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第三章 智能机械手结构设计.docx
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第三章 智能机械手的整体结构设计
第三章 智能机械手的整体结构设计
智能机械手的结构设计应尽可能从仿生学的角度出发,
人形的多指智能手来代替人手完成各种精细复杂的操作。
通过设计出仿
它是机构、传动、
控制三大系统的综合设计,人类的四肢经过了几十万年进化,经过了大自
然的优胜劣汰的优化选择,可以说已经是最优的结构,所以本设计决定采
用完全模仿能人手的结构。
3.1智能机械手的机构设计
手的机构设计主要是确定机构的自由度、手指数目、机构原理、传动
方案、关节、手掌的结构及几何尺寸、传感系统的布置位置。首先要求机
构具有较高的运动传动精度,较好的可控性和经济性
;其次要求机构本身
有较佳的机械特性。本文智能机械手的设计主要包括以下七个方面:
1) 手指关节运动副的型式
2) 手指自由度
3) 手指数目
4) 手指的结构型式 (关节的数目及相对姿态 )
5) 手指材料
6) 手指具体结构设计
7) 手掌结构设计
3.1.1 手指关节运动副型式
智
能机械手的手指机构同其它任何机构一样,由若干构件组成,构件
之间则通过运动副彼此相连,用来产生确定的运动。运动副相当于人手的
关节。常见的运动副有转动副、移动副、螺旋副、圆柱副和球面副,它们
的约束数分别为 5、5、5、4 和 3,相应的自由度数目为 l、1、1、2 和 3。
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第三章 智能机械手的整体结构设计
由于各运动副都要借助于驱动器来实现。而无论是转动的还是移动的驱动
器又大多为一个自由度。所以在智能机械手关节驱动中,可以采用的只有
转动副、移动副和螺旋副 3 种。但是采用移动副和螺旋副的关节只能够使
手指获得直线运动,其灵活性明显要比只含转动副的手指要差,因此,本
文所设计的智能机械手的运动副全部采用转动副。
3.1.2 手指的自由度
自由度多的优点是在满足指端到达空间指定点的前提下,可以调整末
杆的姿态,从而保证手指与物体的接触处于最佳状态。但是我们也可以看
到,自由度增多,结构也更复杂,控制也更难。对于 2 自由度的手指来说,
虽然不存在抓取和操作物体的灵巧性,但其智能机械手的结构设计和控制
设计都很方便。本文设计的智能机械手每个手指有
2 个关节。
3.1.3 手指的数目
人手能够抓取各种不同形状、不同材质的物体,其根本原因在于人手
能采取各种各样的抓取姿态去适应特殊的任务要求。智能机械手的手指数
目若小于 3 个,则无法完成对抓取物体的微细操作,当手指数为
仿造人手的手指数目和结构,具有很多优势,如果技术允许可以完成人手
的所有动作如图 2-1,而且如果作为人的假肢则必须为 5 指。若手指数目
多于 5,由于每个关节需要分别独立驱动,如果再加上若干传感器,规划
过程和控制过程都相当复杂,很难保证实时性,所以智能机械手的手指数
目一般取 3 到 5 个手指。
5 时,是
从仿生学角度出发,为能实现对各种不同形状物体的抓取,本文设计
的智能机械手的手指数目取为 5 个。
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第三章 智能机械手的整体结构设计
图 3-1 人类手指对任意物体的抓取方式
通过对人手抓取任意物体方式的分析,可以将人手的抓取方式分为
:
手掌接触抓取、手指内侧接触抓取、手指侧面接触抓取、
取、混合抓取等。而智能机械手对物体的操作即是实现不同抓取方式之间
在的转换的运动。其中前三者为人手抓取的基本类型,可以实现其它几种
类型的抓取。
3 个虚拟指的抓
(1). 指端接触抓取将大拇指作为“虚拟指
1”,另外四指作为“虚拟
指 2”的相对面抓取。它具有良好的抓取灵活性,抓取精度较高,但在抓
取稳定性及抓取力上受到一定限制。
(2). 手掌接触抓取定义手掌为 “虚拟指 1”,除大拇指外的四指为 “虚
拟指 2”的相对面抓取。它以牺牲抓取灵活性以换取抓取的稳定性,手掌
及各指的大面积接触被抓物使手抓充分发挥出抓取力,同时提供足够的摩
擦力。大拇指可以用以增加抓力,因此这种抓取方法保证了最大的抓取力
和抓取稳定性。
(3). 侧接触抓取大拇指为“虚拟指 1”,食指朝大拇指的侧面为“虚
拟指 2”接触面的抓取,其抓取灵活性和稳定性介于指端接触抓取和手掌
接触抓取之间。
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