仿生机械手结构设计与功能仿真【三维PROE建模】【含13张CAD图纸】
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毕业设计任务与要求：
仿生机械手作为提高机器人系统作业水平和智能水平的重要工具，成为机器人领域中一个重要的研究方向。仿生机械手是由几根相对独立的手指构成，而每一根手指机构都可以看作是独立的机器人，因此，多指手抓取规划问题实际上是多机器人系统的协调操作问题。本次毕业设计任务要求设计一个九自由度三指仿生机械手，主要进行该机械手的结构优化设计和抓取性能两个方面的研究工作，具体包括单个手指的结构设计、运动学分析（自由度计算、手指位置的正解分析与反解分析、速度分析、运动空间分析）、九自由度三指仿生机械手整体结构设计，并基于三维建模软件Pro/E将九自由度机械手的零件进行实体建模，并完成九自由度三指仿真机械手的整体装配及仿真。
具体要求如下：
1、 围绕毕业设计的内容和要求进行两周毕业实习，撰写毕业实习报告；
2、 收集与毕业设计任务有关的国内外资料，并进行外文资料的翻译；
3、 确定九自由度三指仿真机械手的总体设计方案；
4、 进行三自由度机械手指的结构设计与运动分析；
5、 进行九自由度三指仿真机械手的三维设计；
6、 进行机械手的装配与仿真；
7、 撰写设计说明书。
推荐的主要参考文献和资料：
[1] 刘世廉.仿人型机器人简易手指的设计与运动控制[D].长沙：国防科学技术大学研究生院，2003.
[2] Stansfield S A. Robotic grasping of unknown objects:a knowledge-based app -roach [ J ]. International Journal of Robotics Research, 1991, 10 (4): 314-326.
[3] Jacobsen S C， Wood J E， Knutti D F. TheUtah/MIT dexterous hand: work in progress[J ]. International Journal of Robotics Research, 1984, 3(4) : 20-30.
[4] 施建.连杆驱动式9自由度3指灵巧手的结构设计与性能研究[D].秦皇岛： 燕山大学， 2003.
[5] 厉春元.多关节手指机构[J].现代机械, 2001，1：82-84.
[6] 牟德君.一种新型并联手指机构[J].机械工程师，2004，6：72-73.
[7] 施建,颜国正,王坤东,方昀.闭式链灵巧手指机构的设计与分析[J].机械科学与技术, 2006，25(7)：848-851.
2011年 3 月 18 日
毕业实习报告
实习生姓名
班 级
机制5班
联系电话
指导教师姓名
职 称
联系电话
实习单位（地点）
实习起止时间
2011 年 3 月 18日始， 2011 年 4 月 01 日止，共 2 周 14 （天）
1.仿生机械手简介
1.1仿生机械的概述
仿生学是近期发展起来的一门新兴学科，仿生学的的发展促进了与之密切相关的的仿生机械学的诞生和发展。机器人机构在仿生机械领域中发展最快，也是应用最广泛的仿生机构。模仿各类动物的行走﹑爬行的动作，为移动机器人的设计与构思提供了美好的前景。在这里主要介绍生物运动机理与仿生机构的设计构思，为开展仿生机构的研究提供入门知识。
在仿生机械中，仿生机构作为仿生机械的重要组成部分，是模仿生物的运动形态﹑生理结构和控制原理设计制造出的功能更集中效率更高﹑应用更加广泛并具有生物特征的机构，是仿生机械中完成机械运动的物质载体。
模仿生物的形态、结构和控制原理设计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。研究仿生机械的学科称为仿生机械学，它是20世纪60年代末期由生物学、生物力学、医学、机械工程、控制论和电子技术等学科相互渗透、结合而形成的一门边缘学科。在自然界中,生物通过物竞天择和长期的自身进化,已对自然环境具有高度的适应性。它们的感知、决策、指令、反馈、运动等机能和器官结构远比人类所曾经制造的机械更为完善。
模仿生物形态结构创造机械的技术有悠久的历史。15世纪意大利的列奥纳多．达芬奇认为人类可以模仿鸟类飞行,并绘制了扑翼机图。到19世纪,各种自然科学有了较大的发展,人们利用空气动力学原理,制成了几种不同类型的单翼机和双翼滑翔机。1903年，美国的W.莱特和O.莱特发明了飞机。然而，在很长一段时间内，人们对于生物与机器之间到底有什么共同之处还缺乏认识，因而只限于形体上的模仿。直到20世纪中叶，由于原子能利用、航天、海洋开发和军事技术的需要，迫切要求机械装置应具有适应性和高度的可靠性。而以往的各种机械装置远远不能满足要求，迫切需要寻找一条全新的技术发展途径和设计理论。随着近代生物学的发展，人们发现，生物在能量转换、控制调节、信息处理、辨别方位、导航和探测等方面有着以往技术所不可比拟的长处。同时在自然科学中又出现了“控制论”理论。它是研究机器和生物体中控制和通信的科学。控制论是沟通技术系统和生物系统工作原理之间的桥梁，它奠定了机器与生物可以类比的理论基础。1960年 9月在美国召开了第一届仿生学讨论会，并提出了“生物原型是新技术的关键”的论题，从而确立了仿生学学科，以后又形成许多仿生学的分支学科。1960年由美国机械工程学会主办，召开了生物力学学术讨论会。1970年日本人工手研究会主办召开了第一届生物机构讨论会，从而确立了生物力学和生物机构学两个学科，在这个基础上形成了仿生机械学。
仿生机械研究的主要领域有生物力学、控制体和机器人。生物力学研究生命的力学现象和规律，包括生体材料力学和生体流体力学，生体机械力学和生体流体力学。控制体和机器人是根据从生物了解到的知识建造的工程技术系统。其中用人脑控制的称为控制体(如肌电假手、装具)；用计算机控制的称为机器人。仿生机械学的主要研究课题有拟人型机械手、步行机、假肢以及模仿鸟类、昆虫和鱼类等生物的各种机械。
1.2课题的研究目的和意义
自从1960年第一台机器人问世以来，机器人技术有了迅猛的发展，在国防、科研、生产等领域都有了广泛的应用，代替人们从事一些复杂的、危险的、或者非人可达的工作，从而减轻了人们的劳动强度，提高了效率，扩大了人类活动的空间。但是就目前国内外的工业机器人而一言，大都是针对专门的任务而设计的，使用的也是夹钳式或平行移动式的单自由度末端执行器。这种末端执行器的结构简单，控制方便，对于实现负荷的大范围运动作业十分有效，但却存在以下几个方面的缺点：
1.它对物体的夹持和定位是通过施加较大的压力所产生的摩擦力来实现的，不存在抓取的几何封闭和力封闭，因此难于达到很高的抓取精度，稳定性和可靠性差。
2.它限制了机器人系统的精细作业水平。传统的机器人通过臂调整末端位置，通过手腕调整末端姿态。由于臂的尺寸较大，因此通过整个臂部的运动很难实现物体的精确位姿调整和操作，且动态响应较差。
3.它缺少精确的力控制，只能完成夹持力要求不高的作业。
4.不能适应物体外形的变化。
多指灵巧手的研制有助于解决上述问题。因为作为末端执行器的灵巧手相当于安装在机器人臂上的可独立实现精细操作运动的一组机器人，通过机器人臂实现粗定位，利用灵巧手实现精确定位。若采用适当的抓取方式和抓取规划算法，从理论上可以抓取任意形状的物体并且对物体施加任意的运动和力。这对提高机器人智能化作业水平有着重要的意义。本课题通过对灵巧手手指结构的优化设计及对控制系统的研究，想解决以下几个问题:
（1）能适应被操作对象外形的变化、尽可能抓取不同形状的物体;
（2）能控制操作力，以便对不同材质的对象进行操作;
（3）能对被抓物体进行微小的位姿调整;
（4）通过上位机控制完成抓取运动规划，能够使灵巧手平稳的运动并能实
现对物体的稳定抓取。
1.3国内外该领域的研究现状
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。
1.4关节运动的驱动方式
机器人关节运动的驱动方式有直接驱动方式和间接驱动方式两种。直接驱动方式是驱动器的输出轴和机器人的关节轴直接相连，间接驱动方式是把驱动器的力通过减速器或钢丝绳、皮带、平行连杆等传递给关节。
直接驱动方式的驱动器和关节之间的机械系统较少，因而能够减少摩擦等非线性因素的影响，控制性能比较好。然而，在另一方面为了直接驱动关节，驱动器的输出力矩必须很大，除此之外，对于本设计，要求手指结构要小巧的因素显然决定了不能采取这种驱动方式。间接驱动方式也正是大部分机器人所采取的驱动方式，这种间接，驱动驱动器的输出力矩一般远远小于驱动关节所需的力矩，因此，通常使用减速器。对于手臂的悬臂梁结构，如果驱动器的安装位置不当，将会使手臂根部关节驱动器的负荷增大，对子手指结构同样也存在这个问题。对此通常采用的间接驱动机构，常见的有以下几种:
1.4.1绳索滑轮驱传动方式
绳索滑轮驱传动方式是常用的灵巧手驱传动方式。这种传动方式是比较有利的,它可以很方便地实现运动和动力的远距离传送,也能较好的满足灵巧手结构上的要求,并且质量轻、 惯性负载低、 摩擦较小、 经济实用、 耐用性强,传动结构示意图如图1.6所示。末端杆有两个电机,分别驱动末端杆的正转与反转,以实现手指的夹持和松开。
图1.6绳索滑轮驱传动方式
但此种传动方式具有力和运动传递的刚性不足的固有特点,并由此引起各种缺陷:
(1) 绳索有张力,容易变形,会引起传动的滞后现象,使用时间长了,绳索会变松弛,将会带来较大的运动传递误差。
(2) 绳索在工作前还需要预紧,通常预紧力比较大,但又不能过大,张力过大可能会使绳索拉断,不利于大负载条件下的抓取工作。
(3) 虽然绳索与滑轮或套筒的摩擦可以比较小,但采用这种方式需要正确布置绳索的走向,否则会产生很大的附加力和附加力矩。当产生这种附加力矩时,会使运动出现耦合,增加控制的难度。这种摩擦具有严重的非线性和强耦合性,给控制带来了很大的困难。
（4）绳索只能受拉，不能受压，所以实现回程将会很困难。控制力一旦超调,消除起来将是一件非常麻烦的事,但超调又是在实际中不可避免的。要想实现回程,只有在每个关节处再加置一个电机,使两个电机配合工作实现一个关节的正反转,这样给手指的安装和控制都会带来不便。由上述分析可以看出,用绳索加滑轮这种传动方式并不理想,不能满足灵巧手的设计要求。
1.4.2 链条、钢带驱动
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。
1.4.3 闭式链连杆传动机构的驱动方式
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1.7闭式链手指机构
杆件1、杆件2和杆件3分别为根关节、中关节和末关节,根关节固定于掌上。图 2 中的杆件 1、4、6 被同轴驱动,电机直接驱动杆件1、4 和6 ,杆件 4 通过一个四连杆机构带动杆件2的运动。杆件6通过另外一个平面四连杆机构驱动莲花杆8 ,然后再通过第 3 个四连杆机构驱动手指末关节杆 3。其中莲花8的作用是在为了改善两个平面四边形之间的传递性能,这样就实现了手指3个关节的独立驱动。考虑到一般四连杆机构传动的运动在传动过程中有较大变化,因此采用输出等于输入的平行四边形机构。可以看出,杆件3分别由杆件2和杆件9领衔的两条支链直接并联驱动,而这两条支链又都串联于杆件1上,所以手指末端的位形将由杆件1 的位形以及杆件1上的两个平行四边形机构分别所引导的支链的位形共同确定。以上的特征说明了这是一种混联结构,同时具备并联结构和串联结构的优势,即继承了并联结构的高速、 高刚度,又兼备了串联结构的高灵活性;就驱动方式来说是并联驱动,但对整个手指来说是串联结构的,具有串联结构的特点。
闭式链传动机构的特点：
这种传动结构在常规驱动方式下与传统的绳索滑轮驱传动方式相比,有以下一些优点:
(1)运动副为低副,接触面为面接触,低副两元素间便于润滑,杆件几何构形简单,便于加工制造。
(2)刚性传递,变形小,没有滞后性,通过几何约束定位,传动可靠,工作安全。
(3)杆件并联驱动可以承受较大载荷,机械损耗比较小,这是连杆驱动最突出的优点。
(4)杆件即可受拉也可受压,一个电机就可实现关节的正反转,回程方便,因此控制力一旦超调,消除起来很简单。
(5)闭式链采用平行四边形机构传动,平行四边形机构有着输入等于输出的特性,因此手指的运动学和各种性能等同于开环平面 3 自由度连杆机构,因此运动学求解和性能分析得以简化。由以上的分析比较可知,所设计的新型并联连杆机构传动方式比传统的绳索滑轮传动有较好的优势,特别是针对传统传动方式传递刚性不足的固有缺陷,此种新型传动方式具有一定的改善功效。当然,这种传动方式将会使灵巧手的结构变得复杂些,在结构的具体设计时需注意。
综合上述驱动方式的分析和研究，本文中的机械手采用闭式链连杆传动机构的驱动方式驱动
1.5本文主要研究内容
针对目前多指灵巧手研究中存在的问题，并考虑现有的研究条件，本文着重进行以下研究工作:
1. 多指手结构设计的研究对多指手的结构型式进行综合分析，选用合理的优化方法对灵巧手结构参数进行优化，从仿人手的角度，以人手结构形式及比例参数为依据，进行多指灵巧手的具体结构设计，使其有较好的机械特性，保证力传递的精度。并用Pro/e软件进行了多指灵巧手的三维造型。
2. 多指灵巧手的运动学和静力学分析对所设计的三指灵巧手分析并建立了运动学模型，得出正、反向运动学方程，并对抓持状态下各手指的运动姿态进行了仿真。通过静力学研究计算出在静平衡状态下各关节的力矩，为深入研究机械手的控制提供了理论依据。
3.进行机械手的装配和仿真。
11
机械工程与自动化学院
毕 业 实 习 报 告
专 业： 机械设计制造及其自动化
年 级：
学 生：
学 号：
指导教师：
日 期：
毕业设计说明书
题 目: 仿生机械手结构设计与功能仿真
学院(直属系):
年级、 专业:
姓 名:
学 号:
指 导 教 师:
完 成 时 间:
摘 要
本设计是根据亚确定输入的原理设计的以少输入控制多自由度的三指九自由度机械手，当在机械手初始运动时机械手的每个手指作为一个运动单元作整体的运动，但当机械手手指的第一个指节因某种因素突然受阻，驱动力克服动力约束，自动启动了位于第一个指节和第二个指节之间关节的转动自由度，这时就应用了各个手指的第二个自由度，同样的，当第二个指节和第三个指节间的转动自由度因为某种外在的因素突然受阻时，自动启动机械手各个手指的第三个自由度。这样就实现了机械手的以少输入控制多自由度的控制方式，以达到机械手对不同形状工件的抓取动作，可以达到省力、省能以及减少电动机设计容量，因而减少机构的负载及改善动力性能。
【关键词】亚确定输入、自由度、指节
Abstract
The design is based on the principle of deficient-determinate input to low input control means more than nine degrees of freedom of the three DOF manipulator, when the initial movement of the robot manipulator as a motor unit for each finger movement as a whole, but when the robot The first finger knuckles suddenly blocked by a certain factor, driving force to overcome the power constraints, automatically launched in the first knuckle and the second knuckle joint between the rotational DOF, then the application of the first of each finger two DOF, the same, when the second and third knuckle knuckle between the rotational DOF for some external factors suddenly blocked, the robot automatically start the third DOF of each finger. This realization of the robot with less DOF input control and more control to achieve the mechanical hand to capture action different shapes of the work piece can be achieved effort, saving energy and reducing the design capacity of electric motors, thus reducing the load and improve power sector performance .
【Key words】deficient-determinate input；DOF；knuckle
目 录
摘 要 1
1 绪论 2
1.1仿生机械的概述 2
1.2课题的研究目的和意义 3
1.3国内外该领域的研究现状 3
1.4关节运动的驱动方式 7
1.4.1绳索滑轮驱传动方式 8
1.4.2 链条、钢带驱动 9
1.4.3 闭式链连杆传动机构的驱动方式 9
1.5本文主要研究内容 10
2 原理方案的设计 11
2.1 明确设计任务 12
2.2 功能分析 12
2.3 功能分析 12
2.4 功能分解 12
2.5 原理方案 13
2.6. 具体工作原理 14
2.6 本章总结 15
3 机械手手指的运动分析 16
3.1 手指机构运动学 16
3.1.1 手指机构的自由度计算 16
3.1.2 位置正解 17
3.1.3 三自由度仿生机械手指的位置反解分析 18
3.2 仿生机械手指的速度分析 22
3.3 仿生机械手指的运动空间分析与仿真 23
4 基于Pro/e的仿生机械手的建模，装配及仿真 25
4.1 Pro/e简介 25
4.2仿生机械手各部分的建模 26
4.3机械手的装配与仿真 26
4.3.1机械手的装配 26
4.3.2机械手的仿真 32
总结与体会 36
致谢词 37
参考文献 38
3
1 绪论
1.1仿生机械的概述
仿生学是近期发展起来的一门新兴学科，仿生学的的发展促进了与之密切相关的的仿生机械学的诞生和发展。机器人机构在仿生机械领域中发展最快，也是应用最广泛的仿生机构。模仿各类动物的行走﹑爬行的动作，为移动机器人的设计与构思提供了美好的前景。在这里主要介绍生物运动机理与仿生机构的设计构思，为开展仿生机构的研究提供入门知识。
在仿生机械中，仿生机构作为仿生机械的重要组成部分，是模仿生物的运动形态﹑生理结构和控制原理设计制造出的功能更集中效率更高﹑应用更加广泛并具有生物特征的机构，是仿生机械中完成机械运动的物质载体。
模仿生物的形态、结构和控制原理设计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。研究仿生机械的学科称为仿生机械学，它是20世纪60年代末期由生物学、生物力学、医学、机械工程、控制论和电子技术等学科相互渗透、结合而形成的一门边缘学科。在自然界中,生物通过物竞天择和长期的自身进化,已对自然环境具有高度的适应性。它们的感知、决策、指令、反馈、运动等机能和器官结构远比人类所曾经制造的机械更为完善。
模仿生物形态结构创造机械的技术有悠久的历史。15世纪意大利的列奥纳多．达芬奇认为人类可以模仿鸟类飞行,并绘制了扑翼机图。到19世纪,各种自然科学有了较大的发展,人们利用空气动力学原理,制成了几种不同类型的单翼机和双翼滑翔机。1903年，美国的W.莱特和O.莱特发明了飞机。然而，在很长一段时间内，人们对于生物与机器之间到底有什么共同之处还缺乏认识，因而只限于形体上的模仿。直到20世纪中叶，由于原子能利用、航天、海洋开发和军事技术的需要，迫切要求机械装置应具有适应性和高度的可靠性。而以往的各种机械装置远远不能满足要求，迫切需要寻找一条全新的技术发展途径和设计理论。随着近代生物学的发展，人们发现，生物在能量转换、控制调节、信息处理、辨别方位、导航和探测等方面有着以往技术所不可比拟的长处。同时在自然科学中又出现了“控制论”理论。它是研究机器和生物体中控制和通信的科学。控制论是沟通技术系统和生物系统工作原理之间的桥梁，它奠定了机器与生物可以类比的理论基础。1960年 9月在美国召开了第一届仿生学讨论会，并提出了“生物原型是新技术的关键”的论题，从而确立了仿生学学科，以后又形成许多仿生学的分支学科。1960年由美国机械工程学会主办，召开了生物力学学术讨论会。1970年日本人工手研究会主办召开了第一届生物机构讨论会，从而确立了生物力学和生物机构学两个学科，在这个基础上形成了仿生机械学。
仿生机械研究的主要领域有生物力学、控制体和机器人。生物力学研究生命的力学现象和规律，包括生体材料力学和生体流体力学，生体机械力学和生体流体力学。控制体和机器人是根据从生物了解到的知识建造的工程技术系统。其中用人脑控制的称为控制体(如肌电假手、装具)；用计算机控制的称为机器人。仿生机械学的主要研究课题有拟人型机械手、步行机、假肢以及模仿鸟类、昆虫和鱼类等生物的各种机械。
1.2课题的研究目的和意义
自从1960年第一台机器人问世以来，机器人技术有了迅猛的发展，在国防、科研、生产等领域都有了广泛的应用，代替人们从事一些复杂的、危险的、或者非人可达的工作，从而减轻了人们的劳动强度，提高了效率，扩大了人类活动的空间。但是就目前国内外的工业机器人而一言，大都是针对专门的任务而设计的，使用的也是夹钳式或平行移动式的单自由度末端执行器。这种末端执行器的结构简单，控制方便，对于实现负荷的大范围运动作业十分有效，但却存在以下几个方面的缺点：
1.它对物体的夹持和定位是通过施加较大的压力所产生的摩擦力来实现的，不存在抓取的几何封闭和力封闭，因此难于达到很高的抓取精度，稳定性和可靠性差。
2.它限制了机器人系统的精细作业水平。传统的机器人通过臂调整末端位置，通过手腕调整末端姿态。由于臂的尺寸较大，因此通过整个臂部的运动很难实现物体的精确位姿调整和操作，且动态响应较差。
3.它缺少精确的力控制，只能完成夹持力要求不高的作业。
4.不能适应物体外形的变化。
多指灵巧手的研制有助于解决上述问题。因为作为末端执行器的灵巧手相当于安装在机器人臂上的可独立实现精细操作运动的一组机器人，通过机器人臂实现粗定位，利用灵巧手实现精确定位。若采用适当的抓取方式和抓取规划算法，从理论上可以抓取任意形状的物体并且对物体施加任意的运动和力。这对提高机器人智能化作业水平有着重要的意义。本课题通过对灵巧手手指结构的优化设计及对控制系统的研究，想解决以下几个问题:
（1）能适应被操作对象外形的变化、尽可能抓取不同形状的物体;
（2）能控制操作力，以便对不同材质的对象进行操作;
（3）能对被抓物体进行微小的位姿调整;
（4）通过上位机控制完成抓取运动规划，能够使灵巧手平稳的运动并能实
现对物体的稳定抓取。
1.3国内外该领域的研究现状
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。
1.4关节运动的驱动方式
机器人关节运动的驱动方式有直接驱动方式和间接驱动方式两种。直接驱动方式是驱动器的输出轴和机器人的关节轴直接相连，间接驱动方式是把驱动器的力通过减速器或钢丝绳、皮带、平行连杆等传递给关节。
直接驱动方式的驱动器和关节之间的机械系统较少，因而能够减少摩擦等非线性因素的影响，控制性能比较好。然而，在另一方面为了直接驱动关节，驱动器的输出力矩必须很大，除此之外，对于本设计，要求手指结构要小巧的因素显然决定了不能采取这种驱动方式。间接驱动方式也正是大部分机器人所采取的驱动方式，这种间接，驱动驱动器的输出力矩一般远远小于驱动关节所需的力矩，因此，通常使用减速器。对于手臂的悬臂梁结构，如果驱动器的安装位置不当，将会使手臂根部关节驱动器的负荷增大，对子手指结构同样也存在这个问题。对此通常采用的间接驱动机构，常见的有以下几种:
1.4.1绳索滑轮驱传动方式
绳索滑轮驱传动方式是常用的灵巧手驱传动方式。这种传动方式是比较有利的,它可以很方便地实现运动和动力的远距离传送,也能较好的满足灵巧手结构上的要求,并且质量轻、 惯性负载低、 摩擦较小、 经济实用、 耐用性强,传动结构示意图如图1.6所示。末端杆有两个电机,分别驱动末端杆的正转与反转,以实现手指的夹持和松开。
图1.6绳索滑轮驱传动方式
但此种传动方式具有力和运动传递的刚性不足的固有特点,并由此引起各种缺陷:
(1) 绳索有张力,容易变形,会引起传动的滞后现象,使用时间长了,绳索会变松弛,将会带来较大的运动传递误差。
(2) 绳索在工作前还需要预紧,通常预紧力比较大,但又不能过大,张力过大可能会使绳索拉断,不利于大负载条件下的抓取工作。
(3) 虽然绳索与滑轮或套筒的摩擦可以比较小,但采用这种方式需要正确布置绳索的走向,否则会产生很大的附加力和附加力矩。当产生这种附加力矩时,会使运动出现耦合,增加控制的难度。这种摩擦具有严重的非线性和强耦合性,给控制带来了很大的困难。
（4）绳索只能受拉，不能受压，所以实现回程将会很困难。控制力一旦超调,消除起来将是一件非常麻烦的事,但超调又是在实际中不可避免的。要想实现回程,只有在每个关节处再加置一个电机,使两个电机配合工作实现一个关节的正反转,这样给手指的安装和控制都会带来不便。由上述分析可以看出,用绳索加滑轮这种传动方式并不理想,不能满足灵巧手的设计要求。
1.4.2 链条、钢带驱动
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。
1.4.3 闭式链连杆传动机构的驱动方式
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1.7闭式链手指机构
杆件1、杆件2和杆件3分别为根关节、中关节和末关节,根关节固定于掌上。图 2 中的杆件 1、4、6 被同轴驱动,电机直接驱动杆件1、4 和6 ,杆件 4 通过一个四连杆机构带动杆件2的运动。杆件6通过另外一个平面四连杆机构驱动莲花杆8 ,然后再通过第 3 个四连杆机构驱动手指末关节杆 3。其中莲花8的作用是在为了改善两个平面四边形之间的传递性能,这样就实现了手指3个关节的独立驱动。考虑到一般四连杆机构传动的运动在传动过程中有较大变化,因此采用输出等于输入的平行四边形机构。可以看出,杆件3分别由杆件2和杆件9领衔的两条支链直接并联驱动,而这两条支链又都串联于杆件1上,所以手指末端的位形将由杆件1 的位形以及杆件1上的两个平行四边形机构分别所引导的支链的位形共同确定。以上的特征说明了这是一种混联结构,同时具备并联结构和串联结构的优势,即继承了并联结构的高速、 高刚度,又兼备了串联结构的高灵活性;就驱动方式来说是并联驱动,但对整个手指来说是串联结构的,具有串联结构的特点。
闭式链传动机构的特点：
这种传动结构在常规驱动方式下与传统的绳索滑轮驱传动方式相比,有以下一些优点:
(1)运动副为低副,接触面为面接触,低副两元素间便于润滑,杆件几何构形简单,便于加工制造。
(2)刚性传递,变形小,没有滞后性,通过几何约束定位,传动可靠,工作安全。
(3)杆件并联驱动可以承受较大载荷,机械损耗比较小,这是连杆驱动最突出的优点。
(4)杆件即可受拉也可受压,一个电机就可实现关节的正反转,回程方便,因此控制力一旦超调,消除起来很简单。
(5)闭式链采用平行四边形机构传动,平行四边形机构有着输入等于输出的特性,因此手指的运动学和各种性能等同于开环平面 3 自由度连杆机构,因此运动学求解和性能分析得以简化。由以上的分析比较可知,所设计的新型并联连杆机构传动方式比传统的绳索滑轮传动有较好的优势,特别是针对传统传动方式传递刚性不足的固有缺陷,此种新型传动方式具有一定的改善功效。当然,这种传动方式将会使灵巧手的结构变得复杂些,在结构的具体设计时需注意。
综合上述驱动方式的分析和研究，本文中的机械手采用闭式链连杆传动机构的驱动方式驱动
1.5本文主要研究内容
针对目前多指灵巧手研究中存在的问题，并考虑现有的研究条件，本文着重进行以下研究工作:
1. 多指手结构设计的研究对多指手的结构型式进行综合分析，选用合理的优化方法对灵巧手结构参数进行优化，从仿人手的角度，以人手结构形式及比例参数为依据，进行多指灵巧手的具体结构设计，使其有较好的机械特性，保证力传递的精度。并用Pro/e软件进行了多指灵巧手的三维造型。
2. 多指灵巧手的运动学和静力学分析对所设计的三指灵巧手分析并建立了运动学模型，得出正、反向运动学方程，并对抓持状态下各手指的运动姿态进行了仿真。通过静力学研究计算出在静平衡状态下各关节的力矩，为深入研究机械手的控制提供了理论依据。
3.进行机械手的装配和仿真。
2 原理方案的设计
产品开发一般要经过产品规划、方案设计、技术设计、施工设计等几个阶段。
方案设计阶段针对产品的主要功能提出原理的构思，探索解决问题的物理效应和工作原理，并用机构运动简图、液路图、电路图等表达构思的内容。
方案设计对产品的结构、工艺、成本、性能和使用维护等都有很大的影响，是关系产品水平和竞争能力的关键环节。所以，原理方案的创新设计有其举足轻重的义。
工程设计内容错综复杂，如果孤立静止地分析某方面的问题，得出的结论往往是片面、局限的。系统工程方法是将事物当作一个整体系统来研究，分析系统
明确任务
求总功能
总体方案分析
求功能元
求功能元解
系统原理解
最佳原理方案
黑箱法
创新技法、设计目录
功能树
创新技法、设计目录
形态学矩阵
评价法
收敛
组合
搜索
搜索
抽象
分解
图2-1 原理方案设计步骤
各组成部分之间的有机联系和系统与外界环境的关系，是较全面的综合研究方法。在原理方案设计过程中往往利用系统工程的观点、方法解决复杂的问题。
原理方案的设计是发散-收敛的过程。从功能分析入手，通过创新构思探求多种方案，然后进行技术经济评价，经优化筛选，求得最佳原理方案。其步骤和各阶段应用的主要方法如图2-1所示
用系统工程方法设计进行产品的原理方案设计是紧紧围绕功能的分析和求解和组合实施的。
系统工程学用“黑箱法”研究分析问题。对于复杂的未知系统，犹如不透明不知其内部结构的“黑箱”，可以利用外部观测，通过分析黑箱与周围环境的联系、输入和输出，了解其功能、特性，从而进一步探求其内部原理和结构。
2.1 明确设计任务
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。
总功能：机械手对不同形状的物件实现灵活的抓取
黑箱
电动
物件
三指机械手
机械手对不同形状的物件实现抓取动作
2.3 功能分析
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。
2.4 功能分解
对不同形状的工件实现灵活的抓取
动力（步进电机）
手指运动
运动转换
运动调节
往复运动
往复摆动
2.5 原理方案
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
2.6. 具体工作原理
在2.5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2.4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。
图2-5 机械手单个手指的的布局图
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应夹持。
2.6 本章总结
至此，三自由度的手指方案已给定，本章主要运用了机械的功能设计法对九自由度三指机械手进行了原理方案的设计，并基于pro/e进行了初步的建模仿真，但是在机构的运动空间和机构的各部分尺寸方面的考虑并未涉及。
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 位置正解
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
输 入
输 出
序 号
(°)
(°)
(°)
(mm)
(mm)
(°)
1
15
45
60
37.978
40.674
120
2
15
90
45
13.071
39.810
150
3
30
60
75
16.322
45.589
165
4
45
15
90
26.553
50.462
150
5
75
60
30
-21.694
51.365
165
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Pro/e的仿生机械手的建模，装配及仿真
4.1 Pro/e简介
Proe是美国PTC公司旗下的产品Pro/Engineer软件的简称。Pro/E（Pro/Engineer操作软件）是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC）的重要产品。是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功CAD/CAM软件之一。
经过20多年不断的创新和完善，pore现在已经是三维建模软件领域的领头羊之一，它具有如下特点和优势：
参数化设计和特征功能 Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。
单一数据库 Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何 一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。
例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。
全相关性：Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。
基于特征的参数化造型：Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。
装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。
数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。
装配管理：Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。
易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。
4.2仿生机械手各部分的建模
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。
4.3机械手的装配与仿真
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；
4.3.1机械手的装配
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。如图4-6所示装配第二个杆件
图4-5第一个指节的装配
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
4.3.2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
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