基于人體工程學仿生機械臂設計
基于人體工程學仿生機械臂設計,基于,人體,工程學,仿生,機械,設計
摘 要
基于仿生學原理，以均力抓取為目標，設計了一種抓取力可調的欠驅動機械手。針對不同尺寸的剛性球體和多自由度機械臂，依據(jù)參與抓取的指節(jié)數(shù)目，進行了多指節(jié)抓取模式的分類研究，并分別建立了靜力學模型。輸入轉矩一定時，通過調節(jié)機械手近指節(jié)的初始角度，可以達到接觸力大小相等的良好效果；當近指節(jié)初始角度不變時，通過調節(jié)輸入力矩的大小，可實現(xiàn)在均力抓取狀態(tài)下接觸力大小可調的功能。并用Pro.E實現(xiàn)對仿真機械手臂的仿真
【關鍵詞】仿生學、自由度、多指節(jié)
Abstract
Based on the principle of bionics, an underactuated manipulator with adjustable gripping force was designed with the goal of uniform gripping. For different sizes of rigid spheres and multi-freedom robotic arms, the classification of multi-finger crawling patterns was studied based on the number of knuckles involved in the grabbing, and a static model was established. When the input torque is fixed, a good effect of equal contact force can be achieved by adjusting the initial angle of the proximal knuckle of the manipulator; when the initial angle of the proximal knuckle is constant, the magnitude of the input torque can be adjusted to achieve a uniform force grip. The function of the contact force can be adjusted in the state. And use Pro.E to simulate the simulation robot arm
Key words：Bionics, degrees of freedom, multiple knuckles
目 錄
摘 要 1
目 錄 3
1 緒論 1
1.1仿生機械的選題背景 1
1.2仿生機械臂的研究現(xiàn)狀 2
1.3仿真機械臂的選型 6
1.3.1機械臂選型原則 6
1.4.2 驅動選型 6
2 仿真機械臂設計方案 8
2.1設計任務 10
2.2 功能分析 10
2.3 仿生機械臂設計原理 11
3 機械手手指的運動分析 14
3.1 手指機構運動學 14
3.1.1 手指機構的自由度計算 14
3.1.2 手指計算 15
3.1.3 三自由度仿生機械手指的位置反解分析 17
3.2 仿生機械手指的速度分析 21
3.3 仿生機械手指的運動空間分析與仿真 22
4 基于人體工程學仿生機械手的建模，裝配及仿真 23
4.1 Pro/e簡介 23
4.2仿生機械手各部分的建模與仿真 25
4.2.1機械手的建模 25
4.2.2機械手的仿真 31
小結 35
致謝 36
參考文獻 37
4
1 緒論
1.1仿生機械的選題背景
在人類在地球上出現(xiàn)之前，各種物種在大自然中生活了數(shù)百萬年，在為生存而奮斗的長期演變中獲得適應自然的能力。生物學研究表明，生物體在進化過程中形成的極其精確和完善的機制使他們能夠適應內部和外部環(huán)境的變化。生物界有許多有效的技能。如人體的生物合成，能量轉換，信息接受與傳播，外界識別，導航，定向計算與綜合等，都表明許多機器具有無可比擬的優(yōu)越性。生物的小巧，靈敏度，速度，效率，可靠性和抗噪能力都非常出色。
盡管人類仿生學的行為早已存在，但在20世紀40年代之前，人們并沒有有意識地將生物學作為設計思想和發(fā)明的來源?？茖W家對生物的研究只停留在描述生物體的精巧結構和完美功能上。工程師和技術人員更多地依靠他們的卓越智慧，并努力工作來制造人造發(fā)明。他們很少有意識地從生物世界中學習。然而，以下事實可以解釋：人類遇到的一些技術困難，生物圈早在數(shù)百萬年前就已經出現(xiàn)，并且在進化過程中得到了解決，但人類還沒有從生物世界中獲得適當?shù)膯⑹尽?
自從1782年瓦茨發(fā)明蒸汽機以來，人們在生產斗爭中獲得了強大的動力。在工業(yè)技術領域，能源轉換，控制和利用基本得到解決。這導致了第一次工業(yè)革命。各種類型的機器如雨后春筍般涌現(xiàn)。工業(yè)技術的發(fā)展極大地擴大和加強了人們。身體能力使人們免于繁重的體力勞動。隨著技術的發(fā)展，人們已經經歷了蒸汽機后的電氣時代，并正在走向自動化時代。
20世紀40年代電子計算機的出現(xiàn)為人類科學和技術的寶藏增添了寶貴的財富。它以可靠和高效的技能處理了數(shù)以萬計的人們的信息，并使海洋中的人們像海洋一樣??。數(shù)字和信息的解放，計算機和自動裝置的使用可以使人們在面對復雜的生產過程時容易和省力，他們準確地調整和控制生產過程以使產品規(guī)格準確。但是，自動控制裝置按照人們制定的固定程序工作，這使其控制能力受到很大限制。自動設備缺乏對外界靈活分析和反應的能力。如果發(fā)生意外情況，自動裝置必須停止工作甚至發(fā)生意外。這是自動設備本身的嚴重缺陷。為了克服這個缺點，無非是為了實現(xiàn)機器各部分之間以及機器與環(huán)境之間的“通信”，即自動控制裝置適應內部和外部環(huán)境變化的能力。要解決這個問題，我們必須解決如何接受和改變工程技術。使用和控制信息問題。因此，信息的使用和控制已經成為工業(yè)技術發(fā)展中的一個主要矛盾。如何解決這個矛盾？生物界為我們提供了有益的啟發(fā)。
控制論的基本觀點是動物（特別是人類）和機器（包括各種通信，控制和計算自動化設備）之間存在一定程度的通用性，也就是說，它們在控制系統(tǒng)中具有一定的共性。法。根據(jù)控制論研究，各種控制系統(tǒng)的控制過程包括信息的傳輸，轉換和處理?？刂葡到y(tǒng)的正常運行取決于信息的正常運行。所謂的控制系統(tǒng)是指將受控對象和各種控制元件，組件和電路有機地組合在一起，從而整體上具有一定的控制功能。從信息角度看，控制系統(tǒng)是信息通道的網絡或系統(tǒng)。機體與控制系統(tǒng)在生物體內存在著很多共性，因此人們對生物自動化系統(tǒng)有著濃厚的興趣，并且利用物理學，數(shù)學甚至技術模型對生物系統(tǒng)進行深入研究。因此，控制理論已經成為生物學和工程技術聯(lián)系的理論基礎。成為溝通生物系統(tǒng)和技術系統(tǒng)的橋梁。
1.2仿生機械臂的研究現(xiàn)狀
1962年美國就有一種類似多指靈巧手的手爪制造出來。但是真正的靈巧手是1974年日本的okada手[1]，如圖1.1所示。
該手具有三個手指，有一個手掌，拇指有三個自由度，另兩個手指各有四個自由度。各自由度都是由電機驅動，并由鋼絲和滑輪完成運動和動力的傳遞，屬于n驅動方式。該手的抓取重量為0.8Kg，自重0.24Kg。這種手的靈巧性比較好，但由于拇指只有三個自由度，還不是最靈巧的手。此外，在結構上，各個手指細長而單薄，難以實現(xiàn)較大的抓取力和操作力。
德國宇航中心研制的DLR手被公認為迄今為止世界上最復雜、智能化和集成化最高的仿人機器人多指靈巧手[2]。如圖1.2所示，該手是一種仿人手，它是由四個完全相同手指組成，每個手指有四個關節(jié)。整個手共由1000個機械零件以及1500個電子元件和112個傳感器組成。其中，末端的兩個關節(jié)同人手類似，存在著機械禍合，使用一個驅動器進行驅動?；P節(jié)使用兩個驅動器，實現(xiàn)兩個方向的運動。DLR手采用電驅動方式，使用微型直線驅動器作為驅動元件，n+1驅動方式。該直線驅動器將旋轉電機、旋轉直線轉換結構和減速機構融為一體。所以它可將所有的驅動器集成在手指或手掌中，減小了手指的尺寸，同時使腿的傳動距離縮短，提高了動態(tài)響應。DLR手在每個手指上集成有28個傳感器，包括類似人工皮膚的觸覺傳感器、關節(jié)力矩傳感器、位置傳感器、速度傳感器和溫度傳感器等。
圖1.2DLR多指靈巧手指
具代表性的多指靈巧手是1985年美國麻省理工學院和猶他大學聯(lián)合研制的Utah/M工T靈巧手[3]，這是一種仿人手，其大小、形狀、功能都與人手相似。Utah/MIT手采用了模塊化的結構設計，四個手指(拇指、食指、中指和無名指)完全相同，每個手指有四個自由度，各手指都連接到手掌并且相對于手掌運動。手指的每個關節(jié)都由腿(繩索)、滑輪進行遠距離帶動，屬于2n驅動方式，驅動元件采用的是一排氣動伺服缸，能在指尖上產生31N的抓取力。16個位置傳感器裝在每個關節(jié)上，32個腿拉緊傳感器裝在腕后面。目前該手多用于實驗室的各種研究，它的主要問題是關節(jié)自由度太多，控制太復雜，難以實現(xiàn)實時的在線控制，還未得到實際應用。
美國斯坦福大學研制的Stanford/JPL手(Salisbry手)[4]也是一種非常具有代表性的非仿人多指靈巧手。該手沒有手掌，共三個手指，每指三個關節(jié)，拇指相對另兩指布置。每個手指由四個直流力矩電機驅動，通過四條繩索張力的調節(jié)來控制三個關節(jié)力矩的大小，屬于n+1驅動。關節(jié)1、2有士90’的運動范圍，末端關節(jié)3有士135’的運動范圍。這種手每個手指的自由度只有三個，在抓取物體時，抓取點(指尖位置)一旦確定后，其抓取姿態(tài)就唯一確定。因此，實際上手指沒有冗余關節(jié)，也就沒有抓取的柔性，無法像人手一樣進行靈巧、穩(wěn)定的抓取和操作。
此外，根據(jù)欠驅動原理研制的三指10個自由度的機器人手爪具有驅動元件數(shù)量少、抓取物體范圍廣泛等優(yōu)點，在欠驅動手爪的4個主要機構中,欠驅動手指對抓取物體具有被動柔順和形狀自適應的特性，首先對三關節(jié)欠驅動手指機構進行靜力學分析,提出合理的設計目標和約束條件;然后根據(jù)設計目標,采用遺傳算法得到手指機構的各個關節(jié)連桿尺寸和抓取物體時的特殊構形,使得在抓取給定物體時各關節(jié)指面的接觸力達到均勻分布,得到高效的力傳遞和更加緊湊的機構尺寸。加拿大MD ROBOTICS公司和Laval大學合作研制出SARAH手爪 (Self-AdaptingRobotic Auxiliary Hand) [5]如圖1.3所示,該手爪共有10個自由度,只用兩個電機驅動,一個電機負責三個手指的開合;另一個負責調整手指方向,使其能采取不同的抓取姿勢抓取物體。SARAH手爪既可以用末關節(jié)指面捏取的方式完成各種精確捏取,如圖1.4所示，又可以用欠驅動的方式完成包絡抓取，如圖1.5所示。
圖1.3 欠驅動10-DOF SARAH手爪
圖1.4欠驅動10-DOF SARAH手爪用末關節(jié)指面捏取
圖1.5欠驅動10-DOF SARAH手爪用欠驅動的方式完成包絡抓取
在國內，對靈巧手的研究是從20世紀80年代后期開始的，其中以北京航空航天大學研制的BH系列為代表，從1987年以來，北航已先后研制出BH一1、BH一2、BH一3型多指靈巧手，該型手是一種仿Stanford/JPL手，三指九自由度，每個手指由四個電機驅動，屬于n+1驅動方式。近幾年，北航開始研究BH一4型靈巧手，該手為四指十六自由度，采用模塊化設計，分為手指、手掌和機械接口三個模塊，改變手掌設計一可以獲得擬人或非擬人手，機械接口用于確定手與臂的連接，改變機械接口可以使靈巧手適應不同的機械臂。傳動元件全部由齒輪副組成，電機完全置于手指中。傳動路線短，結構簡單、緊湊。
但是由于國內對機械手研究的滯后等原因，我國目前已經制造出來的這些多指靈巧手在結構方面都存在許多不完善的地方。因此，有必要對多指靈巧手結構進行深入的分析，并引進合理的優(yōu)化設計方法，設計出結構更為合理的多指靈巧手，為多指靈巧手的實用化和其他方面的研究提供最理想的結構。
1.3仿真機械臂的選型
1.3.1機械臂選型原則
多指靈巧手的開發(fā)可以幫助解決上述問題。因為作為末端執(zhí)行器的靈巧手相當于可以安裝在機器人手臂上并且可以獨立執(zhí)行精細操作運動的一組機器人，所以機器人手臂實現(xiàn)了粗略定位，并且通過使用靈巧手來實現(xiàn)精確定位手。如果使用合適的抓取方法和掌握規(guī)劃算法，理論上可以抓住任意物體，并且可以將任意運動和力施加到物體上。這對于提高機器人的智能化操作水平具有重要意義。本課題旨在通過優(yōu)化靈巧手指和控制系統(tǒng)的設計來解決以下問題。
（1）能夠適應被操作物體形狀的變化，盡可能地抓住不同形狀的物體;
（2）可以控制操作力，對不同物料的物體進行操作;
（3）可以對被抓住的物體進行微小的姿勢調整;
（4）通過上位機控制掌握運動計劃，可以使靈巧手順利移動
1.4.2 驅動選型
鏈條、鋼帶這種方式同樣是把驅動器和關節(jié)分開安裝，是遠程驅動的手段之一，鏈條、鋼帶與鋼絲繩相比，剛性高，可以傳遞較大的輸出，但設計上的限制也很大，在SCARA型的關節(jié)機器人中多采用了此法。
對于像靈巧手指這類不是很遠距離的運動和動力傳送,連桿機構也是可行的方法。手指機構的主體是開環(huán)串聯(lián)三連桿機構,在此開環(huán)機構上添加一些零自由度的桿組,就可以構造出閉環(huán)連桿機構,通過這些桿組可以將手指根部的動力傳送到各個關節(jié),如圖1.7
圖1.6閉式鏈手指機構
桿1，桿2和桿3分別為根關節(jié)，中間關節(jié)和遠側關節(jié)，根關節(jié)固定在手掌上。圖2中的桿1,4和6被同軸驅動。電機直接驅動桿1,4和6，桿4通過四桿連桿驅動桿2。桿6通過另一平面四連桿機構驅動蓮花桿8，然后通過第三四連桿機構帶動無名指連桿3。蓮花8的作用是提高兩平面四邊形之間的傳遞性能，從而實現(xiàn)手指三個關節(jié)的獨立驅動?？紤]到一般四連桿機構的傳動的運動在傳動過程中具有很大的變化，所以使用具有與輸入相等的輸出的平行四邊形機構?？梢钥闯觯瑮U件3分別由桿件2和桿件9分別引導的兩個分支直接平行驅動，兩個分支均與桿件1串聯(lián)連接，從而指尖的位置將會由桿決定1的構造和由桿2上的兩個平行四邊形機構引導的分支的位置是共同確定的。上述特點說明這是一種混合結構，它具有并聯(lián)和串聯(lián)結構的優(yōu)點，即它繼承了并聯(lián)結構的高速，高剛性，并且具有高度的串聯(lián)結構的柔性;并行驅動，但它是整個手指的串行結構，具有串聯(lián)結構的特點。
閉鏈驅動功能：
與常規(guī)驅動模式下的傳統(tǒng)繩索滑輪驅動器相比，該傳動結構具有以下優(yōu)點：
（1）一對運動較低，接觸面為面接觸，低對輔助元件易于潤滑。桿的幾何結構簡單且易于制造。
（2）傳動剛性小，變形小，無滯后，通過幾何約束定位，傳動可靠，工作安全。
（3）桿的平行傳動能承受較大的載荷，機械損失較小，這是連桿傳動的最大優(yōu)點。
（4）桿可以被拉或壓。電機可以實現(xiàn)接頭的正反轉，返回方便。因此，一旦控制力過度調節(jié)，就很容易消除。
（5）封閉鏈由平行四邊形機構驅動。平行四邊形機構的輸入等于輸出特性。因此，手指的運動學和各種性能相當于開環(huán)平面三自由度連桿機構，因此簡化了運動學解和性能分析。從以上分析比較可以看出，所設計的新型平行連桿機構傳動比傳統(tǒng)的鋼絲繩傳動有更好的優(yōu)勢，特別是針對傳統(tǒng)傳動方式傳遞剛性時固有的缺陷，這種新型傳動方式有一定的提高效率。當然，這種傳輸方式會使靈巧手的結構復雜化，必須注意結構的具體設計。
在對上述驅動方法進行分析和研究的基礎上，本文的驅動機構由閉環(huán)鏈傳動機構的驅動方法驅動。
2 仿真機械臂設計方案
產品開發(fā)通常需要幾個階段，如產品規(guī)劃，程序設計，技術設計和施工設計。
在項目設計階段，針對產品的主要功能提出了原理的概念，探討了解決問題的物理效和工作原理，并利用機構運動圖，液壓電路圖和電路圖。
方案設計對產品的結構，工藝，成本，性能，使用和維護有很大影響，是產品水平和競爭力的關鍵環(huán)節(jié)。因此，原理方案的創(chuàng)新設計有其重要的意義。
工程設計的內容復雜而復雜。如果我們孤立地，靜態(tài)地分析某一領域的問題，所得出的結論往往是片面的，而且是有限的。系統(tǒng)工程方法是把事物作為一個整體系統(tǒng)來研究，分析系統(tǒng)
圖2.1原理方案設計步驟
各部分之間的有機聯(lián)系以及系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的關系是更為全面的研究方法。在設計原理方案的過程中，常常使用系統(tǒng)工程視圖和方法來解決復雜問題。
原理方案的設計是一個發(fā)散收斂過程。從功能分析開始，通過創(chuàng)新思路探索多種解決方案，然后進行技術和經濟評估。經過優(yōu)化和選擇，獲得最佳的原則計劃。圖2-1顯示了每個階段使用的步驟和主要方法。
系統(tǒng)工程方法設計的產品原理設計與組合的功能和實現(xiàn)的分析和解決密切相關。
系統(tǒng)工程使用“黑匣子方法”來研究和分析問題。對于一個復雜的未知系統(tǒng)，就好像它不透明一樣，它不知道其內部結構的“黑盒子”。通過分析黑匣子的連接，輸入和輸出以及周邊環(huán)境，可以利用外部觀測來了解其功能和特點，進一步探索其內部原理和結構。
2.1設計任務
根據(jù)此次設計的設計任務書要求設計一個九自由度三指仿生機械手，以完成機械手對其他物體的抓取。具體要求如下：
（1）九自由度三指仿真機械手的總體設計方案；
（2）九自由度機械手指的結構設計與運動分析；
（3）九自由度三指仿真機械手的三維設計；
（4）械手的裝配與仿真。
2.2 功能分析
由于現(xiàn)代機械中動力源主要有電動機、汽油機、柴油機、氣動馬達等，但由于機械手的工作條件和各種動力源的特點決定了，在現(xiàn)代機械手中的動力源多以電動機作為動力源。故在本設計中均以電動機作為動力源進行研究探索。
仿生機械手和一般夾持工具實現(xiàn)對工件的抓取類似，但需要更高的靈活度，以便于實現(xiàn)機械手對于不同形狀的工件實現(xiàn)更為靈活可靠的抓取。
2.3 仿生機械臂設計原理
圖2-2為一種較好的三指機械手的原理方案，即采用步進電機的回轉運動—曲柄滑塊—球面副—桿機構的組合。
圖2-2 單指2自由度機械手結構簡圖
本設計是要求九自由度三指仿生機械手的結構設計，故對圖2-2進行修改變異后即可得到單指三自由度的機械手結構， 變異后的機械手在pro/e軟件建模如圖2-3所示。
圖2-3 各種位形下手指的仿真圖
變異后得到的機械手結構在pro/e中抓取圓柱工件和球形工件的仿真如下圖2-4所示：
圖2-4 抓取圓柱形和球形工件的三自由度手指三維模型
上節(jié)中已說明了機械手夾持部分的原理方案，為了進一步明確機械手的具體結構設計和布局，下面針對機械手的整體布局和驅動方式作具體分析，由上述可知，機械手的動力源采用的是步進電機，但是步進電機的輸出是電動機轉軸的回轉運動，但是經分析，機械手執(zhí)行夾持的部分要求的是桿機構的直線運動，故需將電機主軸的回轉運動轉換為機械手執(zhí)行部件的桿機構的直線運動。由機構學可知，將一個回轉運動轉換為直線運動主要有以下幾種方案：
（1）曲柄滑塊機構
曲柄滑塊機構中的運動副均為低副（故又稱為低副機構）。其運動副元素為面接觸，壓力較小，承載能力較大，潤滑好，磨損小，加工制造容易，且曲柄滑塊機構中的低副是幾何封閉的，對保證工作的可靠性有利。
利用曲柄滑塊機構還可以很方便的達到改變運動的傳遞方向，實現(xiàn)增力和遠距離傳動的目的。
但是曲柄滑塊機構也存在一些特點，主要是電機轉軸的回轉運動需要通過中間構件曲柄和連桿的傳遞，故增加了傳動線路，易產生較大的累積誤差，并且使得機械效率降低。
（2）齒輪齒條機構
齒輪齒條機構雖然在提高機械傳動效率方面比曲柄滑塊機構具有較大的優(yōu)勢，但是齒輪的齒面作為一個較為復雜的型面，在加工和制造過程中較為困難，且加工成本比曲柄滑塊機構高，。
齒輪齒條傳動在傳動上還存在一個不可忽視的缺點，齒輪齒條嚙合傳動時是屬于線接觸，故相對曲柄滑塊機構，齒輪齒條嚙合傳動時的接觸應力較大，齒面容易磨損，最終會導致更大的傳動誤差。
（3）凸輪機構
凸輪機構作為將回轉運動轉換為其他運動形式的傳動機構，在工業(yè)應用中有其獨特的優(yōu)勢，其最大的優(yōu)點就是：只要適當?shù)卦O計出了凸輪的輪廓曲線，就可以使得推桿得帶各種預期的運動規(guī)律，而且響應快，機構簡單緊湊。
但由于凸輪機構自身的結構形式，決定了其固有的缺點，在凸輪機構中，凸輪廓線和推桿間為點、線接觸，所以接觸應力大，容易磨損，而且凸輪的加工制造較困難。
（4）螺旋機構
螺旋機構有螺桿、螺母和機架組成。一般情況下，它是將旋轉運動轉換為直線運動。螺旋機構的優(yōu)點是能獲得很大的減速比和力的增益，還可以自鎖性。但是由于螺紋的機構形式，螺旋機構的機械效率會比較低或者是效率提高，磨損則增大，兩者不可兼得。
由上述分析，綜合傳動誤差，傳動效率和經濟成本的考慮，以下方案是采用曲柄滑塊機構對機械手的執(zhí)行部分實現(xiàn)驅動，機械手單個手指的的布局如示：則由圖2-5可知，機械手的工作原理：在曲柄1的外部鏈接一個步進電機，步進電機的旋轉運動通過曲柄滑塊機構將運動傳至三角板4，由于滑塊3將運動傳至構件是由球面副實現(xiàn)的，所以構件4可實現(xiàn)在豎直方向移動外，還可以實現(xiàn)三個方向的轉動。再由4構件各個頂點的上下移動帶動5構件運動，再由桿機構6、7、8的運動將運動傳至指尖機構8，對工件實現(xiàn)夾持。而構件4連接構件5的運動副為球面副，則可以實現(xiàn)對各種形狀的工件進行自適
圖2-5機械手單個手指的布局圖
3 機械手手指的運動分析
機器人運動學描述了機器人關節(jié)與組成機器人的各剛體之間的運動關系。本章首先對手指機構進行自由度分析，以確定有幾個獨立參數(shù)需要驅動，然后對手指機構進行位置正反解分析，速度分析，得到了雅克比矩陣。最后對機構的特殊位形和零點進行了討論，得出了一些設計條件。
3.1 手指機構運動學
物體在工作空間內的位置以及機器人手的位置，都是以某個確定的坐標系來描述的、而工作任務則是以某個中間坐標系(如賦于手指末端的坐標系)來規(guī)定的。由笛卡兒坐標系來描述工作任務時，必須把上述這些規(guī)定變換為一系列能夠由手指驅動的關節(jié)位置。確定手指位置和姿態(tài)的各關節(jié)位置的解答，即運動方程的求解。要知道工作物體和工具的位置，就要指定手指逐點運動的速度。雅克比矩陣是由某個笛卡兒坐標系規(guī)定的各單個關節(jié)速度對最后一個連桿速度的線性變換。
3.1.1 手指機構的自由度計算
平面機構的自由度計算公式為
（3-1）
其中 ：——機構中活動構件的數(shù)目；
——機構中低副的數(shù)目；
——機構中高副的數(shù)目。
從圖3-1中可以看出此手指結構有7個活動構件，9個轉動低副，沒有高副，也不存在局部自由度和虛約束，自由度計算如下：
圖3-1 手指的機構簡圖
3.1.2 手指計算
具有閉式鏈結構的靈巧手，決定手末端位姿及速度和加速度性能的主要桿件間的相對轉角中，有些是被間接驅動的，有些關節(jié)運動時，另一些關節(jié)會由于結構上的原因產生附加運動。所以，在求解時，必須先分析運動特點，找出直接決定末端位姿、速度和加速度性能的關節(jié)角，把它們分離出來，組成等價的開鏈機構，然后進行求解[6]。一個nDOF的閉式鏈可有nDOF的開式鏈和一個0DOF的桿組構成，自由度保持不變，閉式鏈的運動學特性及工作性能由開式鏈決定。對圖3-1所示的手指結構，可以將其等價為由桿1、5、7組成的開環(huán)平面三自由度連桿結構，再作運動學分析。建立如圖3-2所示的坐標系，各關節(jié)輸入角為，各關節(jié)相對基坐標系x軸的轉角為，也就是各電機輸入角，有如下關系：
（3-2）
利用幾何法可以得到手指末端的位置正解，手指末端點的位置可以通過坐標來表示，姿態(tài)用表示，經過投影變換有如下關系：
（3-3）
（3-4）
（3-5）
圖3-2 平面三自由度開環(huán)連桿機構坐標系
國內外仿生機械手指的優(yōu)化設計，選定,根據(jù)不同的可以得到手指的不同的位置，代入公式(3-3)(3-4)(3-5)計算數(shù)據(jù)如下表3.1：
表3.1 仿生機械手指的位置正解實例
3.1.3 三自由度仿生機械手指的位置反解分析
通過末端點的位置，求出能實現(xiàn)這一末端位置的一組或者一系列關節(jié)輸入角的過程即為位置反解的過程，而位置反解的求解可以分別用代數(shù)的方法以及幾何的方法。
(a) 代數(shù)法：設末端點的位置，圖3-3中
圖3-3 位置反解代數(shù)法分析
(3-6)
利用復數(shù)向量法列出矢量位移方程
（3-7）
當手指末端點的位置確定后，上式有兩個未知數(shù)，故可以求解。移項，對等式兩邊同乘以各自的共軛復數(shù)，有
(3-8)
將上式展開，合并同類項，有
(3-9)
其中令
均已知，化簡即為
(3-10)
可得有兩個解：
（3-11）
再利用式5)求解，即：
（3-12）
即得：
（ 3-13）
，這個可以在幾何的方法中詳細解釋，如圖3.2所示兩種位形可以滿足要求。
（b）幾何法：當手指末端點的位置確定后，如圖3-4可以求出點位置
，其中 (3-14)
圖3-4 位置反解幾何法分析
如圖3-4所示，在組成的三角形內，應用余弦定理可以求出，其中投影關系如下：
(3-15)
由此可得
(3-16)
值得注意的是：
(1)為了保證解的存在，目標點應滿足的條件；
(2)在滿足解的存在性的條件下，可能有兩個解（其中一由虛實線表示）：
為了求出，首先計算角度
其中
(3-17)
(3-18)
由此得出
(3-19)
其中，當時，取“+”號；當時，取“-”號。手指末端連桿的方位角由三個方位角之和決定：
(3-20)
從而確定。
現(xiàn)選擇幾何法來驗證反解，具體過程如下：
首先假定，根據(jù)設計要求還是令，選取表1其中位置的數(shù)據(jù)，， ，代入(3-14)式得
繼續(xù)代入(3-16)得：
則或者
用式(3-17) 、(3-18)，得到
當時，代入式(3-19) 、(3-20)
當?shù)臅r，代入式(3-19) 、(3-20)
從結果分析，有一組解即為正解分析中的位置，而另一組解為圖3.3中所示虛線的位置。也就是說，兩組解在手指末端關節(jié)的關節(jié)角是相同的，因為這由公式(3-14)決定。而兩組解的手指根段關節(jié)和手指中段關節(jié)的位置態(tài)，正好是關于經過原點與的直線對稱，這是由于公式(3-16)決定的，但實際情況是兩組解都可能實現(xiàn)，只是第一組解比第二組解更容易到達，并且可以更好避免奇異位置的出現(xiàn)。
3.2 仿生機械手指的速度分析
式(3-3)、式（3-4）、式（3-5）對時間t求導，就得到手指末端P的速度
(3-21)
其中 ，，，，
，；
令 V=,,
將（3-21）式改寫成矩陣形式
V= (3-22)
其中 = (3-23)
就是手指機構的雅可比矩陣，它描述了機器人機構的操作空間速度和關節(jié)空間速度的線性映射關系。在這里描述了手指末端P點的速度和各關節(jié)速度的映射關系。
由于線速度和加速度的不同量綱，將雅可比矩陣分成子陣：
(3-24)
將（3-22）式寫成：
(3-25)
(3-26)
,速度反解為 (3-27)
當滿秩時，為雅克比矩陣的逆矩陣，當不滿秩時，=0，的逆矩陣不存在，此時任何一組關節(jié)運動變量為奇異關節(jié)變量，機構處于奇異位姿，欲使手末端沿某個笛卡兒方向以一定的速度運動，其某個關節(jié)所需的速度將變得非常大，且接近極限不確定值，但由于關節(jié)實際運動速度不可能無限大，所以末端勢必偏離所要求的運動或失去某個方向的運動而出現(xiàn)機構自由度瞬時減少的現(xiàn)象。
同位置分析一樣，若末端點P不考慮與物體的接觸姿態(tài)，則用來描述姿態(tài)的輸出變量可以任意，此時的速度雅克比將有所變化
= (3-28)
不是方陣，于是不存在逆矩陣，用其偽逆代替，有
(3-29)
由線性代數(shù)的知識可知式(3-29)的解不唯一，有無窮多組解，在進行速度規(guī)劃時應根據(jù)要求選取適合的解。
3.3 仿生機械手指的運動空間分析與仿真
目前，隨著機器人技術研究領域的不斷擴展，機器人計算機仿真系統(tǒng)作為機器人設計和研究的靈活方便的工具，發(fā)揮著重要的作用。本設計中的機械手作為一種仿人機械手，能完成較復雜的抓取動作。在機械手應用于作業(yè)研究時，一個重要的因素就是機械手在運動過程中能達到的空間位置，這對于作業(yè)和避障都有一定的實際意義，因此在機械手的設計和應用研究階段都應對機械手的可達空間進行分析。本節(jié)探討通過代數(shù)方法來求解3自由度手指的工作空間。首先根據(jù)設計要求，，，可以得出手指運動空間肯定分別在，方向都是在之內。加上約束條件，約定方向只在正方向，即在范圍內；由于機構中存在平行四邊形結構，所以約定在之間；而去除平行四邊形的奇異位置，也就是說通過程序對角度的判斷，把平行四邊形兩個相鄰的桿件夾角為或者時去除，當然在編制程序的時候是在的范圍內把這兩個位置去除掉；再加上分析公式(3-12)，其中判斷反解存在的條件是的非負性。通過以上這些約束條件，進行MATLAB的程序仿真，仿真結果如圖3.4。
圖3.4 3自由度手指工作空間分析圖
4 基于人體工程學仿生機械手的建模，裝配及仿真
4.1 Pro/e簡介
Proe是PTC Corporation的Pro / Engineer軟件的縮寫。 Pro / E（Pro / Engineer操作軟件）是Parametric Technology Corporation（PTC）的重要產品。它是集成CAD / CAM / CAE功能的集成3D軟件。它在三維建模軟件領域發(fā)揮著重要作用，被業(yè)界公認為當今世界機械CAD / CAE / CAM領域的新標準。推廣是當今最成功的CAD / CAM軟件之一。
經過二十多年的不斷創(chuàng)新和改進，現(xiàn)已成為3D建模軟件領域的領導者之一。它具有以下特點和優(yōu)點：
參數(shù)化設計和特征功能 Pro / Engineer是一個基于參數(shù)的基于特征的實體建模系統(tǒng)。工程師使用基于特征的功能和智能特征來生成模型，例如腔體，殼體，倒角和圓角。您可以隨意繪制草圖并輕松更改模型。該功能為工程設計人員提供了以前從未有過的簡單性和靈活性。
單獨的數(shù)據(jù)庫 Pro / Engineer建立在一個統(tǒng)一的基層數(shù)據(jù)庫上，不同于建立在多個數(shù)據(jù)庫上的一些傳統(tǒng)的CAD / CAM系統(tǒng)。所謂單一數(shù)據(jù)庫意味著項目中的數(shù)據(jù)全部來自一個庫，這樣每個獨立用戶都可以為產品模型工作，而不管他是哪個部門。換句話說，整個設計過程的任何變化都可以反映在整個設計過程的相關方面。一旦工程細節(jié)發(fā)生變化，NC刀具路徑將自動更新;如果對裝配圖進行任何更改，它也會反映在整個3D模型中。這種數(shù)據(jù)結構和工程設計的獨特組合使得產品的設計得以結合。這種優(yōu)勢使得設計更加優(yōu)化，成品質量更高，產品銷售更好，價格更便宜。
完全關聯(lián) Pro / ENGINEER的所有模塊都完全相關。這意味著產品開發(fā)過程的一部分所做的更改可以擴展到整個設計，并且所有工程文檔（包括裝配，設計圖和制造數(shù)據(jù)）都會自動更新。完全相關性鼓勵在開發(fā)周期的任何階段進行修改而不會有任何損失，并且可以進行并行工程，以便后期開發(fā)中的某些功能可以提前發(fā)揮作用。
基于特征的參數(shù)化建模 Pro / ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產品幾何模型的結構元素。這些功能是一些常見的機械對象，可以通過預設輕松修改。例如：設計具有弧形，圓角，倒角等特點，它們?yōu)楣こ倘藛T所熟悉，因此易于使用。裝配，加工，制造和其他學科在這些領域使用獨特的功能。通過為這些特征設置參數(shù)（不僅包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)，可以輕松地進行多次設計迭代以實現(xiàn)產品開發(fā)。
數(shù)據(jù)管理 加速上市需要在更短的時間內開發(fā)更多產品。為了實現(xiàn)這種效率，必須允許來自多個學科的工程師同時開發(fā)相同的產品。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)專門用于管理并行項目中的并行工作。這使得使用Pro / ENGINEER獨特的全相關功能成為可能。
裝配管理 Pro / ENGINEER的基本結構使您能夠在保持設計意圖的同時，使用直觀的命令（如“嚙合”，“插入”，“對齊”等等）輕松組裝組件。高級功能支持大型復雜組件的構建和管理，并且可以使用不限數(shù)量的部件。
易于使用 菜單以直觀的方式顯示，提供合理的選項和預先選定的常用選項，以及簡短的菜單說明和完整的在線幫助，便于學習和使用。
4.2仿生機械手各部分的建模與仿真
由于此次設計的機械手采用連桿驅動方式，所以對于機械手的各部分建模并不存在難點，只需按照所給定的尺寸進行三維模型的建立即可。
由于Pro/e自身的特點，若在組件裝配是沒有考慮后續(xù)的仿真過程的需要，只是機械的把各個組件生硬的裝配在一起，那么后續(xù)的仿真過程基本上是沒有辦法完成的。下面就開始具體說明機械手的裝配及仿真過程；
4.2.1機械手的建模
由于此次設計的機械手的三個手指均具有三個自由度，所以三個手指可以采用相同的結構，從而機械手的三個手指具有三個相同的結構，只是將三個手指安裝在機械手手掌上的結構也是相同的，只是具體位置有差異而已，所以在進行裝配的時候就可以采用部裝，然后總裝的方式進行。從而將機械手的整個裝配分為三部分；
1. 機械手手掌的裝配
首先打開Pro/e軟件，點擊新建圖標創(chuàng)建一個新的裝配文shouzhang.asm，如圖4-1所示
圖4-1 Pro/e裝配的新建界面
點擊確定，然后選擇mmns_part_solid進入Pro/e的裝配界面，如圖4-2所示：
圖4-2 Pro/e裝配體的初始界面
接下來可以進行手掌的裝配，在添加組件的時候有兩種選擇，一是可以選擇Pro/e的工具欄中的“插入”選項再選擇“元件”菜單的下拉菜單中的“裝配”選項找到已建立好的三維模型將元件添加到裝配圖中，為了在后續(xù)的工程圖制作過程中滿足投影關系，在添加第一個組件的時候須選擇“缺省”的裝配約束，如本例中在添加第一個組件是應如圖4-3所示
圖4-3 Pro/e中裝入第一個組件的界面
點擊“”即可完成第一個元件的裝配。然后進行第二組件的裝配，前面的步驟是相同的只是在選擇裝配約束時應按照具體的組件與組件間的約束關系來選擇約束。按照同樣的步驟裝配手掌部件的所有元件，最終手掌部件完成裝配，如下圖4-4示：
圖4-4 手掌部件的裝配
2. 手指的裝配
在進入裝配界面和手指第一個元件的裝配和手掌的裝配時是完全相同的，在裝完第一個元件時如圖4-5所示
接下來的裝配就不能按照之前的裝配方式進行了，原因很簡單，之前的裝配都是機構部分機架的裝配，各個部件之間在機械手工作時都是不動的部件，只需要滿足各部件的相對位置關系即可，但是手指部分的各個部件在機械手工作是均是需要運動的，故不可按照機架的裝配方式進行裝配，由第二章工作原理的分析可以知道，機械手的手指是屬于連桿機構，所以各個桿件間有相對轉動所以在裝配手指部件是應選擇能夠實現(xiàn)相對轉動的約束進行約束。
在此，各桿件的轉動可以用“銷釘”約束進行約束，具體的銷釘約束應該是兩桿件相對轉動的兩根轉軸對齊約束和沿轉對軸的移動約束，這樣就可以限制除了沿軸線轉對之外的所有約束。如圖4-7完成第二個桿件的裝配
圖4-6 在裝配轉動副時選擇約束方式為銷釘約束
圖4-7 按定義的運動副約束裝配轉動副
其余的桿件均是按照此種方式進行“約束”裝配。最終完成裝配的手指機構如下圖4-8所示
圖4-8 完成單個手指的裝配
3.驅動部分的裝配
由第二章的功能原理設計可知，該機械手的驅動部分是采用的多個球面副對機構實現(xiàn)驅動，故在選擇約束是就應該選擇“球”約束對驅動部分的各個球面副約束裝配。球面副的約束方式具體的來講就是球面副的“點對齊”方式，所以在建模階段就需要建立基準點。裝配的步驟和以上手指機構的裝配方式基本一致，這里就不作過多的介紹。球面副完成裝配后如圖4-9所示
圖4-9 完成驅動部分球面副的裝配
至此，機械手各個部件的裝配已經結束，最后對機械手進行總裝，裝配方法均和前面部裝的方法類似，在此不多做贅述。但是有一點是需要特別注意的地方，在總裝的時候，手掌部件應該新建一個約束“固定”來對手掌進行約束，因為在前面有說到，手掌部件在機械手工作是充當?shù)氖菣C架的角色，所以應該添加一個“固定”的約束來對手掌進行固定完成總裝后的機械手如下圖4-10所示
圖4-10 完成三指機械手的裝配
4.2.2機械手的仿真
該功能是由軟件自帶的機構模塊實現(xiàn)的。機構模塊（Mechanisms）主要有兩大功能：定義機構和機構仿真運動。由此可見，該模塊主要應用于產品結構檢測及仿真設計。
產品各零件之間的裝配關系，可使用仿真模塊模擬實際操作。它可快速、準確地檢測零部件的干涉、物理特征，模擬使用產品的操作過程，直觀顯示存在問題的區(qū)域及相關的零部件，指導設計者直接、快速地修改模型，從而縮短修改時間，提高設計效率。
由4.3.1的方式將機械手按運動副的約束裝配成功后即可點擊Pro/e工具欄中應用程序的下拉菜單“機構”進入機構模塊，在進行機構的運動仿真時首先應該給機構定義一個起始位置，在Pro/e機構模塊中可以點擊拖動圖標“”對機構進行拖動，然后點擊快照圖標“”以定義機構的起始位置，其次，在某些機構中對于機構的某些組件需要定義一個初始條件以確定在機構運動開始時這些組件處于一個特定的位置，在Pro/e的機構模塊中同樣可以定義，具體步驟如下：點擊定義初始條件圖標“”對機構的初始位置進行定義。最后當然就是對機構的原動件添加伺服電機，以確定原動件的運動方式和運動參數(shù)。下面就按照以上給定的步驟對機械手進行運動仿真。
首先，打開已裝配好的機械手組件“jixieshou-asm”文件，點擊應用程序的下拉菜單中的機構模塊進入Pro/e的機構模塊，點擊拖動圖標“”將機械手各組件拖動到合適的位置如圖，然后點擊快照圖標即可生成快照“Snapshot1”。
然后點擊第一初始條件圖標“”對機構的初始條件進行定義，在此我們對機械手的第一個指節(jié)的轉動軸轉速進行定義，定義好后如圖4-11所示，即完成對機構初始條件的定義。
最后我們應該為機構定義伺服電機以實現(xiàn)機構的運動，由第二章可以知道，機械手每個手指均具有三個自由度，總有九個自由度。于是我們應給機械手定義九個伺服電機，在此我們選擇在每個指關節(jié)處定義一個伺服電機，定義伺服電機的步驟如下：點擊定義伺服電機圖標“”對伺服電機進行編輯定義，在進入對伺服電機的定義后，在對從動圖元的定義時有兩個選項，分別為“運動軸”和“幾何”選項，由于我們的伺服電機控制手指各個關節(jié)的轉動，所以我們應該選擇“運動軸”選項，然后選擇任意一個手指的第一個指節(jié)的運動軸如圖4-12所示
圖4-11 初始條件的定義
圖4-12 在定義伺服電機是選擇運動軸類型
在點擊確定之前，應該注意電機的方向是否和機構第一指節(jié)的運動方向相同，具體的判斷方法為：在選擇了運動軸后轉動軸會出現(xiàn)一根深紫色的箭頭，然后用右手定則判斷電機的旋轉方向（大拇指的指向為深紫色箭頭的指向，其余四個手指的方向就是電機的旋轉方向），然后點擊輪廓按鈕，對運動軸進行定義設置，在此我們選擇速度選項規(guī)范，并定義速度的大小為6deg/sec。如圖4-13所示。
圖4-14 模型樹中各個伺服電機
至此，我們已完成第一個手指第一個指節(jié)伺服電機的定義。剩下的八個點擊即可按照同 圖4-13 對第一根軸定義輪廓
樣的方法進行定義，在定義完成后，可以打開Pro/e的模型樹查看定義的電機。如下圖4-14可知，我們已給機構定義了九個電機。能實現(xiàn)九個旋轉自由度的伺服要求。
到此，已經完成了對伺服電機的定義，若去除機械手的驅動部分，到此即可對機構進行運動分析，此時我們即可點擊機構分析按鈕“”對機構進行分析，名稱改為“my finger-1”類型選擇“運動學”機構運動的時間設置為15s幀頻設為50，初始配置選擇快照以確定每次運動均是由快照 “Snapshot1”開始 運動，然后點擊電動機選項設置電動機運動時如下圖4-15所示
圖4-15 分析定義中對伺服電機定義伺服時間
至此，以完成了對機構分析的定義，現(xiàn)在即可按運行按鈕對機構進行運動仿真。運行完成后點擊回放按鈕“”進行機構仿真回放并對仿真文件進行保存。進入回放界面后可以點擊“捕獲”按鈕對仿真的錄像進行捕獲，如圖4-16所示即可捕獲機構運動的錄像。
圖4-16 回放菜單的界面
小結
本設計將機械設計制造與自動化專業(yè)本科四年的知識整合到一起，完成特定功能的設計。它更好地體現(xiàn)了機械設計制造及自動化專業(yè)的特點，實現(xiàn)了理論與實踐的有機結合。
基于人體工程學仿生機械臂畢業(yè)設計，使我的知識豐富了許多，能力提高了許多。
首先，通過對機器人數(shù)據(jù)的檢查，我對機器人整體有了更深入的了解，并對國內外機器人的發(fā)展有了深入的了解，并對機器人的發(fā)展方向和應用更加了解現(xiàn)代操縱器領域。
其次，在機器人總體原理方案設計中，對機械產品設計有一定的了解和理解，對機械產品原理方案的評估方法有了新的認識和體會，并將此設計與使命相結合對機械手的驅動方式，傳動方式及其相應的傳動結構有深入的了解。
然后，在對組織運動的分析中，我深化了對機械原理的認識和理解，并學習了一些高等院校研究的知識和方法。我堅信這些知識會對我的生活產生巨大的影響。
最后，通過Pro / e軟件的學習，完成了機械手的建模，熟悉了Pro / e軟件的基本建模特點。基于此，網絡資源用于進一步研究Pro / e軟件的其他模塊。知識，并通過自己的不斷努力來完成機械手的運動模擬分析。
通過畢業(yè)設計，我學會了如何搜索信息，提高了我的自學能力，并讓我明白沒有理由獲得獎勵。我相信這個畢業(yè)項目為我未來的工作提供了很大的幫助。
由于我能力有限，設計上還存在不足之處，希望老師能夠及時糾正我。
致謝
歷時近三個月的畢業(yè)設計終于完成。在此期間，完成了大學課程的學習，使個人理論水平和實際操作能力得到了飛躍，從而加強了個人在設計，分析，實踐操作中的能力和使專業(yè)知識得到充分鞏固和加強。
這個畢業(yè)設計可以順利完成，我的指導老師給予了很多專業(yè)幫助，指導老師非常關心我選擇的開題報告，指出了開題的方向，幫助分析了該開題的可行性以及實踐中可能出現(xiàn)的問題和注意事項。在選擇課程時，我指出了我需要關注的知識范圍，并幫助我分析相應知識困難的原理，使我的畢業(yè)設計能順利進行。
同時，我也要感謝大學四年所有教過和傳輸知識的老師，他們也幫了我很大的忙,他們的許多想法和建議都激勵著我,提前致謝！
還有那些在中國工業(yè)控制網和中國機器人技術協(xié)會的默默貢獻的朋友，雖然不知道名字，在此也一并致謝！
由于個人的時間，知識和能力有限，論文中會出現(xiàn)一些疏乎或錯誤是在所難免，在此歡迎各位老師提出批評和糾正并表示感謝！
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