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】

喜欢就充值下载吧，，资源目录下展示的全都有，，下载后全都有，dwg格式的为CAD图纸，有疑问咨询QQ：414951605 或1304139763 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