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1、第15卷第5期上海电机学院学报Vol.15No.52012年JOURNALOFSHANGHAIDIANJIUNIVERSITY2012文章编号2095-0020(2012)05-0301-05绳驱动五指灵巧手的设计王超群(南京农业大学工学院,南京210031)摘要:通过研究人手的生理结构特点,模仿人手结构,应用欠驱动原理和适应性原理对五指灵巧手进行了初步设计。该灵巧手共有16个自由度,采用了绳驱动机构,具有结构简单、重量轻等优点。通过灵巧手模型的抓取实验,验证了其运动方式和抓取性能。关键词:灵巧手;绳驱动;欠驱动;
2、适应性;五指中图分类号:TH112;TP241.3文献标志码:ADesignofFive-FingerDexterousHandBasedonRope-DrivenMechanismWANGChaoqun(CollegeofMechanicalEngineering,NanjingAgriculturalUniversity,Nanjing210031,China)Abstract:Bystudyingthephysiologicalcharacteristicsofhands,afive-fingerhumano
3、idhandisdesignedbasedontheprincipleofunderactuationandadaptability.Thedexteroushandisa16degree-of-freedomhandusingarope-drivenmechanism,featuredasimplestructureandlightweight.Modesofmovementandgraspingperformanceofthedexteroushandisverifiedingrasp-ingexperimen
4、ts.Keywords:dexterousrobothand;rope-driven;underactuation;adaptability;fivefingers灵巧手是为多任务而研究开发的一种智能型都属于比较高端的产品,通过机械、电子、生物和通用机械手,其用途是在极限或有害环境下替代自动化技术能实现大部分人手功能,技术复杂程[1]人类执行任务;另外,也能帮助残疾人获得一定度高,价格居高不下,一般人难以承受。而目前大的手部功能,替代上肢伤残者的缺损部分,使之能部分的人手假肢只是对人手进行简单的外观模进行正常的日常
5、操作。仿,缺乏活动功能,无法进行各种操作。国内外在多指灵巧手方面都有卓有成效的研本文中所研制的绳驱动五指灵巧手是一种由究,如哈尔滨工业大学机器人研究所研制的绳和滑轮传递运动与动力的欠驱动简单机械手,[2]HIT21四指仿人手灵巧手、德国宇航中心研制能完成人手的简单抓握动作。该灵巧手没有繁重[3]的DLR-Ⅰ和DLR-Ⅱ灵巧手、美国国家航空和的驱动系统、传动装置和传感器,具有结构简单、[4]宇航局研制的NASA灵巧手等。这些灵巧手制造容易、重量轻、成本低、适应性好等优点。收稿日期:2012-09-29作者简介:王超群
6、(1974-),女,讲师,专业方向为并联机器人技术,E-mail:wangcq@njau.edu.cn302上海电机学院学报2012年第5期1灵巧手结构设计人手共具有20个自由度,其骨骼和韧带结构如图1所示。其中拇指有3个关节,根部关节与腕关节重合,可独立于腕关节运动,能内、外翻转和向手掌张夹,故具有2个自由度;拇指的其余2个关节都只能在同1个平面内转动,各有1个自由度。另外,4个手指(以下简称为四指)具有相同的机构特点,每根手指有3个关节共4个自由度,其中,每个关节具有1个转动自由度,根部关[5]节还能左、右摆动
7、。图2手爪的自由度布置图Fig.2Arrangementofdegree-of-freedomoffingers物体,本文所设计的灵巧手从张开的状态到握拳状态的动作过程如下:手指的第2、第3个关节先动,第1个关节几乎不动,拇指也一样,但拇指的第3关节主要是内翻;在接触物体后,各关节继续转动,直到把物体握紧。2绳驱动机构设计国内外已经研究的灵巧手所采用的驱动方式[7-8][9-10]有多种,如电动机驱动、气动、人工肌肉离图1人手的骨骼机构和韧带结构子交换聚合金属材料(Ion-ExchangePolymerFig.1S
8、keletalandligamentstructureofhumanhand[11]MetalComposite,IPMC)驱动等。这些驱动本文所研制的灵巧手是在参考人手骨骼特点机构有的笨重,有的成本高,有的不能对手指夹持的基础上设计的一种具有适应性的欠驱动机构。力进行有效控制。本文设计的灵巧手采用的是绳整个手爪由手掌、手指以及各个手指的驱动传动索驱动。绳索
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