要求及结构尺寸限制首先确定指节长度，因此，在参数确定的过程中，首先可以确定的是 、。为实现近似 1:1 传动，本文选择 等于。至此，四连杆机构中需要确定的参数只有角和角的初始值。从而可计算得连杆的一系列长度值。 （3.1） （3.2） （3.3） （3.4） （3.5）其中。本文在设计连杆的过程中，以主动杆转过的角度和从动杆转过的角度差为主要参考指标。要求当主动角从初始角度开始，在 0到90度的运动范围内，的统计值均值小于时、方差最小。 （3.6） （3.7）式中 n 为主动角在运动区间内采样点的个数。在假手耦合连杆的传动过程中，可以建立如下各个参数之间的关系，公式如下： （3.8） （3.9） （3.10） （3.11） （3.12）3.3 静力学分析假手手指静力学分析的基本思想是利用虚位移原理求基关节输入转矩 M 与远指节受外力 F 的关系。设外力 F 垂直作用在远指节上，力作用点 H 虚位移为,AB、BG、GH转角虚位移分别为i（ i =1,2,3 ），如图 3-4所示，则由虚位移原理得 （3.13）下面根据坐标变换理论求解与的关系。设AD所在坐标系为基系B。AB 杆所在坐标系为,原点为A。BG 杆所在坐标系为，原点为 B。GH 杆所在坐标系为，原点为 G。图 3-4 耦合连杆虚位移原理图 则对B的坐标变换矩阵 （3.14）对的坐标变换矩阵 （3.15）对的坐标变换矩阵 （3.16）则系对基系B的坐标关系为 又由,得又由运动学分析知，得代入又 (3.17),得M=196.6F。考虑实际情况，外力未作用在指尖，而是与指尖有一定距离，代入由,得。3.4 本章小结本章进行了假手手指的运动学分析，保证手指在运动过程中相邻指节的转角近似 1:1 传动。利用虚位移原理及坐标变换理论进行了静力学分析，求出了远指节出力与基关节输入转矩关系的表达式。4 假手手指传感器设计4.1 引言传感器的功能相当于人手手指的感知功能，为了提高假手手指的智能化水平，假手手指需要传感器为其提供一些必要的感知功能，为手指的抓取控制提供条件。根据手指的特点和需要，本文设计的手指的微型传感器包括基关节力矩传感器和绝对位置传感器，分别提供假手手指的基关节力矩和基关节绝对位置信息。实验室在灵巧手和假手的研究中成功地使用集成式霍尔传感器实现了关节位置的非接触测量，基于应变测量原理、结合手指传动机构实现了关节力矩的测量，因此，在假手手指的研究中利用这些成功的经验设计了手指的传感器。在传感器设计中，把传感器的信号处理电路就近地放置在传感器本体附近，以提高传感器信号的品质，同时实现传感器的模块化和整个系统的机电集成。4.2 基关节力矩传感器设计应变测量是历史最长、应用最广泛、技术最成熟的一种力传感方式。应变测量的基本原理是：在力和力矩的作用下，传感器的弹性体产生弹性变形，使粘贴在弹性体变形部分的应变片的电阻值发生变化，然后利用电桥等方式检测电阻的变化，从而实现力和力矩的测量11。本文设计的一维力矩传感器就是基于应变测量原理进行设计的。弹性体结构是决定传感器性能的关键因素，本课题所需的应变式力矩传感器对弹性体的要求主要有：应变梁对所测力有足够的灵敏度；结构有足够的刚度；高分辨率；重量轻，结构紧凑等。本文中，由于手指的中指节和远指节位置是不可控的，在控制当中就需要其他的信息来判断指尖是否与物体接触，这时力反馈信息是必要的。为了测量手指的输出力，设计了基于应变片的一维力矩传感器，安装在手指的基关节上，用来测量手指的抓取力矩。基关节力矩传感器的弹性体作为一个机械部件连接在基关节轴和驱动连杆之间，根据受力分析，找出其应变最大处，贴应变片。它反映了抓取过程中近指节、中指节和远指节与物体接触力的大小。力矩传感器处于手指的基关节，为四杆机构的主动杆，亦即驱动杆。弹性体可以看成是悬臂梁结构，它的长度是由指节内部结构空间决定的。传感器和电机驱动部分相连，把电机的扭矩传递给假手手指。传感器信号处理电路安装在传感器的弹性体和手指基座上。本文设计的力矩传感器采用超硬铝 LC4 制成，具有良好的线性度，满足弹性体的性能要求。弹性体的结构如图 4-1所示。图 4-1 力矩传感器的本体结构图假手手指力矩传感器的电阻应变片采用德国 BLH 公司生产的微型高阻金属应变片SR-4,这种应变片的阻值高达,应变系数为2.04 ,具有良好的温度稳定性。4.3 位置传感器的设计本文设计的假手手指除电机带有码盘可以测得手指的相对位置外，还设计了关节位置传感器，可测得关节的绝对位置，是进行手指位置控制的基础。在关节位置测量中，主要有三种方法被广泛应用：电位计、位置敏感元件（ PSD ）、码盘。电位计测量关节位置具有如下优点：结构简单，成本低，稳定度高，线性度好，灵敏度高，可通过提高工作电压来改善灵敏度，甚至不用放大器也能直接推动指示仪表。但由于电刷和电阻丝之间存在摩擦，故有如下缺点：只能在较低频率下工作；使用寿命短，需要维护；电噪声大12采用位置敏感元件，虽然测量精度高，但增加了系统的复杂性，且使传感器的安装、调整难度加大。在关节位置测量系统中采用的码盘多是增量编码器，它将角度转换为数字编码，能方便地与数字系统（如微机）联接，但需要调整、确定零位。本文采用一种基于巨磁阻传感器的非接触测量原理，设计了位置传感器。4.3.1 测量原理本位置检测装置的核心元件是巨磁阻 (GMR) 传感器 AAV001-11。如图 4-2 所示，它由四个独立的以区间间隔排列的巨磁阻电阻器组成。这些电阻能够用电线搭成两个半桥电路。将传感器放置于随转动轴一起旋转的永久磁钢正上方，如图 4-3所示，则传感器的两个半桥电路可以得出以传感器所在磁场场强为变量的正弦和余弦交变电流输出，相位差为 。 图 4-2 AAV001-11 传感器内部原理图 图 4-3位置传感器测量原理图求解旋转轴的角位移，具体关系见下式：; （4.1） （4.2）根据,的符号可得角位置: （4.3）4.3.2 测量装置设计位置测量装置需要一个置于旋转轴处的永磁磁钢，以产生与 GMR 传感器表面平行的旋转磁场。安装时，该磁钢的旋转轴与传感器的十字轴中心一定要精确对准，磁钢的表面与传感器的表面一定要平行且垂直于减速箱的转动轴。安装图如图 4-4所示。磁钢元件放在磁钢座里，磁钢座固定在小伞齿轮孔里，随减速箱轴一起转动。GMR 传感器放置在磁钢的正上方。信号调理电路固定在手指基座上,GMR传感器测得的信号经放大后通过柔性 PCB传给微处理系统。图 4-4 位置传感器的安装图4.4 本章小结本章根据假手手指的控制要求，设计了基关节力矩传感器和位置传感器。力矩传感器的本体和近指节的杆件的设计巧妙融合，可以检测出整个手指的抓握力在基关节的力矩，位置传感器采用非接触式测量的 GMR 信号传感器。传感器信号处理电路与传感器本体的融合，有利于保证信号的质量。结 论因为本课题的目的是根据对人手的研究，设计一种新型仿生的多自由度假手的手指（食指），使之在外形、功能、体积等方面尽可能模仿人手手指。所以主要完成了以下内容：(1) 对仿人多自由假手手指提出了方案设计；(2) 基于耦合原理，对仿人型假手手指进行了结构设计；(3) 对假手进行了静力学和动力学分析，使手指在运动过程中相邻指节近似实现 1:1 传动；(4) 为假手手指设计了力矩传感器与绝对位置传感器，使手指具有感知功能。下一步工作设想：在不增加现在假手手指体积的前提下，进一步丰富假手手指的传感器，例如在手指上集成滑觉传感器，提高手指的智能化程度。致 谢本次设计的主要内容是基于连杆耦合原理的仿人假手结构设计。在设计过程中，我遇到了很多的难题，指导老师xx老师更是给予了我了莫大的帮助，本课题是在xx老师的悉心指导下完成的，并且我也从任老师身上学到了许多做人和做学问的道理，相信这些都将使我终生受益。毕业设计是对学生所学本专业知识的一次全面考核，它是综合运用所学知识和技能，理论联系实际，独立分析、解决实际问题，从事专业工程技术和科学研究工作基本训练的过程。毕业设计为我以后工