專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告課程名：專業(yè)課程設(shè)計(jì)題目：五指靈巧手的設(shè)計(jì)與制作姓名：學(xué)號(hào)：系別：自動(dòng)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(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)33手指與手掌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作43.1手指關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與制作43.2手指關(guān)節(jié)間連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)53.3手掌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作63.4手指基關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作64五指靈巧手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型74.1靈巧手坐標(biāo)系的建立74.2靈巧手正運(yùn)動(dòng)學(xué)解74.3五指靈巧手動(dòng)力學(xué)模型95驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)105.1電機(jī)的選用105.2控制系統(tǒng)的選擇106小結(jié)與心得體會(huì)117參考文獻(xiàn)11摘要：本文介紹了一種五指型仿人靈巧手的的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，根據(jù)對(duì)非規(guī)則物品拿取

2、任務(wù)的要求，采用轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了五指型機(jī)器手。手指彎曲電機(jī)與指間平衡電機(jī)耦合驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器手的多角度張開、抓握運(yùn)動(dòng)方式。詳細(xì)分析了機(jī)器手手指機(jī)構(gòu)、手掌機(jī)構(gòu)、手指間輔助平衡機(jī)構(gòu)的工作原理，給出了設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞 ：五指型機(jī)器手 工作原理 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 引言機(jī)器人是近年來迅速發(fā)展起來的高新技術(shù)密集的機(jī)電一體化產(chǎn)品。目前，對(duì)多指靈巧手的智能抓持，位置協(xié)調(diào)控制的研究是機(jī)器人學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。應(yīng)用仿人機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)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

3、染以及工作空間狹窄的場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用仿人機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。在一些簡(jiǎn)單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以仿人機(jī)械手代替人進(jìn)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(yīng)用仿人機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用仿人機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都沒有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。綜上所述，有效的應(yīng)用仿人機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)。2 五指靈巧手手指機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)手指機(jī)構(gòu)的運(yùn)

4、動(dòng)方案設(shè)計(jì)主要考慮的因素是在滿足運(yùn)動(dòng)要求的前提下傳動(dòng)要平穩(wěn)可靠結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單維護(hù)要方便由此在手指機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。手指機(jī)構(gòu)采用鋼絲繩來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)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(gè)系統(tǒng)采用鋼絲繩傳動(dòng)，各手指的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)基本相同，所以就以中指為例說明機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方案。圖2-1圖2-2所示為中指三維模型，手指結(jié)構(gòu)主要有兩部分組成：硬固機(jī)構(gòu)部分、手指軟連機(jī)構(gòu)部分。硬固機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)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(dá)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪上。當(dāng)手指需要伸開時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)外轉(zhuǎn)，外部鋼絲繩主動(dòng)

5、拉緊，內(nèi)部鋼絲繩從動(dòng)放松，末指節(jié)只受手背牽引力時(shí)，手指垂直方向運(yùn)動(dòng)伸直，此時(shí)，內(nèi)鋼絲伸展段最長(zhǎng)，外鋼絲伸展段最短。當(dāng)手指需要彎曲時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)，外部鋼絲繩從動(dòng)放松，內(nèi)部鋼絲繩主動(dòng)拉緊，末指節(jié)只受手心牽引力時(shí)，手指垂直方向運(yùn)動(dòng)彎曲，此時(shí)，內(nèi)鋼絲伸展段最短，外鋼絲伸展段最長(zhǎng)。說明一點(diǎn)，各指節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)與鋼絲繩固線點(diǎn)位置是決定機(jī)器手運(yùn)動(dòng)速度和抓握力大小的關(guān)鍵。 圖2-23 手指與手掌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作3.1 手指關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與制作仿人靈巧手是模仿人類手的運(yùn)動(dòng)，因此各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍也應(yīng)該和人類基本相同，經(jīng)過對(duì)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析，并參考已有的一些機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍確定機(jī)器手各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍如表3-1所示。1

6、045°（弧轉(zhuǎn)度）2090°3090°4090°表3-1手指連桿坐標(biāo)圖3-1、3-2、3-3、所示為我設(shè)計(jì)的手指各關(guān)節(jié)三維模型,分別為遠(yuǎn)指節(jié)，中指節(jié)和近指節(jié)。圖3-1圖3-2圖3-33.2 手指關(guān)節(jié)間連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)手指關(guān)節(jié)的連接是整個(gè)手指能協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵，采用了圓形鋼管連接，并在鋼管上安裝一個(gè)小滑輪，使得手指各關(guān)節(jié)的連接更加緊湊。加一個(gè)小滑輪還有一個(gè)好處，就是能讓鋼絲繩拉得更加方便協(xié)調(diào)。制作模型如圖3-4圖3-43.3 手掌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作手掌的作用就是用來連接五個(gè)手指，使其有一定的位置布局。另外，幾乎整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與控制電板都要安裝在手掌中。如圖3-5所

7、示的手掌模型。圖3-53.4 手指基關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作采用很普通的關(guān)節(jié)連接件作為手指的基關(guān)節(jié)，運(yùn)動(dòng)過程簡(jiǎn)述為：機(jī)器手抓握時(shí)5手指處于張開狀態(tài)，5個(gè)手指靠5個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)抓握。當(dāng)決策與控制系統(tǒng)判斷出有抓緊需要時(shí)，發(fā)出指令讓機(jī)器手實(shí)現(xiàn)抓握動(dòng)作。抓握動(dòng)作時(shí)動(dòng)作參數(shù)設(shè)置有：抓握準(zhǔn)備、抓握、保持、放開、恢復(fù)原來放松狀態(tài)。它是利用電能轉(zhuǎn)化為兩根相互牽制拉扯手指的鋼絲繩的伸縮機(jī)械能使手指在一個(gè)平面內(nèi)運(yùn)行；利用電能驅(qū)動(dòng)連桿轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使得手指可以相互運(yùn)動(dòng)，與前者結(jié)合實(shí)現(xiàn)各手指間的三維運(yùn)動(dòng)。機(jī)器手由5個(gè)可彎曲的手指機(jī)構(gòu)和一個(gè)手掌機(jī)構(gòu)連接而成。每個(gè)手指均為一個(gè)自由度，分別由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；拇指與食指、食指與中指

8、、中指與無名指、無名指與小指之間有耦合機(jī)構(gòu)，分別由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。拇指為兩截運(yùn)動(dòng)串級(jí)耦合組成，其余四指為三節(jié)串級(jí)耦合組成。四個(gè)手指區(qū)別在于類人手長(zhǎng)短不同，可以對(duì)非規(guī)則物體實(shí)現(xiàn)握、拿、捏、夾等動(dòng)作。電源可以外接。4 五指靈巧手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型4.1 靈巧手坐標(biāo)系的建立采用DH方法建立靈巧手的坐標(biāo)系其基本原則為，為每一個(gè)關(guān)節(jié)指定一個(gè)本地的參考坐標(biāo)系，z軸為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)方向，z軸方向指向z。一。與z。之間的公垂線，對(duì)于與z軸相交的相鄰兩關(guān)節(jié)，z軸定義為兩條軸線構(gòu)成的平面的垂線據(jù)此建立仿人靈巧手的坐標(biāo)系如圖4-1所示圖4-1 靈巧手坐標(biāo)系圖中只標(biāo)注了拇指、食指以及小指的坐標(biāo)系，中指及無名指的坐標(biāo)系與食指完全

9、相同參考坐標(biāo)系為手掌坐標(biāo)系手掌坐標(biāo)系建立在手腕旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)處除小指外每個(gè)手指具有4個(gè)關(guān)節(jié)，從指根到指尖依次標(biāo)注為關(guān)節(jié)1至關(guān)節(jié)4，小指具有5個(gè)關(guān)節(jié)，同其他手指一樣依次標(biāo)注為關(guān)節(jié)1至關(guān)節(jié)54.2 靈巧手正運(yùn)動(dòng)學(xué)解以食指為例建立的D-H參數(shù)表如表4-1關(guān)節(jié)數(shù)(°)(°)101190205003030040250表4-1 食指D-H參數(shù)表每個(gè)關(guān)節(jié)的變換矩陣Ai定義為(其中下標(biāo)i代表關(guān)節(jié)數(shù)，c代表COS，S代表sin)Ai=rot(z，i )Trans(0，0，di)Trans(ai，0，0)rot(x，i) = 食指的正運(yùn)動(dòng)學(xué)解是相鄰關(guān)節(jié)之間的6個(gè)變化矩陣的乘積式中：;矢量n，o，a，

10、p表示食指末端的位姿類似地求得其它4指的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并將其表達(dá)在手掌坐標(biāo)系中有式中：f=0，1，4，分別表示靈巧手的4個(gè)手指，為手指及關(guān)節(jié)對(duì)于手掌坐標(biāo)系的變換分別將各手指的DH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(guān)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(yùn)動(dòng)空間如圖4-2所示圖4-2 食指末端工作空間4.3 五指靈巧手動(dòng)力學(xué)模型Newton-Euler方程采用多個(gè)方程組成的聯(lián)立方程式組來刻畫由多個(gè)剛體組成的機(jī)器人系統(tǒng)。NewtonEuler方法建立方程比較容易，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算時(shí)，與Lagrange方法導(dǎo)出的模型相比，計(jì)算量要少得多。NewtonE

11、uler方程導(dǎo)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(diǎn)Oi加速度；aci為桿i質(zhì)心加速度。Newton-Euler逆動(dòng)力學(xué)遞推算法的框圖如圖4-3。圖4-3 Newton-Euler遞推算法框圖5 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)5.1 電機(jī)的選用仿人靈巧手的驅(qū)動(dòng)不但要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比、寬調(diào)速范圍、高可靠性，而且電機(jī)的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性受電源功率的影響，此文中選用舵機(jī)。舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)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(jī)是一個(gè)典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)。跟其他電機(jī)一樣，它的選型也要考慮到力矩、工作電壓等，市場(chǎng)的舵機(jī)大都能滿足

12、以上要求。5.2 控制系統(tǒng)的選擇 在選擇好動(dòng)力系統(tǒng)的同時(shí)，所要考慮的是如何產(chǎn)生控制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)，本文選擇單片機(jī)AT89S52 作為控制單元，單片機(jī)可以使PWM（脈沖調(diào)制）信號(hào)的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的變化，從而提高舵機(jī)的轉(zhuǎn)角精度。單片機(jī)完成控制算法，再將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM 信號(hào)輸出到舵機(jī)，由于單片機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，其控制信號(hào)的變化完全依靠硬件計(jì)數(shù)，所以受外界干擾較小，整個(gè)系統(tǒng)工作可靠。6 小結(jié)與心得體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)雖然沒有設(shè)計(jì)出實(shí)質(zhì)性的靈巧手，但是對(duì)于我而言，在理論方面有了頗多的收獲。剛開始，對(duì)于機(jī)器人設(shè)計(jì)這個(gè)課題感覺非常的迷茫，在此之前接觸相當(dāng)少，只對(duì)機(jī)器人的類別有大致的了解。工業(yè)機(jī)

13、器人、娛樂機(jī)器人、服務(wù)型機(jī)器人······我不知道自己該選擇哪個(gè)方向的內(nèi)容去設(shè)計(jì)，最后，在圖書館查閱資料的時(shí)候，看到了有關(guān)“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(guān)它的介紹，當(dāng)時(shí)我對(duì)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(duì)靈巧手的設(shè)計(jì)步驟有了具體的了解。由于個(gè)人能力有限，在這份報(bào)告中只對(duì)靈巧手的核心結(jié)構(gòu)進(jìn)行了敘述，還有其他部分沒有提及，這是這次設(shè)計(jì)不完善的地方。靈巧手的設(shè)計(jì)與研究有很重要的意義。在制造領(lǐng)域，我們可以看到眾多機(jī)械臂在替代人們執(zhí)行各種操作任務(wù)。如噴漆、焊接、搬運(yùn)、裝配等。然

14、而，還有許多操作任務(wù)單靠機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)無法完成，例如在太空、水下、核輻射等環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)、維護(hù)、排險(xiǎn)等復(fù)雜任務(wù)。于是像人手一樣的機(jī)器手成為期待的目標(biāo)。在機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，研究人員一直在探索解答這一問題的技術(shù)途徑。經(jīng)過十幾年的研究，世界一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開發(fā)出多種機(jī)器人靈巧手樣機(jī)。它們?nèi)找骘@示出在危險(xiǎn)和有害環(huán)境下代替人類執(zhí)行復(fù)雜操作任務(wù)的可能性。7 參考文獻(xiàn)1 徐元昌，陶學(xué)恒，沈曉紅. 工業(yè)機(jī)器人M. 北京：中國輕工業(yè)出版社，1999. 2 馬香峰. 機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 1991.3 費(fèi)仁元，張慧慧. 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)和分析M. 北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998.4 方建軍，何廣平.