仿生机械手结构设计与功能仿真

1西华大学毕业设计说明书目 录摘 要 .11 绪论 .21.1 仿生机械的概述 .21.2 课题的研究目的和意义 .31.3 国内外该领域的研究现状 .31.4 关节运动的驱动方式 .71.4.1 绳索滑轮驱传动方式 .81.4.2 链条、钢带驱动 .91.4.3 闭式链连杆传动机构的驱动方式 .91.5 本文主要研究内容 .102 原理方案的设计 .112.1 明确设计任务 .122.2 功能分析 .122.3 功能分析 .122.4 功能分解 .122.5 原理方案 .132.6. 具体工作原理 .142.6 本章总结 .153 机械手手指的运动分析 .163.1 手指机构运动学 .163.1.1 手指机构的自由度计算 .163.1.2 位置正解 .173.1.3 三自由度仿生机械手指的位置反解分析 .183.2 仿生机械手指的速度分析 .223.3 仿生机械手指的运动空间分析与仿真 .234 基于 Pro/e 的仿生机械手的建模，装配及仿真 .254.1 Pro/e 简介 .254.2 仿 生 机 械 手 各 部 分 的 建 模 .264.3 机 械 手 的 装 配 与 仿 真 .264.3.1 机 械 手 的 装 配 .264.3.2 机 械 手 的 仿 真 .32总结与体会 .36致谢词 .37参考文献 .38 1西华大学毕业设计说明书摘 要本设计是根据亚确定输入的原理设计的以少输入控制多自由度的三指九自由度机械手，当在机械手初始运动时机械手的每个手指作为一个运动单元作整体的运动，但当机械手手指的第一个指节因某种因素突然受阻，驱动力克服动力约束，自动启动了位于第一个指节和第二个指节之间关节的转动自由度，这时就应用了各个手指的第二个自由度，同样的，当第二个指节和第三个指节间的转动自由度因为某种外在的因素突然受阻时，自动启动机械手各个手指的第三个自由度。这样就实现了机械手的以少输入控制多自由度的控制方式，以达到机械手对不同形状工件的抓取动作，可以达到省力、省能以及减少电动机设计容量，因而减少机构的负载及改善动力性能。【关键词】亚确定输入、自由度、指节AbstractThe design is based on the principle of deficient-determinate input to low input control means more than nine degrees of freedom of the three DOF manipulator, when the initial movement of the robot manipulator as a motor unit for each finger movement as a whole, but when the robot The first finger knuckles suddenly blocked by a certain factor, driving force to overcome the power constraints, automatically launched in the first knuckle and the second knuckle joint between the rotational DOF, then the application of the first of each finger two DOF, the same, when the second and third knuckle knuckle between the rotational DOF for some external factors suddenly blocked, the robot automatically start the third DOF of each finger. This realization of the robot with less DOF input control and more control to achieve the mechanical hand to capture action different shapes of the work piece can be achieved effort, saving energy and reducing the design capacity of electric motors, thus reducing the load and improve power sector performance .【Key words】deficient-determinate input；DOF ； knuckle 2西华大学毕业设计说明书1 绪论1.1 仿生机械的概述仿生学是近期发展起来的一门新兴学科，仿生学的的发展促进了与之密切相关的的仿生机械学的诞生和发展。机器人机构在仿生机械领域中发展最快，也是应用最广泛的仿生机构。模仿各类动物的行走爬行的动作，为移动机器人的设计与构思提供了美好的前景。在这里主要介绍生物运动机理与仿生机构的设计构思，为开展仿生机构的研究提供入门知识。在仿生机械中，仿生机构作为仿生机械的重要组成部分，是模仿生物的运动形态生理结构和控制原理设计制造出的功能更集中效率更高应用更加广泛并具有生物特征的机构，是仿生机械中完成机械运动的物质载体。模仿生物的形态、结构和控制原理设计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。研究仿生机械的学科称为仿生机械学，它是 20 世纪 60 年代末期由生物学、生物力学、医学、机械工程、控制论和电子技术等学科相互渗透、结合而形成的一门边缘学科。在自然界中,生物通过物竞天择和长期的自身进化,已对自然环境具有高度的适应性。它们的感知、决策、指令、反馈、运动等机能和器官结构远比人类所曾经制造的机械更为完善。模仿生物形态结构创造机械的技术有悠久的历史。15 世纪意大利的列奥纳多达芬奇认为人类可以模仿鸟类飞行,并绘制了扑翼机图。到 19 世纪,各种自然科学有了较大的发展,人们利用空气动力学原理,制成了几种不同类型的单翼机和双翼滑翔机。1903 年，美国的 W.莱特和 O.莱特发明了飞机。然而，在很长一段时间内，人们对于生物与机器之间到底有什么共同之处还缺乏认识，因而只限于形体上的模仿。直到 20 世纪中叶，由于原子能利用、航天、海洋开发和军事技术的需要，迫切要求机械装置应具有适应性和高度的可靠性。而以往的各种机械装置远远不能满足要求，迫切需要寻找一条全新的技术发展途径和设计理论。随着近代生物学的发展，人们发现，生物在能量转换、控制调节、信息处理、辨别方位、导航和探测等方面有着以往技术所不可比拟的长处。同时在自然科学中又出现了“控制论”理论。它是研究机器和生物体中控制和通信的科学。控制论是沟通技术系统和生物系统工作原理之间的桥梁，它奠定了机器与生物可以类比的理论基础。1960 年 9 月在美国召开了第一届仿生学讨论会，并提出了“生物原型是新技术的关键”的论题，从而确立了仿生学学科，以后又形成许多仿生学的分支学科。1960 年由美国机械工程学会主办，召开了生物力学学术讨论会。1970 年日本人工手研究会主办召开了第一届生物机构讨论会，从而确立了生物力学和生物机构学两个学科，在这个基础上形成了仿生机械学。仿生机械研究的主要领域有生物力学、控制体和机器人。生物力学研究生命 3西华大学毕业设计说明书的力学现象和规律，包括生体材料力学和生体流体力学，生体机械力学和生体流体力学。控制体和机器人是根据从生物了解到的知识建造的工程技术系统。其中用人脑控制的称为控制体(如肌电假手、装具)；用计算机控制的称为机器人。仿生机械学的主要研究课题有拟人型机械手、步行机、假肢以及模仿鸟类、昆虫和鱼类等生物的各种机械。1.2 课题的研究目的和意义自从 1960 年第一台机器人问世以来，机器人技术有了迅猛的发展，在国防、科研、生产等领域都有了广泛的应用，代替人们从事一些复杂的、危险的、或者非人可达的工作，从而减轻了人们的劳动强度，提高了效率，扩大了人类活动的空间。但是就目前国内外的工业机器人而一言，大都是针对专门的任务而设计的，使用的也是夹钳式或平行移动式的单自由度末端执行器。这种末端执行器的结构简单，控制方便，对于实现负荷的大范围运动作业十分有效，但却存在以下几个方面的缺点：1.它对物体的夹持和定位是通过施加较大的压力所产生的摩擦力来实现的，不存在抓取的几何封闭和力封闭，因此难于达到很高的抓取精度，稳定性和可靠性差。2.它限制了机器人系统的精细作业水平。传统的机器人通过臂调整末端位置，通过手腕调整末端姿态。由于臂的尺寸较大，因此通过整个臂部的运动很难实现物体的精确位姿调整和操作，且动态响应较差。3.它缺少精确的力控制，只能完成夹持力要求不高的作业。4.不能适应物体外形的变化。多指灵巧手的研制有助于解决上述问题。因为作为末端执行器的灵巧手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，通过机器人臂实现粗定位，利用灵巧手实现精确定位。若采用适当的抓取方式和抓取规划算法，从理论上可以抓取任意形状的物体并且对物体施加任意的运动和力。这对提高机器人智能化作业水平有着重要的意义。本课题通过对灵巧手手指结构的优化设计及对控制系统的研究，想解决以下几个问题:（1）能适应被操作对象外形的变化、尽可能抓取不同形状的物体;（2）能控制操作力，以便对不同材质的对象进行操作;（3）能对被抓物体进行微小的位姿调整;（4）通过上位机控制完成抓取运动规划，能够使灵巧手平稳的运动并能实现对物体的稳定抓取。1.3 国内外该领域的研究现状1962 年美国就有一种类似多指灵巧手的手爪制造出来。但是真正的灵巧手是1974 年日本的 okada 手1，如图 1.1 所示。 4西华大学毕业设计说明书该手具有三个手指，有一个手掌，拇指有三个自由度，另两个手指各有四个自由度。各自由度都是由电机驱动，并由钢丝和滑轮完成运动和动力的传递，属于 n驱动方式。该手的抓取重量为 0.8Kg，自重 0.24Kg。这种手的灵巧性比较好，但由于拇指只有三个自由度，还不是最灵巧的手。此外，在结构上，各个手指细长而单薄，难以实现较大的抓取力和操作力。德国宇航中心研制的 DLR 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2。如图 1.2 所示，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 1000 个机械零件以及 1500 个电子元件和 112 个传感器组成。其中，末端的两个关节同人手类似，存在着机械祸合，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。DLR 手采用电驱动方式，使用微型直线驱动器作为驱动元件，n+1驱动方式。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，同时使腿的传动距离缩短，提高了动态响应。DLR 手在每个手指上集成有 28 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。 5西华大学毕业设计说明书图 1.2DLR 多指灵巧手指具代表性的多指灵巧手是 1985 年美国麻省理工学院和犹他大学联合研制的Utah/M 工 T 灵巧手3，这是一种仿人手，其大小、形状、功能都与人手相似。Utah/MIT 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。手指的每个关节都由腿(绳索)、滑轮进行远距离带动，属于 2n 驱动方式，驱动元件采用的是一排气动伺服缸，能在指尖上产生 31N 的抓取力。16 个位置传感器装在每个关节上，32 个腿拉紧传感器装在腕后面。目前该手多用于实验室的各种研究，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。美国斯坦福大学研制的 Stanford/JPL 手(Salisbry 手)4也是一种非常具有代表性的非仿人多指灵巧手。该手没有手掌，共三个手指，每指三个关节，拇指相对另两指布置。每个手指由四个直流力矩电机驱动，通过四条绳索张力的调节来控制三个关节力矩的大小，属于 n+1 驱动。关节 1、2 有士 90的运动范围，末端关节 3 有士 135的运动范围。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，也就没有抓取的柔性，无法像人手一样进行灵巧、稳定的抓取和操作。此外，根据欠驱动原理研制的三指 10 个自由度的机器人手爪具有驱动元件数量少、抓取物体范围广泛等优点，在欠驱动手爪的 4 个主要机构中,欠驱动手指对抓取物体具有被动柔顺和形状自适应的特性，首先对三关节欠驱动手指机构进行静力学分析,提出合理的设计目标和约束条件;然后根据设计目标,采用遗传算法得到手指机构的各个关节连杆尺寸和抓取物体时的特殊构形,使得在抓取给定物体时各关节指面的接触力达到均匀分布,得到高效的力传递和更加紧凑的机构尺寸。加拿大 MD ROBOTICS 公司和 Laval 大学合作研制出 SARAH 手爪 (Self-AdaptingRobotic Auxiliary Hand) 5如图 1.3 所示,该手爪共有 10 个自由度,只用两个电机驱动,一个电机负责三个手指的开合;另一个负责调整手指方向,使其能采取不同的抓取姿势抓取物体。SARAH 手爪既可以用末关节指面捏取的方式完成各种精确捏取,如图 1.4 所示，又可以用欠驱动的方式完成包络抓取，如图 1.5所示。 6西华大学毕业设计说明书图 1.3欠驱动 10-DOF SARAH 手爪图 1.4 欠驱动 10-DOF SARAH 手爪用末关节指面捏取 7西华大学毕业设计说明书图 1.5 欠驱动 10-DOF SARAH 手爪用欠驱动的方式完成包络抓取在国内，对灵巧手的研究是从 20 世纪 80 年代后期开始的，其中以北京航空航天大学研制的 BH 系列为代表，从 1987 年以来，北航已先后研制出 BH 一 1、BH一 2、BH 一 3 型多指灵巧手，该型手是一种仿 Stanford/JPL 手，三指九自由度，每个手指由四个电机驱动，属于 n+1 驱动方式。近几年，北航开始研究 BH 一 4型灵巧手，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，改变手掌设计一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。但是由于国内对机械手研究的滞后等原因，我国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。1.4 关节运动的驱动方式机器人关节运动的驱动方式有直接驱动方式和间接驱动方式两种。直接驱动方式是驱动器的输出轴和机器人的关节轴直接相连，间接驱动方式是把驱动器的力通过减速器或钢丝绳、皮带、平行连杆等传递给关节。直接驱动方式的驱动器和关节之间的机械系统较少，因而能够减少摩擦等非线性因素的影响，控制性能比较好。然而，在另一方面为了直接驱动关节，驱动器的输出力矩必须很大，除此之外，对于本设计，要求手指结构要小巧的因素显 8西华大学毕业设计说明书然决定了不能采取这种驱动方式。间接驱动方式也正是大部分机器人所采取的驱动方式，这种间接，驱动驱动器的输出力矩一般远远小于驱动关节所需的力矩，因此，通常使用减速器。对于手臂的悬臂梁结构，如果驱动器的安装位置不当，将会使手臂根部关节驱动器的负荷增大，对子手指结构同样也存在这个问题。对此通常采用的间接驱动机构，常见的有以下几种:1.4.1 绳索滑轮驱传动方式绳索滑轮驱传动方式是常用的灵巧手驱传动方式。这种传动方式是比较有利的,它可以很方便地实现运动和动力的远距离传送,也能较好的满足灵巧手结构上的要求,并且质量轻、 惯性负载低、 摩擦较小、 经济实用、 耐用性强,传动结构示意图如图 1.6 所示。末端杆有两个电机,分别驱动末端杆的正转与反转,以实现手指的夹持和松开。图 1.6 绳索滑轮驱传动方式但此种传动方式具有力和运动传递的刚性不足的固有特点,并由此引起各种缺陷:(1) 绳索有张力,容易变形,会引起传动的滞后现象,使用时间长了,绳索会变松弛,将会带来较大的运动传递误差。(2) 绳索在工作前还需要预紧,通常预紧力比较大,但又不能过大,张力过大可能会使绳索拉断,不利于大负载条件下的抓取工作。(3) 虽然绳索与滑轮或套筒的摩擦可以比较小,但采用这种方式需要正确布置绳索的走向,否则会产生很大的附加力和附加力矩。当产生这种附加力矩时,会使运动出现耦合,增加控制的难度。这种摩擦具有严重的非线性和强耦合性,给控制带来了很大的困难。（4）绳索只能受拉，不能受压，所以实现回程将会很困难。控制力一旦超调,消除起来将是一件非常麻烦的事,但超调又是在实际中不可避免的。要想实现回程,只有在每个关节处再加置一个电机,使两个电机配合工作实现一个关节的正反转,这样给手指的安装和控制都会带来不便。由上述分析可以看出,用绳索加滑轮这种传动方式并不理想,不能满足灵巧手的设计要求。 9西华大学毕业设计说明书1.4.2 链条、钢带驱动链条、钢带这种方式同样是把驱动器和关节分开安装，是远程驱动的手段之一，链条、钢带与钢丝绳相比，刚性高，可以传递较大的输出，但设计上的限制也很大，在 SCARA 型的关节机器人中多采用了此法。1.4.3 闭式链连杆传动机构的驱动方式对于像灵巧手指这类不是很远距离的运动和动力传送,连杆机构也是可行的方法。手指机构的主体是开环串联三连杆机构,在此开环机构上添加一些零自由度的杆组,就可以构造出闭环连杆机构,通过这些杆组可以将手指根部的动力传送到各个关节,如图 1.7图 1.7 闭式链手指机构杆件 1、杆件 2 和杆件 3 分别为根关节、中关节和末关节,根关节固定于掌上。图 2 中的杆件 1、4、6 被同轴驱动,电机直接驱动杆件 1、4 和 6 ,杆件 4 通过一个四连杆机构带动杆件 2 的运动。杆件 6 通过另外一个平面四连杆机构驱动莲花杆 8 ,然后再通过第 3 个四连杆机构驱动手指末关节杆 3。其中莲花 8 的作用是在为了改善两个平面四边形之间的传递性能,这样就实现了手指 3 个关节的独立驱动。考虑到一般四连杆机构传动的运动在传动过程中有较大变化,因此采用输出等于输入的平行四边形机构。可以看出,杆件 3 分别由杆件 2 和杆件 9 领衔的两条支链直接并联驱动,而这两条支链又都串联于杆件 1 上,所以手指末端的位形将由杆件 1 的位形以及杆件 1 上的两个平行四边形机构分别所引导的支链的位形共同确定。以上的特征说明了这是一种混联结构,同时具备并联结构和串联结构的优势,即继承了并联结构的高速、 高刚度,又兼备了串联结构的高灵活性;就驱动方式来说是并联驱动,但对整个手指来说是串联结构的,具有串联结构的特点。闭式链传动机构的特点：这种传动结构在常规驱动方式下与传统的绳索滑轮驱传动方式相比,有以下一些优点:(1)运动副为低副,接触面为面接触,低副两元素间便于润滑,杆件几何构形简单,便于加工制造。(2)刚性传递,变形小,没有滞后性,通过几何约束定位,传动可靠,工作安全。(3)杆件并联驱动可以承受较大载荷,机械损耗比较小,这是连杆驱动最突出的优点。(4)杆件即可受拉也可受压,一个电机就可实现关节的正反转,回程方便,因此控 10西华大学毕业设计说明书制力一旦超调,消除起来很简单。(5)闭式链采用平行四边形机构传动,平行四边形机构有着输入等于输出的特性,因此手指的运动学和各种性能等同于开环平面 3 自由度连杆机构,因此运动学求解和性能分析得以简化。由以上的分析比较可知,所设计的新型并联连杆机构传动方式比传统的绳索滑轮传动有较好的优势,特别是针对传统传动方式传递刚性不足的固有缺陷,此种新型传动方式具有一定的改善功效。当然,这种传动方式将会使灵巧手的结构变得复杂些,在结构的具体设计时需注意。综合上述驱动方式的分析和研究，本文中的机械手采用闭式链连杆传动机构的驱动方式驱动1.5 本文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，使其有较好的机械特性，保证力传递的精度。并用 Pro/e 软件进行了多指灵巧手的三维造型。2. 多指灵巧手的运动学和静力学分析对所设计的三指灵巧手分析并建立了运动学模型，得出正、反向运动学方程，并对抓持状态下各手指的运动姿态进行了仿真。通过静力学研究计算出在静平衡状态下各关节的力矩，为深入研究机械手的控制提供了理论依据。3.进行机械手的装配和仿真。 11西华大学毕业设计说明书2 原理方案的设计产品开发一般要经过产品规划、方案设计、技术设计、施工设计等几个阶段。方案设计阶段针对产品的主要功能提出原理的构思，探索解决问题的物理效应和工作原理，并用机构运动简图、液路图、电路图等表达构思的内容。方案设计对产品的结构、工艺、成本、性能和使用维护等都有很大的影响，是关系产品水平和竞争能力的关键环节。所以，原理方案的创新设计有其举足轻重的义。工程设计内容错综复杂，如果孤立静止地分析某方面的问题，得出的结论往往是片面、局限的。系统工程方法是将事物当作一个整体系统来研究，分析系统明确任务求总功能总体方案分析求功能元求功能元解系统原理解最佳原理方案黑箱法创新技法、设计目录功能树创新技法、设计目录形态学矩阵评价法收敛组合搜索搜索抽象分解图 2-1 原理方案设计步骤各组成部分之间的有机联系和系统与外界环境的关系，是较全面的综合研究方法。在原理方案设计过程中往往利用系统工程的观点、方法解决复杂的问题。原理方案的设计是发散-收敛的过程。从功能分析入手，通过创新构思探求多 12西华大学毕业设计说明书种方案，然后进行技术经济评价，经优化筛选，求得最佳原理方案。其步骤和各阶段应用的主要方法如图 2-1 所示用系统工程方法设计进行产品的原理方案设计是紧紧围绕功能的分析和求解和组合实施的。系统工程学用“黑箱法”研究分析问题。对于复杂的未知系统，犹如不透明不知其内部结构的“黑箱” ，可以利用外部观测，通过分析黑箱与周围环境的联系、输入和输出，了解其功能、特性，从而进一步探求其内部原理和结构。2.1 明确设计任务根据此次设计的设计任务书要求设计一个九自由度三指仿生机械手，以完成机械手对其他物体的抓取。具体要求如下：（1）九自由度三指仿真机械手的总体设计方案；（2）九自由度机械手指的结构设计与运动分析；（3）九自由度三指仿真机械手的三维设计；（4）械手的装配与仿真。2.2 功能分析由于现代机械中动力源主要有电动机、汽油机、柴油机、气动马达等，但由于机械手的工作条件和各种动力源的特点决定了，在现代机械手中的动力源多以电动机作为动力源。故在本设计中均以电动机作为动力源进行研究探索。黑箱电动物件三指机械手机械手对不同形状的物件实现抓取动作2.3 功能分析仿生机械手和一般夹持工具实现对工件的抓取类似，但需要更高的灵活度，以便于实现机械手对于不同形状的工件实现更为灵活可靠的抓取。2.4 功能分解总功能：机械手对不同形状的物件实现灵活的抓取 13西华大学毕业设计说明书对不同形状的工件实现灵活的抓取动力（步进电机）手指运动运动转换运动调节往复运动 往复摆动2.5 原理方案图 2-2 为一种较好的三指机械手的原理方案，即采用步进电机的回转运动曲柄滑块球面副杆机构的组合。图 2-2 单指 2 自由度机械手结构简图本设计是要求九自由度三指仿生机械手的结构设计，故对图 2-2 进行修改变 14西华大学毕业设计说明书异后即可得到单指三自由度的机械手结构， 变异后的机械手在 pro/e 软件建模如图 2-3 所示。图 2-3 各种位形下手指的仿真图变异后得到的机械手结构在 pro/e 中抓取圆柱工件和球形工件的仿真如下图2-4 所示：图 2-4 抓取圆柱形和球形工件的三自由度手指三维模型2.6. 具体工作原理在 2.5 中已说明了机械手夹持部分的原理方案，为了进一步明确机械手的具体结构设计和布局，下面针对机械手的整体布局和驱动方式作具体分析，由上述2.4 可知，机械手的动力源采用的是步进电机，但是步进电机的输出是电动机转轴的回转运动，但是经分析，机械手执行夹持的部分要求的是杆机构的直线运动，故需将电机主轴的回转运动转换为机械手执行部件的杆机构的直线运动。由机构学可知，将一个回转运动转换为直线运动主要有以下几种方案：（1）曲柄滑块机构曲柄滑块机构中的运动副均为低副（故又称为低副机构） 。其运动副元素为面接触，压力较小，承载能力较大，润滑好，磨损小，加工制造容易，且曲柄滑块机构中的低副是几何封闭的，对保证工作的可靠性有利。利用曲柄滑块机构还可以很方便的达到改变运动的传递方向，实现增力和远距离传动的目的。但是曲柄滑块机构也存在一些特点，主要是电机转轴的回转运动需要通过中 15西华大学毕业设计说明书间构件曲柄和连杆的传递，故增加了传动线路，易产生较大的累积误差，并且使得机械效率降低。（2）齿轮齿条机构齿轮齿条机构虽然在提高机械传动效率方面比曲柄滑块机构具有较大的优势，但是齿轮的齿面作为一个较为复杂的型面，在加工和制造过程中较为困难，且加工成本比曲柄滑块机构高， 。齿轮齿条传动在传动上还存在一个不可忽视的缺点，齿轮齿条啮合传动时是属于线接触，故相对曲柄滑块机构，齿轮齿条啮合传动时的接触应力较大，齿面容易磨损，最终会导致更大的传动误差。（3）凸轮机构凸轮机构作为将回转运动转换为其他运动形式的传动机构，在工业应用中有其独特的优势，其最大的优点就是：只要适当地设计出了凸轮的轮廓曲线，就可以使得推杆得带各种预期的运动规律，而且响应快，机构简单紧凑。但由于凸轮机构自身的结构形式，决定了其固有的缺点，在凸轮机构中，凸轮廓线和推杆间为点、线接触，所以接触应力大，容易磨损，而且凸轮的加工制造较困难。（4）螺旋机构螺旋机构有螺杆、螺母和机架组成。一般情况下，它是将旋转运动转换为直线运动。螺旋机构的优点是能获得很大的减速比和力的增益，还可以自锁性。但是由于螺纹的机构形式，螺旋机构的机械效率会比较低或者是效率提高，磨损则增大，两者不可兼得。由上述分析，综合传动误差，传动效率和经济成本的考虑，以下方案是采用曲柄滑块机构对机械手的执行部分实现驱动，机械手单个手指的的布局如示：则由图 2-5 可知，机械手的工作原理：在曲柄 1 的外部链接一个步进电机，步进电机的旋转运动通过曲柄滑块机构将运动传至三角板 4，由于滑块 3 将运动传至构件是由球面副实现的，所以构件 4 可实现在竖直方向移动外，还可以实现三个方向的转动。图 2-5 机械手单个手指的的布局图再由 4 构件各个顶点的上下移动带动 5 构件运动，再由杆机构 6、7、8 的运动将运动传至指尖机构 8，对工件实现夹持。而构件 4 连接构件 5 的运动副为球面副，则可以实现对各种形状的工件进行自适应夹持。2.6 本章总结至此，三自由度的手指方案已给定，本章主要运用了机械的功能设计法对九自由度三指机械手进行了原理方案的设计，并基于 pro/e 进行了初步的建模仿真，但是在机构的运动空间和机构的各部分尺寸方面的考虑并未涉及。 16西华大学毕业设计说明书3 机械手手指的运动分析机器人运动学描述了机器人关节与组成机器人的各刚体之间的运动关系。本章首先对手指机构进行自由度分析，以确定有几个独立参数需要驱动，然后对手指机构进行位置正反解分析，速度分析，得到了雅克比矩阵。最后对机构的特殊位形和零点进行了讨论，得出了一些设计条件。 3.1 手指机构运动学 物体在工作空间内的位置以及机器人手的位置，都是以某个确定的坐标系来描述的、而工作任务则是以某个中间坐标系(如赋于手指末端的坐标系)来规定的。由笛卡儿坐标系来描述工作任务时，必须把上述这些规定变换为一系列能够由手指驱动的关节位置。确定手指位置和姿态的各关节位置的解答，即运动方程的求解。要知道工作物体和工具的位置，就要指定手指逐点运动的速度。雅克比矩阵是由某个笛卡儿坐标系规定的各单个关节速度对最后一个连杆速度的线性变换。3.1.1 手指机构的自由度计算 平面机构的自由度计算公式为 （3-1）hlpnF23其中 ： 机构中活动构件的数目； n机构中低副的数目； lp机构中高副的数目。h从图 3-1 中可以看出此手指结构有 7 个活动构件，9 个转动低副，没有高副，也不存在局部自由度和虚约束，自由度计算如下： 3012323hlpnF图 3-1 手指的机构简图 17西华大学毕业设计说明书3.1.2 位置正解具有闭式链结构的灵巧手，决定手末端位姿及速度和加速度性能的主要杆件间的相对转角中，有些是被间接驱动的，有些关节运动时，另一些关节会由于结构上的原因产生附加运动。所以，在求解时，必须先分析运动特点，找出直接决定末端位姿、速度和加速度性能的关节角，把它们分离出来，组成等价的开链机构，然后进行求解6。一个 nDOF 的闭式链可有 nDOF 的开式链和一个 0DOF 的杆组构成，自由度保持不变，闭式链的运动学特性及工作性能由开式链决定。对图 3-1所示的手指结构，可以将其等价为由杆 1、5、7 组成的开环平面三自由度连杆结构，再作运动学分析。建立如图 3-2 所示的坐标系，各关节输入角为 ，321和，各关节相对基坐标系 x 轴的转角为 ，也就是各电机输入角，有如下关321和，系：（3-2）32132利用几何法可以得到手指末端的位置正解，手指末端点 的位置可以通过坐标P来表示，姿态用 表示，经过投影变换有如下关系： ),(pyxP3（3-3）)cos()cos(32132121lllxp（3-4）ininsi （3-5）3213图 3-2 平面三自由度开环连杆机构坐标系 18西华大学毕业设计说明书国内外仿生机械手指的优化设计，选定 mllml 10,28,3031 ,根据不同的 可以得到手指的不同的位置，代入公式(3-3)(3-4)(3-321和，5)计算数据如下表 3.1：表 3.1 仿生机械手指的位置正解实例输 入 输 出序 号 ()1()2()3(mm)px(mm)py()31 15 45 60 37.978 40.674 1202 15 90 45 13.071 39.810 1503 30 60 75 16.322 45.589 1654 45 15 90 26.553 50.462 1505 75 60 30 -21.694 51.365 1653.1.3 三自由度仿生机械手指的位置反解分析通过末端点的位置，求出能实现这一末端位置的一组或者一系列关节输入角的过程即为位置反解的过程，而位置反解的求解可以分别用代数的方法以及几何的方法。(a) 代数法：设末端点 的位置 ，图 3-3 中P),(3pyx图 3-3 位置反解代数法分析(3-6)2),/arctn(ppyxry 19西华大学毕业设计说明书利用复数向量法列出矢量位移方程（3-7）jjjj relel321当手指末端点 的位置 确定后，上式有两个未知数 ，故可P),(3pyx 21和以求解。移项，对等式两边同乘以各自的共轭复数，有(3-8)()( 3311 22 jjjjjjjj ellrelelrel 将上式展开，合并同类项，有(3-9)cos(221sinin)cos( 33132 2rllrl l其中令 322133csini1cos()1ABrlClr均已知，化简即为A,(3-10)CB22sinco可得 有两个解：2（3-11）A22arct再利用式 5)求解 ，即：1（3-12） 321 coscosiniinsi llrl即得：（ 3-13）321 coscosiniinartll，这个可以在几何的方法中详细解释，如图 3.2 所示也 有 两 个 解相 对 于 21两种位形 可以满足要求。PAIAI32131:和（b）几何法：当手指末端点 的位置 ),(3pyx确定后，如图 3-4 可以求出点位置，其中 (3-14),(3yx3sincolyxp 20西华大学毕业设计说明书图 3-4 位置反解几何法分析如图 3-4 所示，在 组成的三角形内，应用余弦定理可以求出 ，其321,Al和 2中投影关系如下：(3-15)180cos(2212 llyx由此可得(3-16)212cosl值得注意的是：(1)为了保证解的存在，目标点 应满足 的条件；),(3yxA212lyx(2)在满足解的存在性的条件下，可能有两个解（其中一由虚实线表示）： 18022 为了求出 ，首先计算角度1和其中(3-17)/arctn(xy(3-18)180(2os21 ll 21西华大学毕业设计说明书由此得出(3-19)1其中，当 时，取“+”号；当 时，取“-”号。手指末端连杆的02 02方位角 由三个方位角之和决定：3(3-20)3213从而确定 。现选择几何法来验证反解，具体过程如下：首先假定，根据设计要求还是令 ，选取表 1 其mllml 10,28,031 中位置的数据 ， ， ，代入(3-14)式得mxp16.32yp45.9653.6sin.8co继续代入(3-16)得： 50.2830491.25cos 2则 或者0.62.602用式(3-17) 、(3-18)，得到 6.)91.5/4arctn(87.038.23091.5cos286.当 时，代入式(3-19) 、(3-20)0.62 30.2.51603当 的时，代入式(3-19) 、(3-20)0.62 72.8.28.5103从结果分析，有一组解 即为正解分析中的位置，560321，而另一组解 为图 3.3 中所示虚线的位置。也就是72.831，说，两组解在手指末端关节的关节角是相同的，因为这由公式(3-14)决定。而两组解的手指根段关节和手指中段关节的位置态，正好是关于经过原点与 22西华大学毕业设计说明书的直线对称，这是由于公式(3-16)决定的，但实际情况是两组解都可能),(3yxA实现，只是第一组解比第二组解更容易到达，并且可以更好避免奇异位置的出现。3.2 仿生机械手指的速度分析式(3-3)、式（3-4） 、式（3-5）对时间 t 求导，就得到手指末端 P 的速度(3-21)3213 31212121 cllclcly ssssxp其中 ， ， ， ，11sin2sin32112sin11cos， ；2co313co令 V= , ,Tpyx3Tq32将（3-21）式改写成矩阵形式V= (3-22) J其中 = (3-23)J 111 2323212321 111cllclcllc ssss就是手指机构的雅可比矩阵，它描述了机器人机构的操作空间速度和关节空间速度的线性映射关系。在这里描述了手指末端 P 点的速度和各关节速度的映射关系。由于线速度和加速度的不同量纲，将雅可比矩阵 分成子阵：J(3-24)wvJ将（3-22）式写成：(3-25) 123123212321 cllclcl ssssJv(3-26)W 23西华大学毕业设计说明书,速度反解为 (3-27)3RJXJq1当 满秩时， 为雅克比矩阵的逆矩阵，当不满秩时， =0， 的逆矩阵1 J不存在，此时任何一组关节运动变量为奇异关节变量，机构处于奇异位姿，欲使手末端沿某个笛卡儿方向以一定的速度运动，其某个关节所需的速度将变得非常大，且接近极限不确定值，但由于关节实际运动速度不可能无限大，所以末端势必偏离所要求的运动或失去某个方向的运动而出现机构自由度瞬时减少的现象。同位置分析一样，若末端点 P 不考虑与物体的接触姿态，则用来描述姿态的输出变量 可以任意，此时的速度雅克比将有所变化 3= (3-28)J 123123212321 cllclcl ssssv不是方阵，于是不存在逆矩阵，用其伪逆 代替，有32R J(3-29)XJJqT由线性代数的知识可知式(3-29)的解不唯一，有无穷多组解，在进行速度规划时应根据要求选取适合的解。3.3 仿生机械手指的运动空间分析与仿真目前，随着机器人技术研究领域的不断扩展，机器人计算机仿真系统作为机器人设计和研究的灵活方便的工具，发挥着重要的作用。本设计中的机械手作为一种仿人机械手，能完成较复杂的抓取动作。在机械手应用于作业研究时，一个重要的因素就是机械手在运动过程中能达到的空间位置，这对于作业和避障都有一定的实际意义，因此在机械手的设计和应用研究阶段都应对机械手的可达空间进行分析。本节探讨通过代数方法来求解 3 自由度手指的工作空间。首先根据设计要求， ， ， 可以得出手指运动空ml301l28ml103间肯定分别在 ， 方向都是在 之内。加上约束条件，约定 方向只在正方向，即xy)6,8(y在 范围内；由于机构中存在平行四边形结构，所以约定 在 之间；而去除)68,0( 3),8(平行四边形的奇异位置，也就是说通过程序对角度的判断，把平行四边形两个相邻的杆件夹角为 或者 时去除，当然在编制程序的时候是在 的范围内把这两个位置去除掉；再1 1加上分析公式(3-12)，其中判断反解存在的条件是 的非负性。通过以上这些约22CAB束条件，进行 MATLAB 的程序仿真，仿真结果如图 3.4。 24西华大学毕业设计说明书图 3.4 3 自由度手指工作空间分析图)(my )(mx 25西华大学毕业设计说明书4 基于 Pro/e 的仿生机械手的建模，装配及仿真4.1 Pro/e 简介Proe 是美国 PTC 公司旗下的产品 Pro/Engineer 软件的简称。Pro/E（Pro/Engineer 操作软件）是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称 PTC）的重要产品。是一款集 CAD/CAM/CAE 功能一体化的综合性三维软件，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械 CAD/CAE/CAM 领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功CAD/CAM 软件之一。经 过 20 多