仿生机械手说明书

山东建筑大学毕业论文（毕业设计说明书）目 录摘 要ABSTRACT1前 言11.1仿生机械学的简介历史及研究动向11.1.1仿生机械学的简介11.1.2仿生机械学的历史11.1.3仿生机械学的研究动向21.2选题背景及意义32系统方案的确定721现有机械手种类72.2机械手结构总体方案的确定102.3机械手控制机构总体方案的确定113机械结构设计133.1人手的结构133.2仿生机械手的机构设计133.2.1手指关节运动副的型式133.2.2手指的自由度143.2.3手指的数目143.2.4手指的结构形式163.2.5手指的材料173.2.6手指具体结构设计173.2.7手指关节设计183.2.8手掌结构设计253.3仿生机械手电机的选择263.4仿生机械手传动方式的设计273.4.1仿生机械手传动方式的选择273.4.2仿生机械手具体传动结构303.5仿生机械手驱动动方式的设计333.6本章小结34参考文献35致谢37需要图加企鹅519025124摘 要随着微电子技术、传感器技术、控制技术和机械制造工艺水平的飞速发展，机器人的应用领域逐步从汽车拓展到其它领域。在各种类型的机器人中，模拟人体手臂而构成的关节型机器人，具有结构紧凑、所占空间小、运动空间大等优点，是应用最为广泛的机器人之一。尤其由柔性关节组成的柔性仿生机器人在服务机器人及康复机器人领域中的应用和需求越来越突出。本课题重点在于仿生机械手机械结构设计和其可行性分析。由于仿生学的研究历史短、资料少，很多内容还在研究中，因此本课题具有一定的难度，在研究过程中注重静态指标的满足。本文重点解决的问题结构设计。本课题中主要内容是：（1）机械手的外形：仿人手外形，具有五指与手掌之间有掌关节连接，每根手指具有可活动的指关节。（2）运动要求：掌关节及各个指关节具有伸缩能力，力的协调性和柔性：仿人手实现捏握运动。目标：满足机械手关节结构的设计要求。关键词：结构设计；机械手关节；仿生设计Abstract As microelectronic technology, sensor technology, control technology and the rapid development of the manufacturing process in mechanical, robot applications gradually from the vehicle to expand into other areas. In all types of robots, the joint-type robot to simulate human arm, consisting of compact, small footprint, exercise space, etc., is one of the most widely used robot. In particular, the flexible joint composed of flexible biomimetic robots in the field of service robots and rehabilitation robots and demand more and more prominent. This topic focuses on the bionic robot mechanical structure design and feasibility analysis. The short history of bionics, information, a lot of content is still under study, this subject has a certain degree of difficulty in the course of the study to focus on static indicators of satisfaction.This article focused on solving problems - structural design. The main content of this topic is: (1) The shape of the robot: the humanoid hand shape, with the metacarpal joint connection between the fingers and the palm of your hand, each finger has a movable knuckle. (2) Motion: metacarpal joint and knuckle ability to scale movement of the force coordination and flexibility: the humanoid hand pinch grip. Objective: To meet the design requirements of the joint structure of the robot.KEY WORDS：structural design； the joints of the manipulator;；biomimetic design1前 言1.1仿生机械学的简介历史及研究动向1.1.1仿生机械学的简介仿生机械是通过研究和探讨生物机制，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。仿生机械研究的主要领域有生物力学、控制体和机器人。把生物系统中可能应用的优越结构和物理学的特性结合使用，人类就可能得到在某些性能上比自然界形成的体系更为完善的仿生机械。1.1.2仿生机械学的历史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。1.1.3仿生机械学的研究动向仿生机械学是以力学或机械学作为基础的，综合生物学、医学及工程学的一门边缘学科，它既把工程技术应用于医学、生物学，又把医学、生物学的知识应用于工程技术。它包含着对生物现象进行力学研究，对生物的运动、动作进行工程分析，并把这些成果根据社会的要求付之实用化。从习惯上说，可把仿生机械学的各个研究动向归纳如下：（一）生物材料力学和机械力学。以骨或软组织（肌肉、皮肤等）作为对象，通过模型实验方法，测定其应力、变形特性，求出力的分布规律。还可根据骨骼、肌肉系统力学的研究，对骨和肌肉的相互作用等进行分析。另外，生物的形态研究也是一大热门。因为生物的形态经过亿万年的变化，往往已形成最佳结构，如人体骨骼系统具有最少材料、最大强度的构造形态，可以通过最优论的观点来学习模拟建造工程结构系统。（二）生物流体力学。主要涉及生物的循环系统，关于血液动力学等的研究已有很长的历史，但仍有许许多多的问题尚未解决，特别是因为它的研究与心血管疾病关系十分密切，已成为一门倍受关注的学科。（三）生物运动学。生物的运动十分复杂，因为它与骨骼和肌肉的力学现象、感觉反馈及中枢控制牵连在一起。虽然各种生物的运动或人体各种器官的运动测定与分析都是重要的基础研究，但在仿生机械学中，目前特别重视人体上肢运动及步行姿态的测定与分析，因为人体上肢运动机能非常复杂，而下肢运动分析对动力学研究十分典型。这对康复工程的研究也有很大的帮助。（四）生物运动能量学。生物的形态是最优的，同样，节约能量消耗量也是生物的基本原理。从运动能量消耗最优性的特点对生物体的运动形态、结构和功能等进行分析、研究，特别是对有关能量的传递与变换的研究，是很有意义的。（五）康复工程学。包括如动力假肢、电动轮椅、病残者用环境控制系统等。它涉及许多学科和技术，比如对于动力假肢，只有在解决了材料、能源、控制方式、信号反馈与精密机械等各种问题之后才能完成，而且这些装置还要作为一种人机系统进行评价、试用，走向实用化的道路是非常艰难和曲折的。（六）机器人的工程学。是把生物学的知识应用于工程领域的典型范例，其目的一是省力；二是在宇宙、海洋、原子能生产、灾害现场等异常环境中帮助和代替人类进行作业。机器人不仅要有移动功能的人造手足，而且还要有感觉反馈功能及人工智能。目前研究热点为人造手、步行机械、三维物体的声音识别等。1.2选题背景及意义目前仿生机械在抓取功能方面的研究集中于仿人形机械手,主要因为人手(含手臂)共有27个自由度,不但能精确定位还能做出复杂精细的动作,这些都是传统机械很难做到的。它们可分为工业机器人用机械手、科研智能机器人用机械手和医疗用机械手。1）工业机器人用机械手。20世纪50年代末,美国在机械手和操作机的基础上,采用伺服机构和自动控制等技术,研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置,并将其称为工业机器人;自第一台正式工业机器人成功投入使用以来,各工业发达国家都开始重视研制和应用工业机器人。许多单调、频繁和重复的长时间作业,或是危险、恶劣环境下的作业,均是由工业机器人(手)来完成的,例如冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序,以及在原子能工业等部门中,搬运对人体有害物料。在这方面,日本一直处于领先地位,具有代表的如川崎重工的工业机器人(手)。图1.1 工业机械手2）科研智能机器人用机械手。人类对太空和海洋进行探索、研究和利用的要求越来越迫切。在海洋和太空的环境非常恶劣,需要利用机器人替代人去完成大量的工作,能实现精确操作的仿生机械手可以大大扩大机器人的工作任务范围和任务精度。最具代表性的当属月球车上的仿生机械手,不仅可以承担探测、拍照等任务,还可以进行样本采集、分析等。图1.2 月球车3）医疗用机械手。医疗机器人是一个新兴的、多学科交叉的研究领域,已经成为国际机器人领域的一个前沿研究热点。很多外科手术需要医生长时间的或在有限的时间内完成一系列复杂精确的操作。可以预见,在不久的未来,仿生机械手可以在医生的监控或操作下,按照即定的方案,高精度地、高可靠地实施手术,并在规定的时限内完成。仿生机械手的发展意力可以为肢体残疾的病人带来福音。仿生机械手最早就是用于人的假肢,随着技术的发展,有可能出现假肢可以模仿人手做绝大部分的操作,并且病人使用方便、灵活。图1.3 医用机械手4）其他领域的应用。除了以上几个领域的应用外,仿生机械手还可用于化学实验、生物合成等高精度的任务中去;还有一些如在安全领域,利用安装有灵巧手的机器人从事排爆、扫雷等排险、反恐作业。我们可以相信,在未来仿生机械手的应用会越来越广,具有人手一样的灵巧度,同时具有高度的精确度和可靠度。在高新技术快速发展的今天，仿生机械学已经成为一个重要的发展方向。在仿生机械中，以人类身体为原型的仿生机械目前正处于火热的研究中，手作为人类身体上最复杂的运动器官以成为仿人机械研究与发展中的重点和难点。想要作仿整个人体的运动机械，就必须做好人手的机械结构与控制系统。而人手由于其在使用中的灵巧性与方便性，又不能是其他机械手所能替代的，因此，将仿人手机械手作好是十分必要的。由于实际应用环境较为复杂，面对如今严峻的社会形势，仿生机械可手替代人类完成一些危险、复杂情况下的工作。比如，在航天领域，利用仿生机械手完成在宇宙空间内安装、维修机械设备的一些工作，这样可避免在宇航员进行太空行走时所带来低压、辐射等危险；在安全领域，可利用仿生机械手完成诸如探险营救，搬运危险品等恶劣条件下的工作；在化学、生物领域，由于仿生机械手具有对人手动作高仿的特性，因此可利用仿生机械手完成危险的生物化学实验，从而保证实验者本身的人身安全。对于仿生机械手的研究，这是一种结合了机械、电气控制、仿生学等多领域的先进技术设备，它的设计思想本身具有创新性，其多学科技术跨越也需要设计与制造人员有一定的综合能力与创新能力。而在当今复杂的国际形势下，对于仿生机械的设计水平与技术先进程度也从一个侧面反映了一个国家科研的综合技术水平，因此对仿生机械手的研究有重大的意义。2系统方案的确定21现有机械手种类机械手属于机器人的一种，它能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全。机械手主要由手部和运动机构组成。手部是用来抓持工件的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式；运动机构是使手部完成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。按照传动方式的不同，机械手分为液压式机械手、气动式机械手、电动式机械手、机械式机械手。1）液压式机械手：液压传动（hydrostatic transmission）是用液体的压力能进行能量转换与传递。液压系统主要由：动力元件（油泵）、执行元件（油缸或液压马达）、控制元件（各种阀）、辅助元件和工作介质等五部分组成。近30年来，由于控制技术、微电子技术、计算机技术、传感检测技术及材料科学的发展，极大的推动了液压传动与控制技术的发展，使其成为集传动、控制、计算机、传感检测、机电液为一体化的全新的自动控制技术。液压传动具有以下优点：（1）体积小、重量轻，因此惯性力较小，当突然过载或停车时，不会发生大的冲击。因此，液压传动易于实现快速启动、制动及频繁换向，每分钟的换向次数可达500次（左右摆动）、1000次（往复移动）。（2）能在给定范围内平稳的自动调节牵引速度，并可实现大范围的无极调速。这使得液压传动装置可在极低的速度下输出很大的力（3）换向容易，在不改变电机旋转方向的情况下，可以较方便地实现工作机构旋转和直线往复运动的转换。（4）液压装置易于实现过载保护。当液压系统超过负荷（或系统承受液压冲击）时，液压油可以经溢流阀排回油箱，系统特到过载保护。（5）由于采用油液为工作介质，元件相对运动表面间能自行润滑，磨损小，使用寿命长。（6）操纵控制简便，自动化程度高。（7）易于设计和制造。因为液压元件都已经实现标准化、系列化、通用化，使液压系统的设计、制造都比较方便。正是由于液压传动的以上优点，所以液压式机械手占机械手发展领域的绝大部分，特别是工业机械手大多属于液压式。2）气动式机械手、电动式机械手：由于气动传动的不准确性，单一的气动式机械手已经逐渐被淘汰。机电一体化的发展则将气动与电动联系起来，摆脱了气动传动的劣势，形成了当今机器人专业最尖端的科技。“人工肌肉”便是这一尖端科技的产物。人工肌肉作为一种新型的物理一化学一牛物工程产品，正处于研究、开发阶段。无论是研究机构，还是商、 公司，都对人工肌肉有很大的研究兴趣并取得一定成果。气动人工肌肉是一种新型的拉伸型气动执行元件,当通入压缩空气时,能像人类的肌肉那样产生很强的收缩力,所以称作气动人工肌肉。气动人工肌肉以崭新的设计构思突破了气动执行元件作功必须由压缩空气推动活塞这一传统概念。与传统的气缸相比,省略了活塞、活塞杆、缸筒、密封圈等诸多零部件,主要由弹性橡胶内管、纤维编织网外套和两端部连接头组成。气动人工肌肉具有结构简单、输出力大、无机械运动部件产生的摩擦、特别是安全、柔顺等特点。图2.1气动人工肌肉的制作材料和成品气动人工肌肉动通入压缩空气后,橡胶内管在气压力作用下开始膨胀变形,并和外套编织网紧紧贴住,使栅格中的纤维网格夹角变大,在长度方向收缩,从而产生收缩力带动外负载。当气压力被释放后,弹性的橡胶材料迫使特殊纤维编织网回复原位。气动人工肌肉的初始长度影响着工作行程,为得到大的行程需要选用长的气动人工肌肉,所以可根据所需的行程来确定初始长度;气动人工肌肉的初始直径则影响着产生的收缩力大小,直径越大的气动人工肌肉产生的收缩力越大,也即带动负载的能力越大,所以可根据所需带动负载的大小来确定初始直径。当气动人工肌肉的这三个结构参数确定下来后,其结构也就定下来了,而气动人工肌肉的特性主要与这三个参数有关。3）机械式机械手：机械传动在机械工程中应用非常广泛，主要是指利用机械方式传递动力和运动的传动。分为两类:一是靠机件间的摩擦力传递动力与摩擦传动，二是靠主动件与从动件啮合或借助中间件啮合传递动力或运动的啮合传动。机械传动的主要方式包括：摩擦传动、链条传动、齿轮传动、皮带传动、涡轮涡杆传动、棘轮传动、曲轴连杆传动等。机械传动是人类使用最广泛、时间最长的传动方式，机械式机械手也是研究最广泛的机械手类型。2.2机械手结构总体方案的确定根据对仿生机械手系统的技术要求，使机械手基本能够实现人手的握捏等基本动作，自由度保证基本达到人手的程度，基本达到仿生要求。液压传动方式由于安装要求范围较大，一般用于工业机械手，不适于仿生机械手之类的微型系统中。仿生肌肉作为尖端科技，本科学习的内容无法掌握其设计使用的方法，所以也不能作为本次毕业设计的结构方案。机械传动作为最基本的传动方式，研究资料较多，本科学习内容中对于机械传动的学习占了大部分内容，掌握的较其他传动方式也要好，所以最终选择机械式机械手作为机械手基本结构方案。方案如图：图2.2 仿生机械手装配机构图2.3机械手控制机构总体方案的确定步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，就传统的步进电机来说，步进电动机可简单的定义为，根据输入的脉冲信号每改变一次励磁状态就前进一定角度，若不改变则保持一定的位置而静止的电动机。从广义上讲，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲同步的同步电动机。步进电机最大特征即是能够简单的做到高精度的定位控制。基于以上优点，仿生机械手选择使用步进电机进行驱动。由于用可编程控制器（PLC）对步进电机进行控制价格比较贵，而单片机由于其运算速度和精度已得到广泛的应用，尤其在工业过程控制及仪表中，单片机对于步进电机的精确控制具有特别重要的意义。它具有体积小、是实现机电一体化的理想控制装置等显著优点，因此本次设计利用单片机来控制步进电机。步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，通俗地说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（步进角）。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制单片机的脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。单片机控制步进电机的系统构成简单，不需要速度感应器及位置传感器，就能以输入的脉波做速度及位置的控制。也因其属开回路控制，故最适合于短距离、高频度、高精度之定位控制的场合下使用。同时步进电机在中低速时具有较大的转矩，故能够较同级伺服电机提供更大的扭力输出。使用步进电机装置与使用离合器、减速机及极限开关等其它装置相较，步进电机的故障及误动作少，所以在检查及保养时也较简单容易。步进电机体积小、扭力大，尽管于狭窄的空间内，仍可顺利做安装，并提供高转矩输出。非常适合仿生机械手这种微型精密的设备。如若在时间充裕的前提下，则可以设计数据手套来控制此仿生机械手。数据手套设有弯曲传感器，弯曲传感器由柔性电路板、力敏元件、弹性封装材料组成，通过导线连接至信号处理电路；在柔性电路板上设有至少两根导线，以力敏材料包覆于柔性电路板大部，再在力敏材料上包覆一层弹性封装材料，柔性电路板留一端在外，以导线与外电路连接。把人手姿态准确实时地传递给虚拟环境，而且能够把与虚拟物体的接触信息反馈给操作者。使操作者以更加直接，更加自然，更加有效的方式与虚拟世界进行交互，大大增强了互动性和沉浸感。并为操作者提供了一种通用、直接的人机交互方式。图2.3 数据手套3机械结构设计3.1人手的结构一般而言, 人们所称的手有两种意义, 一是指整个的上肢, 二是腕部到指尖的部分, 也就是所谓的手部。人类的单只手臂以机械学的形式分析, 可以用大约27个自由度的连杆机构来表示。但其中大约20个自由度集中在手部。仿生机械手的结构设计应尽可能从仿生学的角度出发，通过设计出仿人形的多指智能手来代替人手完成各种精细复杂的操作。它是机构、传动、控制三大系统的综合设计，人类的四肢经过了几十万年进化，经过了大自然的优胜劣汰的优化选择，可以说已经是最优的结构，所以本设计决定采用完全模仿能人手的结构。3.2仿生机械手的机构设计手的机构设计主要是确定机构的自由度、手指数目、关节、手掌的结构及几何尺寸。首先要求机构具有较高的运动传动精度，较好的可控性和经济性;其次要求机构本身有较佳的机械特性。本文仿生机械手的设计主要包括以下七个方面：1) 手指关节运动副的型式2) 手指自由度 3) 手指数目4) 手指的结构型式(关节的数目及相对姿态)5) 手指材料6) 手指具体结构设计7) 手掌结构设计 3.2.1手指关节运动副的型式仿生机械手的手指机构同其它任何机构一样，由若干构件组成，构件之间则通过运动副彼此相连，用来产生确定的运动。运动副相当于人手的关节。常见的运动副有转动副、移动副、螺旋副、圆柱副和球面副，它们的约束数分别为5、5、5、4和3，相应的自由度数目为l、1、1、2和3。由于各运动副都要借助于驱动器来实现。而无论是转动的还是移动的驱动器又大多为一个自由度。所以在仿生机械手关节驱动中，可以采用的只有转动副、移动副和螺旋副3种。但是采用移动副和螺旋副的关节只能够使手指获得直线运动，其灵活性明显要比只含转动副的手指要差，因此，本文所设计的仿生机械手的运动副全部采用转动副。3.2.2手指的自由度自由度多的优点是在满足指端到达空间指定点的前提下，可以调整末杆的姿态，从而保证手指与物体的接触处于最佳状态。但是我们也可以看到，自由度增多，结构也更复杂，控制也更难。对于2自由度的手指来说，虽然不存在抓取和操作物体的灵巧性，但其仿生机械手的结构设计和控制设计都很方便。本文设计的仿生机械手每个手指有3个关节。且为了设计的方便，大拇指的自由度将大于人手大拇指的自由度。3.2.3手指的数目人手能够抓取各种不同形状、不同材质的物体，其根本原因在于人手能采取各种各样的抓取姿态去适应特殊的任务要求。仿生机械手的手指数目若小于3个，则无法完成对抓取物体的微细操作，当手指数为5时，是仿造人手的手指数目和结构，具有很多优势，如果技术允许可以完成人手的所有动作如图2-1，而且如果作为仿生型的机械手则必须为5指。若手指数目多于5，由于每个关节需要分别独立驱动，如果再加上若干传感器，规划过程和控制过程都相当复杂，很难保证实时性，所以仿生机械手的手指数目一般取3到5个手指。从仿生学角度出发，为能实现对各种不同形状物体的抓取，本文设计的仿生机械手的手指数目取为5个。 图3.1人类手指对任意物体的抓取方式 通过对人手抓取任意物体方式的分析，可以将人手的抓取方式分为:手掌接触抓取、手指内侧接触抓取、手指侧面接触抓取、3个虚拟指的抓取、混合抓取等。而仿生机械手对物体的操作即是实现不同抓取方式之间在的转换的运动。其中前三者为人手抓取的基本类型，可以实现其它几种类型的抓取。(1).指端接触抓取将大拇指作为“虚拟指1”，另外四指作为“虚拟指2”的相对面抓取。它具有良好的抓取灵活性，抓取精度较高，但在抓取稳定性及抓取力上受到一定限制。(2).手掌接触抓取定义手掌为“虚拟指1”，除大拇指外的四指为“虚拟指2”的相对面抓取。它以牺牲抓取灵活性以换取抓取的稳定性，手掌及各指的大面积接触被抓物使手抓充分发挥出抓取力，同时提供足够的摩擦力。大拇指可以用以增加抓力，因此这种抓取方法保证了最大的抓取力和抓取稳定性。(3).侧接触抓取大拇指为“虚拟指1”，食指朝大拇指的侧面为“虚拟指2”接触面的抓取，其抓取灵活性和稳定性介于指端接触抓取和手掌接触抓取之间。本文所设计的五指仿生机械手结构简单，易于控制，又能满足它对于各个应用环境都能很好的适应的功能要求，进而验证了选择手指数目的正确性。3.2.4手指的结构形式 图3.2 由2个转动副构成的手指结构对于2自由度手指，按照关节轴线之间是否平行、相交垂直和交错垂直三种情况，共有9种不同的关节配置。由于轴线相交垂直使得传动布置较为困难，去掉这些情况还有4种组合，如图3-2所示。从手指的控制方面以及本文研究对象的具体要求，采用第种手指结构。3.2.5手指的材料为减轻重量，同时也由于手指所抓取物体一般都不是很大，同时由于仿生机械手的所有零件都属于微型精密部件，所以，手指的结构材料选用塑料，通过注塑成型加工，本文设计采用自润滑工程塑料PEEK为材料，聚醚醚酮(PEEK)树脂是一种性能优异的特种工程塑料，与其他特种工程塑料相比具有更多显著优势，耐正高温260度、机械性能优异、自润滑性好、耐化学品腐蚀、阻燃、耐剥离性、耐磨，不耐强硝酸、浓硫酸、抗辐射、超强的机械性能可用于高端的机械和航空等科技。如果在不计算成本的情况下使用精密加工，也可以采用碳素钢、铸钢、合成朔料，超硬铝合金等。一般在手指的表面再粘附一层橡胶或软塑料等材料，以减小手指与物体接触时的冲击，同时也可以增大接触摩擦力。3.2.6手指具体结构设计通过以上对仿生机械手手指的结构分析，我们得出了手指的具体结构。由于仿生机械手采取模块化设计，五个手指结构基本相同，其具体结构如图3-3至3-5所示，具有以下特点： 1.每指关节采用了基孔制的过盈配合和基轴制的间隙配合，关节转动副只用圆柱轴实现，使手指关节的装拆更方便。2.指根座上预留螺钉孔，使五指能很容易的装配在手掌上。3.除了传动轴和手掌外，整个手指采用工程塑料PEEK，强度高，刚性好，重量轻。4.表面材料为橡胶，可减少手指与物体接触时的冲击和增大磨擦 图3.3 手指总体结构图 3.4 大拇指总体结构3.2.7手指关节设计1）手指关节一：图3.5 关节一结构关节一主要由指头1，指中3及指头指中轴4组成。其中指头指中轴4与指头1相对固定，指头指中轴4与指中3相对转动。所以指头指中轴4与指头1之间为过盈配合，指头指中轴4与指中3之间为间隙配合。由PEEK材料密度计算得到，指头重量只有2,12g，假设可以握起的物品质量最大为100g，则指头指中轴4与指头1之间的过盈配合所要传递的力矩为12.495Nmm，又因为指头指中轴4半径为2mm500mm，属于较高等级的配合，选择基孔制，孔标准公差选择IT7级，此时由于孔比同级轴加工困难，所以轴选择标准公差等级为IT6级，查表可知基本尺寸为2mm时，IT7级标准公差为10m，IT6级便准公差为6m，又因为机械手关节一装配完成以后不需要经常拆卸，所以从基孔制优先、常用配合中选择H7/s6，此配合为中等压入配合，用于永久或者半永久性装配，也能够达到传递要求大小的力矩的作用。由基准轴为2s6查表可知，指头指中轴4的下偏差ei=+14m，上偏差es=ei+IT=14+6=+20m。所以轴的最大极限尺寸为2.02mm。对于指中2与指头指中轴4之间的间隙配合采用基轴制，轴的最大极限尺寸为2.02mm，所以指中上与之相配合的孔的最小极限尺寸必须大于2.02mm，也就是孔的下偏差EI+20m，同时为了保证同轴精度要求，查表后选择D7级，所以此间隙配合为D7/s6。同样可知，外连片2与指头指中轴4之间的间隙配合也选择D7/s6的配合。对于指头外带轮5与指头指中轴4之间的相对静止，属于过盈配合，选择基轴制，由前面已经知道轴的最小极限尺寸为2.014mm，所以指头外带轮5上与之相配合的孔的最大极限尺寸必须小于2.014mm，即孔的上偏差ES+14m，同时为了保证同轴精度要求，查表后选择K7级，配合为K7/s6。2）手指关节二：图3.6 关节二结构图3.7 指后结构关节二中指中1围绕转动的轴与指后5做成一体，二关节连接主轮4与之相对转动并通过齿轮传动将运动传动到指中1，使指中1围绕指后5上的轴转动。对于图3.7中轴1与二关节连接主轮4之间配合，因为有相对转动，所以选择间隙配合，配合的基本尺寸为2.5mm500mm，仍然应该使用较高等级的配合，选择基轴制，轴标准公差选择IT7级，此时由于孔比同级轴加工困难，所以孔选择标准公差等级为IT8级，查表可知基本尺寸为2.5mm时，IT7级标准公差为10m，IT8级便准公差为14m，又因为机械手关节一装配完成以后不需要经常拆卸，所以从基轴制优先、常用配合中选择F8/h7，此配合为间隙不大的转动配合，用于中等转速与中等轴颈压力的精确转动，也用于装配较易的中等定位配合。对于图3.7中2轴与外连片2之间配合，同样因为相对转动选择间隙配合，基本尺寸为1.5mm500mm，使用较高等级的配合，选择基轴制，轴标准公差选择IT7级，此时由于孔比同级轴加工困难，所以孔选择标准公差等级为IT8级，从基轴制优先、常用配合中同样选择F8/h7。对于图3.7中轴3与指后外小带轮4之间配合，基本尺寸为1 mm500mm，使用较高等级的配合，选择基轴制，轴标准公差选择IT7级，此时由于孔比同级轴加工困难，所以孔选择标准公差等级为IT8级，从基轴制优先、常用配合中同样选择F8/h7。3）手指关节三：图3.8 关节三结构关节三有两个转动副，同时为了实现微幅摆动，使用扇形齿轮与蜗杆传动。对于指后架2与指后架轴5之间配合，没有相对转动，使用过盈配合，基本尺寸为1.5mm500mm，属于较高等级的配合，选择基孔制，孔标准公差选择IT7级，此时由于孔比同级轴加工困难，所以轴选择标准公差等级为IT6级，查表可知基本尺寸为1.5mm时，IT7级标准公差为10m，IT6级便准公差为6m，又因为机械手关节一装配完成以后不需要经常拆卸，所以从基孔制优先、常用配合中选择H7/s6，此配合为中等压入配合，用于永久或者半永久性装配。此配合同样适用于指后架带轮3与指后架轴5之间的过盈配合。对于指后二1与指后架轴5之间配合，由基准轴为1.5s6查表可知，指后架轴5的下偏差ei=+14m，上偏差es=ei+IT=14+6=+20m。所以轴的最大极限尺寸为1.52mm。对于指中2与指后架轴5之间的间隙配合采用基轴制，轴的最大极限尺寸为1.52mm，所以指中上与之相配合的孔的最小极限尺寸必须大于1.52mm，也就是孔的下偏差EI+20m，同时为了保证同轴精度要求，查表后选择D7级，所以此间隙配合为D7/s6。图3.9 关节三内部结构电机5与摆动小齿轮3之间没有相对转动，使用过盈配合，基本尺寸为1.5mm，500mm，属于较高等级的配合，由于电机的轴为采购件，选择基轴制，轴标准公差选择IT6级，此时由于孔比同级轴加工困难，所以孔选择标准公差等级为IT7级，查表可知基本尺寸为1.5mm时，IT7级标准公差为10m，IT6级便准公差为6m，又因为机械手关节一装配完成以后不需要经常拆卸，所以从基轴制优先、常用配合中选择S7/h6，此配合为中等压入配合，用于永久或者半永久性装配。蜗杆轴1与摆动大齿轮4之间没有相对转动，此配合同样适用于蜗杆轴1与摆动大齿轮4之间的过盈配合。蜗杆轴1与掌连接三2之间有相对转动，仅需保证转动精度，使用基孔制的间隙配合，选择H8/f7，此配合为间隙不大的转动配合，用于中等转速与中等轴颈压力的精确转动，也用于装配较易的中等定位配合。4）大拇指关节四：图3.10 大拇指关节四大拇指关节一与大拇指关节二与手指关节一、二结构完全一致，所用配合可参考前文所述。大拇指关节四中，指后电机齿轮2与指后二1内齿轮啮合，实现定轴转动，指后电机齿轮2与电机轴3之间无相对转动，选择过盈配合，基本尺寸为1.5mm500mm，属于较高等级的配合，由于电机的轴为采购件，选择基轴制，轴标准公差选择IT6级，此时由于孔比同级轴加工困难，所以孔选择标准公差等级为IT7级，又因为机械手关节一装配完成以后不需要经常拆卸，所以从基轴制优先、常用配合中选择S7/h6，此配合为中等压入配合，用于永久或者半永久性装配。大拇指转动小带轮9与电机8的轴之间同样无相对运动，此配合同样适用于大拇指转动小带轮9与电机8的轴之间配合。指尾轴6与大拇指转动大带轮10之间没有相对转动，基本尺寸为2mm500mm，使用过盈配合，属于较高等级的配合，选择基孔制，孔标准公差选择IT7级，此时由于孔比同级轴加工困难，所以轴选择标准公差等级为IT6级，查表可知基本尺寸为2mm时，IT7级标准公差为10m，IT6级便准公差为6m，又因为机械手关节装配完成以后不需要经常拆卸，所以从基孔制优先、常用配合中选择H7/s6，此配合为中等压入配合，用于永久或者半永久性装配，也能够达到传递要求大小的力矩的作用。指尾二5与指尾轴6之间同样没有相对转动，选择过盈配合，H7/s6的配合同样适用。大拇指掌连接7和指尾轴6之间有相对转动，基本尺寸2mm500mm，由基准轴为2s6查表可知，指头指中轴4的下偏差ei=+14m，上偏差es=ei+IT=14+6=+20m。所以轴的最大极限尺寸为2.02mm。对于指中2与指头指中轴4之间的间隙配合采用基轴制，轴的最大极限尺寸为2.02mm，所以指中上与之相配合的孔的最小极限尺寸必须大于2.02mm，也就是孔的下偏差EI+20m，同时为了保证同轴精度要求，查表后选择D7级，所以此间隙配合为D7/s6。3.2.8手掌结构设计研究出来的仿生机械手可以分为具有手掌(以DLR手为代表)和不具有手掌(以JPL手为代表)两类。没有手掌的智能手，其抓取和操作的灵巧性都比较好，对抓取尺寸比较小的物体并对其进行微细操作有利;而具有手掌的仿生机械手，当手掌及各指的大面积接触被抓物体能使手爪充分发挥出抓取力，同时提供足够的摩擦力，从而大大提高其抓取稳定性。就一般性和通用性而言，手指抓取应先以稳定性为前提，而且可以通过优化设计来弥补灵活性的不足，故本文研究对象选择有手掌的结构形式。手掌结构设计较为复杂，要考虑的因素很多，因为它随着手指结构的不同而不同，几乎没有通用性。设计手掌主要考虑了手指根指座的支撑和定位安排、电机的安装定位、信号线的布置等因素。根据仿生学本文设计的手掌结构如图3.12所示：图3.11 手掌结构它具有以下特点：1.手掌的内部为一空腔，便于安装电机，引出驱动绳索和各种信号线；2.手掌的掌心处为一平面，便于与手指配合抓握物体；3.采用PEEK为材料，刚度、强度好，重量轻。3.3仿生机械手电机的选择由于仿生机械手属于微型设备，设计尺寸都非常小，所以无法放置减速机构，而本次设计对于机械手的抓取能力也没有非常高的要求，所以机械手电机的选择优先考虑通过尺寸来选择，本次设计选择西铁城IG-10减速电机实现。图3.12 IG-10电机基本资料一般根据资料人手手指的运动速度为4-5mm/s左右，根据各手指的传动比以及传动机构具体形式，根据估算得电机的转速应该在1918r/min左右。IG-10减速电机减速比为1/161/1024,完全能够在没有减速机构的情况下实现预定的机械手运动，再通过机械手总体尺寸的设计，选择长度L=15.75的IG-10减速电机。3.4仿生机械手传动方式的设计3.4.1仿生机械手传动方式的选择常见的几种比较常用的机械传动机构主要有以下几种：1. 齿轮传动：齿轮传动效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长传动比稳定等。2. 蜗杆传动：蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力，传动比大，冲击载荷小，传动平稳，噪音低；并具有自锁性。3. 带传动：带传动是由固联于主动轴上的带轮，固联于从动轴上的带轮和紧套在两轮上的传动带组成。带传动具有结构简单，传动平稳，造价低廉以及缓冲吸振等特点。主要的带传动类型有v带传动多楔带传动和同步带传动。4. 链传动：它由链条和主，从动链轮所组成。链轮上制有特殊齿形的齿，依靠链轮轮齿与链节的啮合来传动动力。链传动的优点是能保持准确的平均传动比，传动效率高轴上所受径向力小；但同时存在两根平行轴只能同向回转传动不能保持恒定的瞬时传递比。综上所述，根据仿生机械手对于传动机构各种要求以及综合考虑传动形式的优劣情况具体选择确定了各手指关节的传动机构。拇指3个关节、其余4指2个关节共11个电机。传动方式中有的关节采用齿轮传动（如图3-7所示），有的关节采用蜗轮蜗杆传动；有的关节采用绳（带）传动（如图3-8所示），有的关节采用端面齿轮传动。图3.13 齿轮传动图3.14 蜗杆蜗轮传动图3.15 带传动图3.16 端面齿轮传动3.4.2仿生机械手具体传动结构1）关节二齿轮传动的机构设计：图3.17 关节二齿轮传动示意图图中1为指后，2为二关节电机齿轮，3为指中，4为二关节连接主轮上的端面齿轮，5为二关节连接主轮上的带轮。电机转动时（二关节电机齿轮2与电机轴过盈配合），二关节电机齿轮2转动，从而带动二关节连接主轮4上的端面齿轮转动，二关节连接主轮绕指后1上固定轴转动，二关节连接主轮上面的普通直齿圆柱齿轮转动，带动指中3上面的内齿轮转动，也就是带动指中3转动，此时，实现了关节二的转动。3）关节二带动其他关节转动结构：图3.18 关节二带动关节一转动示意图图3.19 带轮卡示意图图3.18中1为二关节连接主轮上面固结的带轮，2为指头外带轮。所有带轮都如图3.19所示，将绳固定在带轮上卡死，做出这种设计是因为仿生机械手的尺寸限制，带轮的尺寸都非常小，绳与带轮接触面积很小，无法保证带轮与绳之间的摩擦力可以达到不出现打滑的现象，所以为了保证带轮传动的传动比的稳定性，使用了将绳卡死在带轮上面的做法。图3.20 关节二带动关节三示意图图3.21 三维示意图图3.20中1为指后架带轮，2为指后外小带轮，3为外连片。同样为了保证带轮传动的传动比的稳定性，所有带轮上都使用了将绳卡死在带轮上面的做法。3）关节四中带轮传动结构：图3.22 关节四中带轮传动示意图图中1为大拇指转动小带轮，2为大拇指转动大带轮。同样为了保证带轮传动的传动比的稳定性，所有带轮上都使用了将绳卡死在带轮上面的做法。3.5仿生机械手驱动动方式的设计驱动系统是机械手的重要组成部分，对系统的性能和操作能力具有决定性的作用。在一般情况下，机械手的驱动系统由驱动器和传动系统两部分组成。驱动器是驱动系统的核心部件，用以产生运动和力；传动系统将运动和力从驱动器传递到智能机械手各手指的关节。 常见的驱动方式有： 电驱动：它是是技术最成熟、应用最广泛的一种驱动方式,为大多数智能机械手所采用。从电机的静态刚、动态刚度、加速度、线性度、维护性、噪音等技术指标来看，是综合性能最好的一种。 液压驱动; 它具有很好的稳定性和可靠性、很高的力矩体积比、很强的阻转能力,驱动器的结构简单并且价格便宜等。但是,在智能机械手中采用液压驱动方式有很大的难度和弊端,如:存在较大的泄漏流量,微型阀对污染物十分敏感等。 气压驱动：能量存储方便;传动介质空气来源于大气,获取很方便;气压传动具有抗燃、防爆及不污染环境;且具有柔性，但是驱动器的刚度和空气的可压缩性有关,通常是很低的,并且驱动器的动态性能较差。 其它的新型驱动；如压电陶瓷驱动、可伸缩性聚合体驱动等。 综合比较以上各种驱动方式的优缺点 考虑到电驱动的技术比较成熟，而且电驱动具有良好的静态，动态刚度；大的加速度；好的线性度、易于维护、噪音低等这些优点，电驱动的综合性能明显比液压驱动和气压驱动来的所以选择电驱动作为仿生机械手的驱动方式。3.6本章小结本章详细分析了仿生机械手手指的机械结构和手掌的机械结构，包括手指的数目、自由度数、关节运动副型式、结构形式以及手指的材料；根据本文的实际需要，确定了智能机械手的驱动方式为电驱动方式、传动方式为齿轮、蜗轮蜗杆和带轮的方式，给出了传动方式的结构图及示意图；同时给出了仿生机械手的装配图。参考文献1 莫雨松，李硕根，杨兴骏.互换性与技术测量（第五版）M.北京；中国计量出版社，2007.62 王福瑞.单片微机测控系统设计大全.北京航空航天大学出版社.1998.43 常斗南等.可编程序控制器原理、应用、实验M. 北京:机械工业出版社,19984 刘保延等. 步进电机及其驱动控制系统M . 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,19975 耿德根. 单片机创新开发与机器人制作.北京：北京航空航天大学出版社，2005 6 日坪岛茂彦、中村修照.电动机实用技术M.北京：科学出版社，2003-97 金续曾.电机选型及应用M.北京：中国电力出版社，2003-88 SMC(中国)有限公司.现代实用技术M.北京：机械工业出版社，2005.36379 王隋立明，张立勋.气动肌肉驱动仿生关节的理论分析J.机床与液压，2007, 35(6):21821910 王少怀.机械设计师手册（下）M.北京：电子工业出版社，2006-811 邓星钟.机电传动控制M.武汉：华中科技大学出版社，2006-812 吴自通.机械设计手册M.北京：机械工业出版社，2000-613 廖希亮.计算机绘图与三维造型M.北京：机械工业出版社，2003-114 戴向国.SolidWorks2003基础教程M.北京：清华大学出版社，2004-115 杨耕，罗应立.电机与运动控制系统M.北京：清华大学出版社，2004-116 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