（机械设计及理论专业论文）变掌式欠驱动机械手的研究与设计.pdf

，j ad i s s e r t a t i o ni n m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y , t h er e s e a r c ha n d d e s i g no f u nd e r - a c t u a t e d r o b o th a ndw i t ha d ju s t a b l ep a l m b yh ec h u a n j i a o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl is h u j u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y f e b r u a r y2 0 0 8 - ， 一1 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 ：正 恧。 学位论文作者签名彳可l 所 日期： 少口嘶；p 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： ， t 广 ， ， 东北大学硕士学位论文摘要 【。1 。 新型欠驱动可变掌机械手的研究与设计 摘要 作为先进机器人的末端执行器，多指灵巧手的研制成为热门。目前在灵巧机械手的 研制过程中，最为重要的任务仍然是解决机械手的驱动与控制问题。传统机械手的控制 策略集中了信息科学、控制学、电子学等领域的知识，使机械手的控制策略显得复杂而 庞大。本文研究了一种基于欠驱动机构原理工作的机械手，该机械手仅依靠机构学领域 内的相关知识解决了多自由度灵巧手的控制问题。此外，针对目前多数机械手采用的将 手指直接固定在一个刚性体上的设计方法，本文设计了一种可“变形”的手掌机构，该 手掌机构可实现对手指抓取初始位姿的调整，从而具有更强的自适应能力。机械手由新 型三自由度差动电机驱动，具有结构简单、重量轻、出力大、控制容易、成本低廉等特 点。 本文首先根据欠驱动机构的原理对机械手指的工作原理和特点做了详细的分析，为 欠驱动连杆机械手指的设计提供了理论依据。为了研究基于连杆机构的欠驱动手指的工 作特性，本文选择三自由度的欠驱动手指对其进行运动学和静力学分析，从而确定影响 欠驱动机械手性能的结构参数。 其次使用三维建模工具p r o e 软件对机械手各主要零部件进行了详细的结构和功能 设计，根据机械手的结构特点和功能要求，合理订制其安装顺序，并最终建立了欠驱动 机械手的三维实体模型，使机械手的功能得到虚拟实现。 最后使用a d a m s 仿真工具建立机械手的样机模型，并对虚拟样机进行了相应的仿 真分析。通过分析机械手在抓取不同尺寸和形状物体时的仿真结果，验证了多自由度欠 驱动机械手设计方案的可行性，调试出机械手在抓取不同物体时各关节的状态改变情 况，为实现欠驱动手的稳定抓取提供了有益的参数，也为该欠驱动机械手以后的研究打 下了基础。 关键词：灵巧机械手；欠驱动机构；可变掌；机构设计；仿真分析 ， 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t her e s e a r c ha nd d e s i g no f u nd e r - a c t u a t e d r o b o th a n dw i t ha d ju s t a b l ep a l m a bs t r a c t a st h ee n de f f e c t o r so fa d v a n c e dr o b o t s ，t h er e s e a r c ho nm u l t i - f i n g e r e dd e x t e r o u sh a n d h a sb e e nb e c o m eah o tt o p i c a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h em o s tc r u c i a lp r o b l e m sd u r i n gt h e d e v e l o p m e n to fr o b o th a n da r es t i l lt h ed r i v i n ga n dc o n t r o ls t r a t e g yp r o b l e m t h es t r a t e g yo f t r a d i t i o n a lr o b o th a n di n t e g r a t e dw i t hi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , c o n t r o ls c i e n c e ，e l e c t r o n i c sa n d k n o w l e d g eo f o t h e rf i e l d s ，m a k ei ts e e m e ds oc o m p l e xa n dh u g e i nt h i st h e s i s ，ak i n do fr o b o t h a n dw h i c hb a s e do nu n d e r - a c t u a t e dm e c h a n i s mt h e o r yi sr e s e a r c h e d t h i sr o b o th a n d p r o v i d e sam e t h o dw h i c hc a ns o l v et h ec o n t r o lp r o b l e mo fm u l t i - d o fd e x t e r o u sh a n d o n l yi n m e c h a n i s mf i e l d b e s i d e s ，d i f f e r e n tf r o mt h em a i n s t r e a md e s i g nm e t h o da tp r e s e n tw h i c h f i x e dt h ef i n g e r so nar i g i dd i r e c t l y , t h i st h e s i sd e v e l o p sak i n do fv a r i a b l ep a l mm e c h a n i s m s u c ham e c h a n i s mc a na d j u s tt h ei n i t i a lp o s eo ft h ef i n g e r s ，s oi tc a np r o v i d es t r o n g e ra b i l i t y o fs e l f - a d a p t i v e a si ti sd r i v e db yan e ws t y l et h r e ed o fd i f f e r e n c i a lg e a rt r a i n ，t h eh a n dh a s t h ec h a r a c t e ro fs i m p l es t r u c t u r e ，l i g h tw e i g h t ，s t r o n gg r a s p ，c o n v e n i e n t l yc o n t r o la n dl o w e r c o s t a tf i r s t ，b a s e do nu n d e r - a c t u a t e dm e c h a n i s m ，t h i sp a p e rm a k e sad e t a i l e da n a l y s i so ft h e w o r k i n gp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r , t h e n ，p r o v i d e sa t h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e s i g no fl i n k a g ef i n g e r f o rt h es t u d yo fw o r k i n gp r o p e r t y , w ec h o s eat h r e ed o fu n d e r - a c t u a t e df i n g e ra st h er e s e a r c h o b j e c tt os t u d yt h ek i n e m a t i c sa n ds t a t i c s ，s ot h a tw ec a nf i n do u tt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r st h a t a f f e c t st h eu n d e r - a c t u a t e df i n g e r s s e c o n d l y , t h i sp a p e ru s e st h em o d e l i n gs o f t w a r ep r o ea st h et o o lt od e s i g nt h es t r u c t u r e a n df u n c t i o no fm a i nc o m p o n e n t so ft h er o b o th a n d a c c o r d i n gt oi t ss t r u c t u r ef e a t u r e sa n d f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，a na s s e m b l es e q u e n c ei sd r a w nr e a s o n a b l y , a n du l t i m a t e l y , s e tu pt h e 3 dm o d e lo ft h eu n d e r - a c t u a t e dr o b o th a n d a n di t sf u n c t i o na r ev i r t u a lr e a l i z e d a tl a s t t h i st h e s i ss e tu pav i r t u a lm a c h i n eo ft h eu n d e r - a c t u a t e dr o b o th a n di na d a m s a n dm a k e ss o m er e l a t i v es i m u l a t i o ni ni t b ya n a l y s i st h es i m u l a t i o nr e s u l t so ft h eh a n dg r a s p t h eo b j e c to fd i f f e r e n ts h a p ea n ds i z e ，t h ef e a s i b i l i t yo fs t r u c t u r ed e s i g no fm u l t i d o fa n d u n d e r a c t u a t e dr o b o th a n di sv e r i f i e d a tt h es a m et i m e ，o n ec a l lo b t a i nt h ec h a n g i n gs i t u a t i o n o fe a c hp h a l a n xa n df o r c ef r o mi t ；m o r e o v e rt h er e s u l t sc a na l s oo f f e rh e l p f u lp a r a m e t e r sf o r s t e a d yg r a s p t h e s es t u d i e sp r o v i d eaf u n d a m e n t a lf o rf u r t h e rd e v e l o p m e n to f t h i sr o b o th a n d k e y w o r d s ：d e x t e r o u sh a n d ；u n d e r - a c t u a t e dm e c h a n i s m ；v a r i a b l ep a l m ；m e c h a n i c a ld e s i g n ； s i m u l a t i o na n a l y s i s i i i 一 ， 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 引言1 1 1 1 课题的背景和意义1 1 1 2 欠驱动机构的提出2 1 2 欠驱动机构与机械手的发展综述3 1 3 机械手设计的主要问题10 1 4 本文主要工作与研究方法1 0 1 5 本章小结1 1 第2 章机械手欠驱动手指的工作特性分析1 2 2 1 引言1 2 2 2 基于连杆机构的欠驱动手指的结构特点1 2 2 3 欠驱动手指的工作原理13 2 4 欠驱动手指的抓取稳定性研究l5 2 4 1 欠驱动机械手指的“弹射 现象15 2 4 2 其它影响抓取稳定的因素1 6 2 5 手指的运动学和静力学分析1 6 2 5 1 机械手指的运动学分析1 7 2 5 2 手指的静力学分析2 0 2 6 本章小结2 4 第3 章结构与功能设计2 5 3 1 引言2 5 3 1 1 机械手的结构功能概述。2 5 3 1 2 建模工具p r o e 的使用2 5 3 2 三自由度机械手指的结构设计2 6 3 2 1 欠驱动连杆机构的设计与包络抓取动作的实现。2 6 东北大学硕士学位论文目录 3 2 2 平行四杆机构的设计与精确抓取动作的实现2 7 3 3 手掌的结构设计2 9 3 3 1 可变手掌机构设计与实现2 9 3 3 2 手掌机构的锁止机构3 0 3 3 3 手掌的机架及装配3 2 3 4 驱动与传动系统的设计3 3 3 4 1 驱动系统的设计与安装3 3 3 4 2 传动系统的设计3 4 3 5 装配设计3 5 3 6 其它需说明的几个技术要求3 7 3 6 1 关于弹簧的选择说明3 7 3 6 2 材料的选择3 7 3 7 本章小结3 7 第4 章仿真分析3 8 4 1 引言3 8 4 2a d a m s 软件与m e c h a m s m p r o 接口3 8 4 2 1a d a m s 软件一3 8 4 2 2a d a m s 和p r o e 的数据转换3 9 4 2 - 3m e c h a m s m p r o 的设计流程3 9 4 2 4p r o e 、a d a m s 和m e c h a m s m p r o 的联合设计4 0 4 3 机械手虚拟样机模型的建立4 1 4 3 1 模型建立的条件4 1 4 3 2 模型从p r o e 到a d a m s 的转换4 2 4 4 仿真设置4 4 4 4 1a d a m s 系统初始条件设置4 4 4 4 2 其它重要设置4 5 4 5 机械手的动态仿真4 5 4 5 1 空抓取时的情况4 5 4 5 2 精确抓取细棒料的情况4 6 4 5 3 包络抓取棒料的情况4 7 4 5 4 差动的体现4 8 ， ， 目录 北大学硕士学位论文第1 章绪论 l 引言 1 1 课题的背景和意义 第1 章绪论 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、危险 处及一些人们无法到达或无法观察到的复杂作业环境中，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自动适应抓取任意 形状物体，完成各种复杂细微的操作任务。机器人多指灵巧手也正是为适应这一需要而 提出的。 目前，机器人多指手已成为机器人领域中的重要研究对象。传统的专用夹持器虽具 有制造简单，控制方便、负载能力强、可靠性高等特点，但是仅对少量特定形状的物体 适用，缺乏通用性，不能满足多任务、高适应性的要求。与之相比，多指手具有灵活性 高、抓取方式多样、微小位姿易调整等突出等优点，能够实现对复杂形状物体的自动适 应以及力和运动的精确控制，符合现代工程实际应用中各种复杂工作状况对机器人的要 求。 近二、三十年来，在多指机械手的研究和应用中，一般都采用串联若干关节的办法 来构造机械手的手指，并为每个自由度都设置一个驱动和传感器，导致驱动元件过多， 控制复杂，降低了机械手的灵活性和可控性，同时还增加了机械手的开发成本。因此， 如何解决机械手自由度数、驱动方式、重量、灵活性、抓取能力、可靠性之间的矛盾问 题，成为了新型机械手研制与开发中的关键问题。针对此问题，最近有学者提出一种采 用欠驱动原理来设计机械手的新思路，并受到了热切关注，采用欠驱动原理设计的机械 手不仅可以有效地简化机械手的控制策略，还具有结构简单，制造容易等优点。 本文是利用机构学的原理，在现有机械手的基础上，充分发挥创新精神，研制一种 结构简单、驱动元件少、适用范围宽的夹持机构，即一种应用欠驱动原理完成抓取物体 的机械手。该机械手能与被抓物体柔性接触，自动适应被抓物体的表面形状，进而实现 无损且可靠的抓取。本文设计的机械手的设计目标是具有3 个手指，每个手指各三个自 由度，由一个差动电机驱动，控制机械手完成抓取。另外，本文设计了一种新型的手掌 机构，该手掌机构可以调整手指抓取前的初始位置，使得机械手具有更大的抓取范围。 _ 欠驱动机构的定义决定了其特点，即自由度数量多于驱动的数量。因此欠驱动机构 不可避免的会出现一个问题运动的不确定性。不确定的运动在机构设计中是必须避 免的，因为它将导致机构的不可控性和降低机构的稳定性。为解决这一问题，一般采用 的方法是在机构中添加了弹性元件。添加的弹性元件没有改变机构的自由度，但规避了 机构的不可控性，这样，在抓取过程的每个阶段，机构的运动都是确定的。 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 2 欠驱动机构与机械手的发展综述 在目前所能查阅到的资料中，针对“欠驱动理论 研究的比较多的是所谓“欠驱动 机械系统 1 8 - 2 3 】，其定义为机械系统的控制输入数目少于系统的自由度数目，或者是构 成系统的广义坐标维数多于控制输入维数的非线性系统。这类研究文献大都将注意力放 在系统控制策略的研究上，其研究的目标和内容也主要以整类欠驱动系统的论述和控制 器的设计为主，没有对机构的具体实现做过多的阐述，且多见于国外控制领域的文献。 而对于“多自由度欠驱动机构 这种机构级别的定义和相关理论的阐述在国内外都比较 少见，一般都是在研究某一具体机构或控制对象时提出的【乱1 0 】。已知文献中，比较早期 的论述是加拿大学者c 1 6 m e mm g o s s e l i n 于上世纪末在其有关欠驱动机械手的文献中提 出的“欠驱动机构”的概念【5 j 。国内针对“欠驱动机构”具体机构级别设计与实现的文 献更加少见，且多局限于理论的探讨，而这些资料中，多以机械臂的非完整性控制为主。 本文研究的欠驱动机械手属于机器人多指手。多指手的研究始于2 0 世纪7 0 年代， 到现在已有多种多指机械手问世，它们形式多样，功能各异，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【2 4 】，2 0 世纪8 0 年代初美国斯坦福大学研制 成功的s t a n f o r d j p l 手【2 3 1 ，美国麻省理工学院和犹他大学联合研制的u t a h m i t 手【2 7 1 ， 和1 9 8 4 年日本研制成功的h i t a c h i 手等【2 引。近年来针对机械手的自由度数目和驱动方式、 重量、灵活性之间的矛盾，国外研究人员开始研究基于欠驱动理论的欠驱动机械手。这 种机构具有形状自适应能力，当欠驱动机械手抓取物体时，手指能够完全包络物体，并 且能够适应物体的形状。这种结构简单、重量轻的欠驱动自适应机械手，能完成捏拿、 抓握等动作。 早期的灵巧手多为非欠驱动的机械手，其发展已经达到一个较成熟的水平，研究者 们从机构学、电子学、控制科学、信息科学、仿生学等角度综合考量，开发出了多种这 类机械手。 美国斯坦福大学研制的灵巧手s t a n f o r d j p l 手，是一种非常具有代表性的多指灵巧 手【2 3 】。无论在多指机械手系统设计还是在理论研究上都有重大意义。如图1 1 所示，这 种手没有手掌，共有3 个手指，每个手指3 个关节，拇指相对另两个手指对立。手指采 用1 2 个直流力矩电机作为关节驱动元件，手指内采用的是键、滑轮传动方式，这种手 的自由度较少，易于设计、制造和控制。具有位置和力的传感系统，由改造后的两套 p u m a 2 6 0 机器人控制器构成，主要用作多指手设计和控制的研究工具，可完成多种物 体抓持和翻转棍棒等动作。 3 图1 3s h a d o w 手图1 4n a s a 手 f i g 1 3s h a d o w h a n d f i g 1 4n a s a h a n d 阴影机器人公司( t h es h a d o wr o b o tc o m p a n y ) 开发出了世界上最先进的灵 巧手s h a d o w 手，如图1 3 所示【2 9 1 。s h a d o w 手大小与人类的手相近，它有2 4 个关 节，其中2 0 个具有驱动能力，同人手的运动方式一样四个手指的末端关节通过相应的 中间关节被动控制，因此中间关节的运动角度通常要比末端关节的运动角度大，手指关 节几乎能和人手指一样运动。为了赋予拇指相应的灵巧度，使拇指与其它手指相反，运 用了5 个独立的可控关节，它们中的两个组合成拇指的掌指关节，其它两个组合成拇指 4 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 的腕掌关节。 2 0 世纪末，美国国家航空和宇航局利用国家基金研制出用于国际空间站舱外作业的 n a s a 灵巧手【3 0 】，如图1 4 。该机械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，其中手腕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，n a s a 灵巧手可以拿起一些常用工具进 行操作。其外形、功能与灵巧性已经比较接近人类的手。 国内对灵巧手的研究从2 0 世纪8 0 年代后期开始，并且也有较成功的研究范例。 北京航空航天大学机器人研究所先后研制开发了b h 1 ，b h 2 ，b h 3 三种型号的3 指9 自由度机器人灵巧手。如图1 5 所示的b h 3 手是一种仿s t a n f o r d j p l 手【3 l 】，这种 手由于每个手指的自由度共有3 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，也就没有抓取的柔性，无法像 人手一样进行灵巧的抓取和操作。北航研制的b h 4 型灵巧手为拟人型4 指1 6 自由度手， 图1 5b h - 3 手图1 6b h - 4 手 f i g 1 5b h - 3h a n df i g 1 6b h 4h a n d 其自由度接近人手，分为手指、手掌和机械接口三个模块，如图1 6 所示，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，手指指端能方便地接入力传感器。手指的主要功能是执行灵巧操作，其运动学结构 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，机械接口用于确定机械手与机械臂的连接，改变机械接口可以使灵巧手适应不 同的机械臂。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驱动。 图1 7 所示的是哈尔滨工业大学机器人研究所与德国宇航中心合作开发的具有多种 5 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 传感功能的新一代机器人灵巧手h i t d l r l 3 2 1 ，该机器人灵巧手有4 个手指，有1 3 个活 图1 7 h l t d l r 手 f i g 1 7h i t d l rh a n d 动部位，装有机械零件6 0 0 多个，表面的电子元器件有1 6 0 0 多个，整体重量1 8 公斤， 能像人手那样抓取物体，而且还可以在程序控制下弹奏钢琴。 采用欠驱动原理的机械手在近年有一些研究，国内外皆有所见，但其数量较其它类 型的机械手相比要少得多。比较有代表性的有加拿大m dr o b o t i c s 公司与l a v a l 大学 合作研制的空间机器人欠驱动手s a r a h 手，以及意大利的a r t s m i t e c h 实验室研 制出欠驱动机械手r t ri i ，另外巴瑞特技术公司推出的巴瑞特手爪b h 8 - 6 0 1 也是欠驱动 机械手的一个典型范例。 s a r a h ( s e l f - a d a p t i n gr o b o t i ca u x i l i a r yg r a s p e r ) 手是加拿大m dr o b o t i c s 公司与 l a v a l 大学合作为国际空间站研制的一类欠驱动机器人手爪【卜5 1 。如图1 8 所示，该手爪 是一个具有1 0 个自由度的三指机械手，但是仅采用一个驱动，通过机械限位和弹簧实 现无动力关节对被抓取形状的自适应，每个手指有三个关节，而仅用一个驱动件，出力 大、适应性强，既可以实现大力抓取，也可以用指尖捏取细小物体，手指之间的相对方 向同样也可以通过差动齿轮机构来调节。当进行抓取作业时，手指逐渐将被抓物体包裹， 并最终达到静平衡。为了使空间机器人具有更大的活动范围和物体处理能力，m d r o b o t i c s 公司还研制了卡锁式可更换夹持器与能源数据接口夹具。空间机器人两臂的末 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 8s a r a h 手 f i g 1 8s a r a hh a n d 端分别安装两个卡锁式夹持器。这种卡锁式夹持器具有捕获机构、锁紧机构、电气接口， 可以方便地与能源数据接口夹具对接，实现可靠的机械、电气连接。当各种工具上安装 了能源数据接口后，机器人就可以方便地使用这些工具，代替宇航员进行各种作业。 意大利的a r t s m i t e c h 实验室研制出一只欠驱动机械手r t ri i ，该机械手由拇指、 食指和中指三个欠驱动手指和手掌组成，其中食指和中指是完全相同的三关节手指，拇 指只有两个关节，如图1 9 所示【3 4 】。该手指的欠驱动机构是由绳索、滑轮、弹簧和限位 机构构成的，每个关节含有一个滑轮，通过绳索连接，每个手指由各自的绳索控制。该 手有两个电机控制，一个电机控制三个手指关节的开合，用来抓取物体，另一个电机控 制拇指的并拢和张开。 2 0 0 2 年，巴瑞特技术公司推出了一款最新的巴瑞特手爪b h 8 6 0 1 p 5 】，如图1 1 0 所 示，这个手爪是由3 个手指构成的灵巧手，是一种由齿轮、蜗轮、蜗杆、滑轮和绳索构 成的欠驱动手爪。它需要用2 4 v 直流电源驱动，可以通过r s 2 3 2 ，c a n 总线或以太网 进行通信。所有伺服系统和控制器都安装在机械手的内部，它的特色是具有可靠的手指 和带磨损衬垫的手掌。手指下关节的弯曲是通过齿轮机构实现的，手指上关节的弯曲是 通过齿轮带动蜗杆和蜗轮，再由蜗轮带动滑轮和绳索驱动的。可扩展的内部通信和动力 供应。该机械手不但能够完成一般的外部包络抓取，其手指还可以伸入物体内部并向外 张开，从而实现内部抓取。 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 9 r t r - i i 手图1 1 0 b h 8 6 0 1 手 f i g 1 9r t r - i ih a n df i g 1 1 0b h 8 6 0 1h a n d 国内在欠驱动机械手的研究上还没有十分完善的成果，大多数的研究都是在原来国 外成果的基础上进行的理论研究或者是对已有机械手进行的改进。其中清华大学、中科 院合肥机械智能研究所以及东北大学在此方面较为成功。 r ? 。 ? ，j 。： 堍 t 、袭 。鬟 “| 1 一”4 毽 ； ； # i 一 0 ； ， ? ： 、 、4 一妒妒魏? ， ： “p 越， ，二，谚； 图1 1 1t h - 1 手图1 1 2 仿s a r a h 欠驱动机械手 f i g 1 1 1t h - 1h a n df i g 1 12i m i t a t es a r a hh a n d 清华大学设计了变抓取力的欠驱动拟人机器人手t h 1 手【3 6 刁羽，如图1 1 l 所示，食 指采用了新颖的变抓力手指机构，可实现稳定抓取，拇指采用了新型的欠驱动手指机构， 可用较少驱动器获得较多的自由度。t h 1 手的电机、驱动与控制系统等完全嵌入手掌， 在外观与尺寸上均与人手相似，可完成常见的伸展、握拳和以适当的力稳定地抓取不同 尺寸物体等拟人动作，具有质量小、驱动元件少、控制简单、结构紧凑、适应性强等特 8 冬，泌 东 点 不 结 节 安 抓 应 平 如 还安装了反向自锁装置，不但能够实现以一个驱动对十四自由度的高欠驱动，能胜任较 复杂的抓取任务。除此之外，该手的最大优点体现在结构简单，控制容易，成本低，易 加工，重量轻，应用泛围广等。 图1 1 3 超欠驱动仿生制l 械手 f i g 1 13u l t r au n d e r - a c t u a t e db i o n i cr o b o t i ch a n d 综上所述，多指灵巧手从机构形式上看大都是多指多关节手，并且最普遍的是其手 指数目为3 5 个，而且各手指的关节数目也多为3 个转动关节，自由度为3 5 个，有的 具有冗余自由度，手指关节的运动副都是采用转动副。多指手研究的重点大都集中在对 机器人多指手的设计、分析、传感、规划和控制等问题上面，不少学者从几何、运动学、 动力学及结构关系等不同角度对以上问题进行了研究和探讨，提出了各种协调控制、抓 取规划系统，来模拟人手的抓取运动。 9 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 3 机械手设计的主要问题 当前，对非欠驱动的多指机械手的研究仍属主流，各种此类型机械手的形式多样的 抓取姿态主要通过机械手指的运动规划和协调控制来实现，其灵巧设计同样集中体现在 机械手运动控制、传感反馈以及抓取动作规划系统设计方面，忽略了对多指机械手机构 自身灵巧运动特性的研究。而欠驱动机械手的研制则仅仅是在近几年才刚刚起步，但由 于其独特的优越性，使得它大大的简化了对灵巧手的控制策略的研究，仅以纯机构学的 方法在一定领域内解决了以往要由多学科联合才能完成的灵巧手运动规划问题，为机械 手的机械本体设计和抓取规划开拓了一个新的研究方向，因而得到各方的重视。 此外，在传统的机械手设计过程中，都是将机械手指安装在一个实体手掌上面，因 此这种机械手的工作空间和抓取能力一般都是由手掌的体积和手指的长度来确定的。此 类机械手的柔性受到很大限制，只有通过增加手指的关节数来提高机械手的灵活程度， 要想增大机械手的工作空间就必须要延长机械手指的长度或都增大机械手掌的体积。基 于这种考虑，一种可以改变机械手指初始抓取姿态的机械手掌的研制就显得十分有意 义。 1 4 本文主要工作与研究方法 欠驱动机械手是欠驱动机构原理与多指灵巧手相结合的新生产物，其独特而新颖的 结构和良好的自适应能力吸引了很多学者的关注。可变掌机械手的设计思想在机械手的 研究领域目前仍属新鲜事物，它的提出为机器人多指手的研究提供了一个新理念，开辟 了一个新思路。 本文的核心任务是分析并尝试制作一只基于欠驱动原理的可变掌机械手，该手的设 计目标是机械手的抓取具有欠驱动工作的特点，不但结构简单，驱动元件少，而且能与 被抓取物体柔性接触，自动适应被抓取物体的外表面形状，其次，该手具有变掌功能， 与传统机械手相比有更大的抓取范围。主要工作包括： 1 对基于连杆机构的欠驱动手指的研究，分析与综合。包括机械手指的工作原理、， 工作特点和手指稳定工作条件的分析，以及欠驱动手指的运动学分析和静力学分析。 2 机械手的具体结构和功能设计。包括手指机构、手掌机构、传动机构和机架机 构四个主要部分的结构设计和功能实现。 3 机械手的动态仿真。使用建模和仿真工具对机械手作样机建模，并以仿真的方 式，验证欠驱动机械手的综合能力。 1 0 论文第1 章绪论 和可变掌设计思想给机械手的研制拓展了新的思路，在机械手开发研制 的优点和带来的问题也常被研究者们的热切关注，同时人们对欠驱动本 也从未停止过。本文设计的欠驱动可变掌机械手是在充分研究和学习了 上，发挥机构创新的精神，对机械手革新进行的一次大胆而有益的尝试， 具有高欠驱动，可变掌抓取，控制策略简单，结构简单，重量轻等优点， 是对欠驱动机械手研制的一次有意义的探索，也是对可变掌设计的一次大胆尝试。 1 5 本章小结 本章首先说明了本课题的背景和意义，对比传统的机构分类和较现代的分类后提出 了欠驱动机构的概念。对欠驱动机构和机械手的发展情况作了综述报告。在此基础上， 提出当前机械手设计中存在的主要问题，最后指出了本文的主要工作和研究方法。 东北大学硕士学位论文 第2 章机械手欠驱动手指的工作特性分析 第2 章机械手欠驱动手指的工作特性分析 2 1 引言 欠驱动机械手的核心组成部分是基于欠驱动理论的手指，正是手指的工作方式体现 了机械手欠驱动抓取的特点，本文为了研究欠驱动机构的特点和应用，有必要对欠驱动 机械手指的工作特性作详细的分析和说明。 本文所研究的欠驱动手指其实质是基于欠驱动理论的连杆机构，本章将首先说明基 于连杆机构的欠驱动手指是如何应用欠驱动原理工作的，同时阐述其工作特点，然后说 明手指在抓取过程中可能会出现的一些问题，并尝试解决它。 相对于专用的夹持器而言，灵巧机械手的正常工作都离不开一定的稳定条件，尤其 是单纯利用欠驱动机构来实现抓取作业的机械手言，其本身不具备复杂的接触传感器等 先进而昂贵的电子元件和控制策略，因此它的稳定工作更依赖合理而巧妙的结构设计。 通常来说，欠驱动机械手的稳定抓取应当具备静平衡、无滑动和免受外力干扰的能力。 针对欠驱动手的特殊性，本章将讨论影响欠驱动手指抓取稳定性的一些因素。这里 仅以平面抓取作为研究的基本内容。 在对欠驱动手指的结构有了一定的了解之后，本章将从运动学和静力学角度继续分 析手指的工作情况。由于欠驱动机械手的特点是用尽可能少的驱动组件来获得尽可能多 的自由度以简化结构，所以欠驱动机械手在接触物体前各组件的运动具有不确定性，并 且运动数学模型非常复杂，根据手指关节与被抓取物体的接触情况，手指运动及抓取存 在明显的分阶段工作的特点，对机械手整手的运动学静力学研究不易实现，因此，本章 仅以一个简单的模型来分析三自由度欠驱动手指的静力学和运动学特点，而更多自由度 的欠驱动手有相同的特性。 2 2 基于连杆机构的欠驱动手指的结构特点 欠驱动手指传递运动和动力的方式在目前主要有滑轮和绳索机构、凸轮和键机构 【3 9 1 、钢丝软轴加螺旋传动【4 0 】和连杆传动【4 1 1 。前三者的主要问题是传动的功率损耗大、 效率低、抓持力小：而连杆传动的效率高，产生的抓持力大。本文所设计的欠驱动机械 手就采用两套串联的连杆机构作为欠驱动手指的基础。 现有的多指机械手手指的自由度数目一般为2 至4 个，一般来说3 个自由度就能保 1 2 ： 东北大学硕士学位论文第2 章机械手欠驱 证手指末端点到达一定范围内的任意位置。单从手指结构来说，三 情况下不存在抓取和操作物体的灵活性问题【4 2 l ，因此，本文设计的 欠驱动手指，并且3 个手指结构完全相同，每个手指均由三个关节 一、第二、第三关节，各关节及连杆间以转动副的方式连接。 如图2 1 所示为本文中基于连杆机构的欠驱动手指的结构简图 图2 1 基于连杆机构的欠驱动手指 f i g 2 1u n d e r - a c t u a t e df i n g e rw h i c hb a s e d o i ll i n k a g em e c h a n i s m 为实现精确抓取而设置的平行四边形机构，其本身并不反映欠驱动的工作特点，在 机械手对物体进行欠驱动的包络抓取时，它也不会影响抓取的效果。 2 3 欠驱动手指的工作原理 采用连杆机构的欠驱动手与以其它方式工作的机械手在工作原理上有很大不同，为 更好地说明本文中机械手手指的工作原理，首先说明机械手单独的一根手指是如何利用 欠驱动原理完成抓取工作的。从最简单的两关节手指开始，把其中一根手指的工作原理 抽象并简化成如图2 1 所示的简图。而图2 2 说明了个含有两个关节的欠驱动手指的 抓取过程，这个机构中共有两个自由度，为了约束其中一个自由度，在第一关节( 白色) 和第二关节( 蓝色) 的铰接处加了个“弹性元件( 弹簧元件) ”。一个驱动( 红色箭头) 13 东北大学硕士学位论文第2 章机械手欠驱动手指的工作特性分析 施加在手指的底端。手指的结构设计保证了其运动规则：在驱动力作用下，第二关节被 限制只能绕其关节顺时针转动，而“弹性元件”则约束两关节的相对位置。在抓取过程 开始时，如图2 2 a ，手指只受到驱动力的作用，由于结构的限制和“弹性元件”的作 cd 图2 2 欠驱动手指的抓取过程 f i g 2 2g r a b b i n gs e q u e n c eo f u n d e r - a c t u a t e df i n g e r 用，第一和第二关节可看作同一个刚体同时绕支点旋转而向被抓取物体靠拢；在图2 2 b 中，第一关节与被抓取物体有了接触，这时手指受到来自驱动和被抓取物体的两个作用 力；如图2 2 c ，此时第一关节由