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1、残疾人假手的仿人和欠驱动机构研究第24卷第9期2007年9月机械设计JOURNALOFMACHINEDESIGNVol_24No.9Sep.2007残疾人假手的仿人和欠驱动机构研究俞昌东,姜力,黄海,史士才(哈尔滨工业大学机器人研究所,黑龙江哈尔滨150001)摘要:根据欠驱动和耦合原理研制出了仿人型残疾人假手,该手结构简单,质量轻,高度集成化.与成年人手的大小相仿,用Matlab软件优化设计了手指各杆件参数,同时进行了运动学分析.该假手对不同物体抓取具有自适应性,能进行力量抓取和精确抓取.关键词:仿人型假手;欠驱动;耦合;自适应性中图分类号:TP2
2、4文献标识码:A文章编号:1001—2354(2007)09—0044—03仿人型残疾人假手是在灵巧手的基础上发展起来的.20世纪90年代以来,具有精确抓取和操作的智能灵巧手相继出现,像NASA仿人灵巧手,DLR仿人灵巧手,这类手以空间操作为背景,具有多种感知功能,智能程度高,系统复杂.在此基础上,质量轻,结构简单,多手指的人形手,如Southampton手,TBM手,O'ITOBOCK手一等,也相继面世.该类手在外形和质量方面具有很好的拟人化特征,但是一般只有一个自由度,缺乏必要的感知功能,其操作水平与人手相距甚远.针对自由度和驱动器数量,质量和灵
3、活性之间的矛盾.人们提出欠驱动原理.欠驱动是指机构中的驱动器数少于机构自由度数.这种机构具有形状白适应能力,当欠驱动手指抓握物体时,能完全包络物体,适应物体形状.根据欠驱动和耦合原理,研制了一种结构简单.质量轻,能白适应抓取的仿人型残疾人假手.该手在外观,运动形式等方面进行了仿人化设计.仿人型假手的结构1.1仿人型假手的整体结构和包装所研制的欠驱动耦合假手共有5个手指组成,每个手指3个关节.共15个活动关节,三维模型如图1所示.其尺寸与成年人手相近,总质量为500g.整个手由3个电机驱动,拇指,食指和中指各用一个电机,无名指和小指由中指电机带动,该3
4、指在水平方向倾斜5.放置,如图1所示,与人手更加接近.假手机构本体外佩带上人造皮肤制成的手套.外观上非常接近人的自然手.图2为假手包装后的外观.图1假手三维模型图图2包装的假手外观图1.2假手手指结构假手共由5个手指组成,除大拇指外,其余4指结构相同(食指和中指有电机和减速器),都采用欠驱动和耦合的原理设计的.手指由3个指节组成:近指节,中指节和远指节,如图3所示.近指节和中指节之间应用欠驱动原理,两者之间有一扭簧,保证手指各指节自然伸直.通过对人手的观察和研究发现,自然手手指运动时,中指节和远指节是耦合的,为了更好模仿人手的形态,中指节和远指节通过
5、耦合连杆实现近似为1:1的耦合运动.手指抓握物体时,在近指节接触物体之前和接触物体后,近指节传递给中指节的力克服不了扭簧的力,末端两指节和近指节就一直保持伸直状态,手指以单刚体绕基关节轴MENGZhao-ming.TANGRen-gang,ZHAOHai-xia,ZHAOHong-bin(1.schoolofElectro—MechanicalEngineering,QingdaoUni—versityofScienceandTechnology,Qingdao266061,China;2.QingdaoBranchSchool,Instituteo
6、fNavyAviationEngineering,Qingdao266041,China)Abstract:Thelargertheinstantaneoustransmissionangleisinthecrank—slidermechanismthebetteritsmovingperformanceis.Thelargerthespeedratiocoefficientoftravelandthestrongerthequickreturncharacteristicsintheunidirectionaloperatedcrank..sli.
7、.dermechanismarethehigheritsworkingefficiencyis.Adoptingthedifferentialmethod.takingtheallowableminimumtransmissionan—gle[]ofthemechanismasthe~undationofdesignandusingthetravelspeedratiocoefficientofmechanismasthefunction,thedif-ferentiationandsimultaneityweremadeonthedesigning
8、variables,andthefunctionalexpressionofmaximumtravelspe
