智能機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、第三章 智能機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 智能機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能從仿生學(xué)的角度出發(fā)，通過設(shè)計(jì)出仿人形的多指智能手來代替人手完成各種精細(xì)復(fù)雜的操作。它是機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)、控制三大系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)，人類的四肢經(jīng)過了幾十萬年進(jìn)化，經(jīng)過了大自然的優(yōu)勝劣汰的優(yōu)化選擇，可以說已經(jīng)是最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，所以本設(shè)計(jì)決定采用完全模仿能人手的結(jié)構(gòu)。3.1智能機(jī)械手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 手的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是確定機(jī)構(gòu)的自由度、手指數(shù)目、機(jī)構(gòu)原理、傳動(dòng)方案、關(guān)節(jié)、手掌的結(jié)構(gòu)及幾何尺寸、傳感系統(tǒng)的布置位置。首先要求機(jī)構(gòu)具有較高的運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)精度，較好的可控性和經(jīng)濟(jì)性;其次要求機(jī)構(gòu)本身有較佳的機(jī)械特性。本文智能機(jī)械手的設(shè)計(jì)主要包括以下七個(gè)方面：1) 手指關(guān)

2、節(jié)運(yùn)動(dòng)副的型式2) 手指自由度 3) 手指數(shù)目4) 手指的結(jié)構(gòu)型式(關(guān)節(jié)的數(shù)目及相對姿態(tài))5) 手指材料6) 手指具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)7) 手掌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 手指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副型式 智能機(jī)械手的手指機(jī)構(gòu)同其它任何機(jī)構(gòu)一樣，由若干構(gòu)件組成，構(gòu)件之間則通過運(yùn)動(dòng)副彼此相連，用來產(chǎn)生確定的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)副相當(dāng)于人手的關(guān)節(jié)。常見的運(yùn)動(dòng)副有轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副、螺旋副、圓柱副和球面副，它們的約束數(shù)分別為5、5、5、4和3，相應(yīng)的自由度數(shù)目為l、1、1、2和3。由于各運(yùn)動(dòng)副都要借助于驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)。而無論是轉(zhuǎn)動(dòng)的還是移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器又大多為一個(gè)自由度。所以在智能機(jī)械手關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)中，可以采用的只有轉(zhuǎn)動(dòng)副、移動(dòng)副和螺旋副3種。但是采用移動(dòng)副和螺

3、旋副的關(guān)節(jié)只能夠使手指獲得直線運(yùn)動(dòng)，其靈活性明顯要比只含轉(zhuǎn)動(dòng)副的手指要差，因此，本文所設(shè)計(jì)的智能機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)副全部采用轉(zhuǎn)動(dòng)副。手指的自由度自由度多的優(yōu)點(diǎn)是在滿足指端到達(dá)空間指定點(diǎn)的前提下，可以調(diào)整末桿的姿態(tài)，從而保證手指與物體的接觸處于最佳狀態(tài)。但是我們也可以看到，自由度增多，結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜，控制也更難。對于2自由度的手指來說，雖然不存在抓取和操作物體的靈巧性，但其智能機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制設(shè)計(jì)都很方便。本文設(shè)計(jì)的智能機(jī)械手每個(gè)手指有2個(gè)關(guān)節(jié)。手指的數(shù)目人手能夠抓取各種不同形狀、不同材質(zhì)的物體，其根本原因在于人手能采取各種各樣的抓取姿態(tài)去適應(yīng)特殊的任務(wù)要求。智能機(jī)械手的手指數(shù)目若小于3個(gè)，則無法

4、完成對抓取物體的微細(xì)操作，當(dāng)手指數(shù)為5時(shí)，是仿造人手的手指數(shù)目和結(jié)構(gòu)，具有很多優(yōu)勢，如果技術(shù)允許可以完成人手的所有動(dòng)作如圖2-1，而且如果作為人的假肢則必須為5指。若手指數(shù)目多于5，由于每個(gè)關(guān)節(jié)需要分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，如果再加上若干傳感器，規(guī)劃過程和控制過程都相當(dāng)復(fù)雜，很難保證實(shí)時(shí)性，所以智能機(jī)械手的手指數(shù)目一般取3到5個(gè)手指。從仿生學(xué)角度出發(fā)，為能實(shí)現(xiàn)對各種不同形狀物體的抓取，本文設(shè)計(jì)的智能機(jī)械手的手指數(shù)目取為5個(gè)。 圖3-1人類手指對任意物體的抓取方式 通過對人手抓取任意物體方式的分析，可以將人手的抓取方式分為:手掌接觸抓取、手指內(nèi)側(cè)接觸抓取、手指側(cè)面接觸抓取、3個(gè)虛擬指的抓取、混合抓取等。而智

5、能機(jī)械手對物體的操作即是實(shí)現(xiàn)不同抓取方式之間在的轉(zhuǎn)換的運(yùn)動(dòng)。其中前三者為人手抓取的基本類型，可以實(shí)現(xiàn)其它幾種類型的抓取。(1).指端接觸抓取將大拇指作為“虛擬指1”，另外四指作為“虛擬指2”的相對面抓取。它具有良好的抓取靈活性，抓取精度較高，但在抓取穩(wěn)定性及抓取力上受到一定限制。(2).手掌接觸抓取定義手掌為“虛擬指1”，除大拇指外的四指為“虛擬指2”的相對面抓取。它以犧牲抓取靈活性以換取抓取的穩(wěn)定性，手掌及各指的大面積接觸被抓物使手抓充分發(fā)揮出抓取力，同時(shí)提供足夠的摩擦力。大拇指可以用以增加抓力，因此這種抓取方法保證了最大的抓取力和抓取穩(wěn)定性。(3).側(cè)接觸抓取大拇指為“虛擬指1”，食指朝大

6、拇指的側(cè)面為“虛擬指2”接觸面的抓取，其抓取靈活性和穩(wěn)定性介于指端接觸抓取和手掌接觸抓取之間。本文所設(shè)計(jì)的五指智能機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，又能滿足它對于各個(gè)應(yīng)用環(huán)境都能很好的適應(yīng)的功能要求，進(jìn)而驗(yàn)證了選擇手指數(shù)目的正確性手指的結(jié)構(gòu)形式 圖3-2 由2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副構(gòu)成的手指結(jié)構(gòu)對于2自由度手指，按照關(guān)節(jié)軸線之間是否平行、相交垂直和交錯(cuò)垂直三種情況，共有9種不同的關(guān)節(jié)配置。由于軸線相交垂直使得傳動(dòng)布置較為困難，去掉這些情況還有4種組合，如圖3-2所示。從手指的控制方面以及本文研究對象的具體要求，采用第種手指結(jié)構(gòu)。手指的材料為減輕重量，同時(shí)也由于手指所抓取物體一般都不是很大，所以，手指的結(jié)構(gòu)材料一般選

7、用鋁合金，本文設(shè)計(jì)采用7A04(超硬鋁)為材料，剛度、強(qiáng)度好，重量輕。在一些特殊情況下，也可以采用碳素鋼、鑄鋼、合成朔料等。一般在手指的表面再粘附一層橡膠或軟塑料等材料，以減小手指與物體接觸時(shí)的沖擊，同時(shí)也可以增大接觸摩擦力。手指具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過以上對智能機(jī)械手手指的結(jié)構(gòu)分析，我們得出了手指的具體結(jié)構(gòu)。由于智能機(jī)械手采取模塊化設(shè)計(jì)，五個(gè)手指結(jié)構(gòu)基本相同，其具體結(jié)構(gòu)如圖3-3至3-5所示，具有以下特點(diǎn)： 1.每指關(guān)節(jié)采用了由螺釘裝配的活耳片，使手指關(guān)節(jié)的裝拆更方便。2.指根座上預(yù)留螺釘孔，使五指能很容易的裝配在手掌上。3.除了傳動(dòng)軸和手掌外，整個(gè)手指采用7A04材料;強(qiáng)度高，剛性好，重量輕。4.

8、表面材料為橡膠，可減少手指與物體接觸時(shí)的沖擊和增大磨擦 圖3-3 拇指結(jié)構(gòu) 圖3-4 食指結(jié)構(gòu) 圖3-5 中指、無名指、小拇指結(jié)構(gòu) 手掌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 研究出來的智能機(jī)械手可以分為具有手掌(以DLR手為代表)和不具有手掌(以JPL手為代表)兩類。沒有手掌的智能手，其抓取和操作的靈巧性都比較好，對抓取尺寸比較小的物體并對其進(jìn)行微細(xì)操作有利;而具有手掌的智能機(jī)械手，當(dāng)手掌及各指的大面積接觸被抓物體能使手爪充分發(fā)揮出抓取力，同時(shí)提供足夠的摩擦力，從而大大提高其抓取穩(wěn)定性。就一般性和通用性而言，手指抓取應(yīng)先以穩(wěn)定性為前提，而且可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)來彌補(bǔ)靈活性的不足，故本文研究對象選擇有手掌的結(jié)構(gòu)形式。手掌結(jié)構(gòu)設(shè)

9、計(jì)較為復(fù)雜，要考慮的因素很多，因?yàn)樗S著手指結(jié)構(gòu)的不同而不同，幾乎沒有通用性。設(shè)計(jì)手掌主要考慮了手指根指座的支撐和定位安排、電機(jī)的安裝定位、信號線的布置等因素。根據(jù)仿生學(xué)本文設(shè)計(jì)的手掌結(jié)構(gòu)如圖3-6所示：圖3-6智能機(jī)械手的手掌結(jié)構(gòu)它具有以下特點(diǎn)：1.手掌的內(nèi)部為一空腔，便于安裝電機(jī)，引出驅(qū)動(dòng)繩索和各種信號線；2.手掌的掌心處為一平面，便于與手指配合抓握物體；3.采用LC4為材料，剛度、強(qiáng)度好，重量輕。3.2 智能機(jī)械手傳動(dòng)方式的設(shè)計(jì)常見的幾種比較常用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有以下幾種：1. 齒輪傳動(dòng)：齒輪傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長傳動(dòng)比穩(wěn)定等。2. 蝸桿傳動(dòng)：蝸桿傳動(dòng)是在空間交錯(cuò)的兩軸

10、間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，傳動(dòng)比大，沖擊載荷小，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪音低；并具有自鎖性。3. 帶傳動(dòng)：帶傳動(dòng)是由固聯(lián)于主動(dòng)軸上的帶輪，固聯(lián)于從動(dòng)軸上的帶輪和緊套在兩輪上的傳動(dòng)帶組成。帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡單，傳動(dòng)平穩(wěn)，造價(jià)低廉以及緩沖吸振等特點(diǎn)。主要的帶傳動(dòng)類型有v帶傳動(dòng)多楔帶傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)。4. 鏈傳動(dòng)：它由鏈條和主，從動(dòng)鏈輪所組成。鏈輪上制有特殊齒形的齒，依靠鏈輪輪齒與鏈節(jié)的嚙合來傳動(dòng)動(dòng)力。鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是能保持準(zhǔn)確的平均傳動(dòng)比，傳動(dòng)效率高軸上所受徑向力??；但同時(shí)存在兩根平行軸只能同向回轉(zhuǎn)傳動(dòng)不能保持恒定的瞬時(shí)傳遞比。綜上所述，根據(jù)智能機(jī)械手對于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)各種要求以及綜合考慮個(gè)傳動(dòng)形式的優(yōu)劣情況具體選擇確定了各手

11、指關(guān)節(jié)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。拇指2個(gè)關(guān)節(jié)、食指2個(gè)關(guān)節(jié)和其余3個(gè)手指的第一個(gè)關(guān)節(jié)共7個(gè)電機(jī)。傳動(dòng)方式拇指關(guān)節(jié)1采用錐齒輪傳動(dòng)（如圖3-7所示），關(guān)節(jié)2采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)；食指2個(gè)關(guān)節(jié)都采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)（如圖3-8所示）；中指、無名指和小拇指的關(guān)節(jié)1采用蝸輪蝸桿，關(guān)節(jié)2采用帶輪傳動(dòng)（如圖3-9所示）。圖3-7 錐齒輪傳動(dòng)簡圖圖3-8 蝸輪蝸桿傳動(dòng)簡圖圖3-9 帶輪傳動(dòng)簡圖3.3 智能機(jī)械手驅(qū)動(dòng)動(dòng)方式的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)械手的重要組成部分，對系統(tǒng)的性能和操作能力具有決定性的作用。在一般情況下，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)器和傳動(dòng)系統(tǒng)兩部分組成。驅(qū)動(dòng)器是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，用以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)和力；傳動(dòng)系統(tǒng)將運(yùn)動(dòng)和力從驅(qū)動(dòng)器傳

12、遞到智能機(jī)械手各手指的關(guān)節(jié)。 常見的驅(qū)動(dòng)方式有： 電驅(qū)動(dòng)：它是是技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種驅(qū)動(dòng)方式,為大多數(shù)智能機(jī)械手所采用。從電機(jī)的靜態(tài)剛、動(dòng)態(tài)剛度、加速度、線性度、維護(hù)性、噪音等技術(shù)指標(biāo)來看，是綜合性能最好的一種。 液壓驅(qū)動(dòng); 它具有很好的穩(wěn)定性和可靠性、很高的力矩體積比、很強(qiáng)的阻轉(zhuǎn)能力,驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)簡單并且價(jià)格便宜等。但是,在智能機(jī)械手中采用液壓驅(qū)動(dòng)方式有很大的難度和弊端,如:存在較大的泄漏流量,微型閥對污染物十分敏感等。 氣壓驅(qū)動(dòng)：能量存儲方便;傳動(dòng)介質(zhì)空氣來源于大氣,獲取很方便;氣壓傳動(dòng)具有抗燃、防爆及不污染環(huán)境;且具有柔性，但是驅(qū)動(dòng)器的剛度和空氣的可壓縮性有關(guān),通常是很低的,并且

13、驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)態(tài)性能較差。 其它的新型驅(qū)動(dòng)；如壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)、可伸縮性聚合體驅(qū)動(dòng)等。 綜合比較以上各種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn) 考慮到電驅(qū)動(dòng)的技術(shù)比較成熟，而且電驅(qū)動(dòng)具有良好的靜態(tài)，動(dòng)態(tài)剛度；大的加速度；好的線性度、易于維護(hù)、噪音低等這些優(yōu)點(diǎn)，電驅(qū)動(dòng)的綜合性能明顯比液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)來的所以選擇電驅(qū)動(dòng)作為智機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式。3.4 電機(jī)的選擇 智能機(jī)械手的選擇電機(jī)一般從電機(jī)的轉(zhuǎn)速和扭矩方面的性能做為主要數(shù)據(jù)來考慮，一般根據(jù)資料人手手指的運(yùn)動(dòng)速度為4-5mm/s左右，根據(jù)各手指的傳動(dòng)比以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)具體形式，根據(jù)估算得電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)該在1918r/min左右。而且考慮到智能機(jī)械手的手指尺寸非常小一般的電機(jī)根本就不

14、適用。必須選用微型電機(jī)根據(jù)綜合比較國內(nèi)外個(gè)廠家生產(chǎn)的微型電機(jī)的性能最終選擇了faulhaber公司生產(chǎn)的MicroMo 1516-006SR +型號的微型電機(jī)。因?yàn)殡姍C(jī)的轉(zhuǎn)速比較大，在聯(lián)接機(jī)械傳動(dòng)部分之前，首先通過減速發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了一次減速，由于其型號要與所選的電機(jī)型號相配，通過查閱資料進(jìn)行比較，選用了與其配套的Gearhead Micro 15/5型齒輪減速箱。3.4 智能機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)人類的4肢經(jīng)過了幾十萬年進(jìn)化, 經(jīng)過了大自然的優(yōu)勝劣汰的優(yōu)化選擇, 可以說已經(jīng)是最優(yōu)的結(jié)構(gòu)。所以，機(jī)器人智能機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸可以參考人類手指的長度比例，并加以適當(dāng)放大或縮小，或根據(jù)所設(shè)計(jì)的智能機(jī)械手的使用場合作適當(dāng)?shù)某叽缯{(diào)整，根據(jù)測量本人手指的具體尺寸，給出智能機(jī)械手總體尺寸的參考，最后確定出智能機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)尺寸.。圖3-10 智能機(jī)械手裝配圖通過對智能機(jī)械手手指、手掌以及驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，我們得出了智能機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)，裝配圖如圖3-1