仿生机械手说明书Word文档下载推荐.docx
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3.1人手的结构·
3.2仿生机械手的机构设计·
3.2.1手指关节运动副的型式·
3.2.2手指的自由度·
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3.2.3手指的数目·
3.2.4手指的结构形式·
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3.2.5手指的材料·
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3.2.6手指具体结构设计·
3.2.7手指关节设计·
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3.2.8手掌结构设计·
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3.3仿生机械手电机的选择·
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3.4仿生机械手传动方式的设计·
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3.4.1仿生机械手传动方式的选择·
3.4.2仿生机械手具体传动结构·
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3.5仿生机械手驱动动方式的设计·
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3.6本章小结·
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参考文献·
35
致谢·
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图WX186********
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
Asmicroelectronictechnology,sensortechnology,controltechnologyandtherapiddevelopmentofthemanufacturingprocessinmechanical,robotapplicationsgraduallyfromthevehicletoexpandintootherareas.Inalltypesofrobots,thejoint-typerobottosimulatehumanarm,consistingofcompact,smallfootprint,exercisespace,etc.,isoneofthemostwidelyusedrobot.Inparticular,theflexiblejointcomposedofflexiblebiomimeticrobotsinthefieldofservicerobotsandrehabilitationrobotsanddemandmoreandmoreprominent.
Thistopicfocusesonthebionicrobotmechanicalstructuredesignandfeasibilityanalysis.Theshorthistoryofbionics,information,alotofcontentisstillunderstudy,thissubjecthasacertaindegreeofdifficultyinthecourseofthestudytofocusonstaticindicatorsofsatisfaction.
Thisarticlefocusedonsolvingproblems-structuraldesign.
Themaincontentofthistopicis:
（1）Theshapeoftherobot:
thehumanoidhandshape,withthemetacarpaljointconnectionbetweenthefingersandthepalmofyourhand,eachfingerhasamovableknuckle.
（2）Motion:
metacarpaljointandknuckleabilitytoscalemovementoftheforcecoordinationandflexibility:
thehumanoidhandpinchgrip.
Objective:
Tomeetthedesignrequirementsofthejointstructureoftherobot.
KEYWORDS：
structuraldesign；
thejointsofthemanipulator;
；
biomimeticdesign
1前言
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
2．1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（hydrostatictransmission）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
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