仿人灵巧手的结构设计毕业论文(编辑修改稿)

仿人灵巧手的结构设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

的基本要求。 常见做法是用码盘测量电动机轴转角，经减速比缩小后，关节角的计算值可以有较高的分辨率，但传动间隙和变形会产生严重影响测量 结果的准确性和可靠性。 理想的方式是直接测量关节转角，在现有设计中，可以看到将霍尔元件、电位计和关学传感器用于关节角位置测量的实例。 在环境对象不确定的应用场合，没有接触信息反馈，很难想象灵巧手能完成任何任务。 从人的经验可以直接观察到触觉与手的灵巧性关系密切。 你如果有过手指冻僵的经历，就会体验到没有足够的触觉信息，人手会变得笨拙。 触觉传感器分为两类：力传感器和接触传感器。 力的测量方式有多种，测钢丝绳张力和手指关节力矩，可以分别采用 1维力和力矩传感器。 也有复杂一点的 3维力传感器测指端接触力大小和方向。 再复杂一些 ，可以用 6维力 /力矩传感器测量接触力的位置、大小和方向。 力传感器响应快、性能比较稳定，但只能测量合力，无法识别接触点的数量和分布。 后者靠接触传感器测量。 这类传感器通常由多个触点组成阵列，用来测量接触区域和触点的压力，从而可以获得接触点的位置、接触区域的形状和力信息。 由此，还可以进一步获得摩擦信息，以便判断是否发生滑动。 尽管灵巧手样机的开发采用了多种触觉传感器，但究竟使用哪种触觉传感器或几种结合更好，还没有明确答案。 另外，接触传感器在分辨率、信号处理、走线，以及制作和价格等方面离应用还有距离。 其他类型传感器 ，如接近觉、视觉、加速度、振动等，通常是针对特殊任务需要而增加的。 常熟理工学院毕业设计（论文） 6 传感技术离 我 期望的应用目标还有很大的距离，特别是触觉传感器，已经吸引了大量研究投入。 尽管如此，在提高可靠性、分辨率、灵敏度等方面仍然面临重重困难。 灵巧手在运动学结构上越来越接近人手，但由于触觉传感功能滞后，限制了机械功能的发挥。 聪明的大脑 即便有了像人手一样的运动和传感功能，如果没有控制系统，这些潜能就不能发挥，就像人若“手巧”必需“心灵”一样。 目前用于灵巧手的控制策略分为两类：主从控制和自主控制。 主从控制的特征是人直接参 与控制过程，在控制系统中扮演判断、决策与规划的角色。 而在自主控制中，人不直接参与控制过程，运动规划所需要的判断和决策过程已通过算法形式植入机器人控制器，即机器人有自己的大脑。 主从控制系统通常由操作者、人机交互设备、灵巧手及其控制器组成。 操作者的主要任务是进行任务和运动规划，根据视觉、力觉等信息反馈，做出判断和行动。 人机交互设备采集操作者手的动作，将其转化为灵巧手的运动或力控制指令。 控制器根据人机交互设备输出的指令，对驱动器进行位置或力伺服控制。 当灵巧手的结构接近人手时，运动映射变得直观而简便。 因此，主从控 制比较适合于仿人手。 自主控制系统的难题是如何使机器人有一个聪明的大脑。 机器人要能够知道物体在何处、物体的形状如何，并能够自主规划如何完成抓取和操作任务。 一方面根据理论设计的规划算法还不能满足控制的实时需要，另一方面这些理论的假设条件依赖于触觉和视觉信息。 受触觉传感器性能的限制，目前还无法获得足够准确和完整的触觉信息。 因此，除个别极为简单的例子外，只能利用仿真方法验证运动规划算法，还无法在物理系统上加以证实。 另一种过渡策略是将主持控制与自主控制两者结合。 由人承担抽象的难以量化的任务定义工作，由灵巧手自主完 成细微操作任务。 让机器人的控制系统学习人的知识，并将其转化为运动控制指令。 在这里，人工智能的一些理论和方法，如模式识别、神经网络等可以用来识别人手的抓持类型，并建立人手与灵巧手之常熟理工学院毕业设计（论文） 7 间的抓持映射关系。 常熟理工学院毕业设计（论文） 8 手指关节的传动方案设计 手指机构的运动方案设计主要考虑的因素是在满足运动要求的前提下传动要平稳可靠结构要简单维护要方便由此在手指机构设计。 我首先尝试采用齿形带传动，但由于齿形带结构的要求 (带宽和最小带轮半径的限制 )与手指尺寸 (即手指的大小 )的矛盾无法解决，因此齿形带也不能用在本手指机构的设计中。 接着又考虑采用齿轮传动，通过调研分析发现，由于齿轮的结构比较复杂，用于关节间的传动比较麻烦，使手指重量增加，成本提高。 经过全面的比较论证，最终的手指机构采用钢丝绳来传递运动和动力。 图 21为仿人灵巧手三维模型图，它是 3自由度 5手指仿人手。 整个系统采用钢丝绳传动，各手指的传动机构系统基本相同，所以就以中指为例说明机构的传动方案。 图 21 图 22所示为中指三维模型，手指结构主要有两部分组成：硬固机构部分、手指软连机构部分。 硬固机构由首指节、中指节、末指节组成，依次首尾轴向连接，串联在一起；手指软连机构由两钢丝绳一端分别从正反两面拴在末指节固定端，依次穿过中指节、末指节的穿孔处到达电机驱动轮上。 当手指需要伸开时，驱动电机外转，外部钢丝绳主动拉紧，内部钢丝绳从动放松，末指节只受手背牵引力常熟理工学院毕业设计（论文） 9 时，手指垂直方向运动伸直，此时，内钢丝伸展段最长，外钢丝伸展段最短。 当手指需要弯曲时，驱动电机内转，外部钢丝绳从动放松，内部钢丝绳主动拉紧，末指节只受手心牵引力时，手指 垂直方向运动弯曲，此时，内钢丝伸展段最短，外钢丝伸展段最长。 说明一点，各指节的转动支点与钢丝绳固线点位置是决定机器手运动速度和抓握力大小的关键。 图 22 仿人灵巧手的整体结构设计 若要机器手具有抓握和放置两种运动方式，则机器手要有手掌和手指机构，此外还要有机器手手指之间的平衡机构。 为了使机器手能够按照指定的方向和角度运动，机器手还必须有运动方向和角度调节机构，自我保护机构也是不可少的。 此外，需要由电机传动、机器手臂辅助联动机构。 一般情况下机器手为自由半张 状态，由直流电机驱动，机器手的手指采用连杆、电机、连接轴、万向节等组成，动力源是电机，机器手对被持物体的形状、大小、重量的规划由规划、视觉、触觉和控制系统给出，本文主要研究机构部分的设计及原理。 常熟理工学院毕业设计（论文） 10 目前灵巧手手指的设计有两种主流设计思想，即内骨骼设计和外骨骼设计。 外骨骼设计的手指外部只能安装很薄的用于增加摩擦力的橡胶皮，用于柔性接触的厚衬垫只能装于手掌上，而且难于安装触觉传感器；内骨骼设计有利于安装触觉或力传感器以及柔性衬垫。 本文采用外骨骼设计。 手指关节的设 计与制作 仿人灵巧手是模仿人类手的运动，因此各关节的运动范围也应该和人类基本相同，经过对各关节运动分析，并参考已有的一些机器人各关节的运动范围确定机器手各关节运动范围如表 31所示。 1 0~45176。 （弧转度） 2 0~90176。 3 0~90176。 4 0~90176。 表 31手指连杆坐标 因此，在制作过程中，应尽量考虑到各关节的转动范围，避免运动过程中手指各关节的干涉。 各关节中的孔定位一定要精确，否则会出现卡死或者脱离原轨迹的现象，使得手指在运动过程中出现不必要的麻烦。 在关节的制作过程中，选材是很重要的。 材料的硬度和刚度都是选材的标准，如果用铝片制作手指模型的话，会因为硬度不够，很容易就裂了。 用薄铁片制作后变形又会比较厉害。 最终我选择了硬度和刚度都比较合适的铝合金。 图 33 3所示为我设计的手指各关节三维模型 ,分别为远指节，中指节和近指节。 常熟理工学院毕业设计（论文） 11 图 31 图 32 常熟理工学院毕业设计（论文） 12 图 33 手指关节间连接机构的设计 手指关节的连接是整个手指能协调运动的关键，为此，我采用各种试验方法，最终我采用了圆形钢管连接，并在钢管上安装一个小滑轮，使得手指各关节的连接更加紧凑。 加一个小滑轮还有一个好处 ，就是能让钢丝绳拉得更加方便协调。 制作模型如图 34 图 34 常熟理工学院毕业设计（论文） 13 手掌的结构设计与制作 手掌的作用就是用来连接五个手指，使其有一定的位置布局。 另外，几乎整个驱动系统与控制电板都要安装在手掌中。 为了使五个手指的。