开题报告-基于连杆耦合原理的仿人假手结构设计.doc

Xx学校毕业设计（论文）开题报告题目基于连杆耦合原理的仿人假手结构设计学院机电工程学院专业班级 学生姓名 学号 指导教师 职称 2016年3月18日xx毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）题目基于连杆耦合原理的仿人假手结构设计专业班级机械制造 班学生姓名（学号） 指导教师（职称） 教师签字： 日期： 年 月 日文献综述（字数3000-3500字）一、 研究目的与意义1.1研究目的由于交通事故、工伤和疾病等原因，残疾人的数量近年来显著增加，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 。对于肢体残疾者来说，手的缺失不仅使人丧失手的重要功能而且遭受一定程度上的心理打击 。另一方面，随着人类社会物质财富的增长，社会对残疾人越来越关注，从而对假肢（包括假手）的研究对于残疾人能够进行正常的生活和更好地融入社会是非常重要的，已经得到了社会各界的高度重视。1.2研究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。二、国内外发展现状2.1国外发展现状由于灵巧手的结构复杂，重量和体积都比较大，还不能够直接用作假手，但在灵巧手技术推动下，假手的研制工作近年来也取得了很大进展。目前假手主要分为单自由度和多自由度两种类型；而由于功能需要，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，国内外主要采用键驱动和连杆驱动两种方式。当前多自由度假手研究的一大难题是：设计出重量轻、体积小、输出力大、噪音低、与人手接近以及足够灵活的多自由度假手。德国 Otto Bock 公司单自由度假手（如图 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。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。xx毕业设计（论文）开题报告图 1 德国 Otto Bock 假手美国 IOWA 州立大学开发出了一种新颖的假手，如图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 2 美国 IOWA 州立大学研制的假手英国 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xx大学毕业设计（论文）开题报告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 3 TB 手及其手指结构图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 4 多伦多假手2.2国内发展现状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xx大学毕业设计（论文）开题报告动的增力机构，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。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。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5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 5 清华 TH-1 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，如图6。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 6 HIT 假手目前国内外假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xx大学毕业设计（论文）开题报告此，新一轮残疾人用假手手指机构的研究迫在眉睫。三、主要研究内容(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 60 /s。 关键问题:1、假手的适应性和灵活性与其结构复杂程度难以协调。若要求的灵活性较高，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，则趋于简单 ，不能很好的模拟人手的运动。2、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很难做到较小。四、进度安排序号时间预期成果12016.3.10-2016.3.20收集并整理机器人假手相关资料，撰写开题报告22016.3.21-2016.3.28翻译外文文献32016.3.29-2016.4.05系统方案设计及论证42016.4.06-2016.4.12绘制仿人假手草图52016.4.13-2016.4.19建立仿人假手三维模型62016.4.20-2016.5.03绘制总体装配图和零件图72016.5.04-2016.5.17工艺审查82016.5.18-2016.5.31撰写说明书92016.6.01-2016.6.06修改说明书102016.6.07-2016.6.15毕业答辩xx大学毕业设计（论文）开题报告参考文献1陈光. 我国残疾人用品生产和供应概况及发展趋势. 2001 年中国残疾人康复论坛专家论文集. 2001(7):12172 王新宪. 中国残疾人康复事业的现状与展望. 2001 年中国残疾人康复论坛专家论文集. 2001.(7):163 姜明文, 王人成, 王敬章等. 基于多通道肌电信号小波变换的人手运动识别. 中国康复医学杂志. 2006, 21（1）: 22244 姜力. 具有力感知功能的机器人灵巧手手指及控制的研究. 哈尔滨工业大学工学博士学位论文. 2001:23355 李平林, 杨晓延, 黄靖远. 一种肌电控制假手的新型自适应增力机构. 中国生物医学工程学报. 1996(6):1591636 罗志增, 王人成. 仿生电动假手的研究. 仪器仪表学报. 2005(7):674677,7327 姜明文，王人成. 具有触滑觉功能的肌电假手. 清华大学学报(自然科学版)2004,44(8): 105110538 陈铁鸣. 机械设计. 哈尔滨工业大学出版社, 2006:2239 王念峰. 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