仿人灵巧手的结构设计方案

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1、仿人灵巧手的结构设计方案1.1研究的背景及其意义机器人是近年来迅速发展起来的高新技术密集的机电一体化产品。目前，对多指灵巧手的智能抓持，位置协调控制的研究是机器人学研究的热点之一。应用仿人机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用仿人机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重

2、的操作中，以仿人机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。应用仿人机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用仿人机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。综上所述，有效的应用仿人机械手，是发展机械工业的必然趋势。1.2国内外研究状况像人一样，机器人需要用它的手与环境发生作用。机器人发展初期，面向的需求首先来自制造领域，早期工业机器人主要执行上下料这样的简单任务，功能单一

3、的两指夹持器便能满足任务要求。随着技术的进步，工业机器人开始向更多的应用领域发展，上百种专门用途的“手”，统称为末端执行器，使机器人能够应对丰富多彩的任务对象，从轮胎、玻璃到布料，从大型金属热轧件到微小电子器件。尽管如此，末端执行器仍然是制约机器人应用的一个主要因素。于是，开发多用途机器手成为早期灵巧手研究的缘由和动机。26目前国外已经出现了触觉和视觉仿人机械手。第二代仿人机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉触觉能力，甚至听想的能力。研究安装各种传感器，能把感觉到的信息反馈，使仿人机械手具有感觉机能。国外也出现了第三

4、代仿人机械手，它能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环对于搬运物体类的机械手的基本要求是能快速、准确地拾——放并且能搬运物件，这就要求具有较高的精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是：充分分析作业对象和环境，明确工作的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求，尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程

5、，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。灵巧手与工业机器人一样是一个典型的机电系统，它集成了机构、驱动、传感、控制和人机交互等关键技术，然而其复杂程度却超过传统工业机器人。过去20多年，研究人员针对上述关键技术进行了长期不懈的探索，因而产生了许多灵巧手样机，表1-1列举了其中一些设计开发实例。研究者（时间）手名称指数自由度驱动类型传感器种类RichWalker等（2004年）ShadowHand524人工肌肉肌肉压力、关节位置、分布式触觉力传感器Lotti等（2004年）UBH3520电动机电动机位置、张力、关节位置传感器Kaw

6、asaki等（2004年）GifuHandⅡ516电动机电动机位置、6维指尖力、分布式触觉传感器Butterfass等（2001年）DLR-HandⅡ413电动机电动机位置、关节位置、关节力矩、6维指尖力传感器Schulz，S.等（2000年）UltralightHand510人工肌肉关节位置、压力传感器26Lovchik（1999年）RobonautHand514电动机电动机位置、关节位置、张力、触觉传感器续表1-1研究者（时间）手名称指数自由度驱动类型传感器种类A.Caffaz等（1998年）DISTHand416电动机电动机位置、关

7、节位置、三维指尖力传感器Jacobsen（1984年）Utah/MITHand416气缸电动机位置、关节位置、张力、触觉传感器Salisbury（1983年）Stanford/JPLHand39电动机电动机位置、张力、指尖力、指尖触觉传感器表1-1本次设计的仿人机械手是通用拾取轴类零件的机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，它可以用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。1.3关键技术人手有运动和感知两个主要功能。运动功能使其能够操作不同形状和大小的物体；感知功能使其能够通过接触获取物

8、体特征，探测未知环境。人手的这两个主要功能还必须通过肌肉的动力和大脑的控制才能实现。因此，驱动、传感和控制是灵巧手的3个主要成分，也是灵巧手开发的难点。261.3.1小而强的驱动灵巧手需要小而