毕业设计（论文）-五指仿人灵巧手机械结构设计与仿真

目录摘要 1Abstract 21. 绪论 31.1 课题背景 31.2 研究意义 41.3 国内外研究现状分析 51.4 论文研究的主要内容 72. 机器人五指仿人灵巧手原理方案 82.1 机器人五指仿人灵巧手关节驱动方式 82.1.1 绳索滑轮驱传动方式 82.1.2 链条、钢带驱动 92.1.3 闭式链连杆传动机构的驱动方式 92.2 机器人五指仿人灵巧手方案设计 112.2.1 机器人五指仿人灵巧手设计任务 122.2.2 机器人五指仿人灵巧手功能分析 132.2.3 机器人五指仿人灵巧手功能分解 132.2.4 机器人五指仿人灵巧手具体工作原理 132.3 本章总结 143. 机器人五指仿人灵巧手的运动分析 163.1 机器人五指仿人灵巧手机构运动学 163.1.1 机器人五指仿人灵巧手的自由度计算 163.1.2 机器人五指仿人灵巧手位置正解 163.1.3 机器人五指仿人灵巧手的位置反解分析 183.1.4 机器人五指仿人灵巧手的速度分析 213.2 机器人五指仿人灵巧手的运动空间分析与仿真 233.3 本章总结 234. 仿生五指仿人灵巧手的建模，装配及仿真 254.1 solidworks简介 254.2 仿生五指仿人灵巧手各部分的建模 264.3 五指仿人灵巧手的装配与仿真 264.1.2 五指仿人灵巧手的装配 274.1.3 五指仿人灵巧手的仿真 285 结论 31参考文献 32致谢 33摘要 机械手的两个主要功能是运动姿态测量和力触觉反馈。目前，它主要应用于两个方面：一是主从控制系统，如精密微操作，在极端环境下工作：外太空、核反应堆等；二是虚拟现实系统，如模拟手术、游戏和各种模拟训练。1949年，M1的主从控制系统在美国首次开发。随着计算机技术的发展，智能化、虚拟现实和科学可视化技术的发展，推动了机械手的应用。目前，越来越多的机械手被应用于虚拟现实领域。本设计是根据确定输入少输入多自由度控制的原理设计的五个指的是九自由度五指仿人灵巧手，当五指仿人灵巧手在初始运动时，每个手指作为一个整体运动，但当五指仿人灵巧手的第一个手指关节由于某些因素突然卡滞时，驱动力克服了动力的限制，在第一节和第二节节关节之间自动启动转动自由度，然后第二节自由度施加在每节之间，方式相同，当第二指节和第三节间的转动自由度因某些外界因素突然变化时，每根手指的第三自由度自动启动操纵器。这样，五指仿人灵巧手的输入控制更少，控制自由度更大，实现五指仿人灵巧手对不同形状工件的抓取动作，可以达到节能、节能和降低电机设计容量的目的，从而减轻机构的负荷，提高动态性能。并利用三维软件进行建模处理，并对其进行运动分析仿真。关键词：自由度手；指关节；五指仿人灵巧；手三维软件。

Abstract Thetwomainfunctionsofmanipulatoraremotionattitudemeasurementandforcetactilefeedback.Atpresent,itismainlyusedintwoaspects:oneismaster-slavecontrolsystem,suchasprecisionmicromanipulation,workinginextremeenvironment:outerspace,nuclearreactor,etc.;theotherisvirtualrealitysystem,suchassimulatedsurgery,gamesandvarioussimulationtraining.In1949,themaster-slavecontrolsystemofM1wasfirstdevelopedintheUnitedStates.Withthedevelopmentofcomputertechnology,intelligent,virtualrealityandscientificvisualizationtechnology,theapplicationofmanipulatorispromoted.Atpresent,moreandmoremanipulatorsareusedinthefieldofvirtualreality.Thedesignisbasedontheprincipleoflessinputandmultidegreeoffreedomcontrol.Whenthefivefingerhumanoiddexteroushandisininitialmotion,eachfingermovesasawhole,butwhenthefirstfingerjointofthefivefingerhumanoiddexteroushandissuddenlystuckduetosomefactors,thedrivingforceovercomesthelimitationofpowerWhentherotationaldegreesoffreedombetweenthesecondknuckleandthethirdknucklechangesuddenlyduetosomeexternalfactors,thethirddegreeoffreedomofeachfingerwillautomaticallystartthemanipulator.Inthisway,theinputcontrolofthefivefingerhumanoiddexteroushandisless,andthedegreeoffreedomofthecontrolisgreater.Thegraspingactionofthefivefingerhumanoiddexteroushandtodifferentshapeworkpiecescanberealized,whichcansaveenergyandreducethedesigncapacityofthemotor,soastoreducetheloadofthemechanismandimprovethedynamicperformance.The3Dsoftwareisusedtomodelandsimulateitsmotion.Keywords：Degreeoffreedomhand;knuckle;fivefingershumanoiddexterity;handthree-dimensionalsoftware.

绪论课题背景仿生学是一门新兴学科。仿生学的发展促进了仿生力学的产生和发展，仿生力学的产生和发展与仿生学密切相关。机器人机构是仿生机械领域中发展最快、应用最广泛的仿生机构。模仿各种动物的行走和爬行动作为移动机器人的设计和构思提供了广阔的前景。本此设计主要介绍了从生物运动的机理和仿生机构的设计思想，为仿生机构的研究提供了基础知识。在仿生机械、仿生机理、仿生机械的一个重要组成部分,是一种机制功能集中,效率更高,更广泛的应用和生物学特性设计和制造通过模仿运动形式,生物的生理结构和控制原理,物质载体来完成机械运动的仿生机械。一种功能更强、效率更高的生物机器，用来模仿生物的形状、结构和控制原理研究仿生机械的学科称为仿生力学，是20世纪60年代后期生物、生物力学、医学、机械工程、控制论、电子技术等学科相互渗透、结合而形成的边缘学科。在自然界中，生物通过自然选择和长期的自我进化高度适应了自然环境。它们的感觉、决策、命令、反馈、运动和其他功能和器官结构远比人类制造的机器复杂。人类制造模拟生物结构的机器的技术有很长的历史。15世纪意大利的列奥纳多。列奥纳多·达·芬奇认为人类可以模仿鸟类的飞行，并画过扑鸟机。到了19世纪，各种自然科学都取得了巨大的进步。人们利用空气动力学原理，制作了几种不同类型的单翼和双翼滑翔机。1903年，W.莱特和O.莱特发明了飞机。然而，在很长一段时间里，人们缺乏对生物和机器的共同之处的理解，这仅限于物理上的模仿。生物力学研究的主要领域是生物力学、控制器和机器人。生物力学研究生命的力学现象和规律，包括生物材料的生物力学、生物流体的生物力学、生物材料的生物力学和生物流体的生物力学。控制器和机器人是基于生物学知识的工程系统。其中被人类大脑控制的称为控制体(如假肢肌电图设备);那些由计算机控制的叫做机器人。仿生力学的主要研究课题包括仿人五指仿人灵巧手、行走机械、假肢以及各种模仿鸟、虫、鱼和其他生物的机械。研究意义自1960年开发的第一个机器人,机器人技术已迅速发展,国防、科研、生产等领域有广泛的应用,而不是人们从事一些复杂的、危险的,或非人类的工作,以减轻人们的劳动强度,提高效率,扩大人类活动的空间。然而，就目前国内外的工业机器人而言，它们大多是为特殊任务而设计的，采用夹紧式或并联移动的单自由度末端执行器。该末端执行器结构简单，控制方便，对实现大范围负载运动操作非常有效。但是，它也有以下缺点:通过施加大压力产生的摩擦来实现对物体的夹紧和定位。抓取没有几何闭合和力闭合，抓取精度难以达到高，稳定性和可靠性差。2.它限制了机器人系统的精细操作水平。传统的机器人通过手臂来调整末端的位置，通过手腕来调整末端的姿态。由于手臂尺寸较大，很难通过整个手臂的运动来实现对对象的准确姿态调整和操作，动态响应较差。3.缺少精确的力控制，只能在对夹紧力要求较低的情况下完成操作。4.不能适应物体形状的变化。多指灵巧手的发展有助于解决上述问题。由于灵巧手作为末端执行器，相当于安装在机械臂上的一组机器人，可独立实现精细操作和运动，因此可以通过机械臂实现粗定位，通过灵巧手实现精确定位。直到20世纪中叶，对原子能利用、空间、海洋发展和军事技术的需要，都要求机械设备具有适应性和高可靠性。然而，以往的机械装置远远不能满足要求，迫切需要寻找新的技术开发和设计理论途径。随着现代生物学的发展，人们发现生物学在能量转换、控制与调控、信息处理、方位识别、导航与检测等方面具有无可比拟的优势。同时在自然科学中也出现了“控制论”理论。它是研究机器和有机体中控制和通信的学科。控制论是通信技术系统工作原理与生物系统之间的桥梁，为机器与生物的类比奠定了理论基础。1960年9月，第一届仿生学研讨会在美国举行，提出了“生物原型是新技术的关键”的主题，从而建立了仿生学学科，后来形成了仿生学的多个分支。1960年，美国机械工程学会组织了一次关于生物力学的研讨会。1970年，日本人工手研究协会举办了首届生物机构研讨会，建立了生物力学和生物机构两门学科，并在此基础上形成了仿生力学。国内外研究现状分析 1962年美国就有一种类似五指机械手制造出来。但是真正的五指机械手是1974年日本的Gifu=2\*ROMANII五指仿人灵巧手[1]，如图1.1所示。图1-1Gifu=2\*ROMANII五指仿人灵巧手这只五指仿人灵巧手有五个手指，一个手掌。每个自由度由电机驱动，运动和动力的传递由钢丝绳和滑轮完成，属于n驱动方式。手的重量为0.8kg，重量为0.24kg。这种手的灵巧性比较好，但由于手指只有五个自由度，所以不是最灵巧的手。另外，从结构上看，每根手指又细又细，很难达到大的抓取力和操作力。德国航空航天中心研制的DLR手被公认为世界上最复杂、最智能、最集成的仿人机器人多指灵巧手。每个手指有四个关节。整个手由1000个机械部件、1500个电子部件和112个传感器组成。在这两个接头中，有一个是用手来驱动的，这两个接头都是用手来驱动的。基座关节采用两个执行机构实现两个方向的运动。DLR手采用电驱动方式，微直线驱动器为驱动元件，N+1驱动方式。直线执行器集成了旋转电机、旋转线性转换结构和减速机构。因此，它可以将所有的驱动器集成到手指或手掌中，减小手指的尺寸，缩短腿部的传输距离，提高动态响应。DLR手的每个手指上有28个传感器，包括触觉传感器、关节扭矩传感器、位置传感器、速度传感器和温度传感器。具有代表性的多指灵巧手是1985年麻省理工学院与犹他大学联合研制的犹他／mt灵巧手。它是一种人手，它的大小、形状和功能都与人手相似。犹他州/麻省理工学院采用模块化结构设计。四个手指（手指、食指、中指和无名指）是相同的。每个手指有四个自由度。每个手指都连接到手掌并相对于手掌移动。手指各关节由腿（绳）和滑轮远距离驱动，属于2n驱动方式。驱动元件为排气伺服缸，可对指尖产生31n的抓持力。每个关节安装16个位置传感器，手腕后部安装32个腿部张力传感器。目前，这只手主要用于各种实验室研究。其主要问题是关节自由度过多，控制复杂，难以实现实时在线控制。美国斯坦福大学开发的Stanford/JPL手（salisbryhand）也是一种非常有代表性的非人形多指灵巧手。手没有手掌，只有五个手指。每个手指有五个关节，手指相对于其他两个手指排列。每个手指由四个直流力矩电机驱动。五个关节的扭矩是通过调节四根绳索的张力来控制的，属于N+1驱动。关节1和关节2的运动范围为±90'，关节3的运动范围为±135'。这种手每根手指只有五个自由度。抓取物体时，一旦抓取点（指尖位置）确定，则仅确定抓取姿势。因此，实际上手指没有多余的关节，因此没有抓取的灵活性，不可能像人手一样灵活、稳定地抓握和操作。另外，根据欠驱动原理，三指10自由度机器人手爪具有驱动元件少、抓取对象范围广等优点。在欠驱动手爪的四种主要机构中，欠驱动手指具有被动柔顺和形状自适应的特点。首先对三关节欠驱动手指机构进行了静态分析，然后根据设计目标，利用遗传算法得到各关节连杆的尺寸和抓取对象的特殊结构，使各关节在抓取某一物体时，各关节的接触力达到均匀分布，从而得到有效的力传递，机构尺寸更紧凑。加拿大MDroboticsCorporationofCanada和LavalUniversity联合开发的自适应机器人辅助手[5]如图1-2所示，爪具有10个自由度，仅由两个电机驱动，一个电机负责打开和关闭五个手指，另一个电机负责调整手指方向，以便抓取物体可以在不同的位置抓取。通过揉捏末端关节的指面，可以准确捏捏莎拉手爪，如图1-3所示；包络抓取可以通过欠驱动完成，如图1-4所示。图1-2LavalUniversity五指仿人灵巧手我国对灵巧手的研究始于20世纪80年代末，北京航空航天大学研制的BH系列就是其中的代表。从1987年开始，北航先后研制出BH-1、BH-2和BH-3多指灵巧手。这种手是斯坦福大学/喷气推进实验室的一种手，有五个手指和九个自由度。每个手指由四个电机驱动，属于N+1驱动模式。近年来，北航开始研究bh-4灵巧手。手是四个手指和十六个自由度。它分为五个模块：手指、手掌和机械接口。改变手掌图案可以得到拟人或非拟人手。机械接口用于确定手和手臂之间的连接。改变机械接口可以使灵巧手适应不同的五指仿人灵巧手。传动元件全部由齿轮副组成，电全于手指内。输电线路短，结构简单紧凑。然而，由于国内对五指仿人灵巧手研究的滞后，这些多指灵巧手的结构还存在许多不完善之处。因此，有必要对多指灵巧手的结构进行深入分析，引入合理的优化设计方法，设计出更合理的多指灵巧手结构，为多指灵巧手的实际应用和其他研究提供最理想的结构。论文研究的主要内容 本次设计的五指仿人灵巧手主要的研究内容是：(1)能适应被操纵物体形状的变化，尽可能抓取不同形状的物体;(2)可控制操作力，以便操作不同材质的物体;(3)可在短时间内调整被捕捉对象的位置和姿态;通过上位机控制完成抓握运动规划，使灵巧手能够平稳有效地运动现在稳定的把握对象。针对多指灵巧手研究中存在的问题，结合现有的研究条件，本文重点进行以下研究工作：研究了多指手的结构设计，综合分析了多指手的结构类型，选择了合理的优化方法，对灵巧手的结构参数进行了优化。从仿人手的角度出发，根据人手的结构形式和比例参数，对多指灵巧手进行了具体的结构设计，使其具有较好的力学性能，保证了传力的准确性。利用三维软件对多指灵巧手进行三维建模。多指灵巧手的运动学和静力学分析。建立了五个手指的运动学和逆运动学模型，并对各手指的运动学和灵巧状态进行了仿真。通过静态研究，计算了机械臂在静态平衡状态下各关节的力矩，为进一步研究机械臂的控制提供了理论依据。并对其进行装配并模拟五指仿人灵巧手。

机器人五指仿人灵巧手原理方案机器人五指仿人灵巧手关节驱动方式机器人关节运动有两种驱动方式：直接驱动和间接驱动。直接驱动方式是驱动器的输出轴直接与机器人的关节轴连接，间接驱动方式是通过减速器或钢丝绳、皮带、平行连杆等将驱动器的力传递到关节上。直接驱动方式的执行器与关节之间的机械系统较少，可以减少摩擦等非线性因素的影响，控制性能更好。然而，另一方面，为了直接驱动关节，执行机构的输出扭矩必须很大。另外，对于这种设计，很明显，由于小指形结构，这种驱动方式不能被采用。间接驱动方式也是大多数机器人采用的驱动方式。间接驱动驱动器的输出扭矩通常远小于驱动关节所需的扭矩。因此，通常使用减速机。对于臂的悬臂结构，如果执行机构的安装位置不正确，则臂根部关节执行机构的载荷会增加，手指结构也存在同样的问题。常见的间接驱动机制如下：绳索滑轮驱传动方式绳轮传动是一种常用的智能手传动。这种传输方式比较有利，可以方便地实现运动和动力的远距离传输，也可以更好地满足灵巧手结构的要求。具有重量轻、惯性载荷小、摩擦小、经济实用、耐久性强等优点。传动结构示意图见图2-1。端杆内有两个电机，分别驱动端杆的正反转，实现手指的夹持和松开。图2-1绳索滑轮驱传动方式然而，这种传动方式具有力刚度不足、运动传递不畅等固有特点，导致了各种缺陷（1）钢丝绳有张力，容易变形，造成传动滞后现象。如果长时间使用钢丝绳，钢丝绳会松脱，造成较大的运动传递误差。（2）工作前绳子需要预紧。通常预紧力比较大，但也不能太大。如果张力过大，可能会断绳，不利于在重载条件下抓取作业。（3）虽然钢丝绳与滑轮或套筒之间的摩擦力可以相对较小，但钢丝绳的正确方向应以这种方式排列，否则会产生很大的附加力和扭矩。当产生附加转矩时，运动将耦合，控制难度增大。这种摩擦具有严重的非线性和强耦合性，给控制带来很大困难。（4）绳子只能拉，不能压缩，所以很难再回程。一旦控制权超调，消除将是一件非常麻烦的事情，但超调在实践中是不可避免的。为了实现回程，只需在每个关节处增加一个电机，使两个电机协同工作，实现一个关节的正反转，给手指的安装和控制带来不便。由以上分析可知，绳轮传动方式不理想，不能满足灵巧手的设计要求。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，与SCARA作为机器人和钢带的远距离传动方式之一相比，该方法还可以实现链条的长距离传动。闭式链连杆传动机构的驱动方式对于灵巧手指等不远处的运动和动力传递，连杆机构也是一种可行的方法。手指机构的主体是一个串联的开环三杆机构。在开环机构中加入一些零自由度杆组，就可以构成一个闭环连杆机构。通过这些杆组，手指根部的力量可以传递到每个关节，如图2-2所示图2-2闭式链手指机构构件1、构件2、构件3分别为根关节、中间关节和端关节，根关节固定在手掌上。图2中的杆1、4和6由同一轴驱动，电机直接驱动杆1、4和6。连杆4通过四连杆驱动连杆2的移动。连杆6通过另一个平面四杆机构驱动莲花杆8，然后通过第五个四杆机构驱动指端连接杆3。lotus8的功能是改善两个平面四边形之间的传动性能，从而实现手指五个关节的独立驱动。考虑到一般四杆机构在传动过程中运动变化较大，采用输出等于输入的平行四边形机构。可以看出，构件3由构件2和构件9分别带动的两根支链直接并联驱动，这两条支链与构件1串联连接。因此，指端的构型将由构件1的构型和由构件1上两个平行四边形机构引导的支链的构型决定。以上特点表明，这是一种混合结构，具有并联结构和串联结构的优点，即继承了并联结构的高速、高刚度，又具有串联结构的高柔度；就驱动方式而言，是并联驱动，但对于整个手指来说，它是串联结构，具有串联结构的特点。闭链传动机构特点：与传统传动方式相比，这种传动结构具有以下优点：（1）运动副为低副，接触面为面接触。低副的两个元件之间的润滑是方便的。该杆的几何结构简单，便于加工制造。（2）传动刚性好，变形小，无滞后，通过几何约束定位，传动可靠，工作安全。（3）连杆传动最突出的优点是并联传动能承受较大的载荷，机械损耗相对较小。（4）杆可以被拉紧或压缩。电机可实现关节的正反转，回程方便。因此，一旦控制力超调，消除它是非常简单的。（5）闭合链由平行四边形机构驱动，具有输入等于输出的特性。因此，手指的运动学和性能相当于开环平面三自由度连杆机构。从而简化了运动学求解和性能分析。从以上分析比较可以看出，新型并联机构的传动方式比传统的绳轮传动具有更好的优势，特别是传统传动方式传动刚度不足的固有缺陷，这种新的传动方式具有一定的改进效果。当然，这种传动方式会使灵巧手的结构更加复杂，在对上述驱动方式进行分析研究的基础上，本文的五指仿人灵巧手采用闭链连杆传动机构驱动。机器人五指仿人灵巧手方案设计产品开发一般经过产品策划、方案设计、技术设计、施工设计等几个阶段。在方案设计阶段，根据产品的主要功能提出了原理概念，探讨了解决问题的物理效果和工作原理，并用机构运动图、液路图和电路图表达了概念的内容。方案设计对产品的结构、工艺、成本、性能、维修等都有很大的影响，是决定产品水平和竞争力的关键环节。因此，原理方案的创新设计具有重要意义。工程设计内容复杂。如果孤立地、静态地分析一些问题，结论往往是片面的、有限的。系统工程的方法是把系统作为一个整体来研究和分析。图2-3原理方案设计步骤构件之间的有机联系以及系统与外部环境的关系是一种综合性、综合性的研究方法。在原理方案设计过程中，经常采用系统工程的观点和方法来解决复杂问题。原理方案的设计是一个发散收敛的过程。从功能分析入手，通过创新的思路探索各种方案，进行技术经济评价，通过优化选择得到最优的原理方案。各阶段的步骤和主要应用方法如图2-3所示用系统工程方法进行产品原理方案设计，紧紧围绕功能的分析、求解和组合。系统工程使用“黑盒方法”来研究和分析问题。对于一个复杂的未知系统，就像一个不透明的、不知道其内部结构的“黑匣子”，我们可以通过外部观察来分析黑匣子与周围环境的联系、输入和输出，了解它的功能和特点，从而进一步探讨其内在原理和结构。机器人五指仿人灵巧手设计任务根据设计规范的要求，设计了一种9自由度三指仿生五指仿人灵巧手来抓取其他物体。具体要求如下：（1）给出了多自由度五指仿人灵巧手的总体设计方案；（2）介绍了一种新型的五指仿人灵巧手的结构设计和运动分析方法；（3）本文介绍了一种新型的九自由度三指仿真五指仿人灵巧手的三维设计方法；（4）五指仿人灵巧手的装配与仿真。机器人五指仿人灵巧手功能分析现代机械的动力源主要有电动机、汽油机、柴油机、气动马达等，但由于五指仿人灵巧手的工作条件和各种动力源的特点，现代五指仿人灵巧手的动力源大多采用电动机作为动力源。本文对电动机的动力源进行了探讨。仿生五指仿人灵巧手在抓取工件时与一般的夹持工具相似，但要实现五指仿人灵巧手更灵活、更可靠地抓取不同形状的工件，需要更高的柔性。机器人五指仿人灵巧手功能分解机器人五指仿人灵巧手具体工作原理五指仿人灵巧手夹紧部分的原理方案进行了说明。为了进一步明确五指仿人灵巧手的具体结构设计和布局，对五指仿人灵巧手的总体布局和驱动方式进行了详细的分析。由以上2.4可知，五指仿人灵巧手的动力源是步进电机，，手的夹紧部分需要杆机构的直线运动，因此，有必要将电机主轴的旋转运动转化为五指仿人灵巧手连杆机构的直线运动。根据机械科学，将旋转运动转化为线性运动有几种方案（1）曲柄滑块机构曲柄滑块机构中的运动副均为低副（故又称低副机构）。运动副的元件为面接触，压力小，承载能力大，润滑好，磨损小，加工容易，曲柄滑块机构中的低副几何闭合，有利于保证工作的可靠性。曲柄滑块机构还可以方便地改变运动的传动方向，实现增力和远距离传动的目的。但曲柄滑块机构也有一些特点，主要原因是电机轴的旋转运动需要通过曲柄和连杆传递，因此增加了传动线，容易产生较大的累积误差，降低了机械效率。（2）齿轮齿条机构虽然齿轮齿条机构在提高机械传动效率方面比曲柄滑块机构有更大的优势，但齿轮齿面作为一种更复杂的齿形，在加工制造过程中难度更大，加工成本也比曲柄滑块机构高。在齿轮齿条传动中还有一个不容忽视的缺点。齿轮齿条啮合传动属于线接触。因此，与曲柄滑块机构相比，齿轮齿条啮合传动的接触应力较大，齿面容易磨损，最终导致较大的传动误差。（3）凸轮机构凸轮机构作为一种将旋转运动转化为其它运动形式的传动机构，在工业应用中具有独特的优势。它最大的优点是只要凸轮轮廓曲线设计得当，推杆就能有各种预期的运动规律，响应快，机构简单紧凑。然而，由于凸轮机构的结构特点，决定了其固有的缺点。在凸轮机构中，凸轮廓线与推杆的接触是点线接触，接触应力大，易磨损，给凸轮的加工制造带来困难。（4）螺旋机构螺杆机构由螺杆、螺母和机架组成。一般来说，它将旋转运动转化为线性运动。螺旋机构的优点是可以获得较大的减速比和力增益，并且可以自锁。但由于螺纹机构的形式，会降低或提高螺杆机构的机械效率，增加磨损。根据以上分析，综合考虑传动误差、传动效率和经济成本，采用曲柄滑块机构驱动五指仿人灵巧手执行部分。五指仿人灵巧手单指布局如图2-5所示，其工作原理为：在曲柄手柄1外连接步进电机，步进电机的旋转运动由曲柄滑块机构控制，运动传递到三角板4。由于滑块3通过球面副将运动传递给组件，因此组件4除了可以垂直运动外，还可以实现五个方向的旋转。本章总结到目前为止，已经给出了三自由度手指方案。本章主要采用机械功能设计方法对九自由度三指五指仿人灵巧手的原理方案进行了设计，并运用三维软件进行了初步的建模和仿真，但没有考虑机构各部分的运动空间和尺寸。

机器人五指仿人灵巧手的运动分析机器人五指仿人灵巧手机构运动学机器人五指仿人灵巧手的自由度计算平面机构的自由度计算公式为F=3n-2p其中：n——机构中活动构件的数目；——机构中低副的数目；ph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：F=3n-图3-1手指的机构简图机器人五指仿人灵巧手位置正解对于闭链结构的灵巧手，间接驱动主要构件间的一些相对旋转角，这些角决定了手末端的位置和姿态，以及手的速度和加速度性能。当某些关节运动时，由于结构原因，有些关节会产生附加运动。因此，在求解该问题时，首先要分析其运动特性，找出直接决定端部姿态、速度和加速度性能的关节角，将其分离形成一个等效的开链机构，然后求解问题[6]。闭链可以由开链和杆组组成。自由度不变。开链决定了闭式链的运动特性和工作性能。图3-1所示的手指结构可以等效为由1、5、7杆组成的开环平面三自由度连杆机构，然后进行运动学分析。建立如图3-2所示的坐标系，各关节输入角为θ1，θ2和θ3利用几何法可以得到手指末端的位置正解，手指末端点P的位置可以通过坐标P(xp,y图3-2平面三自由度开环连杆机构坐标系国内外仿生五指仿人灵巧手指的优化设计，选定,根据不同的θ1，θ2和θ3可以得到手指的不同的位置，代入公式(3-3)(3-4)(表3-1仿生五指仿人灵巧手指的位置正解实例输入输出序号θ1(°θ2(°θ3(°(mm)(mm)φ3(°115456037.97840.674120215904513.07139.810150330607516.32245.589165445159026.55350.462150575603021.69451.365165机器人五指仿人灵巧手的位置反解分析寻找一组或一系列能通过端点位置实现末端位置的关节输入角的过程就是位置逆解的过程，位置逆解的求解可以分别用代数法和几何法求解。(a)代数法：设末端点P的位置P(xp,y图3-3位置反解代数法分析α=arctan(y利用复数向量法列出矢量位移方程l1e当手指末端点P的位置P(xp,(l1ejφ将上式展开，合并同类项，有(rcosα-l3其中令A=rcosA,B,C均已知，化简即为Acosφ2+Bsinφ2可得φ2φ2再利用式5)求解φ1l1即得：φ1φ1相对于φ2也有两个解，这个可以在几何的方法中详细解释，如图图3-4位置反解几何法分析如图3-4所示，在l1,lx2由此可得cosθ值得注意的是：(1)为了保证解的存在，目标点A3(x,y)应满足(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）：θ为了求出θ1，首先计算角度其中β=arctancosψ由此得出θ1=β其中，当θ2<0°时，取“+”号；当θ2>0°时，取“-”号。手指末端连杆的方位角φ3从而确定θ3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l1=30mm,l2=28mm,l3=10mm，选取表1其中位置的数据xpx=16.322继续代入(3-16)得：cos则θ2=60.00°用式(3-17)、(3-18)，得到β=cosψ=28.86当θ2=60.00°时，代入式(3-19)、θθ当θ2=-60.00°的时，代入式(3-19)θθ从结果分析，有一组解θ1=30°，θ2=60°，θ3=75°即为正解分析中的位置，而另一组解θ1=87.72°，机器人五指仿人灵巧手的速度分析式(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xp=-l1其中s1=sinθ1，sc12=cos令V=xpyp将（3-21）式改写成矩阵形式V=q(3-22)其中J=-l1s1+J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J分成子阵：J=JvJw将（3-22）式写成：Jv=-l1JW=111J∈R3×3,速度反解为q当J秩满时，它是雅可比矩阵的逆矩阵；当秩不足时，J=0，J逆矩阵不存在。此时，任意一组关节运动变量都是奇异关节变量，机构处于奇异姿态。如果手端以一定的速度沿一定的笛卡尔方向运动，则某一关节所需的速度将变得非常大，并接近极限不确定度值。然而，由于实际关节运动速度不是无穷大的，末端必须偏离要求值，机构的自由度因运动或某一方向的丢失而瞬间降低的现象。J=Jv=-l1s1J∈R2q=J+X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。机器人五指仿人灵巧手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大，机器人计算机仿真系统作为一种灵活方便的机器人设计和研究工具，发挥着重要作用。作为一种仿人五指仿人灵巧手，本设计的五指仿人灵巧手可以完成复杂的抓取动作。将五指仿人灵巧手应用于运筹学研究时，一个重要因素是五指仿人灵巧手在运动过程中所能达到的空间位置，这对操作和避障具有一定的现实意义。因此，在五指仿人灵巧手的设计和应用研究阶段，需要对五指仿人灵巧手的可达空间进行分析。本节讨论如何用代数方法求解三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。通过以上这些约束条件，进行MATLAB的程序仿真，仿真结果如图3-4。本章总结图3-43自由度手指工作空间分析图

仿生五指仿人灵巧手的建模，装配及仿真solidworks简介 SolidWorks软件是世界上第一个基于windows的三维CAD系统。SolidWorks顺应CAD技术的发展趋势和趋势进行了技术创新，成为近两年来CAD/CAM行业利润最高的公司。良好的财务状况和用户支持，使SolidWorks每年都有数十项甚至数百项技术创新，并获得多项荣誉。1995年至1999年，该系统在全球计算机平台CAD系统评价中获得第一名；1995年至今，共获得17项国际奖项，其中美国权威CAD专业杂志《cadence》，连续四年荣获SolidWorks最佳编辑奖，以表彰其创新性、活力和简洁性。到目前为止，SolidWorks遵循的易用性、稳定性和创新性三大原则已经得到了充分的实施和验证。有了它，设计人员可以缩短设计时间，使产品快速、高效地投放市场。SolidWorks凭借其卓越的技术和市场表现，不仅成为CAD行业耀眼的明星，也成为华尔街的宠儿。最后，在1997年，法国达索以3.1亿美元的高市值收购了SolidWorks。公司原有的风险投资家和股东，拥有1300万美元的风险投资，获得了高回报，创造了CAD行业的世界纪录。并购后，SolidWorks继续保持原有品牌和管理团队的独立运营，成为CAD行业一家高素质的专业公司。SolidWorks三维机械设计软件也成为达索企业最具竞争力的CAD产品。由于采用了windowsOLE技术、直观的设计技术、先进的Parasolid内核（由剑桥大学提供）以及与第三方软件良好的集成技术，SolidWorks已经成为世界上安装最多、使用最好的软件。据资料显示，目前全球已颁发约28万个SolidWorks软件许可证，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通信、医疗器械、娱乐业、日用品/消费品、离散制造等行业约3.1万家企业分布于全球100多个国家。在教育市场，来自世界各地4300所教育机构的近14.5万名学生每年通过SolidWorks培训课程。据世界著名人才网站搜索显示，与其他3DCAD系统相比，与SolidWorks相关的招聘广告比其他软件的总和还要多。这客观地表明，越来越多的工程师使用SolidWorks，越来越多的企业使用SolidWorks人才。据统计，全球用户每年使用SolidWorks的时间为5500万小时。在美国，包括麻省理工学院和斯坦福大学在内的著名大学都将SolidWorks列为制造业专业的必修课。电子科技大学、哈尔滨工业大学、清华大学、中山大学、中南大学、重庆大学、浙江大学、华中科技大学等国内高校（教育机构），北京航空航天大学东北大学、大连理工大学和北京工业大学也在使用Solidworks进行教学。完全相关：Solidworks的所有模块都是完全相关的。这意味着产品开发过程中的一个地方的修改可以扩展到整个设计，所有的工程文件，包括装配、设计图纸和制造数据，都可以自动更新。充分的相关性鼓励在开发周期的任何一点上进行修改而不造成任何损失，使并行工程成为可能，从而使开发后期的一些功能提前发挥作用。基于特征的参数化建模：Solidworks使用熟悉的特征作为产品几何模型的构造元素。这些特征是常见的机械对象，可以根据预设设置轻松修改。例如，设计特征，如圆弧、圆角、倒角等，工程师都很熟悉，因此易于使用装配、加工、制造等学科利用了这些领域的独特特点。通过设置这些特征的参数（不仅包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后对参数进行修改，便于进行多次设计迭代，实现产品开发数据管理：加速上市，需要在短时间内开发出更多的产品。为了达到这种效率，必须允许来自多个专业的工程师同时开发同一个产品。数据管理模块的开发专门用于管理并行工程中的各种工作。可以使用Solidworks独特的全相关函数。装配管理：Solidworks的基本结构使您可以使用一些直观的命令（如“网格”、“插入”、“对齐”等）轻松地装配零件，同时保持设计意图。高级功能支持大型复杂组件的构造和管理，这些组件中的零件数量是无限的。易于使用：菜单以直观的方式显示，提供逻辑选项和预选的最常用选项，以及简短的菜单说明和完整的在线帮助。这种形式便于学习和使用。仿生五指仿人灵巧手各部分的建模由于五指仿人灵巧手是由连杆驱动的，所以对五指仿人灵巧手的各个部分进行建模并不困难。根据给定的尺寸只能建立三维模型。五指仿人灵巧手的装配与仿真由于solidworks本身的特点，如果在组件组装中不考虑后续仿真过程的需要，而是将组件机械地组装在一起，那么后续的仿真过程基本上是不可能完成的。下面详细介绍五指仿人灵巧手的装配和仿真过程；五指仿人灵巧手的装配由于本次设计的五指仿人灵巧手的五个手指有五个自由度，所以五个手指可以采用相同的结构，所以五指仿人灵巧手的五个手指结构相同，但是在五指仿人灵巧手手上安装五个手指的结构是相同的，只是具体位置不同，所以在总装方法后组装时才能使用。整个五指仿人灵巧手总成分为五个部分；手掌五指仿人灵巧手总成首先打开solidworks软件，点击新建图标创建一个新的装配文图4-1solidworks装配的新建界面接下来，你可以组装手掌。添加组件时有两个选项。一种方法是在solidworks工具条中选择“插入”选项，然后在“零部件”菜单的下拉菜单中选择“装配”选项，找到已建立的三维模型，并将零部件添加到装配图中。为了满足后续工程图纸制作过程中的投影关系，在增加构件时，将构件添加到装配图中，必须选择“默认”装配约束，如图4-2所示图4-3solidworks中装入第一个组件的界面点击完成第一个组件的组装。然后装配第二个零部件，上述步骤相同，只在选择装配约束时，应根据零部件之间的具体约束关系选择约束。按照同样的步骤组装手掌部件的所有部件，最后完成手掌部件的组装。五指仿人灵巧手的仿真不能按上一次装配方法进行下一次装配。原因很简单。上一次装配是机构零件框架的装配。五指仿人灵巧手工作时，构件之间的所有构件都是固定构件，只需满足各构件的相对位置关系。但是，在五指仿人灵巧手的工作中，手指部分的各个部分都需要运动，所以根据第二章的工作原理分析，不允许跟机走，可以知道五指仿人灵巧手的手指属于连杆机构，所以杆之间存在相对转动。因此，在手指零件的装配中，应选择能够实现相对旋转的约束条件。在这里，每个成员的旋转可以由“销”约束约束约束。具体的销约束应该是两个构件相对旋转的两个旋转轴的对齐约束和沿旋转到轴的移动约束，这样除了沿轴旋转之外的所有约束都可以被限制。根据其的功能原理设计，五指仿人灵巧手的驱动部分由多个球面副驱动，因此需要选择“球”约束来约束驱动部分中各球副的装配。球面副的约束方式是球副的“点对准”方式，因此在建模阶段需要建立参考点。装配程序与上述手指机构的装配步骤基本相同，因此这里不作过多介绍。至此，五指仿人灵巧手各部分的装配工作已经完成，并进行了五指仿人灵巧手的总装。装配方法与前面的装配方法相似，所以这里不再重复。然而，有一点需要特别注意。在最终装配期间，应创建一个新的约束“fixed”，以约束手掌。如前所述，手掌部分在五指仿人灵巧手中起到机架的作用，因此需要添加“固定”约束来固定手掌，并在最终装配后添加五指仿人灵巧手。该功能由软件的机构模块实现。机构模块有两个主要功能：定义机构和模拟运动。因此，该模块主要用于产品结构检测和仿真设计。仿真模块可以用来模拟实际操作中产品各部件之间的装配关系。它能快速、准确地检测零件的干涉和物理特性，模拟产品使用的操作过程，直观地显示问题区域和相关零件，指导设计者直接、快速地修改模型，从而缩短修改时间，提高设计效率。方法五指仿人灵巧手按运动副约束装配成功后，点击Solidworks工具栏中的“机构”下拉菜单，进入机构模块。在机构仿真中，应该为机构定义一个起始位置。在机构模块中，可以点击拖动图标拖动机构，然后点击快照图标定义机构的起始位置，其次，在某些机构中，需要为机构的某些部件定义初始条件，以确定这些部件在机构运动开始时处于特定位置，这也可以在软件的机构模块中定义。具体步骤如下：点击定义初始条件图，定义机构的初始位置。最后，在机构的原始部分加入伺服电机，确定原运动部件的运动模式和运动参数。接下来，按照上述步骤对五指仿人灵巧手进行了运动仿真。首先打开组装好的五指仿人灵巧手组件文件，点击应用程序下拉菜单中的机构模块，进入Solidworks的机构模块，点击拖动图标“”将五指仿人灵巧手的各个组件拖动到适当的位置，如图所示，然后点击快照图标生成快照。然后单击第一个初始条件图标来定义机构的初始条件。这里，我们定义五指仿人灵巧手第一个关节的转速。定义完成后，完成机构初始条件的定义。最后，确定机构的伺服电机，实现机构的运动。从第二章可知，五指仿人灵巧手的每个手指都有五个自由度，而且总有九个自由度。所以我们应该为五指仿人灵巧手定义九个伺服马达。在这里，我们选择在每个关节定义一个伺服电机。定义伺服电机的步骤如下：单击“定义伺服电机”图标，编辑并定义伺服电机。进入伺服电机的定义后，驱动元件的定义有两个选项，即“运动轴”和“几个”，因为我们的伺服电机控制着每个手指关节的旋转，所以我们应该选择“运动轴”选项，然后选择任意手指的第一个关节的运动轴，单击“确定”之前，请注意电机的方向是否与机构的第一个转向节的方向相同。具体判断方法如下：选择运动轴后，旋转轴上会出现一个深紫色箭头，然后用右手尺判断电机的旋转方向（手指的方向是深紫色箭头的方向，其他四个手指的方向是旋转方向），然后单击“轮廓”按钮定义和设置运动轴。这里我们选择了速度选项规范，并将速度定义为6度/秒。如图4-4五指仿人灵巧手模型所示图4-4五指仿人灵巧手模型定义完成后，可以打开Solidworks的模型树，查看定义好的电机。至此，伺服电机的定义已经完成。如果去掉五指仿人灵巧手的驱动部分，就可以对五指仿人灵巧手进行机构分析。此时，我们可以点击机构分析按钮对机构进行分析，对于手指1型，名称改为“我的”，选择“运动学”机构运动时间设置为15s，帧速率设置为50，初始配置选择快照，保证每一个运动都是由快照完成的。到目前为止，要完成机构分析的定义，现在可以按run按钮来模拟该机构。运行后，点击回放按钮，回放机构仿真，保存仿真文件。进入回放界面后，点击“捕捉”按钮，即可拍摄模拟视频.。

结论首先，通过对五指仿人灵巧手资料的查阅，让我对五指仿人灵巧手在整体上有了更进一步的了解，并且对于五指仿人灵巧手在国内外的发展有了深入的了解，对现代五指仿人灵巧手的发展方向和应用领域更加熟悉。其次，在进行五指仿人灵巧手整体原理方案的设计时，对机械产品方案设计有了一定的认识和了解，对于机