毕业设计（论文）
2.灵巧机械手方案设计
设计灵巧手需要首先根据用途确定其功能要求和设计指标。用途不同带来设计结果的差异。灵巧手设计需要考虑的因素很多，影响灵巧手总体方案的几个主要因素包括手型，自由度，驱动种类，传感器种类等，在本论文中主要研究了前三个因素。
2.1 灵巧手设计的基本原则
2.1.1 手型的选择
近年来，灵巧手的设计趋于拟人化，控制策略可能是其中一个主要原因。由于技术的制约，实现自主控制目前遇到许多障碍，因此利用人的操作经验进行主从控制是当前的一个方向。目前国内外比较流行的主要是3～5指的灵巧手。为了使结构简单，降低制作成本和操作可靠性，可以选择3指灵巧手作为设计方向，并且按照人手来配置手指的布局。 2.1.2 自由度的选择
在自由度的选择上，可以选择与人手一样多的自由度，也可以在保证灵巧手功能要求的前提下选择尽可能少的自由度。这样做的出发点主要有两个，一是兼顾传感和控制所能达到的水平。虽然自由度是衡量灵巧的一个重要指标，但当传感和控制功能很弱时，多自由度的优势仍然无法体现出来。二是我们对灵巧手功能的强弱与自由度的多少之间的关系尚不清楚，所以要在自由度不足的情况下观察灵巧手的抓持操作能力所受的影响，这样不仅能帮助我们识别和理解问题，还可以找到问题的答案。 2.1.3 驱动器的选择
在机器人灵巧手的设计中,驱动器的形式主要有电磁(电机)驱动、液(气)压驱动和采用记忆合金等[ 1～5 ]。现在在灵巧手的研究中,电机驱动是主要的驱动方式。体积小、输出力大的电机及集成驱动芯片的采用使电机、驱动电路板与手指机械本体融为一体,实现灵巧手手指的模块化。
灵巧手需要小而轻的驱动器，常见的为电动机。目前灵巧手最多有24个自由度。自由度越多，设计难度越大。那就要解决如何安放众多驱动器的问题。一般的微型电机由于体积太大只能安置在手外，用柔性绳传递运动和力。这正是很多灵巧手样机的采用的方式。人工肌肉是最近出现的另一种驱动方式，不过体积庞大仍然是一个未解决的问题。
选择驱动器时，需充分考虑集成化的要求。这里的集成化是指将灵巧手的驱动，控制 和传感等系统集成与手中，从而使灵巧手成为一个相对独立的模块。由此带来的好处是使灵巧手作为一种通用的机器人末端执行器，可以方便的应用于不同的机器人手臂系统，从
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而简化结构，提高可靠性，降低成本。
2.2 总体方案的比较
根据上述要求，在本此设计中初步选定了两套机械手方案。下面对两个方案进行分析比较。
方案一如图2.1所示，采用仿人手布局设计，共有三根手指，分别相当于人手的拇指，食指和中指。其中拇指有3个自由度，食指与中指各有4个自由度。所以此灵巧手手爪共有11个关节, 11个自由度, 每个关节都用电机来通过柔性绳驱动，电机内置于手掌内。可以方便地实现对手指的驱动控制。
图2.1 FRJ-12灵巧手
方案二如图2.2所示，柔性手共有两个手指，每个手指有5个关节，图中只有画两个关节，其余各关节与此类似。该柔性手的每个手指由多个关节串联而成，手指传动部分由钢丝绳及摩擦滚轮组成，每个手指由两根钢丝绳牵引，一侧为握紧，一侧为放松。这样的手爪可抓取不同外形的物体，并使物体表面受力均匀。该手爪同样采用电动机作为驱动器，但是电动机是外置的。
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图2.2 多关节柔性手
比较以上两个方案，在指数的选择上方案一选用了三指布局，手指也采用仿人手设计，便于操作，结构简单。方案二使用的是两指多关节手指对称布局，虽然在结构上要比较简单，但是操作的灵活性较差。
在自由度的选取上，方案一共有11个自由度，每个关节都分别有一个电机驱动，这样可以实现每个关节的独立运动，提高手爪的灵活性。方案二有10个自由度，每个手指有5个自由度，每个手指采用两个电机驱动，一个为握紧，一个为放松。每个手指上的各个关节都在钢丝绳的牵引下同时运动，灵活性较差。
在驱动与传动方面，方案一采用微型电机,可以像内置型灵巧手那样,将电机全部置于手掌内,形成独立的手部结构；同时可以借鉴外置型灵巧手的方式,采用线驱动方式使手指结构变更加简单,从而使灵巧手可以和普通人手一般大小,获得与人手一样多的关节和自由度数量，便于灵巧手的模块化设计。方案二使用外置的驱动器通过钢丝绳驱动关节转动。其优势在于:可以利用高功率的驱动器产生非常大的驱动力,如气压驱动;驱动器的外置可以使手指结构变得简单,从而使得多关节多自由度的灵巧手成为可能,然而,由于驱动器的外置,这种灵巧手很难和各种机器人手臂相联,而且手的工作空间变得有限,工作灵活性降低。综上所述，采用方案一的3指机械手作为这次毕业设计的研究方向。
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3.方案二的改进设计综述
由上一章对两种方案的比较，可以看出方案二也有着许多不可替代的优点。譬如，设计结构简单，虽然驱动器外置，但是这种仿人灵巧手我个人认为是最适合用来做单一的抓握运动的，而且适合大批量生产，这一章我对方案二适当进行了改进：增加为5指灵巧手，外形完全仿人化设计，因为专用于抓握工作，所以取消侧摆关节。以下即为对被弃用的方案二改进的具体内容，主要论述其传动和结构方面的设计，其他运动学及驱动方面的设计就不再论述，总的设计还是以方案一为主，我将在第四章开始对方案一进行完全的设计综述。
3.1 手指机构的传动方案设计
此手指机构的运动方案设计主要考虑的因素是在满足运动要求的前提下传动要平稳可靠结构要简单维护要方便，上一章也已经提到采用钢丝绳来传递运动和动力，这种传动方案的设计完全满足设计方案要求的平稳可靠。
图3.1是用solidworks画的此灵巧手的三维模型图，命名为FRJ-11。它是5手指5自由度仿人手。整个系统采用钢丝绳传动，各手指的传动机构系统基本相同，所以就以中指为例说明机构的传动方案。
图3.1 FRJ-11灵巧手
图3.2所示为中指三维模型，手指结构主要有两部分组成：硬固机构部分、手指软连机构部分。硬固机构由首指节、中指节、末指节组成，依次首尾轴向连接，串联在一起；手指软连机构由两钢丝绳一端分别从正反两面拴在末指节固定端，依次穿过中指节、末指节的穿孔处到达电机驱动轮上。当手指需要伸开时，驱动电机外转，外部钢丝绳主动拉紧，内部钢丝绳从动放松，末指节只受手背牵引力时，手指垂直方向运动伸直，此时，内钢丝
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伸展段最长，外钢丝伸展段最短。当手指需要弯曲时，驱动电机内转，外部钢丝绳从动放松，内部钢丝绳主动拉紧，末指节只受手心牵引力时，手指垂直方向运动弯曲，此时，内钢丝伸展段最短，外钢丝伸展段最长。可以看出和上一章的方案二基本是相似的，都是采用两根钢丝绳牵引，利用钢丝绳的拉紧，放松，实现了传动方案的结构简单，维护方便。说明一点，各指节的转动支点与钢丝绳固线点位置是决定机器手运动速度和抓握力大小的关键。
图3.2 FRJ-11灵巧手
3.2 FRJ-11的整体结构设计
若要机器手具有抓握和放置两种运动方式，则机器手要有手掌和手指机构，此外还要有机器手手指之间的平衡机构。为了使机器手能够按照指定的方向和角度运动，机器手还必须有运动方向和角度调节机构，自我保护机构也是不可少的。此外，需要电机传动、机器手臂辅助联动机构。
一般情况下机器手为自由半张状态，由直流电机驱动，机器手的手指采用连杆、电机、连接轴、万向节等组成，动力源是电机，机器手对被持物体的形状、大小、重量的规划由规划、视觉、触觉和控制系统给出，本章主要研究机构部分的设计。 3.2.1 关节的结构设计
在关节的制作过程中，选材是很重要的。材料的硬度和刚度都是选材的标准，如果用铝片制作手指模型的话，会因为硬度不够，很容易就裂了。用薄铁片制作后变形又会比较厉害。最终我选择了硬度和刚度都比较合适的铝合金。
图3.3、3.4、3.5、所示为我设计的手指各关节三维模型,分别为远指节，中指节和近指节。
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