人人文库网 > 毕业设计 > 毕业论文 > 佩戴式灵巧手主手机械系统设计【12张图/10800字】【优秀机械毕业设计论文】

论文.doc

佩戴式灵巧手主手机械系统设计【12张图/10800字】【优秀机械毕业设计论文】

资源目录

佩戴式灵巧手主手机械系统设计【】【优秀机械毕业设计论文】.rar

论文.doc---(点击预览)

摘要目录.doc---(点击预览)

A0-总装配图.dwg

A1-手指部件图.DWG

A3-主手手背.DWG

A4-半月齿.DWG

A4-半月齿2.DWG

A4-大拇指安装板.DWG

A4-导轮板.DWG

A4-小齿轮轴.DWG

A4-齿条导轮板.DWG

A4-齿条板1.DWG

A4-齿条板2.DWG

A4-齿轮支撑板.DWG

压缩包内文档预览：(预览前20页/共33页)

编号：607609 类型：共享资源大小：3.88MB 格式：RAR 上传时间：2016-02-28 上传人：木*** IP属地：江苏

50
积分

版权申诉 word格式文档无特别注明外均可编辑修改；预览文档经过压缩，下载后原文更清晰！ 立即下载

关键词：: 佩戴灵巧手主手机械系统设计优秀优良毕业设计论文

资源描述：

文档包括:
说明书一份,33页,10800字左右.

图纸共12张,如下所示.dwg
A0-总装配图
A1-手指部件图
A3-主手手背
A4-半月齿
A4-半月齿2
A4-齿轮支撑板
A4-齿条板1
A4-齿条板2
A4-齿条导轮板
A4-大拇指安装板
A4-导轮板
A4-小齿轮轴

毕业设计

题目佩戴式灵巧手主手机械系统设计

佩戴式灵巧手主手机械系统设计
摘要
本文设计了一种五指输入的佩戴式灵巧手主手。主手可指挥机械手完成更为精密的任务，如定位、感知物体的质感等，并具有较高的效率，此外，还可以操作机械手在太空探索、核能开发等人难以适应的极端和精密微操的环境中以替代人手作业。该灵巧手具有符合人手结构的支撑骨架，外形与人手相似。我们根据人手结构，设计一种符合人手操作习惯，并且简单易于操作的主手。它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方法避免了主手手指弯曲时对操作者照成的干涉。该装置采用了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。该主手单个手指的三个关节是关联的且由一个电机驱动，因此整个主手只能跟踪人手的自然弯曲过程，且具有较高的耦合性。

关键词：佩戴式灵巧手主手，传感器，操作者，机械手

The Design of Mechanical System of a Wear Type Dexterous Hand Master
Abstract
In this paper, the design of a five-fingered wear type dexterous hand master is proposed. The dexterous hands can control slave hands to finish precise work with higher efficiency, such as fixed position and feel the material of a subject. What is more, it can replace people to work in some environment people can not work in it, such as dexterous micro operation and operation in extreme environments: space exploration, nuclear energy development. The dexterous hand master has a skeleton which is similar with human being’s. According to hand structure, we design a hand master which is simple and easy-to-use and in accord with hands habit. Our hand master is similar with rack and gear, it also avoid the interference when finger bends by extending the connecting rod which is proportional with joint angular displacement. The dexterous hand employs reflecting photoelectric sensor and plate type pressure sensor to track the finger of operator and pressure measurement. Three joints of each finger are parallel are driven by one motor. Therefore, hand master can only track the process of hand bending naturally and have higher coupling.

Key Words：Wear type dexterous hand; Sensor; Operator; Slave hand

摘要 i
Abstract ii
第一章引言 1
1.1 灵巧型触感交互装置的发展研究概况 1
1.1.1 感应手套 2
1.2 具有力反馈的主操作手 3
1.2.1 穿戴型机械手 4
第二章灵巧手主手的设计概述 9
2.1 设计综述 9
2.2 灵巧手主手设计任务 9
第三章灵巧手主手的设计 10
3.1 人手指关节 10
3.2 灵巧手主手指设计 11
3.2.1 被动式灵巧手设计 11
3.2.2 主动式灵巧手设计 11
第四章灵巧手的控制 17
4.1 计算扭矩的模型 17
4.2 控制方法 21
第五章总结与展望 23
5.1 总结 23
5.2 佩戴式灵巧手的展望 23
参考文献 25
致谢 26
附录 27

佩戴式灵巧手主手机械系统设计

内容简介：: 编号南京航空航天大学金城学院毕业设计题目佩戴式灵巧手主手机械系统设计学生姓名费健学号 2007011721 系部机电工程系专业机械工程及自动化班级 20070117 指导教师孙志峻教授二一一年六月南京航空航天大学金城学院本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：佩戴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：年月日（学号）： 2007011721 毕业设计（论文）报告纸 - 3- 佩戴式灵巧手主手机械系统设计摘要本文设计了一种五指输入的佩戴式灵巧手主手。主手可指挥机械手完成更为精密的任务，如定位、感知物体的质感等，并具有较高的效率，此外，还可以操作机械手在太空探索、核能开发等人难以适应的极端和精密微操的环境中以替代人手作业。该灵巧手具有符合人手结构的支撑骨架，外形与人手相似。我们根据人手结构，设计一种符合人手操作习惯，并且简单易于操作的主手。它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方法避免了主手手指弯曲时对操作者照成的干涉。该装置采用了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。该主手单个手指的三个关节是关联的且由一个电机驱动，因此整个主手只能跟踪人手的自然弯曲过程，且具有较高的耦合性。关键词：佩戴式灵巧手主手，传感器，操作者，机械手毕业设计（论文）报告纸 - 4- of a In of a is to as of a is it to in in as in a is s. to we a is in is it by is to of of by of 毕业设计（论文）报告纸 - 5- 目录摘要 . 3 . 4 第一章引言 . 错误 !未定义书签。灵巧型触感交互装置的发展研究概况 . 错误 !未定义书签。感应手套 . 错误 !未定义书签。具有力反馈的主操作手 . 错误 !未定义书签。穿戴型机械手 . 错误 !未定义书签。第二章灵巧手主手的设计概述 . 错误 !未定义书签。设计综述 . 错误 !未定义书签。灵巧手主手设计任务 . 错误 !未定义书签。第三章灵巧手主手的设计 . 错误 !未定义书签。人手指关节 . 错误 !未定义书签。灵巧手主手指设计 . 错误 !未定义书签。被动式灵巧手设计 . 错误 !未定义书签。主动式灵巧手设计 . 错误 !未定义书签。第四章灵巧手的控制 . 错误 !未定义书签。计算扭矩的模型 . 错误 !未定义书签。控制方法 . 错误 !未定义书签。第五章总结与展望 . 错误 !未定义书签。总结 . 错误 !未定义书签。佩戴式灵巧手的展望 . 错误 !未定义书签。参考文献 . 错误 !未定义书签。致谢 . 错误 !未定义书签。附录 . 错误 !未定义书签。编号南京航空航天大学金城学院毕业设计题目佩戴式灵巧手主手机械系统设计学生姓名费健学号 2007011721 系部机电工程系专业机械工程及自动化班级 20070117 指导教师孙志峻教授二一一年六月南京航空航天大学金城学院本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：佩戴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：年月日（学号）： 2007011721 毕业设计（论文）报告纸 - 戴式灵巧手主手机械系统设计摘要本文设计了一种五指输入的佩戴式灵巧手主手。主手可指挥机械手完成更为精密的任务，如定位、感知物体的质感等，并具有较高的效率，此外，还可以操作机械手在太空探索、核能开发等人难以适应的极端和精密微操的环境中以替代人手作业。该灵巧手具有符合人手结构的支撑骨架，外形与人手相似。我们根据人手结构，设计一种符合人手操作习惯，并且简单易于操作的主手。它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方法避免了主手手指弯曲时对操作者照成的干涉。该装置采用了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。该主手单个手指的三个关节是关联的且由一个电机驱动，因此整个主手只能跟踪人手的自然弯曲过程，且具有较高的耦合性。关键词：佩戴式灵巧手主手，传感器，操作者，机械手毕业设计（论文）报告纸 - of a In of a is to as of a is it to in in as in a is s. to we a is in is it by is to of of by of 毕业设计（论文）报告纸 - 录摘要 . i . 一章引言 . 1 灵巧型触感交互装置的发展研究概况 . 1 感应手套 . 2 具有力反馈的主操作手 . 3 穿戴型机械手 . 4 第二章灵巧手主手的设计概述 . 9 设计综述 . 9 灵巧手主手设计任务 . 9 第三章灵巧手主手的设计 . 10 人手指关节 . 10 灵巧手主手指设计 . 11 被动式灵巧手设计 . 11 主动式灵巧手设计 . 11 第四章灵巧手的控制 . 17 计算扭矩的模型 . 17 控制方法 . 21 第五章总结与展望 . 23 总结 . 23 佩戴式灵巧手的展望 . 23 参考文献 . 25 致谢 . 26 附录 . 27 毕业设计（论文）报告纸 - 1- 第一章引言灵巧型触感交互装置的发展研究概况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 1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。从结构上可以将主操作手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，即采用阻尼器或弹毕业设计（论文）报告纸 - 2- 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。感应手套市场上多以只具有位置检测的感应手套为主。随着虚拟现实，新型传感器以及计算机的发展，带力反馈的主操作手渐渐成为新宠。越来越多的国内外高校开展了该领域的研究，并取得了丰硕的成果，甚至各相关公司也纷纷推出自己的产品。由于相关研究作品非常丰富，下面将针对近几年比较典型的主操作手进行阐述。严格意义上讲，感应手套并不属于触感交互装置，早期还曾用于手语翻译 2 。然而在某些场合，感应手套可以经过加装力反馈机构，实现触感交互功能。一般，感应手套按传感原理可以分为光纤式、电阻或导电墨水式、机械式三种。具有代表性的作品有 s 以及 3 。（ 1）由司设计的经是当时最有名的感应手套。它使用光纤传感器测量手指的弯曲，光纤的一端连接光源，另一端连接光电探测器。当手指弯曲时，光纤也同时弯曲，而通过光纤的光强则依弯曲的程度成反比变化，依照光强与弯曲角度之间的线性关系实现了关节角位移的检测，而人手在空间的姿态由三维磁场传感器检测，该手套如图 1 所示。图 2）由司制造，其传感器基本元件为应变仪或导电墨水，由一条长约 3 英寸，表面涂有厚电墨水的多元脂构成，如图 2 所示。当毕业设计（论文）报告纸 - 3- 手指弯曲时，传感器也随着弯曲发生电阻变化，从而计算出手指弯曲的程度。此外，它还采用了超声传感器来确定人手位置。（ 3）由司设计的用复杂的外骨架结构固定在手指各关节之间，骨架由软金属铝制成，软带和衬垫把连杆机构固定在指关节之间，每个关节上装有磁霍尔传感器测量手指转角，如图 3 所示。每根手指上装有 4 个位置传感器，因此整个结构可以检测人手 20 个关节的运动，采用三维磁场传感器检测人手姿态。不过，复杂的机械结构和多自由度使得该数据手套重量较重。（ 4） T 公司研制的用压感导电墨液，在每个手指上装有三个弯曲传感器及检测手指间角度的传感器，如图 4 所示。图外， 4 采用霍尔传感器检测手指关节弯曲角度，结合普通尼龙手套，实现了低成本，结构坚固，重量轻的数据手套，实验证明达到了很好的效果。上述感应手套只具有位置检测功能，随着虚拟现实及精确抓取的发展，仅有位置检测显然不能满足实际操作的需要，因此具有力感应的主操作手相继出现。具有力反馈的主操作手理想的触感交互装置应具有以下几个因素：首先，反馈力的大小应与末端受力一致；其次，反馈力的方向与末端也应保持一致；再次，装置整体应具有操作轻便，工作空间大等特点；最后，安全性也是触感交互装置的一个重要因素，特别是主动式力反馈机构需要增加限位环节，以避免装置失控时操作者受到伤害。毕业设计（论文）报告纸 - 4- 在此，首先将两个概念进行阐明：（ 1）临场感或沉浸感，即操作者在操作时，有一种身临其境的感觉。反馈力的大小和方向与末端保持一致可以保证操作者在操作时具有良好的临场感或沉浸感。（ 2）反向驱动能力，在忽略摩擦、间隙的情况下 ,操作者操纵机构末端驱动机构运动 ,这时要求机构的加速特性大且各向同性好 ,即“在操作空间各个方向运动时的感觉是自由的” 5 。穿戴型机械手该型主操作手一般具有较大的工作空间，易于操控，但无法感知目标物体的重量，操作者易受主操作手自身重量影响。以下是几种各具特点的主操作手。图操作手（ 1）意大利验室开发了一种具有力反馈的主操作手 6 7 ，如图 5 所示。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。毕业设计（论文）报告纸 - 5- （ 2）日本东京大学 8 ，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 6所示。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，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。图碰撞式多指主操作手图加力反馈单元的数据手套（ 3）日本套图 7所示。其中，手指关节转角由信息由压敏导电橡胶传感器获取，并用于力反馈控制。该主操作手采用了 10个伺服电机作为驱动器，传动机构为线驱动。每个手指的力反馈接触点为两个，使操作者具有良好的沉浸感。作者将其用于虚拟现实环境的运动示教，达到了良好效果 9 。（ 4）日本 10 ，如图 8所示。该主操作手由三个手指四连杆机构组成，每个四连杆结构的两个自由度分别由两个超声离合器驱动。利用连杆几何长度和编码器获取的连杆角位移，可以解算出每个手指末端位姿。该主操作手采用弹性元件作为施力单元，而力的测量则由角度传感器和弹性元件的弹性系数得到。毕业设计（论文）报告纸 - 6- 图采用超声离合器的主操作手目前应用在主操作手中的被动式力反馈单元多为电磁粉末离合器或电流变制动器。前者转矩容易控制 ,因为流经线圈的电流和扭矩成比例关系。但是其响应时间为几十毫秒 ,因此不适合高速响应控制。后者的制动原理是利用电流变流体的流变特性控制转矩，即电流变流体的粘度与输入电压成反比高速变化。不过 ,当操作者处于静止状态时 , 电流变制动器是不能提供扭矩的，因此它不适合主操作手作抓持运动 11 。此外，传统的被动力反馈单元还有诸如运动不稳定，整体系统尺寸偏大等问题。因此，设计者选择了新型的超声离合器作为被动式力反馈单元。超声离合器具有高速响应，静音运转，不受电磁干扰，尺寸小等特点，结合连杆机构作为传动单元，很好的解决了传统机构存在的问题。图新型单向主从控制原理图设计者采用了一种新的主从式控制方法，如图 9 所示。不同于以往的双向控制方法，该毕业设计（论文）报告纸 - 7- 控制方法增加了在从手由非接触状态到接触状态时的切换环节。当从手处于非接触状态时，主手端处于自由状态，从手仅仅接受主手的位置信息；当从手运动到接触状态时，控制方法切换为力控制，超声离合器锁定，由弹性元件对操作者产生力作用，并保证主手的力作用与从手受力一致。这种控制方法的不足之处在于，如果目标物体处于运动状态，则主手不能准确反应从手所受的实时力作用。然而正是由于力信息单方向地由主手传递到从手的特点，使得这种控制方法适用于有延时的远程操控。（ 5）法国 12 是目前主动自由度及力接触点最多的触感交互装置，如图 10所示。图图 I 整体由 5个手指结构组成，共有 19个自由度，其中拇指部分为 3个，其余手指各为 4个，每个手指有一个被动自由度，总重量不超过用线驱动方式，细线通过套管连接到微型电机，通过滑轮的转动拉紧或放松细线，使指关节产生力觉。手指外骨架为三连杆结构，和指关节一起构成闭合的平面四连杆机构，每个指关节上四连杆机构的连杆长度与相应的指关节长度成比例。这种机械结构有其独特的优点：首先，四杆平面机构能由本身形状保证运动副封闭，具有确定的运动规律和传递运动准确的特性；其次，可以适应不同操作者的手部尺寸；再次，整体结构固定在手背，安装相对容易；最后，该主操作手可以对每个指关节施加不同的力。该主操作手采用了测力传感器和光学增量式角度传感器。前者由金属应变片和钢片胶结而成，固定于指节上部；后者用来测量线缆的移动距离，是一种增量式光学编码器，它测量手指关节角位移的理论分辨率可以达到（ 6）美国毕业设计（论文）报告纸 - 8- I 13 ，图 11为其外观结构。该主操作手的显著特点是结构非常简单轻巧，采用定制的气动驱动器直接驱动，且不需额外的线缆和滑轮，可以对拇指、食指、中指、无名指分别施加多达 16N 的力。然而，由于手掌内装有驱动器的缘故，使得操作者做抓握运动时手掌并不能实现完整的闭合。气缸的伸长距离和自身转角由非接触式霍尔元件和红外传感器测得，通过运动学方程可以解算出手指各关节的转角及指尖位置，从而达到对从手运动的映射。（ 7）韩国 . H. 发了一种可穿戴型主操作手 I 14 ，如图 12所示。图它具有与同的是没有采用腱传动方式，而是直接把超声电机放置在关节之间作为对应连杆机构的驱动源。整体结构由一个拇指部分和一个食指部分组成，分别具有三个和四个力自由度。超声电机相对于传统直流电机具有许多优点：重量轻，响应快，静音运转以及高能量质量比。超声电机不但具有自由、加速、减速状态，还具有普通直流电机本身不具有的自锁状态。这些优点使得它非常适用于小型机器人。国内北京航空航天大学机器人研究所开发了一种数据手套及手臂式触感交互装置 15 ，数据手套具有 11 个自由度，由放置在手套五个手指末端的振动器提供触感交互，手臂部分具有5 个自由度，整个装置可同时提供接触外力和抓握内力。为了简化结构、降低成本和控制难度，该装置并没有完整构建与人手一致的结构，因此在触觉表达方面有一定的局限性毕业设计（论文）报告纸 - 9- 第二章灵巧手主手的设计概述设计综述本课题目的是设计一种佩戴式灵巧手主手。从引言介绍可以看出，灵巧手主手的结构形式多种多样，只要根据人手结构便于人手佩戴，并且易于操作，能够反馈操作者手的力都可以设计成我们所需的主手。本设计借鉴了引言中提到的佩戴式灵巧手主手，利用类似齿轮齿条机构和延伸连杆长度的方法进行设计，我们采用微型力传感器和反射金属板等实现力的反馈。每个手指的关节都通过一个电机进行驱动，具有较高的耦合性。在学习并了解了该装置传动原理和认知了其存在的缺陷的基础上，我们形成了本设计的思路和主要任务。灵巧手主手设计任务本设计利用齿轮齿条的传动和由电机驱动的绳的弹簧之间的相互作用力设计一种五指输入的佩戴式灵巧手主手。首先，对主手整体机械系统进行设计分析，明确每个部件单元的设计方案；然后，运用件对每个部件进行绘制建模；最后，将各个部件组装起来，形成我们所需的佩戴式灵巧手主手。毕业设计（论文）报告纸 - 10- 第三章灵巧手主手的设计人手指关节人的手指各关节如图示，每个手指都有三个关节，四个自由度。拇指的关节分别是节（近端关节）、节（中端关节）、节（远端关节），其余四手指的关节类似，分别是节（近端关节）、节（中端关节）、节（远端关节）。其中，手指的节 (拇指的节 )有两个自由度，完成弯曲摆动动，其余两个关节都分别只有一个弯曲自由度，如图示。图人手指各关节示意图图人手各关节自由度指的节随着指的节同步运动，指的节也能随着指的节同步运动。研究表明，指的节与指的节的弯曲角度存在关系，如式 ( (示。这一关系可以帮助简化装置结构，在设计中便可以去掉对指节弯曲角度的测量，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，除去了指节自由度的输入： 20 . 4 6 0 . 0 8 3D 21 . 1 3 4 1 0 . 2 8 6M P P 毕业设计（论文）报告纸 - 11- 灵巧手主手指设计被动式灵巧手设计设计之初我们发现放置外骨骼结构可能的方法是放在操作者手指的上面或者旁边。把它放在操作者手指的上面时有一个问题，当操作者手指弯曲的时候主手的手指会干扰操作者手指的运动。如下图所示：图操作者手指弯曲是平行关节影响其运动然而把它放在操作者手指的旁边是困难的，因为没有足够大的空间放置。为了解决这个问题，我们努力使主手的手指弯曲后达到和操作者手指弯曲后一致的长度。如下图所示：图迂回关节的基本组成主动式灵巧手设计上面我们简单的介绍了被动灵巧手，这里我们主要要介绍的是符合人手结构，并且也是毕业设计（论文）报告纸 - 12- 我们所设计的主手主动式灵巧手。为了解决上述的问题，使手指弯曲时达到与人手弯曲时一致的长度，我们采用了迂回关节，其原理图如下图所示：图迂回关节结构的爆炸图其次，为了使灵巧手主手手指的旋转轴和操作者手指的旋转角度一致，旋转角位移和延长链之间的关系必须是非线性的。这意味着直齿轮和半径不变的扇形齿轮是不适当的。然而，也有可能使这个错误在我们可以接受的范围内。我们获得了在理想位置和实际指套位置可以使错误最小的半径。同时，我们人为的避免了主手手指和操作者手指的摩擦。图齿条和齿轮配合的迂回关节如图示，我们把齿条放置在扇形齿轮的上面从而扩大了灵巧手主手手指和操作者手指间的距离，使灵巧手主手手指弯曲时长度达到操作者手指弯曲的长度，同时可以保证弯曲的旋转角度一致。另外，为了使反面的齿轮和齿条、扇形齿轮一致，我们使用了导轮，见图毕业设计（论文）报告纸 - 13- 图使用导轮的迂回关节机构通过导轮的作用，我们使正反两面的齿轮和齿条以及扇形齿轮同时保持与操作者手指弯曲时一致的旋转角度并保证手指长度的一致。控制灵巧手主手手指弯曲是保持与操作者手指弯曲时旋转角度以及长度一致的最主要的结构是迂回关节。我们的灵巧手主手手指由和人手手指相一致的三个迂回关节组成。和人手的手指一样，灵巧手主手的每个手指的长度也各不相同，各连接的长度可以通过改变连接螺杆的位置来调整。此外，为了弥补宽度的不足，连接的各个部分是重复交替的，如图示：毕业设计（论文）报告纸 - 14- 图三个关节可调节的连接灵巧手主手手指关节的弯曲运动是通过操作者手指关节的自然弯曲运动以及电机和绕线滚筒上绳索的拉力实现的。操作电机必须离手指远一点，不然会使机制变得更大更重。因此，我们使用如下图所示的绕线机制：图驱动由绳的拉力提供如图示，一根绳通过在扇形齿轮中心轴上固定在两个链接之间的滑轮，由一个电机拉动其使手指弯曲，由于绳子不可以产生反方向的力，因此我们使用一个压缩弹簧使其在主手手指弯曲时被压缩，从而产生一个反方向的弹力，弯曲后由电机绕线滚筒上的绳索和弹簧产生的力是一对力作用方向相反的力，保持了手指的受力平衡，使其保持我们所需的弯曲毕业设计（论文）报告纸 - 15- 状态。如图所示图内置压缩弹簧如图示，由于每个关节只由一个电机驱动，故一个电机驱动的三根绳作用于一个手指上。三个迂回关节是连接在一起的，每一个的速率由滚筒的速率决定。图由一个滚筒拉动所有绳产生驱动的主手手指主手手指弯曲时产生的最大阻力大约为 8 牛顿。主手手指弯曲时近似的最大速度和加速度分别为表 1 所示的内容。毕业设计（论文）报告纸 - 16- 表 1 主手手指近似的最大速度和加速度伸直弯曲关节最大角速度 s 远端关节端关节端关节节最大角加速度远端关节 1500 1500 中端关节 2300 2300 近端关节 1500 1500 指尖最大速度 m/s 尖最大加速度 m/300 350 由初步的实验得出，人手手指指尖最大的速度和加速度分别为 /秒和 300 米 /秒 2。主手有足够的能力在没有接触的情况下跟随操作者手自然的运动。毕业设计（论文）报告纸 - 17- 第四章灵巧手的控制计算扭矩的模型首先，我们推断迂回关节扭矩和绳的拉力之间的关系，下图表示出了所有参数图绳的拉力和关节扭矩在迂回关节的关系绳的延伸和关节角位移之间的关系为 ( ( 当电机角位移从 j 变化到 0 时，绳的延伸力为 j，关节的扭矩为 j*j，由压缩弹簧取代的力 1， 2 分别为 j* 和 j*。因此，绳的张力和关节的扭矩之间保持如下的能量守恒定律， (从（ 1）（ 2）（ 3）式得出绳的张力为毕业设计（论文）报告纸 - 18- 式（ 5）中等号右边后两部分是由压缩弹簧作用产生的，因此我们可以忽略它们，从而式（ 5）可以写成等式（ 6）表明，绳的拉力和关节的扭矩呈线性关系和关节角位移没有关系，也就是说，用绳驱动的方法是控制扭矩简单而且有效的。像上述简略的等式中我们忽略了压缩弹簧的作用一样，在后文中对于压缩弹簧的作用，我们都忽略不及。像我们的主手那样，许多迂回关节被连接在一起时，所有绳拉力的总和就是关节的扭矩。连接根部关节的绳受到的拉力很大，因此，我们把它分配到其他几个绳上。如下图所示，我们的主手用到了 3 个绳子。图主手手指机制的力平衡关节扭矩和绳拉力在第 j 个关节的关系是下面，给出了角位移 123 和手指之间的接触力绳的张力。第 j 个关节的扭矩和接触力的关系可以表示成：毕业设计（论文）报告纸 - 19- 由式（ 7）（ 8）可以得到从式（ 9）得到绳的拉力从式（ 4）得到绳的延伸率为综上所诉，我们的主手手指是由耦合的三个关节驱动的，它们的比例为我们假定下面三个条件： 1、主手机制没有摩擦； 2、指尖接触力垂直于连杆方向； 3、接触力的作用点就是实际的人手指尖。因此，从式（ 11）（ 12）我们可以得出毕业设计（论文）报告纸 - 20- 图主手手指机制的说明从式（ 13）中看出，滚筒的半径和绳的延伸率是成比例的此外，每个矢量可以表达成：式（ 15）中的 1 可以在式（ 13）中得到，它和电机角位移 m 和小齿轮的比率关系是毕业设计（论文）报告纸 - 21- 最后由式（ 10）带入式（ 15）（ 14）就得到了关节角位移 1，指尖接触力扭矩 D 之间的关系。控制方法对于主动类型的力反馈，我们用一个简单的方法控制机械手不接触任何物体，即是控制灵巧手主手指尖和操作者手指指尖之间的距离。当操作者手指指尖不接触到灵巧手手指指尖时，机械手就不会反馈到力，故不会接触物体。当机械手手指碰到物体时灵巧手主手手指受到的力和机械手反馈到的力是相等的。同时，机械手所处的位置也是和灵巧手主手的位置一致的。这种控制就叫做主动式力反馈的伺服系统。下图中 X 表示位置， F 表示力， d 表示由光学传感器测量到的灵巧手主手手指指尖和操作者手指指尖之间的距离，我们渴望得到的结果， m 和 s 用来区分灵巧手主手和机械手 : 图块状控制图毕业设计（论文）报告纸 - 22- 通过实验我们得出了电机角位移和电机扭矩以及接触力之间的关系图真实数据和理论数据的关系由图以看出我们的灵巧手主手具有较高的精确度。毕业设计（论文）报告纸 - 23- 第五章总结与展望总结经过三个月的努力，设计、绘图和分析工作顺利的完成。在不断遇到问题，发现问题，分析问题，解决问题的过程中，有很多设计方案可供选择，最后还是确定这一最优方案。本装置具有以下特点： (1). 原理简单，结构和人手结构相符并且操作简单。 (2). 运用迂回关节的外骨骼机制，可以为操作者提供广阔的工作空间。 (3). 可以让操作者真实的感受到主动式力反馈。 (4). 该装置具有较高的精确度。佩戴式灵巧手的

温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。