基于超声电机的多指灵巧手装置的设计.pdf

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1、·应用研究·王垢帅双辉基于超声电机的多指灵巧手装置的设计71基于超声电机的多指灵巧手装置的设计王瑁，帅双辉(1．金陵科技学院机电学院，江苏南京211169)(2．第二炮兵驻1002厂军代室，江苏南京210013)摘要：分析研究了一种超声电机驱动的多指灵巧手装置的结构设计，该手指从外观和功能上接近人的手指，对其结构和工作原理进行了分析和说明，搭建了一个主从控制平台，实验结果表明了设计的合理性和可行性。关键词：灵巧手；主从控制；超声电机中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1672—1616(201

2、1)21—0071一O4灵巧手作为人类活动肢体的有效延伸，能够完手由3个结构独立的手指及其连接组件构成，手指成灵活、精细的抓取操作，相对于简单的末端操作布局仿照人手的结构，由手指和手掌组成。作为灵器，灵巧手具有灵活性强、感知能力丰富、精确力控巧手手掌的空间部分被用作安装超声电机，这部分制等优点。多指灵巧手在结构和功能上模仿人手，空间和手指的比例与人手相似，因此从整体来说，采用适当的抓握方式和抓取规划算法，就可以在不灵巧手的外形是接近于人手的。同时，电机内置于需要更换末端执行器的情况下对任意形状物体实掌内

3、，也节省了空问，有利于减小整手的体积。三现各种复杂和细微的操作任务，尤其适用于空间探指即拇指、食指、中指，每个手指都有4个关节、4索、危险环境、工业生产、服务机器人等领域。个自由度。连接组件包括底板和掌板，底板用于安灵巧手作为机器人的末端执行器，为了实现最装拇指，掌板是用于安装食指和中指并形成手掌的基本的抓持功能，至少需要2个手指和1个自由连接板。底板和掌板上都设有安装孔，用于各手指度，但这种利用两指夹持的灵巧手，需要根据不同的安装。为了及时反馈灵巧手的运动状态，手指的形状的物体来设计手指，具有很大的局

4、限性。要使每个关节处需要安装关节角位移传感器，掌内预留灵巧手能够像人手那样对不同的物体进行抓取操了走线孔供其电缆引出。作，至少需要3个手指、9个自由度_1j。因此，根据传感器能够实现简单抓取的要求并参照人手结构特点，本弹性线文设计了一个具有3个手指、12个自由度的灵巧手，设计目标是其抓持和操作功能需要通过运动、传感和控制能力来加以实现2，因此灵巧手的设计包括机构本体、检测装置和驱动的设计。超电机1总体方案与布局掌板根据灵巧手的设计用途、总体性能及加工性能的要求，提出以下几点设计参数：外形尺寸尽量接底板近

5、人手，与人手手指有一样多的关节和自由度数图1三指灵巧手机构本体量；灵巧手各关节的运动范围参照人手确定；整手总质量不超过1．5kg；每个手指能承受5N的力；要2手指机构设计留有足够的空间安装传感器和电机；各个零部件的灵巧手的3个手指共有l窆个自由度，在布局设计应尽量简单，易加工。上完全仿照人手，机构如图2所示。灵巧手的总体设计方案如图1所示，三指灵巧灵巧手食指、中指的关节数和运动方式与人手收稿日期：2011—05—26基金项目：金陵科技学院科研基金资助项目(JIT—N一201103)作者简介：王埔(197

6、9一)，女，江苏泗阳人，金陵科技学院讲师／I程师，主要研究方向为车间优化调度和机器人规划。722011年11月中国制造业信息化第40卷第21期由于结构的限制，设计出的灵巧手比人手尺寸略大，但满足设计要求，不超过1．5kg。3位置检测装置位置检测装置用于检测灵巧手各个关节的转角，由于尺寸的限制，选用村田制作所的SV01A型旋转位置传感器，其外形如图3所示。图2灵巧手手指机构都相同，只是在手指的长度上有区别，见表1；人手拇指与灵巧手拇指在结构及运动方式上有较大的差别，人手拇指有3个指节，共有5个自由度，3个

7、指节分别为远端指节、近端指节和掌骨指节。远端图3SV01A型旋转位置传感器图指节和近端指节各有1个屈曲自由度，掌骨指节包SV01A型旋转位置传感器为超薄型(高度为于手掌中，具有屈曲、侧摆和内收一外展3个自由2．1mm)，具有小而轻的特点，适合于安装在灵巧度。根据实际操作需要，对拇指的结构和运动自由手的关节处，3个端子可提供引线。该传感器的总度加以取舍，去掉掌骨指节的侧摆运动，构思出的电阻值为10kf2，最大输出为5V，有效转角为灵巧手拇指具有3个指节、4个自由度，3个指节分333．3。。在其有效转角内电

8、压与角度具有良好的别为远端指节、近端指节和掌骨指节，远端指节和线性关系，即在电压比率50％的位置到大约±160。近端指节各有1个屈曲自由度，掌骨具有屈曲和内收一外展2个自由度，见表2。的范围内，电压与角度呈线性变化，线性度如图4表1灵巧手食指、中指的结构和运动方式所示。旋转角度大于或者小于160。时则超出其线人手、灵巧手的食指、中指性范围，不能反映电压与角度的关系，因此电位计指节个数3个的安装位置应保证其工作在线性范围内。根据实1个屈曲自由