基于人体工程学仿生机械臂设计
基于人体工程学仿生机械臂设计,基于,人体,工程学,仿生,机械,设计
摘 要
基于仿生学原理，以均力抓取为目标，设计了一种抓取力可调的欠驱动机械手。针对不同尺寸的刚性球体和多自由度机械臂，依据参与抓取的指节数目，进行了多指节抓取模式的分类研究，并分别建立了静力学模型。输入转矩一定时，通过调节机械手近指节的初始角度，可以达到接触力大小相等的良好效果；当近指节初始角度不变时，通过调节输入力矩的大小，可实现在均力抓取状态下接触力大小可调的功能。并用Pro.E实现对仿真机械手臂的仿真
【关键词】仿生学、自由度、多指节
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 录
摘 要 1
目 录 3
1 绪论 1
1.1仿生机械的选题背景 1
1.2仿生机械臂的研究现状 2
1.3仿真机械臂的选型 6
1.3.1机械臂选型原则 6
1.4.2 驱动选型 6
2 仿真机械臂设计方案 8
2.1设计任务 10
2.2 功能分析 10
2.3 仿生机械臂设计原理 11
3 机械手手指的运动分析 14
3.1 手指机构运动学 14
3.1.1 手指机构的自由度计算 14
3.1.2 手指计算 15
3.1.3 三自由度仿生机械手指的位置反解分析 17
3.2 仿生机械手指的速度分析 21
3.3 仿生机械手指的运动空间分析与仿真 22
4 基于人体工程学仿生机械手的建模，装配及仿真 23
4.1 Pro/e简介 23
4.2仿生机械手各部分的建模与仿真 25
4.2.1机械手的建模 25
4.2.2机械手的仿真 31
小结 35
致谢 36
参考文献 37
4
1 绪论
1.1仿生机械的选题背景
在人类在地球上出现之前，各种物种在大自然中生活了数百万年，在为生存而奋斗的长期演变中获得适应自然的能力。生物学研究表明，生物体在进化过程中形成的极其精确和完善的机制使他们能够适应内部和外部环境的变化。生物界有许多有效的技能。如人体的生物合成，能量转换，信息接受与传播，外界识别，导航，定向计算与综合等，都表明许多机器具有无可比拟的优越性。生物的小巧，灵敏度，速度，效率，可靠性和抗噪能力都非常出色。
尽管人类仿生学的行为早已存在，但在20世纪40年代之前，人们并没有有意识地将生物学作为设计思想和发明的来源。科学家对生物的研究只停留在描述生物体的精巧结构和完美功能上。工程师和技术人员更多地依靠他们的卓越智慧，并努力工作来制造人造发明。他们很少有意识地从生物世界中学习。然而，以下事实可以解释：人类遇到的一些技术困难，生物圈早在数百万年前就已经出现，并且在进化过程中得到了解决，但人类还没有从生物世界中获得适当的启示。
自从1782年瓦茨发明蒸汽机以来，人们在生产斗争中获得了强大的动力。在工业技术领域，能源转换，控制和利用基本得到解决。这导致了第一次工业革命。各种类型的机器如雨后春笋般涌现。工业技术的发展极大地扩大和加强了人们。身体能力使人们免于繁重的体力劳动。随着技术的发展，人们已经经历了蒸汽机后的电气时代，并正在走向自动化时代。
20世纪40年代电子计算机的出现为人类科学和技术的宝藏增添了宝贵的财富。它以可靠和高效的技能处理了数以万计的人们的信息，并使海洋中的人们像海洋一样。数字和信息的解放，计算机和自动装置的使用可以使人们在面对复杂的生产过程时容易和省力，他们准确地调整和控制生产过程以使产品规格准确。但是，自动控制装置按照人们制定的固定程序工作，这使其控制能力受到很大限制。自动设备缺乏对外界灵活分析和反应的能力。如果发生意外情况，自动装置必须停止工作甚至发生意外。这是自动设备本身的严重缺陷。为了克服这个缺点，无非是为了实现机器各部分之间以及机器与环境之间的“通信”，即自动控制装置适应内部和外部环境变化的能力。要解决这个问题，我们必须解决如何接受和改变工程技术。使用和控制信息问题。因此，信息的使用和控制已经成为工业技术发展中的一个主要矛盾。如何解决这个矛盾？生物界为我们提供了有益的启发。
控制论的基本观点是动物（特别是人类）和机器（包括各种通信，控制和计算自动化设备）之间存在一定程度的通用性，也就是说，它们在控制系统中具有一定的共性。法。根据控制论研究，各种控制系统的控制过程包括信息的传输，转换和处理。控制系统的正常运行取决于信息的正常运行。所谓的控制系统是指将受控对象和各种控制元件，组件和电路有机地组合在一起，从而整体上具有一定的控制功能。从信息角度看，控制系统是信息通道的网络或系统。机体与控制系统在生物体内存在着很多共性，因此人们对生物自动化系统有着浓厚的兴趣，并且利用物理学，数学甚至技术模型对生物系统进行深入研究。因此，控制理论已经成为生物学和工程技术联系的理论基础。成为沟通生物系统和技术系统的桥梁。
1.2仿生机械臂的研究现状
1962年美国就有一种类似多指灵巧手的手爪制造出来。但是真正的灵巧手是1974年日本的okada手[1]，如图1.1所示。
该手具有三个手指，有一个手掌，拇指有三个自由度，另两个手指各有四个自由度。各自由度都是由电机驱动，并由钢丝和滑轮完成运动和动力的传递，属于n驱动方式。该手的抓取重量为0.8Kg，自重0.24Kg。这种手的灵巧性比较好，但由于拇指只有三个自由度，还不是最灵巧的手。此外，在结构上，各个手指细长而单薄，难以实现较大的抓取力和操作力。
德国宇航中心研制的DLR手被公认为迄今为止世界上最复杂、智能化和集成化最高的仿人机器人多指灵巧手[2]。如图1.2所示，该手是一种仿人手，它是由四个完全相同手指组成，每个手指有四个关节。整个手共由1000个机械零件以及1500个电子元件和112个传感器组成。其中，末端的两个关节同人手类似，存在着机械祸合，使用一个驱动器进行驱动。基关节使用两个驱动器，实现两个方向的运动。DLR手采用电驱动方式，使用微型直线驱动器作为驱动元件，n+1驱动方式。该直线驱动器将旋转电机、旋转直线转换结构和减速机构融为一体。所以它可将所有的驱动器集成在手指或手掌中，减小了手指的尺寸，同时使腿的传动距离缩短，提高了动态响应。DLR手在每个手指上集成有28个传感器，包括类似人工皮肤的触觉传感器、关节力矩传感器、位置传感器、速度传感器和温度传感器等。
图1.2DLR多指灵巧手指
具代表性的多指灵巧手是1985年美国麻省理工学院和犹他大学联合研制的Utah/M工T灵巧手[3]，这是一种仿人手，其大小、形状、功能都与人手相似。Utah/MIT手采用了模块化的结构设计，四个手指(拇指、食指、中指和无名指)完全相同，每个手指有四个自由度，各手指都连接到手掌并且相对于手掌运动。手指的每个关节都由腿(绳索)、滑轮进行远距离带动，属于2n驱动方式，驱动元件采用的是一排气动伺服缸，能在指尖上产生31N的抓取力。16个位置传感器装在每个关节上，32个腿拉紧传感器装在腕后面。目前该手多用于实验室的各种研究，它的主要问题是关节自由度太多，控制太复杂，难以实现实时的在线控制，还未得到实际应用。
美国斯坦福大学研制的Stanford/JPL手(Salisbry手)[4]也是一种非常具有代表性的非仿人多指灵巧手。该手没有手掌，共三个手指，每指三个关节，拇指相对另两指布置。每个手指由四个直流力矩电机驱动，通过四条绳索张力的调节来控制三个关节力矩的大小，属于n+1驱动。关节1、2有士90’的运动范围，末端关节3有士135’的运动范围。这种手每个手指的自由度只有三个，在抓取物体时，抓取点(指尖位置)一旦确定后，其抓取姿态就唯一确定。因此，实际上手指没有冗余关节，也就没有抓取的柔性，无法像人手一样进行灵巧、稳定的抓取和操作。
此外，根据欠驱动原理研制的三指10个自由度的机器人手爪具有驱动元件数量少、抓取物体范围广泛等优点，在欠驱动手爪的4个主要机构中,欠驱动手指对抓取物体具有被动柔顺和形状自适应的特性，首先对三关节欠驱动手指机构进行静力学分析,提出合理的设计目标和约束条件;然后根据设计目标,采用遗传算法得到手指机构的各个关节连杆尺寸和抓取物体时的特殊构形,使得在抓取给定物体时各关节指面的接触力达到均匀分布,得到高效的力传递和更加紧凑的机构尺寸。加拿大MD ROBOTICS公司和Laval大学合作研制出SARAH手爪 (Self-AdaptingRobotic Auxiliary Hand) [5]如图1.3所示,该手爪共有10个自由度,只用两个电机驱动,一个电机负责三个手指的开合;另一个负责调整手指方向,使其能采取不同的抓取姿势抓取物体。SARAH手爪既可以用末关节指面捏取的方式完成各种精确捏取,如图1.4所示，又可以用欠驱动的方式完成包络抓取，如图1.5所示。
图1.3 欠驱动10-DOF SARAH手爪
图1.4欠驱动10-DOF SARAH手爪用末关节指面捏取
图1.5欠驱动10-DOF SARAH手爪用欠驱动的方式完成包络抓取
在国内，对灵巧手的研究是从20世纪80年代后期开始的，其中以北京航空航天大学研制的BH系列为代表，从1987年以来，北航已先后研制出BH一1、BH一2、BH一3型多指灵巧手，该型手是一种仿Stanford/JPL手，三指九自由度，每个手指由四个电机驱动，属于n+1驱动方式。近几年，北航开始研究BH一4型灵巧手，该手为四指十六自由度，采用模块化设计，分为手指、手掌和机械接口三个模块，改变手掌设计一可以获得拟人或非拟人手，机械接口用于确定手与臂的连接，改变机械接口可以使灵巧手适应不同的机械臂。传动元件全部由齿轮副组成，电机完全置于手指中。传动路线短，结构简单、紧凑。
但是由于国内对机械手研究的滞后等原因，我国目前已经制造出来的这些多指灵巧手在结构方面都存在许多不完善的地方。因此，有必要对多指灵巧手结构进行深入的分析，并引进合理的优化设计方法，设计出结构更为合理的多指灵巧手，为多指灵巧手的实用化和其他方面的研究提供最理想的结构。
1.3仿真机械臂的选型
1.3.1机械臂选型原则
多指灵巧手的开发可以帮助解决上述问题。因为作为末端执行器的灵巧手相当于可以安装在机器人手臂上并且可以独立执行精细操作运动的一组机器人，所以机器人手臂实现了粗略定位，并且通过使用灵巧手来实现精确定位手。如果使用合适的抓取方法和掌握规划算法，理论上可以抓住任意物体，并且可以将任意运动和力施加到物体上。这对于提高机器人的智能化操作水平具有重要意义。本课题旨在通过优化灵巧手指和控制系统的设计来解决以下问题。
（1）能够适应被操作物体形状的变化，尽可能地抓住不同形状的物体;
（2）可以控制操作力，对不同物料的物体进行操作;
（3）可以对被抓住的物体进行微小的姿势调整;
（4）通过上位机控制掌握运动计划，可以使灵巧手顺利移动
1.4.2 驱动选型
链条、钢带这种方式同样是把驱动器和关节分开安装，是远程驱动的手段之一，链条、钢带与钢丝绳相比，刚性高，可以传递较大的输出，但设计上的限制也很大，在SCARA型的关节机器人中多采用了此法。
对于像灵巧手指这类不是很远距离的运动和动力传送,连杆机构也是可行的方法。手指机构的主体是开环串联三连杆机构,在此开环机构上添加一些零自由度的杆组,就可以构造出闭环连杆机构,通过这些杆组可以将手指根部的动力传送到各个关节,如图1.7
图1.6闭式链手指机构
杆1，杆2和杆3分别为根关节，中间关节和远侧关节，根关节固定在手掌上。图2中的杆1,4和6被同轴驱动。电机直接驱动杆1,4和6，杆4通过四杆连杆驱动杆2。杆6通过另一平面四连杆机构驱动莲花杆8，然后通过第三四连杆机构带动无名指连杆3。莲花8的作用是提高两平面四边形之间的传递性能，从而实现手指三个关节的独立驱动。考虑到一般四连杆机构的传动的运动在传动过程中具有很大的变化，所以使用具有与输入相等的输出的平行四边形机构。可以看出，杆件3分别由杆件2和杆件9分别引导的两个分支直接平行驱动，两个分支均与杆件1串联连接，从而指尖的位置将会由杆决定1的构造和由杆2上的两个平行四边形机构引导的分支的位置是共同确定的。上述特点说明这是一种混合结构，它具有并联和串联结构的优点，即它继承了并联结构的高速，高刚性，并且具有高度的串联结构的柔性;并行驱动，但它是整个手指的串行结构，具有串联结构的特点。
闭链驱动功能：
与常规驱动模式下的传统绳索滑轮驱动器相比，该传动结构具有以下优点：
（1）一对运动较低，接触面为面接触，低对辅助元件易于润滑。杆的几何结构简单且易于制造。
（2）传动刚性小，变形小，无滞后，通过几何约束定位，传动可靠，工作安全。
（3）杆的平行传动能承受较大的载荷，机械损失较小，这是连杆传动的最大优点。
（4）杆可以被拉或压。电机可以实现接头的正反转，返回方便。因此，一旦控制力过度调节，就很容易消除。
（5）封闭链由平行四边形机构驱动。平行四边形机构的输入等于输出特性。因此，手指的运动学和各种性能相当于开环平面三自由度连杆机构，因此简化了运动学解和性能分析。从以上分析比较可以看出，所设计的新型平行连杆机构传动比传统的钢丝绳传动有更好的优势，特别是针对传统传动方式传递刚性时固有的缺陷，这种新型传动方式有一定的提高效率。当然，这种传输方式会使灵巧手的结构复杂化，必须注意结构的具体设计。
在对上述驱动方法进行分析和研究的基础上，本文的驱动机构由闭环链传动机构的驱动方法驱动。
2 仿真机械臂设计方案
产品开发通常需要几个阶段，如产品规划，程序设计，技术设计和施工设计。
在项目设计阶段，针对产品的主要功能提出了原理的概念，探讨了解决问题的物理效和工作原理，并利用机构运动图，液压电路图和电路图。
方案设计对产品的结构，工艺，成本，性能，使用和维护有很大影响，是产品水平和竞争力的关键环节。因此，原理方案的创新设计有其重要的意义。
工程设计的内容复杂而复杂。如果我们孤立地，静态地分析某一领域的问题，所得出的结论往往是片面的，而且是有限的。系统工程方法是把事物作为一个整体系统来研究，分析系统
图2.1原理方案设计步骤
各部分之间的有机联系以及系统与外部环境之间的关系是更为全面的研究方法。在设计原理方案的过程中，常常使用系统工程视图和方法来解决复杂问题。
原理方案的设计是一个发散收敛过程。从功能分析开始，通过创新思路探索多种解决方案，然后进行技术和经济评估。经过优化和选择，获得最佳的原则计划。图2-1显示了每个阶段使用的步骤和主要方法。
系统工程方法设计的产品原理设计与组合的功能和实现的分析和解决密切相关。
系统工程使用“黑匣子方法”来研究和分析问题。对于一个复杂的未知系统，就好像它不透明一样，它不知道其内部结构的“黑盒子”。通过分析黑匣子的连接，输入和输出以及周边环境，可以利用外部观测来了解其功能和特点，进一步探索其内部原理和结构。
2.1设计任务
根据此次设计的设计任务书要求设计一个九自由度三指仿生机械手，以完成机械手对其他物体的抓取。具体要求如下：
（1）九自由度三指仿真机械手的总体设计方案；
（2）九自由度机械手指的结构设计与运动分析；
（3）九自由度三指仿真机械手的三维设计；
（4）械手的装配与仿真。
2.2 功能分析
由于现代机械中动力源主要有电动机、汽油机、柴油机、气动马达等，但由于机械手的工作条件和各种动力源的特点决定了，在现代机械手中的动力源多以电动机作为动力源。故在本设计中均以电动机作为动力源进行研究探索。
仿生机械手和一般夹持工具实现对工件的抓取类似，但需要更高的灵活度，以便于实现机械手对于不同形状的工件实现更为灵活可靠的抓取。
2.3 仿生机械臂设计原理
图2-2为一种较好的三指机械手的原理方案，即采用步进电机的回转运动—曲柄滑块—球面副—杆机构的组合。
图2-2 单指2自由度机械手结构简图
本设计是要求九自由度三指仿生机械手的结构设计，故对图2-2进行修改变异后即可得到单指三自由度的机械手结构， 变异后的机械手在pro/e软件建模如图2-3所示。
图2-3 各种位形下手指的仿真图
变异后得到的机械手结构在pro/e中抓取圆柱工件和球形工件的仿真如下图2-4所示：
图2-4 抓取圆柱形和球形工件的三自由度手指三维模型
上节中已说明了机械手夹持部分的原理方案，为了进一步明确机械手的具体结构设计和布局，下面针对机械手的整体布局和驱动方式作具体分析，由上述可知，机械手的动力源采用的是步进电机，但是步进电机的输出是电动机转轴的回转运动，但是经分析，机械手执行夹持的部分要求的是杆机构的直线运动，故需将电机主轴的回转运动转换为机械手执行部件的杆机构的直线运动。由机构学可知，将一个回转运动转换为直线运动主要有以下几种方案：
（1）曲柄滑块机构
曲柄滑块机构中的运动副均为低副（故又称为低副机构）。其运动副元素为面接触，压力较小，承载能力较大，润滑好，磨损小，加工制造容易，且曲柄滑块机构中的低副是几何封闭的，对保证工作的可靠性有利。
利用曲柄滑块机构还可以很方便的达到改变运动的传递方向，实现增力和远距离传动的目的。
但是曲柄滑块机构也存在一些特点，主要是电机转轴的回转运动需要通过中间构件曲柄和连杆的传递，故增加了传动线路，易产生较大的累积误差，并且使得机械效率降低。
（2）齿轮齿条机构
齿轮齿条机构虽然在提高机械传动效率方面比曲柄滑块机构具有较大的优势，但是齿轮的齿面作为一个较为复杂的型面，在加工和制造过程中较为困难，且加工成本比曲柄滑块机构高，。
齿轮齿条传动在传动上还存在一个不可忽视的缺点，齿轮齿条啮合传动时是属于线接触，故相对曲柄滑块机构，齿轮齿条啮合传动时的接触应力较大，齿面容易磨损，最终会导致更大的传动误差。
（3）凸轮机构
凸轮机构作为将回转运动转换为其他运动形式的传动机构，在工业应用中有其独特的优势，其最大的优点就是：只要适当地设计出了凸轮的轮廓曲线，就可以使得推杆得带各种预期的运动规律，而且响应快，机构简单紧凑。
但由于凸轮机构自身的结构形式，决定了其固有的缺点，在凸轮机构中，凸轮廓线和推杆间为点、线接触，所以接触应力大，容易磨损，而且凸轮的加工制造较困难。
（4）螺旋机构
螺旋机构有螺杆、螺母和机架组成。一般情况下，它是将旋转运动转换为直线运动。螺旋机构的优点是能获得很大的减速比和力的增益，还可以自锁性。但是由于螺纹的机构形式，螺旋机构的机械效率会比较低或者是效率提高，磨损则增大，两者不可兼得。
由上述分析，综合传动误差，传动效率和经济成本的考虑，以下方案是采用曲柄滑块机构对机械手的执行部分实现驱动，机械手单个手指的的布局如示：则由图2-5可知，机械手的工作原理：在曲柄1的外部链接一个步进电机，步进电机的旋转运动通过曲柄滑块机构将运动传至三角板4，由于滑块3将运动传至构件是由球面副实现的，所以构件4可实现在竖直方向移动外，还可以实现三个方向的转动。再由4构件各个顶点的上下移动带动5构件运动，再由杆机构6、7、8的运动将运动传至指尖机构8，对工件实现夹持。而构件4连接构件5的运动副为球面副，则可以实现对各种形状的工件进行自适
图2-5机械手单个手指的布局图
3 机械手手指的运动分析
机器人运动学描述了机器人关节与组成机器人的各刚体之间的运动关系。本章首先对手指机构进行自由度分析，以确定有几个独立参数需要驱动，然后对手指机构进行位置正反解分析，速度分析，得到了雅克比矩阵。最后对机构的特殊位形和零点进行了讨论，得出了一些设计条件。
3.1 手指机构运动学
物体在工作空间内的位置以及机器人手的位置，都是以某个确定的坐标系来描述的、而工作任务则是以某个中间坐标系(如赋于手指末端的坐标系)来规定的。由笛卡儿坐标系来描述工作任务时，必须把上述这些规定变换为一系列能够由手指驱动的关节位置。确定手指位置和姿态的各关节位置的解答，即运动方程的求解。要知道工作物体和工具的位置，就要指定手指逐点运动的速度。雅克比矩阵是由某个笛卡儿坐标系规定的各单个关节速度对最后一个连杆速度的线性变换。
3.1.1 手指机构的自由度计算
平面机构的自由度计算公式为
（3-1）
其中 ：——机构中活动构件的数目；
——机构中低副的数目；
——机构中高副的数目。
从图3-1中可以看出此手指结构有7个活动构件，9个转动低副，没有高副，也不存在局部自由度和虚约束，自由度计算如下：
图3-1 手指的机构简图
3.1.2 手指计算
具有闭式链结构的灵巧手，决定手末端位姿及速度和加速度性能的主要杆件间的相对转角中，有些是被间接驱动的，有些关节运动时，另一些关节会由于结构上的原因产生附加运动。所以，在求解时，必须先分析运动特点，找出直接决定末端位姿、速度和加速度性能的关节角，把它们分离出来，组成等价的开链机构，然后进行求解[6]。一个nDOF的闭式链可有nDOF的开式链和一个0DOF的杆组构成，自由度保持不变，闭式链的运动学特性及工作性能由开式链决定。对图3-1所示的手指结构，可以将其等价为由杆1、5、7组成的开环平面三自由度连杆结构，再作运动学分析。建立如图3-2所示的坐标系，各关节输入角为，各关节相对基坐标系x轴的转角为，也就是各电机输入角，有如下关系：
（3-2）
利用几何法可以得到手指末端的位置正解，手指末端点的位置可以通过坐标来表示，姿态用表示，经过投影变换有如下关系：
（3-3）
（3-4）
（3-5）
图3-2 平面三自由度开环连杆机构坐标系
国内外仿生机械手指的优化设计，选定,根据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)计算数据如下表3.1：
表3.1 仿生机械手指的位置正解实例
3.1.3 三自由度仿生机械手指的位置反解分析
通过末端点的位置，求出能实现这一末端位置的一组或者一系列关节输入角的过程即为位置反解的过程，而位置反解的求解可以分别用代数的方法以及几何的方法。
(a) 代数法：设末端点的位置，图3-3中
图3-3 位置反解代数法分析
(3-6)
利用复数向量法列出矢量位移方程
（3-7）
当手指末端点的位置确定后，上式有两个未知数，故可以求解。移项，对等式两边同乘以各自的共轭复数，有
(3-8)
将上式展开，合并同类项，有
(3-9)
其中令
均已知，化简即为
(3-10)
可得有两个解：
（3-11）
再利用式5)求解，即：
（3-12）
即得：
（ 3-13）
，这个可以在几何的方法中详细解释，如图3.2所示两种位形可以满足要求。
（b）几何法：当手指末端点的位置确定后，如图3-4可以求出点位置
，其中 (3-14)
图3-4 位置反解几何法分析
如图3-4所示，在组成的三角形内，应用余弦定理可以求出，其中投影关系如下：
(3-15)
由此可得
(3-16)
值得注意的是：
(1)为了保证解的存在，目标点应满足的条件；
(2)在满足解的存在性的条件下，可能有两个解（其中一由虚实线表示）：
为了求出，首先计算角度
其中
(3-17)
(3-18)
由此得出
(3-19)
其中，当时，取“+”号；当时，取“-”号。手指末端连杆的方位角由三个方位角之和决定：
(3-20)
从而确定。
现选择几何法来验证反解，具体过程如下：
首先假定，根据设计要求还是令，选取表1其中位置的数据，， ，代入(3-14)式得
继续代入(3-16)得：
则或者
用式(3-17) 、(3-18)，得到
当时，代入式(3-19) 、(3-20)
当的时，代入式(3-19) 、(3-20)
从结果分析，有一组解即为正解分析中的位置，而另一组解为图3.3中所示虚线的位置。也就是说，两组解在手指末端关节的关节角是相同的，因为这由公式(3-14)决定。而两组解的手指根段关节和手指中段关节的位置态，正好是关于经过原点与的直线对称，这是由于公式(3-16)决定的，但实际情况是两组解都可能实现，只是第一组解比第二组解更容易到达，并且可以更好避免奇异位置的出现。
3.2 仿生机械手指的速度分析
式(3-3)、式（3-4）、式（3-5）对时间t求导，就得到手指末端P的速度
(3-21)
其中 ，，，，
，；
令 V=,,
将（3-21）式改写成矩阵形式
V= (3-22)
其中 = (3-23)
就是手指机构的雅可比矩阵，它描述了机器人机构的操作空间速度和关节空间速度的线性映射关系。在这里描述了手指末端P点的速度和各关节速度的映射关系。
由于线速度和加速度的不同量纲，将雅可比矩阵分成子阵：
(3-24)
将（3-22）式写成：
(3-25)
(3-26)
,速度反解为 (3-27)
当满秩时，为雅克比矩阵的逆矩阵，当不满秩时，=0，的逆矩阵不存在，此时任何一组关节运动变量为奇异关节变量，机构处于奇异位姿，欲使手末端沿某个笛卡儿方向以一定的速度运动，其某个关节所需的速度将变得非常大，且接近极限不确定值，但由于关节实际运动速度不可能无限大，所以末端势必偏离所要求的运动或失去某个方向的运动而出现机构自由度瞬时减少的现象。
同位置分析一样，若末端点P不考虑与物体的接触姿态，则用来描述姿态的输出变量可以任意，此时的速度雅克比将有所变化
= (3-28)
不是方阵，于是不存在逆矩阵，用其伪逆代替，有
(3-29)
由线性代数的知识可知式(3-29)的解不唯一，有无穷多组解，在进行速度规划时应根据要求选取适合的解。
3.3 仿生机械手指的运动空间分析与仿真
目前，随着机器人技术研究领域的不断扩展，机器人计算机仿真系统作为机器人设计和研究的灵活方便的工具，发挥着重要的作用。本设计中的机械手作为一种仿人机械手，能完成较复杂的抓取动作。在机械手应用于作业研究时，一个重要的因素就是机械手在运动过程中能达到的空间位置，这对于作业和避障都有一定的实际意义，因此在机械手的设计和应用研究阶段都应对机械手的可达空间进行分析。本节探讨通过代数方法来求解3自由度手指的工作空间。首先根据设计要求，，，可以得出手指运动空间肯定分别在，方向都是在之内。加上约束条件，约定方向只在正方向，即在范围内；由于机构中存在平行四边形结构，所以约定在之间；而去除平行四边形的奇异位置，也就是说通过程序对角度的判断，把平行四边形两个相邻的杆件夹角为或者时去除，当然在编制程序的时候是在的范围内把这两个位置去除掉；再加上分析公式(3-12)，其中判断反解存在的条件是的非负性。通过以上这些约束条件，进行MATLAB的程序仿真，仿真结果如图3.4。
图3.4 3自由度手指工作空间分析图
4 基于人体工程学仿生机械手的建模，装配及仿真
4.1 Pro/e简介
Proe是PTC Corporation的Pro / Engineer软件的缩写。 Pro / E（Pro / Engineer操作软件）是Parametric Technology Corporation（PTC）的重要产品。它是集成CAD / CAM / CAE功能的集成3D软件。它在三维建模软件领域发挥着重要作用，被业界公认为当今世界机械CAD / CAE / CAM领域的新标准。推广是当今最成功的CAD / CAM软件之一。
经过二十多年的不断创新和改进，现已成为3D建模软件领域的领导者之一。它具有以下特点和优点：
参数化设计和特征功能 Pro / Engineer是一个基于参数的基于特征的实体建模系统。工程师使用基于特征的功能和智能特征来生成模型，例如腔体，壳体，倒角和圆角。您可以随意绘制草图并轻松更改模型。该功能为工程设计人员提供了以前从未有过的简单性和灵活性。
单独的数据库 Pro / Engineer建立在一个统一的基层数据库上，不同于建立在多个数据库上的一些传统的CAD / CAM系统。所谓单一数据库意味着项目中的数据全部来自一个库，这样每个独立用户都可以为产品模型工作，而不管他是哪个部门。换句话说，整个设计过程的任何变化都可以反映在整个设计过程的相关方面。一旦工程细节发生变化，NC刀具路径将自动更新;如果对装配图进行任何更改，它也会反映在整个3D模型中。这种数据结构和工程设计的独特组合使得产品的设计得以结合。这种优势使得设计更加优化，成品质量更高，产品销售更好，价格更便宜。
完全关联 Pro / ENGINEER的所有模块都完全相关。这意味着产品开发过程的一部分所做的更改可以扩展到整个设计，并且所有工程文档（包括装配，设计图和制造数据）都会自动更新。完全相关性鼓励在开发周期的任何阶段进行修改而不会有任何损失，并且可以进行并行工程，以便后期开发中的某些功能可以提前发挥作用。
基于特征的参数化建模 Pro / ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的结构元素。这些功能是一些常见的机械对象，可以通过预设轻松修改。例如：设计具有弧形，圆角，倒角等特点，它们为工程人员所熟悉，因此易于使用。装配，加工，制造和其他学科在这些领域使用独特的功能。通过为这些特征设置参数（不仅包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数，可以轻松地进行多次设计迭代以实现产品开发。
数据管理 加速上市需要在更短的时间内开发更多产品。为了实现这种效率，必须允许来自多个学科的工程师同时开发相同的产品。数据管理模块的开发专门用于管理并行项目中的并行工作。这使得使用Pro / ENGINEER独特的全相关功能成为可能。
装配管理 Pro / ENGINEER的基本结构使您能够在保持设计意图的同时，使用直观的命令（如“啮合”，“插入”，“对齐”等等）轻松组装组件。高级功能支持大型复杂组件的构建和管理，并且可以使用不限数量的部件。
易于使用 菜单以直观的方式显示，提供合理的选项和预先选定的常用选项，以及简短的菜单说明和完整的在线帮助，便于学习和使用。
4.2仿生机械手各部分的建模与仿真
由于此次设计的机械手采用连杆驱动方式，所以对于机械手的各部分建模并不存在难点，只需按照所给定的尺寸进行三维模型的建立即可。
由于Pro/e自身的特点，若在组件装配是没有考虑后续的仿真过程的需要，只是机械的把各个组件生硬的装配在一起，那么后续的仿真过程基本上是没有办法完成的。下面就开始具体说明机械手的装配及仿真过程；
4.2.1机械手的建模
由于此次设计的机械手的三个手指均具有三个自由度，所以三个手指可以采用相同的结构，从而机械手的三个手指具有三个相同的结构，只是将三个手指安装在机械手手掌上的结构也是相同的，只是具体位置有差异而已，所以在进行装配的时候就可以采用部装，然后总装的方式进行。从而将机械手的整个装配分为三部分；
1. 机械手手掌的装配
首先打开Pro/e软件，点击新建图标创建一个新的装配文shouzhang.asm，如图4-1所示
图4-1 Pro/e装配的新建界面
点击确定，然后选择mmns_part_solid进入Pro/e的装配界面，如图4-2所示：
图4-2 Pro/e装配体的初始界面
接下来可以进行手掌的装配，在添加组件的时候有两种选择，一是可以选择Pro/e的工具栏中的“插入”选项再选择“元件”菜单的下拉菜单中的“装配”选项找到已建立好的三维模型将元件添加到装配图中，为了在后续的工程图制作过程中满足投影关系，在添加第一个组件的时候须选择“缺省”的装配约束，如本例中在添加第一个组件是应如图4-3所示
图4-3 Pro/e中装入第一个组件的界面
点击“”即可完成第一个元件的装配。然后进行第二组件的装配，前面的步骤是相同的只是在选择装配约束时应按照具体的组件与组件间的约束关系来选择约束。按照同样的步骤装配手掌部件的所有元件，最终手掌部件完成装配，如下图4-4示：
图4-4 手掌部件的装配
2. 手指的装配
在进入装配界面和手指第一个元件的装配和手掌的装配时是完全相同的，在装完第一个元件时如图4-5所示
接下来的装配就不能按照之前的装配方式进行了，原因很简单，之前的装配都是机构部分机架的装配，各个部件之间在机械手工作时都是不动的部件，只需要满足各部件的相对位置关系即可，但是手指部分的各个部件在机械手工作是均是需要运动的，故不可按照机架的装配方式进行装配，由第二章工作原理的分析可以知道，机械手的手指是属于连杆机构，所以各个杆件间有相对转动所以在装配手指部件是应选择能够实现相对转动的约束进行约束。
在此，各杆件的转动可以用“销钉”约束进行约束，具体的销钉约束应该是两杆件相对转动的两根转轴对齐约束和沿转对轴的移动约束，这样就可以限制除了沿轴线转对之外的所有约束。如图4-7完成第二个杆件的装配
图4-6 在装配转动副时选择约束方式为销钉约束
图4-7 按定义的运动副约束装配转动副
其余的杆件均是按照此种方式进行“约束”装配。最终完成装配的手指机构如下图4-8所示
图4-8 完成单个手指的装配
3.驱动部分的装配
由第二章的功能原理设计可知，该机械手的驱动部分是采用的多个球面副对机构实现驱动，故在选择约束是就应该选择“球”约束对驱动部分的各个球面副约束装配。球面副的约束方式具体的来讲就是球面副的“点对齐”方式，所以在建模阶段就需要建立基准点。装配的步骤和以上手指机构的装配方式基本一致，这里就不作过多的介绍。球面副完成装配后如图4-9所示
图4-9 完成驱动部分球面副的装配
至此，机械手各个部件的装配已经结束，最后对机械手进行总装，装配方法均和前面部装的方法类似，在此不多做赘述。但是有一点是需要特别注意的地方，在总装的时候，手掌部件应该新建一个约束“固定”来对手掌进行约束，因为在前面有说到，手掌部件在机械手工作是充当的是机架的角色，所以应该添加一个“固定”的约束来对手掌进行固定完成总装后的机械手如下图4-10所示
图4-10 完成三指机械手的装配
4.2.2机械手的仿真
该功能是由软件自带的机构模块实现的。机构模块（Mechanisms）主要有两大功能：定义机构和机构仿真运动。由此可见，该模块主要应用于产品结构检测及仿真设计。
产品各零件之间的装配关系，可使用仿真模块模拟实际操作。它可快速、准确地检测零部件的干涉、物理特征，模拟使用产品的操作过程，直观显示存在问题的区域及相关的零部件，指导设计者直接、快速地修改模型，从而缩短修改时间，提高设计效率。
由4.3.1的方式将机械手按运动副的约束装配成功后即可点击Pro/e工具栏中应用程序的下拉菜单“机构”进入机构模块，在进行机构的运动仿真时首先应该给机构定义一个起始位置，在Pro/e机构模块中可以点击拖动图标“”对机构进行拖动，然后点击快照图标“”以定义机构的起始位置，其次，在某些机构中对于机构的某些组件需要定义一个初始条件以确定在机构运动开始时这些组件处于一个特定的位置，在Pro/e的机构模块中同样可以定义，具体步骤如下：点击定义初始条件图标“”对机构的初始位置进行定义。最后当然就是对机构的原动件添加伺服电机，以确定原动件的运动方式和运动参数。下面就按照以上给定的步骤对机械手进行运动仿真。
首先，打开已装配好的机械手组件“jixieshou-asm”文件，点击应用程序的下拉菜单中的机构模块进入Pro/e的机构模块，点击拖动图标“”将机械手各组件拖动到合适的位置如图，然后点击快照图标即可生成快照“Snapshot1”。
然后点击第一初始条件图标“”对机构的初始条件进行定义，在此我们对机械手的第一个指节的转动轴转速进行定义，定义好后如图4-11所示，即完成对机构初始条件的定义。
最后我们应该为机构定义伺服电机以实现机构的运动，由第二章可以知道，机械手每个手指均具有三个自由度，总有九个自由度。于是我们应给机械手定义九个伺服电机，在此我们选择在每个指关节处定义一个伺服电机，定义伺服电机的步骤如下：点击定义伺服电机图标“”对伺服电机进行编辑定义，在进入对伺服电机的定义后，在对从动图元的定义时有两个选项，分别为“运动轴”和“几何”选项，由于我们的伺服电机控制手指各个关节的转动，所以我们应该选择“运动轴”选项，然后选择任意一个手指的第一个指节的运动轴如图4-12所示
图4-11 初始条件的定义
图4-12 在定义伺服电机是选择运动轴类型
在点击确定之前，应该注意电机的方向是否和机构第一指节的运动方向相同，具体的判断方法为：在选择了运动轴后转动轴会出现一根深紫色的箭头，然后用右手定则判断电机的旋转方向（大拇指的指向为深紫色箭头的指向，其余四个手指的方向就是电机的旋转方向），然后点击轮廓按钮，对运动轴进行定义设置，在此我们选择速度选项规范，并定义速度的大小为6deg/sec。如图4-13所示。
图4-14 模型树中各个伺服电机
至此，我们已完成第一个手指第一个指节伺服电机的定义。剩下的八个点击即可按照同 图4-13 对第一根轴定义轮廓
样的方法进行定义，在定义完成后，可以打开Pro/e的模型树查看定义的电机。如下图4-14可知，我们已给机构定义了九个电机。能实现九个旋转自由度的伺服要求。
到此，已经完成了对伺服电机的定义，若去除机械手的驱动部分，到此即可对机构进行运动分析，此时我们即可点击机构分析按钮“”对机构进行分析，名称改为“my finger-1”类型选择“运动学”机构运动的时间设置为15s帧频设为50，初始配置选择快照以确定每次运动均是由快照 “Snapshot1”开始 运动，然后点击电动机选项设置电动机运动时如下图4-15所示
图4-15 分析定义中对伺服电机定义伺服时间
至此，以完成了对机构分析的定义，现在即可按运行按钮对机构进行运动仿真。运行完成后点击回放按钮“”进行机构仿真回放并对仿真文件进行保存。进入回放界面后可以点击“捕获”按钮对仿真的录像进行捕获，如图4-16所示即可捕获机构运动的录像。
图4-16 回放菜单的界面
小结
本设计将机械设计制造与自动化专业本科四年的知识整合到一起，完成特定功能的设计。它更好地体现了机械设计制造及自动化专业的特点，实现了理论与实践的有机结合。
基于人体工程学仿生机械臂毕业设计，使我的知识丰富了许多，能力提高了许多。
首先，通过对机器人数据的检查，我对机器人整体有了更深入的了解，并对国内外机器人的发展有了深入的了解，并对机器人的发展方向和应用更加了解现代操纵器领域。
其次，在机器人总体原理方案设计中，对机械产品设计有一定的了解和理解，对机械产品原理方案的评估方法有了新的认识和体会，并将此设计与使命相结合对机械手的驱动方式，传动方式及其相应的传动结构有深入的了解。
然后，在对组织运动的分析中，我深化了对机械原理的认识和理解，并学习了一些高等院校研究的知识和方法。我坚信这些知识会对我的生活产生巨大的影响。
最后，通过Pro / e软件的学习，完成了机械手的建模，熟悉了Pro / e软件的基本建模特点。基于此，网络资源用于进一步研究Pro / e软件的其他模块。知识，并通过自己的不断努力来完成机械手的运动模拟分析。
通过毕业设计，我学会了如何搜索信息，提高了我的自学能力，并让我明白没有理由获得奖励。我相信这个毕业项目为我未来的工作提供了很大的帮助。
由于我能力有限，设计上还存在不足之处，希望老师能够及时纠正我。
致谢
历时近三个月的毕业设计终于完成。在此期间，完成了大学课程的学习，使个人理论水平和实际操作能力得到了飞跃，从而加强了个人在设计，分析，实践操作中的能力和使专业知识得到充分巩固和加强。
这个毕业设计可以顺利完成，我的指导老师给予了很多专业帮助，指导老师非常关心我选择的开题报告，指出了开题的方向，帮助分析了该开题的可行性以及实践中可能出现的问题和注意事项。在选择课程时，我指出了我需要关注的知识范围，并帮助我分析相应知识困难的原理，使我的毕业设计能顺利进行。
同时，我也要感谢大学四年所有教过和传输知识的老师，他们也帮了我很大的忙,他们的许多想法和建议都激励着我,提前致谢！
还有那些在中国工业控制网和中国机器人技术协会的默默贡献的朋友，虽然不知道名字，在此也一并致谢！
由于个人的时间，知识和能力有限，论文中会出现一些疏乎或错误是在所难免，在此欢迎各位老师提出批评和纠正并表示感谢！
参考文献
[1] 付永领, 王岩, 裴忠才. 基于CAN总线液压喷漆机器人控制系统设计与实现[R]. 机床与液压. 2003, (6): 90～92
[2] 丁又青, 朱新才. 一种新型型钢翻面机液压系统设计[A]. 机床与液. 2003,(5): 128～129
[3] 刘剑雄, 韩建华. 物流自动化搬运机械手机电系统研究[C]. 机床与液压. 2003, (1): 126～128
[4] 徐轶, 杨征瑞, 朱敏华, 温齐全. PLC在电液比例与伺服控制系统中的应用[R]. 机床与液压. 2003, (5): 143～144
[5] 胡学林. 可编程控制器(基础篇[D]). 北京: 电子工业出版社, 2003.
[6] 胡学林. 可编程控制器(实训篇) [D]. 北京: 电子工业出版社, 2004.
[7] 孙兵, 赵斌, 施永康. 基于PLC的机械手混合驱动控制[A]. 液压与气动. 2005, (3): 37～39
[8] 孙兵, 赵斌, 施永康. 物料搬运机械手的研制[R]. 机电一体化. 2005, (2): 43～45
[9] 王田苗, 丑武胜. 机电控制基础理论及应用[J]. 北京: 清华大学出版社, 2003.
[10] 李建勇. 机电一体化技术[J]. 北京: 科学出版社, 2004.
[11] 王孙安, 杜海峰, 任华. 机械电子工程[A]. 北京: 科学出版社,2003.
[12] 张启玲, 何玉安. PLC在气动控制称量包装装置中的应用[C]. 液压与气动. 2005, (1): 31～33
[13] 赵文. 数字控制技术在龙门刨床电控系统中的应用[M]. 电气传动. 2005. 35 卷(3): 55～57
[14] 沈兴全, 吴秀玲. 液压传动与控制[R]. 北京: 国防工业出版社, 2005.
[15] 王宪军, 赵存友. 液压传动[A]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 2002.
[16] 徐灏等. 机械设计手册[D]. 第5卷. 北京: 机械工业出版社, 2000.
[17] 陈铁鸣, 王连明, 王黎钦. 机械设计(修订版) [C]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2003.
[18] 邓星钟. 机电传动控制(第三版) [J]. 武汉: 华中科技大学出版社, 2001.
[19] 西门子自动化与驱动集团(SIEMENS AG). S7-200系统手册. 2002.
[20] 蔡行健. 深入浅出西门子S7-200 PLC[R]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2003.
[22] 张利平. 现代液压技术应用220例[R]. 化学工业出版社, 2004.
[23] 高西林. 锻床上料机械手. 轻工机械. 2001, (2):
[24] 李春波, 王大明, 李哲, 王祖温. PLC控制的气动上下料机械手[C]. 液压气动与密封, 1999. 12. (6): 21～24
[25] 尹自荣, 熊晓红, 骆际焕, 王建坤. 数控上下料机械手的研究及应用. 锻压机械[D]. 1994, (6): 3～5
[26] 张波, 李卫民, 尚锐. 多功能上下料用机械手液压系统[A]. 2002， (8): 31～32
[27] 侯沂, 刘涛. 装卸机械手设计研究[D]. 机械. 2004, 第31卷 (6): 53～54
[28] 叶爱芹, 袁金强. PLC在机械手控制系统中的应用[J]. 安徽技术师范学院学报. 2001, 15卷(4): 64～65
[29] 王会香, 孙全颖. 自动涂胶机械手的PLC控制[A]. 哈尔滨理工大学学报. 2
收藏