專業(yè)課程設計報告課程名：專業(yè)課程設計題目：五指靈巧手的設計與制作姓名：學號：系別：自動化系完成日期：2015年6月29日目錄1 引言 22 五指靈巧手手指機構的傳動方案設計 33 手指與手掌結構的設計與制作 43.1 手指關節(jié)的設計與制作 43.2 手指關節(jié)間連接機構的設計 53.3 手掌的結構設計與制作 63.4 手指基關節(jié)的機構設計與制作 64 五指靈巧手運動學模型 74.1 靈巧手坐標系的建立 74.2 靈巧手正運動學解 74.3 五指靈巧手動力學模型 95 驅動系統(tǒng)的設計 105.1 電機的選用 105.2 控制系統(tǒng)的選擇 106 小結與心得體會 117 參考文獻 11摘要：本文介紹了一種五指型仿人靈巧手的的機構設計與實現(xiàn)方法，根據(jù)對非規(guī)則物品拿取任務的要求，采用轉動機構和連桿機構相結合，設計了五指型機器手。手指彎曲電機與指間平衡電機耦合驅動，實現(xiàn)了機器手的多角度張開、抓握運動方式。詳細分析了機器手手指機構、手掌機構、手指間輔助平衡機構的工作原理，給出了設計方案。關鍵詞：五指型機器手工作原理機構設計引言機器人是近年來迅速發(fā)展起來的高新技術密集的機電一體化產(chǎn)品。目前，對多指靈巧手的智能抓持，位置協(xié)調控制的研究是機器人學研究的熱點之一。應用仿人機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用仿人機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以仿人機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。應用仿人機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用仿人機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。綜上所述，有效的應用仿人機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。五指靈巧手手指機構的傳動方案設計手指機構的運動方案設計主要考慮的因素是在滿足運動要求的前提下傳動要平穩(wěn)可靠結構要簡單維護要方便由此在手指機構設計。手指機構采用鋼絲繩來傳遞運動和動力。圖2-1為仿人靈巧手三維模型圖，它是3自由度5手指仿人手。整個系統(tǒng)采用鋼絲繩傳動，各手指的傳動機構系統(tǒng)基本相同，所以就以中指為例說明機構的傳動方案。圖2-1圖2-2所示為中指三維模型，手指結構主要有兩部分組成：硬固機構部分、手指軟連機構部分。硬固機構由首指節(jié)、中指節(jié)、末指節(jié)組成，依次首尾軸向連接，串聯(lián)在一起；手指軟連機構由兩鋼絲繩一端分別從正反兩面拴在末指節(jié)固定端，依次穿過中指節(jié)、末指節(jié)的穿孔處到達電機驅動輪上。當手指需要伸開時，驅動電機外轉，外部鋼絲繩主動拉緊，內部鋼絲繩從動放松，末指節(jié)只受手背牽引力時，手指垂直方向運動伸直，此時，內鋼絲伸展段最長，外鋼絲伸展段最短。當手指需要彎曲時，驅動電機內轉，外部鋼絲繩從動放松，內部鋼絲繩主動拉緊，末指節(jié)只受手心牽引力時，手指垂直方向運動彎曲，此時，內鋼絲伸展段最短，外鋼絲伸展段最長。說明一點，各指節(jié)的轉動支點與鋼絲繩固線點位置是決定機器手運動速度和抓握力大小的關鍵。圖2-2手指與手掌結構的設計與制作手指關節(jié)的設計與制作仿人靈巧手是模仿人類手的運動，因此各關節(jié)的運動范圍也應該和人類基本相同，經(jīng)過對各關節(jié)運動分析，并參考已有的一些機器人各關節(jié)的運動范圍確定機器手各關節(jié)運動范圍如表3-1所示。10~45°（弧轉度）20~90°30~90°40~90°表3-1手指連桿坐標圖3-1、3-2、3-3、所示為我設計的手指各關節(jié)三維模型,分別為遠指節(jié)，中指節(jié)和近指節(jié)。圖3-1圖3-2圖3-3手指關節(jié)間連接機構的設計手指關節(jié)的連接是整個手指能協(xié)調運動的關鍵，采用了圓形鋼管連接，并在鋼管上安裝一個小滑輪，使得手指各關節(jié)的連接更加緊湊。加一個小滑輪還有一個好處，就是能讓鋼絲繩拉得更加方便協(xié)調。制作模型如圖3-4圖3-4手掌的結構設計與制作手掌的作用就是用來連接五個手指，使其有一定的位置布局。另外，幾乎整個驅動系統(tǒng)與控制電板都要安裝在手掌中。如圖3-5所示的手掌模型。圖3-5手指基關節(jié)的機構設計與制作采用很普通的關節(jié)連接件作為手指的基關節(jié)，運動過程簡述為：機器手抓握時5手指處于張開狀態(tài)，5個手指靠5個舵機驅動實現(xiàn)抓握。當決策與控制系統(tǒng)判斷出有抓緊需要時，發(fā)出指令讓機器手實現(xiàn)抓握動作。抓握動作時動作參數(shù)設置有：抓握準備、抓握、保持、放開、恢復原來放松狀態(tài)。它是利用電能轉化為兩根相互牽制拉扯手指的鋼絲繩的伸縮機械能使手指在一個平面內運行；利用電能驅動連桿轉化為機械能，使得手指可以相互運動，與前者結合實現(xiàn)各手指間的三維運動。機器手由5個可彎曲的手指機構和一個手掌機構連接而成。每個手指均為一個自由度，分別由一個電機驅動；拇指與食指、食指與中指、中指與無名指、無名指與小指之間有耦合機構，分別由一個電機驅動。拇指為兩截運動串級耦合組成，其余四指為三節(jié)串級耦合組成。四個手指區(qū)別在于類人手長短不同，可以對非規(guī)則物體實現(xiàn)握、拿、捏、夾等動作。電源可以外接。五指靈巧手運動學模型靈巧手坐標系的建立采用D—H方法建立靈巧手的坐標系．其基本原則為，為每一個關節(jié)指定一個本地的參考坐標系，z軸為旋轉關節(jié)的旋轉方向，z軸方向指向z。一。與z。之間的公垂線，對于與z軸相交的相鄰兩關節(jié)，z軸定義為兩條軸線構成的平面的垂線．據(jù)此建立仿人靈巧手的坐標系如圖4-1所示．圖4-1靈巧手坐標系圖中只標注了拇指、食指以及小指的坐標系，中指及無名指的坐標系與食指完全相同．參考坐標系為手掌坐標系．手掌坐標系建立在手腕旋轉關節(jié)處．除小指外每個手指具有4個關節(jié)，從指根到指尖依次標注為關節(jié)1至關節(jié)4，小指具有5個關節(jié)，同其他手指一樣依次標注為關節(jié)1至關節(jié)5．靈巧手正運動學解以食指為例建立的D-H參數(shù)表如表4-1．關節(jié)數(shù)(°)(°)101190205003030040250表4-1食指D-H參數(shù)表每個關節(jié)的變換矩陣Ai定義為(其中下標i代表關節(jié)數(shù)，c代表COS，S代表sin)．Ai=rot(z，θi)Trans(0，0，di)Trans(ai，0，0)rot(x，αi)=食指的正運動學解是相鄰關節(jié)之間的6個變化矩陣的乘積．式中：;;;;;;;;;;;;矢量n，o，a，p表示食指末端的位姿．類似地求得其它4指的正運動學方程，并將其表達在手掌坐標系中．有式中：f=0，1，?，4，分別表示靈巧手的4個手指，為手指及關節(jié)對于手掌坐標系的變換．分別將各手指的D—H參數(shù)代人求得各手指的變換矩陣，由上式即可求得手指任何關節(jié)的空間位姿．將表1中靈巧手指的數(shù)據(jù)在Matlab下仿真，得到食指末端的運動空間如圖4-2所示．圖4-2食指末端工作空間五指靈巧手動力學模型Newton-Euler方程采用多個方程組成的聯(lián)立方程式組來刻畫由多個剛體組成的機器人系統(tǒng)。Newton—Euler方法建立方程比較容易，進行動力學計算時，與Lagrange方法導出的模型相比，計算量要少得多。Newton—Euler方程導出的方程可以寫為如下的遞推形式。式中：，i=0,1,...,n.為系i角速度；為系i角加速度；ai原點Oi加速度；aci為桿i質心加速度。Newton-Euler逆動力學遞推算法的框圖如圖4-3。圖4-3Newton-Euler遞推算法框圖驅動系統(tǒng)的設計電機的選用仿人靈巧手的驅動不但要求電機驅動系統(tǒng)具有轉矩質量比、寬調速范圍、高可靠性，而且電機的轉矩一轉速特性受電源功率的影響，此文中選用舵機。舵機是一種位置伺服的驅動器，適用于那些角度需要不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)口J。舵機是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)。跟其他電機一樣，它的選型也要考慮到力矩、工作電壓等，市場的舵機大都能滿足以上要求?？刂葡到y(tǒng)的選擇在選擇好動力系統(tǒng)的同時，所要考慮的是如何產(chǎn)生控制舵機運動的控制信號，本文選擇單片機AT89S52作為控制單元，單片機可以使PWM（脈沖調制）信號的脈沖寬度實現(xiàn)微秒級的變化，從而提高舵機的轉角精度。單片機完成控制算法，再將計算結果轉化為PWM信號輸出到舵機，由于單片機系統(tǒng)是一個數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號的變化完全依靠硬件計數(shù)，所以受外界干擾較小，整個系統(tǒng)工作可靠。小結與心得體會本次課程設計雖然沒有設計出實質性的靈巧手，但是對于我而言，在理論方面有了頗多的收獲。剛開始，對于機器人設計這個課題感覺非常的迷茫，在此之前接觸相當少，只對機器人的類別有大致的了解。工業(yè)機器人、娛樂機器人、服務型機器人······我不知道自己該選擇哪個方向的內容去設計，最后，在圖書館查閱資料的時候，看到了有關“靈巧手”方面的介紹，勾起了我腦海中的記憶，以前在課堂上聽過老師有關它的介紹，當時我對它還是頗有興趣的，于是我決定了選擇五指靈巧手。通過查閱資料，我對靈巧手的設計步驟有了具體的了解。由于個人能力有限，在這份報告中只對靈巧手的核心結構進行了敘述，還有其他部分沒有提及，這是這次設計不完善的地方。靈巧手的設計與研究有很重要的意義。在制造領域，我們可以看到眾多機械臂在替代人們執(zhí)行各種操作任務。如噴漆、焊接、搬運、裝配等。然而，還有許多操作任務單靠機械臂的運動無法完成，例如在太空、水下、核輻射等環(huán)境下的實驗、維護、排險等復雜任務。于是像人手一樣的機器手成為期待的目標。在機器人技術領域，研究人員一直在探索解答這一問題的技術途徑。經(jīng)過十幾年的研究，世界一些大學和研究機構已經(jīng)開發(fā)出多種機器人靈巧手樣機。它們日益顯示出在危險和有害環(huán)境下代替人類執(zhí)行復雜操作任務的可能性。參考文獻[1]徐元昌，陶學恒，沈曉紅.工業(yè)機器人[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，1999.[2]馬香峰.機器人機構學[M].北京：機械工業(yè)出版社,1991.[3]費仁元，張慧慧.機器人機械設計和分析[M].北京：北京