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上海电机学院
毕业设计（论文）开题报告
课题名称 __绳驱动五指灵巧手的研制_
学 院 机械学院
专 业 机械设计制造及其自动化
班 级
学 号
姓 名
指导教师
定稿日期： 2013 年 2 月 26日
绳驱动五指灵巧手的研制
1选题背景及其意义
作为类人型机器人系统的末端执行机构,具有类人功能的机器人灵巧手是提高机器人系统的执行能力和智能水平的重要组成部分。如何设计外形和操作能力都类似人形的机器人多指灵巧手,并使其能够对所触及的任意形状物体都具有精确抓取能力一直是多指灵巧手研究领域的热点。结合国家“863”计划的主题项目“新一代五指仿人灵巧手的结构设计及抓取操作的研究”研制外形和操作能力都具有国际先进水平的类人型机器人五指灵巧手。灵巧手手指可被拆分为手指基关节单元和手指单元两个模块化部分,每个单元的驱动器、传动器、传感器和电气系统都采用内置式的设计方式。可采用采用新型的微型驱动电机，它的传动方式及手指末端关节的钢丝耦合机构以保证灵巧手的外形尺寸同人手相仿。
同样在灵巧手的外观设计上,外骨架零件与包装件集成化的设计思想不但有效地克服上一代手的包装件单独设计带来的装配复杂等问题,更重要的是它能够保证灵巧手的手指外形尺寸并未因为类人型的外观设计而增大,从而实现灵巧手结构功能仿人型与外形仿人型的完美结合。
2 文献综述（国内外研究现状及发展趋势）
2.1国内外灵巧手的应用
2.1.1国内灵巧手的应用
目前灵巧手主要用于流水线传送、焊接、装配、机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面都能满足工业生产发展的需要。
在国内主要是发展各方面的机械手，逐步扩大应用范围，以减轻劳动强度，改善作业条件。在应用专用机械手的同时，相应地发展通用机械手，专用条件还要研制示教机械手、组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构，以及用于不同类型的夹紧机构，设计成典型的通用机构，以便根据不同的作业要求，选用不同的典型部件，即可组成不同用途的机械手，即便于设计制造，又便于改换工作，扩大了应用的范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以更好地发挥机械手的作用。
机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统构成。
执行机构包括手部、手臂和躯干。手部装在手臂前端，可以转动、开闭手指。机械手手部的构造系统模仿人的手指，分为无关节、固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指、四指等，其中以二指用得最多。可根据夾持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作的需要。手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需要的位置上。
2.1.2 国外灵巧手的应用
按照国内和国际上的要求,德意志民主共和国国营铁路的车辆检修部门也完成了所制订的合理化计划。随着生产和材料设备的高度发展,在机车车辆检修、机车车辆制造、集装箱生产和其它生产领域内,当前的重点在于应用和准备应用机械手。由此使工厂的主要生产工序和辅助工序在质量有所提高。国外在核能开发的恶劣情况下和微创手术的医疗器械中也都开始使用灵巧手。
2.2 国内外灵巧手的研究现状
2.2.1国内灵巧手的研究现状
在国内,北京航空航天大学于20世纪80年代末开始灵巧手的研究与开发,最初研究出来的BH-1型灵巧手功能相对简单,但填补了当时国内空白。在随后的几年中又不断改进,相继研究,该手为4指16自由度结构,其关节由包括直流伺服电机、行星减速器和光码盘在内的电机单元驱动。光码盘用于测量电机轴相对转角,关节轴绝对转角由电位计测量。考虑到下一步研究的需要,该手指指端设计成能方便地接入力传感器。国防科技大学从20世纪80年代后期开始就开展了多指灵巧手爪的研究,在手爪机构、传感器系统、控制系统、协调规划方法、控制方法,以及应用性实验研究等方面做了很多工作,基本建成了深入研究灵巧手爪问题及进行进一步实用化研究所必须的试验环境,为未来的手爪机构研究奠定了良好的基础。其中,3指9自由度GFKD多指灵巧手爪机构在紧凑、灵活、实用等方面比以往更进一步,能够抓持并操作球体和拧螺母等。哈尔滨工业大学研制了一种仿人机器人灵巧手,即HIT手，有4个手指,每个手指4个关节,共12个自由度,其外形尺寸与人手相似,具有多种感知功能。 机器人灵巧手是一个高度集成化、多种感知功能、智能化的机电系统,涉及机械、电子、计算机、控制等多个学科领域。灵巧手的关键技术包括驱动、传感和操作等几个方面。由于驱动器尺寸的限制,早期和中期的灵巧手难以把驱动器放置在手指中,最普遍的驱动方式是利用键把驱动器的运动和动力传递到相应关节。这种模拟人手关节驱动机理的方式可以实现手指的远距离驱动,减小系统的体积和质量,但是使手指的动学和动力学关系复杂,影响手指的操作性能。近年来,随着微型电机和减速装置的不断出现,将驱动器集成在灵巧手本体中已经成为可能。德国的DLRHANDII、哈尔滨工业大学与德国宇航中心的HIT/DLR手就是集驱动和本体为一体的高度集成化的灵巧。
灵巧手完成各种智能化灵巧操作的前提是手指必须具有丰富的感知功能,关节位置和力矩传感器是最常见的灵巧手传感系统配置。随着微机械加工和微电子学的发展,各种微型化集成化的传感器相继出现,如:用于测量手指尖和物体接触力的微型多维指尖力/力矩传感器、类似于人手皮肤的各种机理的触觉传感器和滑觉传感器等。这些传感器可以提供多指手的多种感觉信息,利用多传感器信息的融合,可以实现人手的智能化自主控制。目前,灵巧手的操作主要有自主操作和遥操作两种方式。自主操作是指没有人的干预下,灵巧手系统利用多传感信息感知自身和环境的状态,通过抓取规划和多指协调实现物体的全自主抓取和操作。自主操作对抓取规划和协调理论、传感器和微处理器有非常高的要求。因此,目前大多停留在仿真阶段,遥操作是应用最广泛的灵巧手操作方式。遥操作就是人通过某种设备给出多指手的期望位置和速度等,通过控制系统使多指手跟踪这些给定值,从而在人的控制下使灵巧手完成具体作业任务。近年来,将自主操作和遥操作两种方式进行局部融合,实现具有局部自主功能的遥操作成为灵巧手操作的一个主要研究趋势。对于灵巧手来说,数据手套是最常用的遥操作设备。在数据手套内部装有关节位置传感器,当操作者戴着数据手套运动时,从数据手套控制器可以输出手指各关节的位置信息。然后通过网络将这些信息传给灵巧手控制系统,于是灵巧手就跟踪人手的运动,从而完成相应的远程遥控作业。在1998年的德国汉诺威国际工业博览会上,德国宇航中心利用数据手套成功实现了从汉诺威到慕尼黑的灵巧手远程遥控服务作业。哈尔滨工业大学通过数据手套实现了HIT手的远程操作,完成了倒水、拉抽屉等作业。目前,机器人灵巧手不论从外观还是能够实现的功能已相当接近人的手,还能完成各种乐器演奏。以上这些,充分显示了人们对灵巧手爪研究的重视,以及它在多方面潜在的应用前景。灵巧手理论和技术的日臻成熟,以及应用范围的不断扩大预示着灵巧手技术将具有更加广阔的发展空间和更加美好的未来。灵巧手爪机构的研究,从20世纪六七十年代开始直到今日,正在日益朝着具有柔顺灵巧的操作功能,具有力觉、触觉、视觉等的智能化方向发展。从整个研究的进程以及目前的研究现状来看,其主要问题都集中在机构及传感器系统、抓持统、协调规划、补偿算法以及对控制方法的研究等方面。
2.2.2国外灵巧手的研究现状
灵巧手技术的发展大概经历了以下4个阶段:
早期阶段。多指手最先是从假肢开始的。1509年,人们为在战争中失去一只手的年轻战士Berlichingen制作了弹簧驱动的假手。这只假手在战斗中发挥了重要的作用,但是在生活中却很不方便。在Berlichingen手之后人们又相继研究了许多假手,有些假手至今仍在使用。Chilidress将这些手分为装饰型、被动型、身体驱动型和外部动力型4种,其中动力型手从1920年开始流行,从30年代开始得到广泛的应用。
(2)初期阶段。Tomovic和Boni于1962年研制成功的Belgrade手最初是为前南斯拉夫的一位伤寒病患者而设计的,它被认为是世界上最早的灵巧手。从20世纪70年代开始,国际上开始进行机器人多指灵巧手的系统化研究。1974年日本研制成功的Okada手,该手具有3个手指,有一个手掌,拇指有3个自由度,另两个手指各有4个自由度,各自由度都由电机驱动,并由钢丝和滑轮完成运动和动力的传递。这种手的灵巧性比较好,但是,各个手指在结构上细长而单薄,难以实现校大的抓取力和操作力。前南斯拉夫贝尔格莱德大学与美国南加州大学联合研制的Belgrade/USC手爪机构,则是由直流电机通过涡轮、蜗杆带动驱动杠杆,能够操作处理较精细的物体,相应地,其结构也都比较复杂。它们是初期灵巧手的典型代表。
(3)中期阶段。20世纪80年代以来,灵巧手进入了一个快速发展时期,一批著名的灵巧手相继问世。如美国麻省理工学院和犹他大学在1980年联合研制成功的Utah/MIT手,这是一种仿人的手,其大小、形状、功能都与人手相似,只比人手少一个手指。它有4个手指(拇指、食指、中指和无名指),每指4个关节,各手指都连接到手掌上,相对于手掌运动。手指的每个关节由键、活动连杆、及众多的滑轮来带动,驱动元件采用的是一排气动伺服缸。手爪机构由4自由度的3指和4自由度的一个大拇指组成,大拇指朝3指运动,手由气动操作的“膛”及其所驱动的16个活动连杆、184个低摩擦滑轮构成。此外,还有16个传感器、32个膜张力传感器,大体上能够像人手一样对物体进行抓持和操作,并能够通过手指表面安装的触觉传感器对物体进行初步的特征获取,以实现控制握力的大小。目前这个多指手主要用在实验室进行各种研究用。它的主要问题是关节自由度太多,控制太复杂,难以实现实时在线控制,所以,还没有得到实际应用;美国斯坦福大学研制的Stanford/JPL手(又称Salisbury手),这是一种非常具有代表性的多指灵巧手。这种手没有手掌,共有3个手指,每指3个关节,所有关节均采用绳索由电机驱动,其中一个拇指与另外两指相对配置,手指内采用的也是健、滑轮传动方法。这种手的自由度较少,易于设计、制造和控制。所以,目前对这种手的研究比较多,也出现了许多与其相类似的手。这些成果奠定了灵巧手的理论基石和技术基础。
(4)跨世纪阶段。20世纪90年代以后,以德国和意大利为代表的欧洲和美国在灵巧手方面的研究非常活跃,典型代表是意大利研制的DIST手和UB手、德国宇航中心研制的两代DLR手及美国宇航局研制的NASA手等。利用相关领域的成果,这些灵巧手具有很高的集成化和智能化水平,标志着灵巧手的研究已经进入了一个成熟的发展阶段。
2.3 国内外灵巧手的发展趋势
2.3.1国内灵巧手的发展趋势
目前国内机械手于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。
2.3.2 国外灵巧手的发展趋势
国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。目前世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，量新产品达到6轴，负载2KG的产品系统总重已突破100KG。更重要的是将机械 手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。
3 研究内容
3.1整个灵巧手的装置是由钢丝，一个电动机，弹簧和角传感器等组合起来的装置。五指灵巧手是一个复杂的控制对象，从总体上每只手指都是一个多自由度的串联臂机器人。要实现有效的控制，除对每只手指的驱动关节需要准确高效的控制外，多个手指之间相互协调。
3.2由钢丝绳索将每个关节连接起来，考虑成本低，效率高的优化方案。合理选用电机及个数。同时在拇指与手掌处添加电机作为驱动装置。关节连接处为一个自由度，弹簧，角传感器协调弯曲。
3.3正确选用电机，尽量选用体积小，扭转矩大的，实现灵巧手的包络和抓取。通过拉伸绳索使手指对物体进行包络抓取，当手指包络物体后，绳索继续拉伸，此时手指各关节角度不在变化，但关节输出力再增加，控制关节角度不变且电机继续转动的时间，即可控制抓取预紧力的大小。当预紧力达到合适大小时所有关节制动，抓取第一步。
4 研究方案
4.1 总体方案
绳驱动五指灵巧手，整手共计21个自由度，有五个完全相同的模块化手指组成，每个手指共四个自由度。手掌与拇指连接处有一个自由度。手掌为塑料材质。具有角度传感器，构成的传感系统，整手设计如下图所示：
图一：灵巧手的整体设计
整手以钢丝传动，通过电磁铁与离合装置的配合，以及控制策略的应用，成功的实现了以一个电机驱动整手，大大减少了无效负载，提高了灵巧手的灵活性。
手指设计作为整手设计的主要部分，手指的典型设计也代表了整手的设计水平。手指的功能在整手中占据主要位置。
每个手指包含角度传感器，电磁铁，复位弹簧，驱动钢丝，他们有效的构成了闭环控制系统。进而对每个手指的自由度进行较为精确的控制，控制流程简单。
所有结构均在手指内部，不影响手指外观及抓取功能，外型美观，与人手无太大差异。司时通过弹簧的组合实现的手指的柔性抓取控制，保护了电机和被抓取物体。
类人型手指具有4个自由度，每个自由度的原理基本相同。同时基于欠驱动设计思想， 同时对三个自由度进行了串联，使用同一根钢丝驱动。所以整个手指只需要两根腱进行驱动， 驱动方式简洁有效。
4.2单手指的结构设计及其控制
单手指串联了三个单关节结构，同时进行了简化，使用一根键驱动三个同向的关节, 并且在驱动绳索的末端加入了弹簧。从而使前三个关节结构较单关节结构荷所变化：如下图所示 其中弹簧k4,大于k1,k2,k3之和，藉此实现柔性控制。
图2：串联后前三关节结构
当绳索拉伸时，三个关节均发生转动，转动情况如下图所示：
图3：转动后关节情况
其中L问驱动绳索拉伸长度，θ1，θ2，θ3， 分别为三关节转动角度，m为手指关节宽度，n为手指关节到转动轴的距离。
电机驱动的简图如下，把电机安装在末端，如图，通过电机驱动使灵巧手运动。包络物体，抓取实物。
图4：电机驱动传动
电动机加减速器，通过齿轮传动垂直交换，输出给关节运动。
4.3具体实现机构
图5：手指具体实现机构
结构部分如图所示，角度传感器采用PT06型传感器，体积小，转动阻力小，弹簧采用钢材料。钢丝直径0.5mm弹力适中。电磁铁采用HCNE微型电磁铁。5 进度计划
2012年01月----2013年02月：查阅文献资料，撰写开题报告和文献翻译。
2013年03月05日：开题报告答辩。
2013年03月----2013年04月：设计绳驱动五指灵巧手，建立模型，仿真，图纸绘好，中期答辩。
2013年04月----2013年05月；撰写毕业论文。终期答辩
参考文献
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指导教师意见
指导教师签名：
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