上本科毕业设计五指灵巧手的结构设计与分析

1、本科毕业设计(论文)FINAL PROJECT/THESIS OF UNDERGRADUATE(2014届)五指灵巧手的结构设计与分析Guideline and Example of the Final Project/Thesis for Undergraduates of USST (外文标题)学院专业学生姓名学号指导教师 完成日期年月承诺书本人郑重承诺：所呈交的毕业论文“五指灵巧手的结构设计与分析”是在导师的指导下，严格按照学校和学院的有关规定由本人独立完成。文中所引用的观点和参考资料均已标注并加以注释。论文研究过程中不存在抄袭他人研究成果和伪造相关数据等行为。如若出现任何侵犯他人知识产

2、权等问题，本人愿意承担相关法律责任。承诺人(签名)：_日期： 年 月 日摘 要传统的机械手主要应用在仿人机器人或者机械手臂的执行端，对指定物体进行抓取，完成特定的动作。考虑到现代化的机械手成本太高，一些规模小的工厂没有资金更新设备来保证工人安全。许多工人冒着危险工作，受伤率高居不下。本文正是为了解决这一难题，本文设计了一种简便的仿人五指灵巧手来代替人手进行工作，来减少工人受伤的概率。本文的主要研究内容如下：通过分析平面连杆机构，选定平面交叉四连杆作为手指基本构造形式，并且根据真实人手的尺寸设计四连杆的尺寸，对手指进行优化，最终建立手指模型。参照人手对灵巧手其他部位进行设计，达到仿人手的要求。对

3、手指动力进行丝杆电机选型，并设计操作机构、与人手的连接机构。通过对方案进行Solidworks以及Autocad的三维、平面建模，完成五指灵巧手的设计。使用Solidworks自带的插件Simulation对非标准关键零件进行应力分析，观察零件的强度，变形大小是否符合要求。关键词：灵巧手 仿人手 机械手 四连杆ABSTRACTTraditional manipulator is mainly used in humanoid robot or mechanical arm, the execution of the end for the specified object grab, perf

4、orm specific actions. Considering modern manipulator cost is too high, some small factories have no money to update equipment to ensure the safety of the workers. Many workers at the dangerous work, the injury rate is high. In order to solve this problem, this paper designs a simple humanoid five fi

5、ngers dexterous hand instead of manpower to carry on the work, to reduce the probability of workers were injured. This main contents of design is presented as follows：Through the analysis of planar linkage mechanism, the selected plane cross four connecting rod as a basic structure forms for the fin

6、gers, and design the size of the four connecting rod according to the size of the real people, optimize the fingers, fingers model is set up in the end.Reference to people in other parts of the dexterous hand design, to achieve the requirement of the humanoid hand. The finger power screw motor selec

7、tion, and design and operating mechanism, and the connecting mechanism of a mans hand.Base on the programs three-dimensional Solidworks and AutoCAD, graphic design, complete the design of a dexterous hand with five fingers.Use Solidworks own plug-in Simulation for stress analysis of key parts of non

8、-standard, observe the strength of the parts, Ensure compliance with requirements.KEY WORDS: content and structure format and style details and sample目 录摘要ABSTRACT TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc421567754 第1章 绪 论 PAGEREF _Toc421567754 h 1 HYPERLINK l _Toc421567755 课题来源及研究的背景和意义 PAGEREF _Toc42156775

9、5 h 1 HYPERLINK l _Toc421567756 1.2 国内外四杆机构联动的欠驱动机械手的研究现状 PAGEREF _Toc421567756 h 1 HYPERLINK l _Toc421567757 1.2.1 国外的研究现状 PAGEREF _Toc421567757 h 1 HYPERLINK l _Toc421567758 1.2.2 国内的研究现状 PAGEREF _Toc421567758 h 3 HYPERLINK l _Toc421567759 1.3 机构设计的目的和意义 PAGEREF _Toc421567759 h 4 HYPERLINK l _Toc4

10、21567760 本章小结 PAGEREF _Toc421567760 h 4 HYPERLINK l _Toc421567761 第2章 五指灵巧手方案设计 PAGEREF _Toc421567761 h 5 HYPERLINK l _Toc421567762 2.1 灵巧手总体方案 PAGEREF _Toc421567762 h 5 HYPERLINK l _Toc421567763 2.1.1 总体方案设想 PAGEREF _Toc421567763 h 5 HYPERLINK l _Toc421567764 2.1.2 人手掌的分析 PAGEREF _Toc421567764 h 5

11、HYPERLINK l _Toc421567765 2.2 手指传动机构方案的确定 PAGEREF _Toc421567765 h 6 HYPERLINK l _Toc421567766 2.2.1 灵巧手驱动种类 PAGEREF _Toc421567766 h 6 HYPERLINK l _Toc421567767 2.2.2 手指结构的确定 PAGEREF _Toc421567767 h 7 HYPERLINK l _Toc421567768 2.3 连杆驱动灵巧手指方案的确定 PAGEREF _Toc421567768 h 8 HYPERLINK l _Toc421567769 2.3.

12、1 平面连杆的选型 PAGEREF _Toc421567769 h 8 HYPERLINK l _Toc421567770 2.3.2 平面四连杆特性分析 PAGEREF _Toc421567770 h 9 HYPERLINK l _Toc421567771 2.3.3 平面四连杆的尺寸选型 PAGEREF _Toc421567771 h 12 HYPERLINK l _Toc421567772 2.3.4 手指尺寸的确定 PAGEREF _Toc421567772 h 13 HYPERLINK l _Toc421567773 2.3.5 手指初步模型 PAGEREF _Toc42156777

13、3 h 14 HYPERLINK l _Toc421567774 2.4 手指建模 PAGEREF _Toc421567774 h 15 HYPERLINK l _Toc421567775 2.4.1 近指节零件设计 PAGEREF _Toc421567775 h 15 HYPERLINK l _Toc421567776 2.4.2 中指节零件设计 PAGEREF _Toc421567776 h 15 HYPERLINK l _Toc421567777 2.4.3 远指节零件设计 PAGEREF _Toc421567777 h 16 HYPERLINK l _Toc421567778 2.4.

14、4 中指节推杆设计 PAGEREF _Toc421567778 h 16 HYPERLINK l _Toc421567779 2.4.5 远指节推杆设计 PAGEREF _Toc421567779 h 16 HYPERLINK l _Toc421567780 2.4.6 指节连接设计 PAGEREF _Toc421567780 h 16 HYPERLINK l _Toc421567781 2.4.7 手指整体模型 PAGEREF _Toc421567781 h 17 HYPERLINK l _Toc421567782 2.5 手指位置确定 PAGEREF _Toc421567782 h 17

15、HYPERLINK l _Toc421567783 2.5.1 四指位置 PAGEREF _Toc421567783 h 17 HYPERLINK l _Toc421567784 2.5.2 拇指位置 PAGEREF _Toc421567784 h 17 HYPERLINK l _Toc421567785 第3章 传动系统设计 PAGEREF _Toc421567785 h 18 HYPERLINK l _Toc421567786 引言 PAGEREF _Toc421567786 h 18 HYPERLINK l _Toc421567787 驱动方式选型 PAGEREF _Toc4215677

16、87 h 18 HYPERLINK l _Toc421567788 传动方式选型 PAGEREF _Toc421567788 h 18 HYPERLINK l _Toc421567789 3.2 手指传动方案选型 PAGEREF _Toc421567789 h 19 HYPERLINK l _Toc421567790 3.2.1 丝杠的选型 PAGEREF _Toc421567790 h 19 HYPERLINK l _Toc421567791 3.2.2 电机选型 PAGEREF _Toc421567791 h 21 HYPERLINK l _Toc421567792 电机丝杆组合设计 PA

17、GEREF _Toc421567792 h 22 HYPERLINK l _Toc421567793 3.3 手指驱动的整体设计 PAGEREF _Toc421567793 h 23 HYPERLINK l _Toc421567794 四指驱动设计 PAGEREF _Toc421567794 h 23 HYPERLINK l _Toc421567795 拇指驱动设计 PAGEREF _Toc421567795 h 23 HYPERLINK l _Toc421567796 3.4 手腕电机选型 PAGEREF _Toc421567796 h 24 HYPERLINK l _Toc42156779

18、7 第4章 手掌和手臂的设计 PAGEREF _Toc421567797 h 25 HYPERLINK l _Toc421567798 手掌设计 PAGEREF _Toc421567798 h 25 HYPERLINK l _Toc421567799 总体设计 PAGEREF _Toc421567799 h 25 HYPERLINK l _Toc421567800 手指与手掌连接设计 PAGEREF _Toc421567800 h 25 HYPERLINK l _Toc421567801 丝杆电机与手掌固定设计 PAGEREF _Toc421567801 h 26 HYPERLINK l _T

19、oc421567802 手指检测机构 PAGEREF _Toc421567802 h 26 HYPERLINK l _Toc421567803 四指运动输入机构设计 PAGEREF _Toc421567803 h 26 HYPERLINK l _Toc421567804 拇指运动输入机构设计 PAGEREF _Toc421567804 h 26 HYPERLINK l _Toc421567805 传感器的选型与外套设计 PAGEREF _Toc421567805 h 27 HYPERLINK l _Toc421567806 手掌与手架的固连设计 PAGEREF _Toc421567806 h

20、28 HYPERLINK l _Toc421567807 手架的设计 PAGEREF _Toc421567807 h 28 HYPERLINK l _Toc421567808 护臂的设计 PAGEREF _Toc421567808 h 28 HYPERLINK l _Toc421567809 护臂的形状设计 PAGEREF _Toc421567809 h 29 HYPERLINK l _Toc421567810 手腕传感器安装 PAGEREF _Toc421567810 h 29 HYPERLINK l _Toc421567811 第5章 手指运动学仿真与分析 PAGEREF _Toc4215

21、67811 h 31 HYPERLINK l _Toc421567812 整体模型的搭建 PAGEREF _Toc421567812 h 31 HYPERLINK l _Toc421567813 基于软件的运动学仿真 PAGEREF _Toc421567813 h 32 HYPERLINK l _Toc421567814 5.2.1 拇指运动学仿真 PAGEREF _Toc421567814 h 32 HYPERLINK l _Toc421567815 中指运动学仿真 PAGEREF _Toc421567815 h 33 HYPERLINK l _Toc421567816 第6章 重要零件的分

22、析 PAGEREF _Toc421567816 h 35 HYPERLINK l _Toc421567817 6.1 基本概念 PAGEREF _Toc421567817 h 35 HYPERLINK l _Toc421567818 6.2 ANSYS介绍 PAGEREF _Toc421567818 h 35 HYPERLINK l _Toc421567819 6.3 受力模拟分析 PAGEREF _Toc421567819 h 36 HYPERLINK l _Toc421567820 6.3.1 建模 PAGEREF _Toc421567820 h 36 HYPERLINK l _Toc42

23、1567821 6.3.2 网格划分 PAGEREF _Toc421567821 h 36 HYPERLINK l _Toc421567822 6.3.3 施加约束 PAGEREF _Toc421567822 h 36 HYPERLINK l _Toc421567823 6.3.4 分析结果 PAGEREF _Toc421567823 h 36 HYPERLINK l _Toc421567824 第7章 总结与展望 PAGEREF _Toc421567824 h 39 HYPERLINK l _Toc421567825 参考文献 PAGEREF _Toc421567825 h 41 HYPER

24、LINK l _Toc421567826 致 谢 PAGEREF _Toc421567826 h 43第1章 绪 论1.1课题来源及研究的背景和意义在近半个世纪的发展中，机器人的各项技术获得了巨大的发展，机器人在我们的生活中已经非常普及了。在一些中、大型企业中到处可以看到机器人，机器人的应用情况已成为衡量工厂自动化程度的标准。机器人在工业生产、日常生活、野外作业、化工领域、航空航天等领域已经获得了极其广泛的应用，扮演着重要的角色。传统工业机器人末端执行器一般针对具体特定任务设计的，这些机械手爪安装在机械臂上，通过提前编程，经过特定的路线，完成物体的抓取。 近年来由于传感器等行业的发展，一些仿人

25、机器人具有一定的物体辨别能力，能够检测抓取物的位置，具有一定的自主抓取功能，但是它们仍然不能满足人类的需要。在一些工人安全存在危险的工厂，如化工厂，玻璃厂，以及一些机械加工厂等，它们由于没有足够的规模，不能提供足够的资金全部更新现代化的工厂流水线，在一些工序中，工人依然采用最简单的工具，工作时还存在一定的危险（如图所示）。这些工人一般受伤部位一般都集中在手以及手臂。因而开发一种结构简单具有一定能活度并能能够代替人手完一部分工作的仿人机械手具有一定的应用前景。图1.1 锻造厂工人在用简单的器具搬运危险的工件1.2 国内外四杆机构联动的欠驱动机械手的研究现状分析国内外的研究现状，对国内外灵巧手的发

26、展有一定的了解。1.2.1 国外的研究现状加拿大MDROBOTICS公司与Laval大学合作研制了一款名叫SARAH的欠驱动机械手，该款机械手成功地应用到了国际空间站进行操作作业，如图1.2所示，该欠驱动机械手手指中的动力传递是采用四连杆机构的原理，通过在各个关节处设置柔性的弹簧，能够很好地实现欠驱动性能。不同手指之间的动力传递采用了一套由行星轮系组成的差动机构，可以将一个输入同时传递给三根手指输出，并且由于该机械手动力传递全是采用刚性的连杆传递，手指抓取力较大。SARAH 机械手成功地将欠驱动的概念应用到了机械臂末端，可以用来抓取不同形状的物体，同时为了得更好的手指表面特性，手指的表面均镀了

27、一层阳极氧化铝薄膜。图 1.2 SARAH机械手Laliberte T 等人在对 SARAH 研究的基础上，提出了一种具有12个自由度的机械手（如图所示）并利用矢量力学分析方法对机构进行了相关力学分析。该机械手手指运动与 SARAH 机械手相同，主要不同点是在手指根部增加了手指运动自由度，增强了手爪的抓取性能。Gosselin C 等人参照 SARAH 手爪设计了一款用于清理核废料的新型机械手爪（如图所示），他们根据实际工作要求对手爪机构末端指节进行了设计并进行了相关试验。 图 1.2 欠驱动机器人手爪 图 1.3 核废料清理机械手样机德国卡尔斯鲁厄大学过程控制与机器人学研究所研制的IPR手也

28、是一种非仿人形灵巧手，如图所示。它有四个手指，不设手掌，每个手指都有相同的结构与尺寸，并直接均布于腕上。每个手指只有两节，但有三个自由度，即根关节处有两个转动，分别控制根关节的弯曲舒张和左右摆动。每个关节都由直流电机驱动并配备了位置传感器，安装于每个指尖的力传感器为控制系统提供与物体接触时的信息。IPR 手可以对所抓持的物体进行精细操作，如进行插孔，拧螺帽等操作。 图 欠驱动灵巧手 图 IPR机械手1.2.2 国内的研究现状中科院合肥智能所研制了一种基于四杆机构联动的欠驱动灵巧手（如图所示）并利用矢量法和机构受力平衡条件对机构进行了运动学及静力学分析。该灵巧手设计参考了SARAH 手爪机构，手

29、指机构相对运动基于两级锥齿轮差动运动方式，机构结构紧凑，维护方便。该灵巧手主要特点是改进了手指方向调整机构，采用步进电机的调节方式，能够连续调整。手指机构主要由形状自适应机构和平行精确抓取机构组成，其中形状自适应机构具有欠驱动机构特点，用以完成包络式捕获任务。上海交通大学对欠驱动机械手也有研究，设计了一种欠驱动机械手。该机械手共有五个手指，每个手指具有3个自由度，共有15个自由度，仅用4个电机进行驱动，自由度及驱动配置（如图所示）。手指采用了弹性交叉四连杆机构实现欠驱动控制，该机械手具有良好的形状自适应性，其最大优点是在部分手指运动受限的情况下具有理想的力分配特性。哈尔滨工业大学机器人研究所研

30、制成功的第二代HIT-DLR仿人假手具有抓取自适应能力。该机械手共有五个手指，与人手不同的是其中拇指也具有三个指节。手指机构近指节和中指节之间采用欠驱动连杆机构，中指节和远指节采用连杆机构实现近似为1:1的耦合运动，具有欠驱动特性。每个手指具有两个自由度，仅需要一个步进电机驱动。该机械手中指、无名指和小指三指联动，由一个电机驱动，其余两指各采用一 图1.6 欠驱动灵巧手 图1.7 欠驱动灵巧手个电机驱动。黄海利用矢量法、虚功原理和拉格朗日方程法对机构进行了详细的分析并在ADAMS环境下完成了相应仿真。1.3 机构设计的目的和意义通过设计五指仿人灵巧手，设计出来一种可以代替人手进行工作的工具。这

31、种工具可以用在一些危险的场合。可以用在化工厂，抓取被化工颜料污染的物品；用在机械厂，例如锻造车间，热处理车间，抓取高温，或者是形状不规则的带有针尖毛坯的工件；用在陶瓷或者玻璃厂，抓取高温物件；用在低温环境，例如南北极的工作中等。这种灵巧手不仅可以代替人手完成一些危险的工作，防止人手受伤，还可以节省体力，减少工人的劳动强度，增加效率。这种灵巧手可以使用在一些比较小型的工厂，作为一种灵巧的工具。使用这种灵巧手可以帮助企业节约成本，增加工人的安全保障。同时又可以优化企业的车间管理。1.4本章小结本章主要介绍了五指灵巧手主要的应用场合，分析了灵巧手的应用前景，对灵巧手的优缺点进行了简单的阐述；分析了一

32、些工厂使用灵巧手的必要性；对国外先进的灵巧手发展现状进行了介绍，同时也对国内一些大学关于灵巧手的研究成果进行了阐述。第2章 五指灵巧手方案设计2.1 灵巧手总体方案通过对灵巧手总体方案的选型以及设计，确定灵巧手的基本模型。2.1.1 总体方案设想通过第一章对一些工厂存在的对人体有潜在危险的工作场合，一般我们的解决方案有两个，一个是工厂对自己的内部结构进行整改，更新现有的设备，用最新的设备来保证工人的安全，例如，在一些危险的工作环境中应用机械手臂，通过运用现代化的机械产品代替工人劳动，或者是更新工艺设备，对危险工序应用新的安全的设备，不管是增加机械手臂，还是更新工厂的设备，这种方案一般花费巨大，

33、并且整改的时间长，规模大；第二种方法是针对特定的工序制定工具，用这样的方法来避免工人直接接触危险的工件，例如给工人戴手套，或者用钳子等夹取工件，这样能再节约成本的同时尽可能的保证工人的安全，但是这种方法会降低工人的工作舒适度，有时候也难免显得本拙。如果能够还是设计一种工具，代替人手进行一些危险的工作，自身具有一定的灵活度，这种工具的能通过人手控制，并且能和人手有良好的固定，那就可以大大的减少企业的投入，同时能够增加对工人的保护。设想一种五指灵巧手，这种灵巧手可以总过人手五指进行控制机械手的五指，并且固定在人手臂上，能够进行抓取。机械手的动力来自外部，这样可以减少人手的工作负担。2.1.2 人手

34、掌的分析本五指灵巧手拟采用仿人手设计，在图2.1中我们可以看到，正常人的手长分为五个手指，其中食指、中指、无名指、小拇指并排，他们具有相同的结构。每个手指分为三段，分别为近指节，中指节，远指节，通过三个关节彼此相互连接；拇指分为两个关节，近指节和远指节，通过两个关节彼此连接。拇指与其他四指成一定的角度。图 人手掌分析四指作用主要是抓握物体，而拇指的主要作用是实现捏、握、拿等功能。2.2 手指传动机构方案的确定仿人多指灵巧手不仅可以作为通用操作设备应用于各种领域，而且可以作为残障人士的义肢，具有重大的社会应用价值。但是，目前具有拟人特征的多指灵巧手多为全驱动多指灵巧手，虽然能够完成对物体抓取和部

35、分操作任务，但是其控制复杂和成本高昂，极大限制了其实际应用的可能。近年来，兴起了基于应用需求、低成本和易操作为设计原则的指手设计热潮，这种多指手的特点是具有较强的抓取能力、抓取性能稳定、驱动单元较少、控制相对简单、成本低廉。此类多指手为机器人多指灵巧手的实用化敞开了一扇大门。欠驱动多指手以其结构相对简单、驱动单元少、控制简单和制造成本低廉等诸多优点，成为实用化研究的热点欠驱动多指手按照传动形式，主要分为连杆机构欠驱动手、腱-滑轮机构欠驱动手和齿轮链传动机构驱动手。.1 灵巧手驱动种类腱-滑轮机构欠驱动手纸腱-滑轮机构很早就应用于了机器人手指驱动传动机构中，世界上第一个欠驱动机械手和许多拟人灵巧

36、手都是采用的腱-滑轮机构，这种机构由于腱绳和滑轮在手指内布置形式多种多样，故又有很多不同结构形式优缺点：每个手指由一根腱绳驱动，易于实现欠驱动，并且由于腱绳的质量较轻，易于实现远距离操作，从而易于实现驱动与传动分离；但腱绳具有一定的柔性，在使用一段时间后易出现一定的弹性变形，如图2.2所示。图2.2 腱-滑轮机构欠驱动手的一般结构连杆机构 图2.3 六连杆机构手指 图2.4 四连杆机构手指连杆型手指一般采用多个连杆串并联混合的形式，由于连杆型欠驱动手指依靠刚性的连杆传递运动和动力，所以传递的刚性比较强，手指具备较大的抓取力，并且结构比较紧凑，能很好地实现包络抓取的特点如图2.3和图2.4所示。

37、齿轮链传动机构在由腱传动机构组成的欠驱动手指中，腱的传动也可以用齿轮链来代替，如齿轮链传动可以获得准确的传动比，并且传递效率、可靠性更高。但是齿轮链的结构相对比较复杂，并且使得机械手的重量、惯性增大。另外当手指较长时，需要较多数目的齿轮传递，使得齿轮链传动机构的应用受到了很大的限制如图2.5所示。图2.5 齿轮链传动机构各种机构的优点表 各种机构优缺点对比表机构传动方式优点缺点连杆机构四连杆机构1应用差动机构就可以成为很好的驱动2有些结构对物体的抓取具有自适性3手指的力通过连杆传动，传递的力大1不能远距离控制2抓取过程中易发生弹射，抓取物体的稳定的工作区间比较小六连杆机构1 机构刚性大，结构紧

38、凑2产生的握力大，没有延后3与人手的抓握比较相似1机构运动的距离短2抓取物体时没有自适性，腱-滑轮机构柔性绳-滑轮1与真人手非常相似2具有很好的自适性，并且非常适合欠驱动3传递的距离较远，并且机构的传动比较简单，适合遥控4抓取物体工作的区间大，具有一定的可靠性1柔性绳所承受的力只有拉力，传动具 有一定的滞后性2腱-滑轮摩擦力将会减少抓取力带传动机构带传动1传动力矩大于柔性绳2具有比较稳定的传动比1核环境会影响带的性能链条传动1具有稳定的传动比2比带传动更可靠，效率更高1链条安装比较繁琐，结构要求比较复杂齿轮链机构齿轮链机构1具有非常稳定的传动比2传递效率更高，可靠性更强1齿轮本身的质量将会增加

39、机械手的质量.2 手指结构的确定灵巧手主要用在工厂，要是实现的功能主要是对物体的抓取。由于是对于一些具有腐蚀的，高温，或者其他对人体有伤害的工件的抓取，因而必须对工件进行包络抓取，并且在抓取后必须具有一定的稳定性，这样才能保证危险的工件不会掉落。因而灵巧手必须提供足够的握力，由于腱-滑轮机构手指抓取力小，不适用于本灵巧手，因为不予考虑。考虑到灵巧手的最初目的就是为了简化结构，减轻重量，增加灵活度，对于齿轮链机构其复杂的结构，并且对于环境有一定的要求，因而齿轮链传动不适合。考虑到灵巧手所必须的大握力，简单的结构，灵活的操作性，最终选定采用连杆驱动的欠驱动的机械灵巧手。 连杆驱动灵巧手指方案的确定

40、 通过对比平面机构的优缺点，进而对平面机构进行选型设计。.1 平面连杆的选型对于平面连杆机构，自由度W有：W=3n-2PL-PH （2.1）式中：n为活动杆数PL为机构中的低副数PH为机构中的高副数在平面机构中，如果不含IV级运动副，即不含有高副运动副，则其自由度的计算公式可以简化为：W=3n-2PL （2.2）因此要构成只含一个自由度的低副平面结构，只需要按照上式选取不同的活动杆数n和不同的低副数目即V级运动副PL之值，从而使机构的自由度W=1即可。把公式（2.1）改写成：3n=2PL+1 （2.3）此公式所包含的意义，是能够成自由度为1的低副平面机构中，活动杆数n与低副运动副数即V级运动副

41、数之间的关系。为了方便选取证整数的活动杆件数目n和低副运动副PL的不同的值，可将公式（2.3）变形为下面含有参数t的参数方程：n=2t+1PL=3t+1 （2.4）在上式中，取t=0、1、2、3，可得：表2.1 低副平面机构n与PL之间的数值关系t01234n13579PL1471013当t=0时，n= PL=1；这表示只含一个活动杆的转动副图（如图所示）或者一个活动杆的移动副图（如图所示）。这时的b杆既是原动件，又是从动件，从而谈不上什么强制运动，因而不能视为机构。 图2.6 单杆机构转动 图2.7 单杆机构滑动当t=1时，n=3，PL=4，例如四个转动低副组成的平面低副机构，如图2.8所示

42、的平面机构，由此可见四连杆机构是构成低副平面连杆机构中，自由度为1的构件最少的平面连杆机构。图2.8 四连杆机构考虑到灵巧手所要具备的灵活性，在满足性能要求的情况下，要尽量的保持结构的简单性，保持灵巧手在使用的过程中具有一定的可靠性。通过以上对平面机构的分析，为了获得一种兼具稳定性，可靠性的结构，最终选取平面四连杆作为灵巧手的传动方式。.2 平面四连杆特性分析（1）平行四连杆机构对于图2.9所示的四连杆机构中：各构件所构成的矢量方程为l4+l3=l1+l2，写成分量形式为：l3sin1=l1sin2-l2sin3 l4-l3sin1=l1cos2+l2cos2 （2.5)消去3得： l1sin

43、2-l3sin12+l4-l3sin1-l1cos22=l22 （2.6)整理，得到： l12-l22+l32+l42+2l1l3sin1sin2-2l3l4cos1-2l1l4cos2+2l1l3cos1cos2=0 （2.7）在式（2-7）中，由隐函数的求导公式，求d1d2.整理得：d1d2=l1l4sin2+l1sin1-2l3l4sin1-l1sin1-2 （2.8）图2.9 平行四连杆运动分析通过式（2.8）中可以看出，当杆l1和机架的夹角杆2与杆l3和机架的夹角1相等的时候，即：1-2=0 （2.9）式（2.8）可以简化为：d1d2=l1l3 (2.10) 如果将杆l1作为近指节，

44、杆l3作为下一个指节，为了让手指达到收缩的目的，必须l3的角速度大于l1的角速度，则有：d1d2=l1l31 （2.11） 即l1l3；在21时，d1d21恒成立。根据所满足的关系，初步设想手指的结构简图（如图所示）从图中可以看出来，平行四连杆机构所构成的灵巧手的手指结构比较简单，运动轨迹比较明确，但是其手指尺寸比较大，经过查找，找到了此类的灵巧手图片如图2.11这是Rea P在2011年设计的一种曲柄滑块机构和两组平行四连杆机构组成的机械手。从图中我们可以看出来这种结构的机械手的尺寸比较大，不适合灵巧手的工作要求，因而舍弃这种结构。 图2.10 初步设计的灵巧 构简图 图2.11 Rea P

45、机械手样机 （2）逆平行四连杆机构对于图2.12所示的四连杆机构中：图2.12 逆平行四连杆机构各构件所构成的矢量方程为l2+l3=l1+l4，写成分量形式为：l1sin1=l2sin3-l3sin2 l4-l1cos1=l2cos3+l3cos2 (2.12)消去3得到：l1sin1+l3sin22+l4-l1cos1-l3cos22=l22整理后，得到：l12-l22+l32+l42+2l1l3sin1sin2-2l1l4cos1 -2l3l4cos2+2l1l3cos1cos2=0 (2.13)在公式（2.7）中，由隐函数的求导公式，求d2d1。得:d2d1=l1l4sin1+l3sin

46、1-2l3l4sin2+l1sin1-2 (2.14)在图2.11中，假设四连杆长度不变，当1减小的时候，2增大，因而d2d10，当1和2差距不大的时候，即1-2=0 (2.15)式（2.14）可以简化为d2d1=-l1l3 (2.16) 当将l1作为手掌，l4作为近指节，l3作为中指节使，为了让中指节的收缩速度大于近指节的收缩速度，则必须满足：d2d1=-l1l3-1 (2.17) 即l1l3.在21时，d1d21恒成立。根据所满足的关系，初步设想手指的结构简图，如图2.13所示。 图2.13 叠加四连杆 图2.14 人手姿态的分析在图中包含人手指正常的结构。其中，滑块驱动近指节绕着手掌转动

47、，当近指节与手掌有相对的转动之后，手掌与近指节、中指节构成的逆平行四连杆机构便会驱动中指节跟着旋转，当中指节与近指节有相对的旋转后，近指节与中指节、远指节构成的逆平行四连杆机构便会驱动远指节跟着旋转，这样整个手指便会跟着一起弯曲，形成抓握动作。.3 平面四连杆的尺寸选型分析人手指的姿态，如图2.14可以看到，人手指姿态主要有两个极限位置，当手掌展开，四指与手掌在一个平面上，1和2近似180，手指成一条直线，即近指节和中指节，中指节和远指节夹角都为180；当人手成握拳状态是，手指成矩形状态，可以看到1和2近似于90，即近指节和中指节，中指节和远指节夹角都为90。图 人手姿态的分析经过分析，；根据

48、人手指的两个极限位置的姿态设计四连杆。如图所示。由式（2.17）知道，在满足l1l3的情况下，为了使l1转过90的同时，l3也转过90，只有当l1=l3的情况下最适合，这时由于具有对称的结构，式（2.14）简化为：d2d1=l1l4sin1+l3sin1-2l3l4sin2+l1sin1-2=l4sin1+l3sin1-2l4sin2+l1sin1-2 (2.18)为了提高运动中的平稳性，并且运用对称的运动轨迹来减少机构的复杂性，最终确定1的初始角度为135，那么2的初始角度即为45。在运动过程中，sin1和sin2值相差非常小，即d2d1在1左右波动的非常小，所以按照这样的连杆尺寸设计手指尺

49、寸。经过多次的结构分析，最终确定手指的具体尺寸。2.3.4 手指尺寸的确定在确定了灵巧手的手指结构后，确定灵巧手的尺寸。灵巧手的设计是为了代替人手进行工作，因而为了达到最理想的尺寸，根据GB/T 162521996成年人手部号型标准，按照全国成年男子手部型号的覆盖率表格，选定所占比率最高的手型即手长180mm手宽80mm为基本的设计参数，这种手型所占的比例为24.29%。考虑到实际的灵巧手结构结构问题，将基本的参数设为手长200mm，手宽80mm的仿人五指灵巧手。由男子女子手部控制尺寸的回归方程表格，得出以下手指的长度计算回归方程：表2.2 五指灵巧手手指的尺寸控制部位项目回归方程计算长度实际

50、圆整长度手长X1=200200200手宽X2=808080拇指长Y=160食指长Y=-+0.38 X175中指长Y=-+0.44 X185无名指长Y=-+0.42 X178小拇指长Y=+0.28 X162食指近位指节宽Y=+0.14 X218中指近位指节宽Y=+0.12 X218无名指近位指节宽Y=+0.13 X217 小拇指近位指节宽Y=+0.10 X215图2.16 关节长度分析由长度回归方程可以求出手指的长度以及宽度，由此确定手指的基本尺寸，在计算出来手指的尺寸后，考虑到加工的方便性，因而圆整数据。最后的数据为表中的实际圆整长度一栏。由图分析的手指抓握时的尺寸关系可以得到：l1=l3 (

51、2.19)l1+l2+l3=l手指+10 (2.20)图2.17 灵巧手指尺寸表达综上所述，根据所得到的关系，最终得出各手指尺寸如表所示。表2.3 各个手指的尺寸表项目食指中指无名指小拇指近指节l139中指节l226272725远指节l329中指节拉杆l438中指节推杆l510远指节拉杆l6远指节推杆l7109.22.3.5 手指初步模型 根据以上计算的来的数据，最终三维建模初步建立手指的初步模型如图2.18。在最初的模型中可以看到，该手指总共有三个指节，三个关节。与人手类似， 基本功能可以满足。图2.18 初步模型1 手指基座 2中指节推杆 3近指节 4中指节 5远指节 6远指节推杆2.4

52、手指建模 从图可以看出，推杆主要在手指的一侧，因而受力会有不平衡，因而对手指结构进行改进，将推杆放在手指的中间，这样手指受力就会消除左右不平衡。.1 近指节零件设计 近指节主要的作用是将手指固定在手指基座上，连接中指节，并且连接远指节推杆。在靠近手掌的地方需要预留一个孔来实现手指动力的输入。为了达到平衡，采用对称的双面结构设计，各个孔的尺寸上文已经算出，在初步模型的基础上，最终建立了近指节的零件模型。如图所示。图2.19 近指节1 驱动位置 2 连接手指基座3连接远指节推杆 4连接中指节图2.20 远指节.2 中指节零件设计中指零件主要起一个连接近指节与远指节的作用，结构上需要在近指节的中间进

53、行连接，所以宽度为近指节的内部空隙大小，其他尺寸上文已经算出。.3 远指节零件设计 远指节比较特殊，远指节末端成半圆柱状，这样在抓取物体的时候能对物体有一定的形状适应性，并且具有一定的稳定性，为了达到仿人手的设计，对原始零件不断改进，最终建立的远指节零件如图所示。.4 中指节推杆设计 中指节推杆在初步模型中为一条直杆，在更新了手指指节的结构之后，由于考虑到零件相互干涉的问题，考虑到极限位置推杆的相互位置关系，最终构建出了一个不干涉的推杆形状。将直杆改为夹角为135度的弯曲杆，并且对夹角部分进行倒角，最终满足了手指的位置需求。.5 远指节推杆设计 远指节推杆在中指节推杆的基础上设计出来，形状与中

54、指节推杆相同，同样考虑了干涉问题。2.4.6 指节连接设计考虑到机械手需要维修，需要更换手指或者手指零件，因而设计一种能够与手掌连接，并且便于拆卸的结构是十分必要的。 灵巧手指在建模的过程中，由于尺寸的限制，关节不可能采用轴承，并且由于轴向尺寸的限制，必须使用一种非标的轴销来连接指节，这样的好处是结构简单了，但是考虑到强度的问题，会在后面会进行强度校核，确保手指的可靠性。连杆与指节的固定需要到销轴，具体的如图2.21。远指节与中指节通过一个销连接，中指节与近指节，近指节与手指基座都是通过两个销来连接的。为了简化手指的结构，采用5销轴来连接推杆与指节。这样的选择手指可以更方便的拆卸，来维修或者更

55、换。2.21 手指连接图1 远指节 2 中指节 3 近指节 4手指基座图2.22 四指位置.7 手指整体模型在确定了各个零部件的尺寸以及各部件连接的方案后，用solidworks对手指进行建模，最终完成手指装配图。2.5 手指位置确定通过分析人手的位置，最终确定各个手指相对的位置。食指、中指、无名指、小拇指四指并排，拇指与其余四指在一个平面上，互为一个角度。2.5.1 四指位置正常人手四指都是并排的，与手掌为一个平面。因而灵巧手也选择相同的结构，每个手指的中心距离为20mm，实现仿人手的设计。如图2.222.5.2 拇指位置由于人的拇指具有的自由度比较多，要实现人手拇指的自由度需要的机械结构比

56、较复杂，因而采用一种简单的结构来替代拇指的结构，拇指与其余四指成衣135度，并且在一个平面上，大概的位置关系如图2.23所示。图2.23 灵巧手总体模型第3章 传动系统设计引言在分析扶梯模型之前，我们需要验证第二章设定的方法在单体型材的可行性。本文采用L=530mm的单体型材，下端全约束，上端Y方向自由，其他两个方向约束。在上端加载一个Y方向的大变形位移载荷，再撤去载荷，分析模型的变形、应力强度、所受反力和压缩量等情况，从而评估单体型材经过大变形后的安全性，最终验证方法的可行性。驱动方式选型对于机械手的动力驱动系统一般有气压，液压,电气，新型驱动等驱动方式。气压传动由气源、气动执行元件、气动控

57、制阀和气动辅件组成。气源一般由压缩机提供。气动执行元件把压缩气体的压力能转换为机械能，用来驱动工作部件，包括气缸和 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1090379.htm t _blank 气动马达。气压驱动以空气作为工作介质，取之不尽，处理方便，用过以后直接排入大气，不会污染环境，空气的黏度很小，气动控制动作迅速，反应快；维护简单工作环境适应性好。由于空气的可压缩性大，气压传动系统的速度稳定性差，给系统的速度和位置控制精度带来很大的影响，气压传动系统的噪声大，尤其是排气时，需要加消音器。液压传动是用液体作为工作介质来进行能量传递的传动方式。液压传动系统通常由五部分

58、组成,动力装置、控制调节装置、执行元件、辅助装置、工作介质。动力装置是液压泵,控制调节装置是各种阀类元件,执行元件是液压缸或马达,辅助装置是指油箱、蓄能器、过滤器、等系统中必不可少的元件,工作介质是液压油。电气驱动是将电机产生的动力直接或通过减速装置减速,然后用连轴器与执行机构相连。电气驱动是发展最为完善,理论成熟的驱动方式。电力驱动是机械手使用得最多的一种驱动方式。其特点是电源方便，响应快，驱动力较大，信号检测、传动、处理方便，并可采用多种灵活的控制方案。驱动电机一般采用步进电机，直流伺服电机为主要的驱动方式。在现代工程实践中获得了广泛的应用。相关元器件配套齐全,价格相对低廉,成本较低。在欠

59、驱动机械手中,需要实现的是对手指关节的精确控制。在精度方面,微型步进电机明显比液压装置好。而且电机还可以在高温与低温等恶劣环境中工作。液压油的泄漏会造成环境污染,成本也较电气驱动高。各方面因素考虑，最终决定选择电气驱动。电气驱动作为一种安全，高效的驱动方式，能够灵巧手的要求。传动方式选型常见的传动方式方式有带传动、链条传动、齿轮传动、蜗杆传动、螺旋传动等传动方式。带传动.中心距变化范围大，可用于较远距离的传动，传动平稳，噪音小，能缓冲吸振，有过载保护作用，结构简单，成本低，安装要求不高中心距变化范围大，可用于较远距离的传动，传动平稳，噪音小，能缓冲吸振，有过载保护作用，结构简单，成本低，安装要

60、求不高。 HYPERLINK s:/ baidu /s?wd=%E9%93%BE%E4%BC%A0%E5%8A%A8&hl_tag=textlink&tn=SE_hldp01350_v6v6zkg6 t _blank 链传动中心距变化范围大，可用于较远距离的传动，在高温、油、酸等恶劣条件下能可靠工作，轴和轴承上的作用力小虽然平均速比恒定，但运转时瞬时速度不均匀，有冲击、振动和噪音，寿命较低。 HYPERLINK s:/ baidu /s?wd=%E9%BD%BF%E8%BD%AE%E4%BC%A0%E5%8A%A8&hl_tag=textlink&tn=SE_hldp01350_v6v6zkg