基于人體工程學(xué)仿生機(jī)械臂設(shè)計(jì)
基于人體工程學(xué)仿生機(jī)械臂設(shè)計(jì),基于,人體,工程學(xué),仿生,機(jī)械,設(shè)計(jì)
摘 要
基于仿生學(xué)原理，以均力抓取為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種抓取力可調(diào)的欠驅(qū)動機(jī)械手。針對不同尺寸的剛性球體和多自由度機(jī)械臂，依據(jù)參與抓取的指節(jié)數(shù)目，進(jìn)行了多指節(jié)抓取模式的分類研究，并分別建立了靜力學(xué)模型。輸入轉(zhuǎn)矩一定時，通過調(diào)節(jié)機(jī)械手近指節(jié)的初始角度，可以達(dá)到接觸力大小相等的良好效果；當(dāng)近指節(jié)初始角度不變時，通過調(diào)節(jié)輸入力矩的大小，可實(shí)現(xiàn)在均力抓取狀態(tài)下接觸力大小可調(diào)的功能。并用Pro.E實(shí)現(xiàn)對仿真機(jī)械手臂的仿真
【關(guān)鍵詞】仿生學(xué)、自由度、多指節(jié)
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 錄
摘 要 1
目 錄 3
1 緒論 1
1.1仿生機(jī)械的選題背景 1
1.2仿生機(jī)械臂的研究現(xiàn)狀 2
1.3仿真機(jī)械臂的選型 6
1.3.1機(jī)械臂選型原則 6
1.4.2 驅(qū)動選型 6
2 仿真機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案 8
2.1設(shè)計(jì)任務(wù) 10
2.2 功能分析 10
2.3 仿生機(jī)械臂設(shè)計(jì)原理 11
3 機(jī)械手手指的運(yùn)動分析 14
3.1 手指機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué) 14
3.1.1 手指機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算 14
3.1.2 手指計(jì)算 15
3.1.3 三自由度仿生機(jī)械手指的位置反解分析 17
3.2 仿生機(jī)械手指的速度分析 21
3.3 仿生機(jī)械手指的運(yùn)動空間分析與仿真 22
4 基于人體工程學(xué)仿生機(jī)械手的建模，裝配及仿真 23
4.1 Pro/e簡介 23
4.2仿生機(jī)械手各部分的建模與仿真 25
4.2.1機(jī)械手的建模 25
4.2.2機(jī)械手的仿真 31
小結(jié) 35
致謝 36
參考文獻(xiàn) 37
4
1 緒論
1.1仿生機(jī)械的選題背景
在人類在地球上出現(xiàn)之前，各種物種在大自然中生活了數(shù)百萬年，在為生存而奮斗的長期演變中獲得適應(yīng)自然的能力。生物學(xué)研究表明，生物體在進(jìn)化過程中形成的極其精確和完善的機(jī)制使他們能夠適應(yīng)內(nèi)部和外部環(huán)境的變化。生物界有許多有效的技能。如人體的生物合成，能量轉(zhuǎn)換，信息接受與傳播，外界識別，導(dǎo)航，定向計(jì)算與綜合等，都表明許多機(jī)器具有無可比擬的優(yōu)越性。生物的小巧，靈敏度，速度，效率，可靠性和抗噪能力都非常出色。
盡管人類仿生學(xué)的行為早已存在，但在20世紀(jì)40年代之前，人們并沒有有意識地將生物學(xué)作為設(shè)計(jì)思想和發(fā)明的來源?？茖W(xué)家對生物的研究只停留在描述生物體的精巧結(jié)構(gòu)和完美功能上。工程師和技術(shù)人員更多地依靠他們的卓越智慧，并努力工作來制造人造發(fā)明。他們很少有意識地從生物世界中學(xué)習(xí)。然而，以下事實(shí)可以解釋：人類遇到的一些技術(shù)困難，生物圈早在數(shù)百萬年前就已經(jīng)出現(xiàn)，并且在進(jìn)化過程中得到了解決，但人類還沒有從生物世界中獲得適當(dāng)?shù)膯⑹尽?
自從1782年瓦茨發(fā)明蒸汽機(jī)以來，人們在生產(chǎn)斗爭中獲得了強(qiáng)大的動力。在工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域，能源轉(zhuǎn)換，控制和利用基本得到解決。這導(dǎo)致了第一次工業(yè)革命。各種類型的機(jī)器如雨后春筍般涌現(xiàn)。工業(yè)技術(shù)的發(fā)展極大地?cái)U(kuò)大和加強(qiáng)了人們。身體能力使人們免于繁重的體力勞動。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)經(jīng)歷了蒸汽機(jī)后的電氣時代，并正在走向自動化時代。
20世紀(jì)40年代電子計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)為人類科學(xué)和技術(shù)的寶藏增添了寶貴的財(cái)富。它以可靠和高效的技能處理了數(shù)以萬計(jì)的人們的信息，并使海洋中的人們像海洋一樣??。數(shù)字和信息的解放，計(jì)算機(jī)和自動裝置的使用可以使人們在面對復(fù)雜的生產(chǎn)過程時容易和省力，他們準(zhǔn)確地調(diào)整和控制生產(chǎn)過程以使產(chǎn)品規(guī)格準(zhǔn)確。但是，自動控制裝置按照人們制定的固定程序工作，這使其控制能力受到很大限制。自動設(shè)備缺乏對外界靈活分析和反應(yīng)的能力。如果發(fā)生意外情況，自動裝置必須停止工作甚至發(fā)生意外。這是自動設(shè)備本身的嚴(yán)重缺陷。為了克服這個缺點(diǎn)，無非是為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器各部分之間以及機(jī)器與環(huán)境之間的“通信”，即自動控制裝置適應(yīng)內(nèi)部和外部環(huán)境變化的能力。要解決這個問題，我們必須解決如何接受和改變工程技術(shù)。使用和控制信息問題。因此，信息的使用和控制已經(jīng)成為工業(yè)技術(shù)發(fā)展中的一個主要矛盾。如何解決這個矛盾？生物界為我們提供了有益的啟發(fā)。
控制論的基本觀點(diǎn)是動物（特別是人類）和機(jī)器（包括各種通信，控制和計(jì)算自動化設(shè)備）之間存在一定程度的通用性，也就是說，它們在控制系統(tǒng)中具有一定的共性。法。根據(jù)控制論研究，各種控制系統(tǒng)的控制過程包括信息的傳輸，轉(zhuǎn)換和處理。控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行取決于信息的正常運(yùn)行。所謂的控制系統(tǒng)是指將受控對象和各種控制元件，組件和電路有機(jī)地組合在一起，從而整體上具有一定的控制功能。從信息角度看，控制系統(tǒng)是信息通道的網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)。機(jī)體與控制系統(tǒng)在生物體內(nèi)存在著很多共性，因此人們對生物自動化系統(tǒng)有著濃厚的興趣，并且利用物理學(xué)，數(shù)學(xué)甚至技術(shù)模型對生物系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。因此，控制理論已經(jīng)成為生物學(xué)和工程技術(shù)聯(lián)系的理論基礎(chǔ)。成為溝通生物系統(tǒng)和技術(shù)系統(tǒng)的橋梁。
1.2仿生機(jī)械臂的研究現(xiàn)狀
1962年美國就有一種類似多指靈巧手的手爪制造出來。但是真正的靈巧手是1974年日本的okada手[1]，如圖1.1所示。
該手具有三個手指，有一個手掌，拇指有三個自由度，另兩個手指各有四個自由度。各自由度都是由電機(jī)驅(qū)動，并由鋼絲和滑輪完成運(yùn)動和動力的傳遞，屬于n驅(qū)動方式。該手的抓取重量為0.8Kg，自重0.24Kg。這種手的靈巧性比較好，但由于拇指只有三個自由度，還不是最靈巧的手。此外，在結(jié)構(gòu)上，各個手指細(xì)長而單薄，難以實(shí)現(xiàn)較大的抓取力和操作力。
德國宇航中心研制的DLR手被公認(rèn)為迄今為止世界上最復(fù)雜、智能化和集成化最高的仿人機(jī)器人多指靈巧手[2]。如圖1.2所示，該手是一種仿人手，它是由四個完全相同手指組成，每個手指有四個關(guān)節(jié)。整個手共由1000個機(jī)械零件以及1500個電子元件和112個傳感器組成。其中，末端的兩個關(guān)節(jié)同人手類似，存在著機(jī)械禍合，使用一個驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動。基關(guān)節(jié)使用兩個驅(qū)動器，實(shí)現(xiàn)兩個方向的運(yùn)動。DLR手采用電驅(qū)動方式，使用微型直線驅(qū)動器作為驅(qū)動元件，n+1驅(qū)動方式。該直線驅(qū)動器將旋轉(zhuǎn)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)直線轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和減速機(jī)構(gòu)融為一體。所以它可將所有的驅(qū)動器集成在手指或手掌中，減小了手指的尺寸，同時使腿的傳動距離縮短，提高了動態(tài)響應(yīng)。DLR手在每個手指上集成有28個傳感器，包括類似人工皮膚的觸覺傳感器、關(guān)節(jié)力矩傳感器、位置傳感器、速度傳感器和溫度傳感器等。
圖1.2DLR多指靈巧手指
具代表性的多指靈巧手是1985年美國麻省理工學(xué)院和猶他大學(xué)聯(lián)合研制的Utah/M工T靈巧手[3]，這是一種仿人手，其大小、形狀、功能都與人手相似。Utah/MIT手采用了模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，四個手指(拇指、食指、中指和無名指)完全相同，每個手指有四個自由度，各手指都連接到手掌并且相對于手掌運(yùn)動。手指的每個關(guān)節(jié)都由腿(繩索)、滑輪進(jìn)行遠(yuǎn)距離帶動，屬于2n驅(qū)動方式，驅(qū)動元件采用的是一排氣動伺服缸，能在指尖上產(chǎn)生31N的抓取力。16個位置傳感器裝在每個關(guān)節(jié)上，32個腿拉緊傳感器裝在腕后面。目前該手多用于實(shí)驗(yàn)室的各種研究，它的主要問題是關(guān)節(jié)自由度太多，控制太復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時的在線控制，還未得到實(shí)際應(yīng)用。
美國斯坦福大學(xué)研制的Stanford/JPL手(Salisbry手)[4]也是一種非常具有代表性的非仿人多指靈巧手。該手沒有手掌，共三個手指，每指三個關(guān)節(jié)，拇指相對另兩指布置。每個手指由四個直流力矩電機(jī)驅(qū)動，通過四條繩索張力的調(diào)節(jié)來控制三個關(guān)節(jié)力矩的大小，屬于n+1驅(qū)動。關(guān)節(jié)1、2有士90’的運(yùn)動范圍，末端關(guān)節(jié)3有士135’的運(yùn)動范圍。這種手每個手指的自由度只有三個，在抓取物體時，抓取點(diǎn)(指尖位置)一旦確定后，其抓取姿態(tài)就唯一確定。因此，實(shí)際上手指沒有冗余關(guān)節(jié)，也就沒有抓取的柔性，無法像人手一樣進(jìn)行靈巧、穩(wěn)定的抓取和操作。
此外，根據(jù)欠驅(qū)動原理研制的三指10個自由度的機(jī)器人手爪具有驅(qū)動元件數(shù)量少、抓取物體范圍廣泛等優(yōu)點(diǎn)，在欠驅(qū)動手爪的4個主要機(jī)構(gòu)中,欠驅(qū)動手指對抓取物體具有被動柔順和形狀自適應(yīng)的特性，首先對三關(guān)節(jié)欠驅(qū)動手指機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析,提出合理的設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束條件;然后根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo),采用遺傳算法得到手指機(jī)構(gòu)的各個關(guān)節(jié)連桿尺寸和抓取物體時的特殊構(gòu)形,使得在抓取給定物體時各關(guān)節(jié)指面的接觸力達(dá)到均勻分布,得到高效的力傳遞和更加緊湊的機(jī)構(gòu)尺寸。加拿大MD ROBOTICS公司和Laval大學(xué)合作研制出SARAH手爪 (Self-AdaptingRobotic Auxiliary Hand) [5]如圖1.3所示,該手爪共有10個自由度,只用兩個電機(jī)驅(qū)動,一個電機(jī)負(fù)責(zé)三個手指的開合;另一個負(fù)責(zé)調(diào)整手指方向,使其能采取不同的抓取姿勢抓取物體。SARAH手爪既可以用末關(guān)節(jié)指面捏取的方式完成各種精確捏取,如圖1.4所示，又可以用欠驅(qū)動的方式完成包絡(luò)抓取，如圖1.5所示。
圖1.3 欠驅(qū)動10-DOF SARAH手爪
圖1.4欠驅(qū)動10-DOF SARAH手爪用末關(guān)節(jié)指面捏取
圖1.5欠驅(qū)動10-DOF SARAH手爪用欠驅(qū)動的方式完成包絡(luò)抓取
在國內(nèi)，對靈巧手的研究是從20世紀(jì)80年代后期開始的，其中以北京航空航天大學(xué)研制的BH系列為代表，從1987年以來，北航已先后研制出BH一1、BH一2、BH一3型多指靈巧手，該型手是一種仿Stanford/JPL手，三指九自由度，每個手指由四個電機(jī)驅(qū)動，屬于n+1驅(qū)動方式。近幾年，北航開始研究BH一4型靈巧手，該手為四指十六自由度，采用模塊化設(shè)計(jì)，分為手指、手掌和機(jī)械接口三個模塊，改變手掌設(shè)計(jì)一可以獲得擬人或非擬人手，機(jī)械接口用于確定手與臂的連接，改變機(jī)械接口可以使靈巧手適應(yīng)不同的機(jī)械臂。傳動元件全部由齒輪副組成，電機(jī)完全置于手指中。傳動路線短，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。
但是由于國內(nèi)對機(jī)械手研究的滯后等原因，我國目前已經(jīng)制造出來的這些多指靈巧手在結(jié)構(gòu)方面都存在許多不完善的地方。因此，有必要對多指靈巧手結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的分析，并引進(jìn)合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)更為合理的多指靈巧手，為多指靈巧手的實(shí)用化和其他方面的研究提供最理想的結(jié)構(gòu)。
1.3仿真機(jī)械臂的選型
1.3.1機(jī)械臂選型原則
多指靈巧手的開發(fā)可以幫助解決上述問題。因?yàn)樽鳛槟┒藞?zhí)行器的靈巧手相當(dāng)于可以安裝在機(jī)器人手臂上并且可以獨(dú)立執(zhí)行精細(xì)操作運(yùn)動的一組機(jī)器人，所以機(jī)器人手臂實(shí)現(xiàn)了粗略定位，并且通過使用靈巧手來實(shí)現(xiàn)精確定位手。如果使用合適的抓取方法和掌握規(guī)劃算法，理論上可以抓住任意物體，并且可以將任意運(yùn)動和力施加到物體上。這對于提高機(jī)器人的智能化操作水平具有重要意義。本課題旨在通過優(yōu)化靈巧手指和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來解決以下問題。
（1）能夠適應(yīng)被操作物體形狀的變化，盡可能地抓住不同形狀的物體;
（2）可以控制操作力，對不同物料的物體進(jìn)行操作;
（3）可以對被抓住的物體進(jìn)行微小的姿勢調(diào)整;
（4）通過上位機(jī)控制掌握運(yùn)動計(jì)劃，可以使靈巧手順利移動
1.4.2 驅(qū)動選型
鏈條、鋼帶這種方式同樣是把驅(qū)動器和關(guān)節(jié)分開安裝，是遠(yuǎn)程驅(qū)動的手段之一，鏈條、鋼帶與鋼絲繩相比，剛性高，可以傳遞較大的輸出，但設(shè)計(jì)上的限制也很大，在SCARA型的關(guān)節(jié)機(jī)器人中多采用了此法。
對于像靈巧手指這類不是很遠(yuǎn)距離的運(yùn)動和動力傳送,連桿機(jī)構(gòu)也是可行的方法。手指機(jī)構(gòu)的主體是開環(huán)串聯(lián)三連桿機(jī)構(gòu),在此開環(huán)機(jī)構(gòu)上添加一些零自由度的桿組,就可以構(gòu)造出閉環(huán)連桿機(jī)構(gòu),通過這些桿組可以將手指根部的動力傳送到各個關(guān)節(jié),如圖1.7
圖1.6閉式鏈?zhǔn)种笝C(jī)構(gòu)
桿1，桿2和桿3分別為根關(guān)節(jié)，中間關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)側(cè)關(guān)節(jié)，根關(guān)節(jié)固定在手掌上。圖2中的桿1,4和6被同軸驅(qū)動。電機(jī)直接驅(qū)動桿1,4和6，桿4通過四桿連桿驅(qū)動桿2。桿6通過另一平面四連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動蓮花桿8，然后通過第三四連桿機(jī)構(gòu)帶動無名指連桿3。蓮花8的作用是提高兩平面四邊形之間的傳遞性能，從而實(shí)現(xiàn)手指三個關(guān)節(jié)的獨(dú)立驅(qū)動?？紤]到一般四連桿機(jī)構(gòu)的傳動的運(yùn)動在傳動過程中具有很大的變化，所以使用具有與輸入相等的輸出的平行四邊形機(jī)構(gòu)?？梢钥闯?，桿件3分別由桿件2和桿件9分別引導(dǎo)的兩個分支直接平行驅(qū)動，兩個分支均與桿件1串聯(lián)連接，從而指尖的位置將會由桿決定1的構(gòu)造和由桿2上的兩個平行四邊形機(jī)構(gòu)引導(dǎo)的分支的位置是共同確定的。上述特點(diǎn)說明這是一種混合結(jié)構(gòu)，它具有并聯(lián)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，即它繼承了并聯(lián)結(jié)構(gòu)的高速，高剛性，并且具有高度的串聯(lián)結(jié)構(gòu)的柔性;并行驅(qū)動，但它是整個手指的串行結(jié)構(gòu)，具有串聯(lián)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。
閉鏈驅(qū)動功能：
與常規(guī)驅(qū)動模式下的傳統(tǒng)繩索滑輪驅(qū)動器相比，該傳動結(jié)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）一對運(yùn)動較低，接觸面為面接觸，低對輔助元件易于潤滑。桿的幾何結(jié)構(gòu)簡單且易于制造。
（2）傳動剛性小，變形小，無滯后，通過幾何約束定位，傳動可靠，工作安全。
（3）桿的平行傳動能承受較大的載荷，機(jī)械損失較小，這是連桿傳動的最大優(yōu)點(diǎn)。
（4）桿可以被拉或壓。電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)接頭的正反轉(zhuǎn)，返回方便。因此，一旦控制力過度調(diào)節(jié)，就很容易消除。
（5）封閉鏈由平行四邊形機(jī)構(gòu)驅(qū)動。平行四邊形機(jī)構(gòu)的輸入等于輸出特性。因此，手指的運(yùn)動學(xué)和各種性能相當(dāng)于開環(huán)平面三自由度連桿機(jī)構(gòu)，因此簡化了運(yùn)動學(xué)解和性能分析。從以上分析比較可以看出，所設(shè)計(jì)的新型平行連桿機(jī)構(gòu)傳動比傳統(tǒng)的鋼絲繩傳動有更好的優(yōu)勢，特別是針對傳統(tǒng)傳動方式傳遞剛性時固有的缺陷，這種新型傳動方式有一定的提高效率。當(dāng)然，這種傳輸方式會使靈巧手的結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，必須注意結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)。
在對上述驅(qū)動方法進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上，本文的驅(qū)動機(jī)構(gòu)由閉環(huán)鏈傳動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動方法驅(qū)動。
2 仿真機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案
產(chǎn)品開發(fā)通常需要幾個階段，如產(chǎn)品規(guī)劃，程序設(shè)計(jì)，技術(shù)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)。
在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，針對產(chǎn)品的主要功能提出了原理的概念，探討了解決問題的物理效和工作原理，并利用機(jī)構(gòu)運(yùn)動圖，液壓電路圖和電路圖。
方案設(shè)計(jì)對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，工藝，成本，性能，使用和維護(hù)有很大影響，是產(chǎn)品水平和競爭力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，原理方案的創(chuàng)新設(shè)計(jì)有其重要的意義。
工程設(shè)計(jì)的內(nèi)容復(fù)雜而復(fù)雜。如果我們孤立地，靜態(tài)地分析某一領(lǐng)域的問題，所得出的結(jié)論往往是片面的，而且是有限的。系統(tǒng)工程方法是把事物作為一個整體系統(tǒng)來研究，分析系統(tǒng)
圖2.1原理方案設(shè)計(jì)步驟
各部分之間的有機(jī)聯(lián)系以及系統(tǒng)與外部環(huán)境之間的關(guān)系是更為全面的研究方法。在設(shè)計(jì)原理方案的過程中，常常使用系統(tǒng)工程視圖和方法來解決復(fù)雜問題。
原理方案的設(shè)計(jì)是一個發(fā)散收斂過程。從功能分析開始，通過創(chuàng)新思路探索多種解決方案，然后進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)評估。經(jīng)過優(yōu)化和選擇，獲得最佳的原則計(jì)劃。圖2-1顯示了每個階段使用的步驟和主要方法。
系統(tǒng)工程方法設(shè)計(jì)的產(chǎn)品原理設(shè)計(jì)與組合的功能和實(shí)現(xiàn)的分析和解決密切相關(guān)。
系統(tǒng)工程使用“黑匣子方法”來研究和分析問題。對于一個復(fù)雜的未知系統(tǒng)，就好像它不透明一樣，它不知道其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“黑盒子”。通過分析黑匣子的連接，輸入和輸出以及周邊環(huán)境，可以利用外部觀測來了解其功能和特點(diǎn)，進(jìn)一步探索其內(nèi)部原理和結(jié)構(gòu)。
2.1設(shè)計(jì)任務(wù)
根據(jù)此次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù)書要求設(shè)計(jì)一個九自由度三指仿生機(jī)械手，以完成機(jī)械手對其他物體的抓取。具體要求如下：
（1）九自由度三指仿真機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案；
（2）九自由度機(jī)械手指的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動分析；
（3）九自由度三指仿真機(jī)械手的三維設(shè)計(jì)；
（4）械手的裝配與仿真。
2.2 功能分析
由于現(xiàn)代機(jī)械中動力源主要有電動機(jī)、汽油機(jī)、柴油機(jī)、氣動馬達(dá)等，但由于機(jī)械手的工作條件和各種動力源的特點(diǎn)決定了，在現(xiàn)代機(jī)械手中的動力源多以電動機(jī)作為動力源。故在本設(shè)計(jì)中均以電動機(jī)作為動力源進(jìn)行研究探索。
仿生機(jī)械手和一般夾持工具實(shí)現(xiàn)對工件的抓取類似，但需要更高的靈活度，以便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對于不同形狀的工件實(shí)現(xiàn)更為靈活可靠的抓取。
2.3 仿生機(jī)械臂設(shè)計(jì)原理
圖2-2為一種較好的三指機(jī)械手的原理方案，即采用步進(jìn)電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動—曲柄滑塊—球面副—桿機(jī)構(gòu)的組合。
圖2-2 單指2自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡圖
本設(shè)計(jì)是要求九自由度三指仿生機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，故對圖2-2進(jìn)行修改變異后即可得到單指三自由度的機(jī)械手結(jié)構(gòu)， 變異后的機(jī)械手在pro/e軟件建模如圖2-3所示。
圖2-3 各種位形下手指的仿真圖
變異后得到的機(jī)械手結(jié)構(gòu)在pro/e中抓取圓柱工件和球形工件的仿真如下圖2-4所示：
圖2-4 抓取圓柱形和球形工件的三自由度手指三維模型
上節(jié)中已說明了機(jī)械手夾持部分的原理方案，為了進(jìn)一步明確機(jī)械手的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局，下面針對機(jī)械手的整體布局和驅(qū)動方式作具體分析，由上述可知，機(jī)械手的動力源采用的是步進(jìn)電機(jī)，但是步進(jìn)電機(jī)的輸出是電動機(jī)轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，但是經(jīng)分析，機(jī)械手執(zhí)行夾持的部分要求的是桿機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動，故需將電機(jī)主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為機(jī)械手執(zhí)行部件的桿機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動。由機(jī)構(gòu)學(xué)可知，將一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動主要有以下幾種方案：
（1）曲柄滑塊機(jī)構(gòu)
曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動副均為低副（故又稱為低副機(jī)構(gòu)）。其運(yùn)動副元素為面接觸，壓力較小，承載能力較大，潤滑好，磨損小，加工制造容易，且曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中的低副是幾何封閉的，對保證工作的可靠性有利。
利用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)還可以很方便的達(dá)到改變運(yùn)動的傳遞方向，實(shí)現(xiàn)增力和遠(yuǎn)距離傳動的目的。
但是曲柄滑塊機(jī)構(gòu)也存在一些特點(diǎn)，主要是電機(jī)轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動需要通過中間構(gòu)件曲柄和連桿的傳遞，故增加了傳動線路，易產(chǎn)生較大的累積誤差，并且使得機(jī)械效率降低。
（2）齒輪齒條機(jī)構(gòu)
齒輪齒條機(jī)構(gòu)雖然在提高機(jī)械傳動效率方面比曲柄滑塊機(jī)構(gòu)具有較大的優(yōu)勢，但是齒輪的齒面作為一個較為復(fù)雜的型面，在加工和制造過程中較為困難，且加工成本比曲柄滑塊機(jī)構(gòu)高，。
齒輪齒條傳動在傳動上還存在一個不可忽視的缺點(diǎn)，齒輪齒條嚙合傳動時是屬于線接觸，故相對曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，齒輪齒條嚙合傳動時的接觸應(yīng)力較大，齒面容易磨損，最終會導(dǎo)致更大的傳動誤差。
（3）凸輪機(jī)構(gòu)
凸輪機(jī)構(gòu)作為將回轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為其他運(yùn)動形式的傳動機(jī)構(gòu)，在工業(yè)應(yīng)用中有其獨(dú)特的優(yōu)勢，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是：只要適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)出了凸輪的輪廓曲線，就可以使得推桿得帶各種預(yù)期的運(yùn)動規(guī)律，而且響應(yīng)快，機(jī)構(gòu)簡單緊湊。
但由于凸輪機(jī)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)形式，決定了其固有的缺點(diǎn)，在凸輪機(jī)構(gòu)中，凸輪廓線和推桿間為點(diǎn)、線接觸，所以接觸應(yīng)力大，容易磨損，而且凸輪的加工制造較困難。
（4）螺旋機(jī)構(gòu)
螺旋機(jī)構(gòu)有螺桿、螺母和機(jī)架組成。一般情況下，它是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動。螺旋機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能獲得很大的減速比和力的增益，還可以自鎖性。但是由于螺紋的機(jī)構(gòu)形式，螺旋機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率會比較低或者是效率提高，磨損則增大，兩者不可兼得。
由上述分析，綜合傳動誤差，傳動效率和經(jīng)濟(jì)成本的考慮，以下方案是采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)對機(jī)械手的執(zhí)行部分實(shí)現(xiàn)驅(qū)動，機(jī)械手單個手指的的布局如示：則由圖2-5可知，機(jī)械手的工作原理：在曲柄1的外部鏈接一個步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)將運(yùn)動傳至三角板4，由于滑塊3將運(yùn)動傳至構(gòu)件是由球面副實(shí)現(xiàn)的，所以構(gòu)件4可實(shí)現(xiàn)在豎直方向移動外，還可以實(shí)現(xiàn)三個方向的轉(zhuǎn)動。再由4構(gòu)件各個頂點(diǎn)的上下移動帶動5構(gòu)件運(yùn)動，再由桿機(jī)構(gòu)6、7、8的運(yùn)動將運(yùn)動傳至指尖機(jī)構(gòu)8，對工件實(shí)現(xiàn)夾持。而構(gòu)件4連接構(gòu)件5的運(yùn)動副為球面副，則可以實(shí)現(xiàn)對各種形狀的工件進(jìn)行自適
圖2-5機(jī)械手單個手指的布局圖
3 機(jī)械手手指的運(yùn)動分析
機(jī)器人運(yùn)動學(xué)描述了機(jī)器人關(guān)節(jié)與組成機(jī)器人的各剛體之間的運(yùn)動關(guān)系。本章首先對手指機(jī)構(gòu)進(jìn)行自由度分析，以確定有幾個獨(dú)立參數(shù)需要驅(qū)動，然后對手指機(jī)構(gòu)進(jìn)行位置正反解分析，速度分析，得到了雅克比矩陣。最后對機(jī)構(gòu)的特殊位形和零點(diǎn)進(jìn)行了討論，得出了一些設(shè)計(jì)條件。
3.1 手指機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)
物體在工作空間內(nèi)的位置以及機(jī)器人手的位置，都是以某個確定的坐標(biāo)系來描述的、而工作任務(wù)則是以某個中間坐標(biāo)系(如賦于手指末端的坐標(biāo)系)來規(guī)定的。由笛卡兒坐標(biāo)系來描述工作任務(wù)時，必須把上述這些規(guī)定變換為一系列能夠由手指驅(qū)動的關(guān)節(jié)位置。確定手指位置和姿態(tài)的各關(guān)節(jié)位置的解答，即運(yùn)動方程的求解。要知道工作物體和工具的位置，就要指定手指逐點(diǎn)運(yùn)動的速度。雅克比矩陣是由某個笛卡兒坐標(biāo)系規(guī)定的各單個關(guān)節(jié)速度對最后一個連桿速度的線性變換。
3.1.1 手指機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算
平面機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算公式為
（3-1）
其中 ：——機(jī)構(gòu)中活動構(gòu)件的數(shù)目；
——機(jī)構(gòu)中低副的數(shù)目；
——機(jī)構(gòu)中高副的數(shù)目。
從圖3-1中可以看出此手指結(jié)構(gòu)有7個活動構(gòu)件，9個轉(zhuǎn)動低副，沒有高副，也不存在局部自由度和虛約束，自由度計(jì)算如下：
圖3-1 手指的機(jī)構(gòu)簡圖
3.1.2 手指計(jì)算
具有閉式鏈結(jié)構(gòu)的靈巧手，決定手末端位姿及速度和加速度性能的主要桿件間的相對轉(zhuǎn)角中，有些是被間接驅(qū)動的，有些關(guān)節(jié)運(yùn)動時，另一些關(guān)節(jié)會由于結(jié)構(gòu)上的原因產(chǎn)生附加運(yùn)動。所以，在求解時，必須先分析運(yùn)動特點(diǎn)，找出直接決定末端位姿、速度和加速度性能的關(guān)節(jié)角，把它們分離出來，組成等價(jià)的開鏈機(jī)構(gòu)，然后進(jìn)行求解[6]。一個nDOF的閉式鏈可有nDOF的開式鏈和一個0DOF的桿組構(gòu)成，自由度保持不變，閉式鏈的運(yùn)動學(xué)特性及工作性能由開式鏈決定。對圖3-1所示的手指結(jié)構(gòu)，可以將其等價(jià)為由桿1、5、7組成的開環(huán)平面三自由度連桿結(jié)構(gòu)，再作運(yùn)動學(xué)分析。建立如圖3-2所示的坐標(biāo)系，各關(guān)節(jié)輸入角為，各關(guān)節(jié)相對基坐標(biāo)系x軸的轉(zhuǎn)角為，也就是各電機(jī)輸入角，有如下關(guān)系：
（3-2）
利用幾何法可以得到手指末端的位置正解，手指末端點(diǎn)的位置可以通過坐標(biāo)來表示，姿態(tài)用表示，經(jīng)過投影變換有如下關(guān)系：
（3-3）
（3-4）
（3-5）
圖3-2 平面三自由度開環(huán)連桿機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系
國內(nèi)外仿生機(jī)械手指的優(yōu)化設(shè)計(jì)，選定,根據(jù)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)計(jì)算數(shù)據(jù)如下表3.1：
表3.1 仿生機(jī)械手指的位置正解實(shí)例
3.1.3 三自由度仿生機(jī)械手指的位置反解分析
通過末端點(diǎn)的位置，求出能實(shí)現(xiàn)這一末端位置的一組或者一系列關(guān)節(jié)輸入角的過程即為位置反解的過程，而位置反解的求解可以分別用代數(shù)的方法以及幾何的方法。
(a) 代數(shù)法：設(shè)末端點(diǎn)的位置，圖3-3中
圖3-3 位置反解代數(shù)法分析
(3-6)
利用復(fù)數(shù)向量法列出矢量位移方程
（3-7）
當(dāng)手指末端點(diǎn)的位置確定后，上式有兩個未知數(shù)，故可以求解。移項(xiàng)，對等式兩邊同乘以各自的共軛復(fù)數(shù)，有
(3-8)
將上式展開，合并同類項(xiàng)，有
(3-9)
其中令
均已知，化簡即為
(3-10)
可得有兩個解：
（3-11）
再利用式5)求解，即：
（3-12）
即得：
（ 3-13）
，這個可以在幾何的方法中詳細(xì)解釋，如圖3.2所示兩種位形可以滿足要求。
（b）幾何法：當(dāng)手指末端點(diǎn)的位置確定后，如圖3-4可以求出點(diǎn)位置
，其中 (3-14)
圖3-4 位置反解幾何法分析
如圖3-4所示，在組成的三角形內(nèi)，應(yīng)用余弦定理可以求出，其中投影關(guān)系如下：
(3-15)
由此可得
(3-16)
值得注意的是：
(1)為了保證解的存在，目標(biāo)點(diǎn)應(yīng)滿足的條件；
(2)在滿足解的存在性的條件下，可能有兩個解（其中一由虛實(shí)線表示）：
為了求出，首先計(jì)算角度
其中
(3-17)
(3-18)
由此得出
(3-19)
其中，當(dāng)時，取“+”號；當(dāng)時，取“-”號。手指末端連桿的方位角由三個方位角之和決定：
(3-20)
從而確定。
現(xiàn)選擇幾何法來驗(yàn)證反解，具體過程如下：
首先假定，根據(jù)設(shè)計(jì)要求還是令，選取表1其中位置的數(shù)據(jù)，， ，代入(3-14)式得
繼續(xù)代入(3-16)得：
則或者
用式(3-17) 、(3-18)，得到
當(dāng)時，代入式(3-19) 、(3-20)
當(dāng)?shù)臅r，代入式(3-19) 、(3-20)
從結(jié)果分析，有一組解即為正解分析中的位置，而另一組解為圖3.3中所示虛線的位置。也就是說，兩組解在手指末端關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角是相同的，因?yàn)檫@由公式(3-14)決定。而兩組解的手指根段關(guān)節(jié)和手指中段關(guān)節(jié)的位置態(tài)，正好是關(guān)于經(jīng)過原點(diǎn)與的直線對稱，這是由于公式(3-16)決定的，但實(shí)際情況是兩組解都可能實(shí)現(xiàn)，只是第一組解比第二組解更容易到達(dá)，并且可以更好避免奇異位置的出現(xiàn)。
3.2 仿生機(jī)械手指的速度分析
式(3-3)、式（3-4）、式（3-5）對時間t求導(dǎo)，就得到手指末端P的速度
(3-21)
其中 ，，，，
，；
令 V=,,
將（3-21）式改寫成矩陣形式
V= (3-22)
其中 = (3-23)
就是手指機(jī)構(gòu)的雅可比矩陣，它描述了機(jī)器人機(jī)構(gòu)的操作空間速度和關(guān)節(jié)空間速度的線性映射關(guān)系。在這里描述了手指末端P點(diǎn)的速度和各關(guān)節(jié)速度的映射關(guān)系。
由于線速度和加速度的不同量綱，將雅可比矩陣分成子陣：
(3-24)
將（3-22）式寫成：
(3-25)
(3-26)
,速度反解為 (3-27)
當(dāng)滿秩時，為雅克比矩陣的逆矩陣，當(dāng)不滿秩時，=0，的逆矩陣不存在，此時任何一組關(guān)節(jié)運(yùn)動變量為奇異關(guān)節(jié)變量，機(jī)構(gòu)處于奇異位姿，欲使手末端沿某個笛卡兒方向以一定的速度運(yùn)動，其某個關(guān)節(jié)所需的速度將變得非常大，且接近極限不確定值，但由于關(guān)節(jié)實(shí)際運(yùn)動速度不可能無限大，所以末端勢必偏離所要求的運(yùn)動或失去某個方向的運(yùn)動而出現(xiàn)機(jī)構(gòu)自由度瞬時減少的現(xiàn)象。
同位置分析一樣，若末端點(diǎn)P不考慮與物體的接觸姿態(tài)，則用來描述姿態(tài)的輸出變量可以任意，此時的速度雅克比將有所變化
= (3-28)
不是方陣，于是不存在逆矩陣，用其偽逆代替，有
(3-29)
由線性代數(shù)的知識可知式(3-29)的解不唯一，有無窮多組解，在進(jìn)行速度規(guī)劃時應(yīng)根據(jù)要求選取適合的解。
3.3 仿生機(jī)械手指的運(yùn)動空間分析與仿真
目前，隨著機(jī)器人技術(shù)研究領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，機(jī)器人計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)作為機(jī)器人設(shè)計(jì)和研究的靈活方便的工具，發(fā)揮著重要的作用。本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手作為一種仿人機(jī)械手，能完成較復(fù)雜的抓取動作。在機(jī)械手應(yīng)用于作業(yè)研究時，一個重要的因素就是機(jī)械手在運(yùn)動過程中能達(dá)到的空間位置，這對于作業(yè)和避障都有一定的實(shí)際意義，因此在機(jī)械手的設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究階段都應(yīng)對機(jī)械手的可達(dá)空間進(jìn)行分析。本節(jié)探討通過代數(shù)方法來求解3自由度手指的工作空間。首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求，，，可以得出手指運(yùn)動空間肯定分別在，方向都是在之內(nèi)。加上約束條件，約定方向只在正方向，即在范圍內(nèi)；由于機(jī)構(gòu)中存在平行四邊形結(jié)構(gòu)，所以約定在之間；而去除平行四邊形的奇異位置，也就是說通過程序?qū)嵌鹊呐袛?，把平行四邊形兩個相鄰的桿件夾角為或者時去除，當(dāng)然在編制程序的時候是在的范圍內(nèi)把這兩個位置去除掉；再加上分析公式(3-12)，其中判斷反解存在的條件是的非負(fù)性。通過以上這些約束條件，進(jìn)行MATLAB的程序仿真，仿真結(jié)果如圖3.4。
圖3.4 3自由度手指工作空間分析圖
4 基于人體工程學(xué)仿生機(jī)械手的建模，裝配及仿真
4.1 Pro/e簡介
Proe是PTC Corporation的Pro / Engineer軟件的縮寫。 Pro / E（Pro / Engineer操作軟件）是Parametric Technology Corporation（PTC）的重要產(chǎn)品。它是集成CAD / CAM / CAE功能的集成3D軟件。它在三維建模軟件領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，被業(yè)界公認(rèn)為當(dāng)今世界機(jī)械CAD / CAE / CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)。推廣是當(dāng)今最成功的CAD / CAM軟件之一。
經(jīng)過二十多年的不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，現(xiàn)已成為3D建模軟件領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者之一。它具有以下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：
參數(shù)化設(shè)計(jì)和特征功能 Pro / Engineer是一個基于參數(shù)的基于特征的實(shí)體建模系統(tǒng)。工程師使用基于特征的功能和智能特征來生成模型，例如腔體，殼體，倒角和圓角。您可以隨意繪制草圖并輕松更改模型。該功能為工程設(shè)計(jì)人員提供了以前從未有過的簡單性和靈活性。
單獨(dú)的數(shù)據(jù)庫 Pro / Engineer建立在一個統(tǒng)一的基層數(shù)據(jù)庫上，不同于建立在多個數(shù)據(jù)庫上的一些傳統(tǒng)的CAD / CAM系統(tǒng)。所謂單一數(shù)據(jù)庫意味著項(xiàng)目中的數(shù)據(jù)全部來自一個庫，這樣每個獨(dú)立用戶都可以為產(chǎn)品模型工作，而不管他是哪個部門。換句話說，整個設(shè)計(jì)過程的任何變化都可以反映在整個設(shè)計(jì)過程的相關(guān)方面。一旦工程細(xì)節(jié)發(fā)生變化，NC刀具路徑將自動更新;如果對裝配圖進(jìn)行任何更改，它也會反映在整個3D模型中。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和工程設(shè)計(jì)的獨(dú)特組合使得產(chǎn)品的設(shè)計(jì)得以結(jié)合。這種優(yōu)勢使得設(shè)計(jì)更加優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品銷售更好，價(jià)格更便宜。
完全關(guān)聯(lián) Pro / ENGINEER的所有模塊都完全相關(guān)。這意味著產(chǎn)品開發(fā)過程的一部分所做的更改可以擴(kuò)展到整個設(shè)計(jì)，并且所有工程文檔（包括裝配，設(shè)計(jì)圖和制造數(shù)據(jù)）都會自動更新。完全相關(guān)性鼓勵在開發(fā)周期的任何階段進(jìn)行修改而不會有任何損失，并且可以進(jìn)行并行工程，以便后期開發(fā)中的某些功能可以提前發(fā)揮作用。
基于特征的參數(shù)化建模 Pro / ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的結(jié)構(gòu)元素。這些功能是一些常見的機(jī)械對象，可以通過預(yù)設(shè)輕松修改。例如：設(shè)計(jì)具有弧形，圓角，倒角等特點(diǎn)，它們?yōu)楣こ倘藛T所熟悉，因此易于使用。裝配，加工，制造和其他學(xué)科在這些領(lǐng)域使用獨(dú)特的功能。通過為這些特征設(shè)置參數(shù)（不僅包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)，可以輕松地進(jìn)行多次設(shè)計(jì)迭代以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。
數(shù)據(jù)管理 加速上市需要在更短的時間內(nèi)開發(fā)更多產(chǎn)品。為了實(shí)現(xiàn)這種效率，必須允許來自多個學(xué)科的工程師同時開發(fā)相同的產(chǎn)品。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)專門用于管理并行項(xiàng)目中的并行工作。這使得使用Pro / ENGINEER獨(dú)特的全相關(guān)功能成為可能。
裝配管理 Pro / ENGINEER的基本結(jié)構(gòu)使您能夠在保持設(shè)計(jì)意圖的同時，使用直觀的命令（如“嚙合”，“插入”，“對齊”等等）輕松組裝組件。高級功能支持大型復(fù)雜組件的構(gòu)建和管理，并且可以使用不限數(shù)量的部件。
易于使用 菜單以直觀的方式顯示，提供合理的選項(xiàng)和預(yù)先選定的常用選項(xiàng)，以及簡短的菜單說明和完整的在線幫助，便于學(xué)習(xí)和使用。
4.2仿生機(jī)械手各部分的建模與仿真
由于此次設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用連桿驅(qū)動方式，所以對于機(jī)械手的各部分建模并不存在難點(diǎn)，只需按照所給定的尺寸進(jìn)行三維模型的建立即可。
由于Pro/e自身的特點(diǎn)，若在組件裝配是沒有考慮后續(xù)的仿真過程的需要，只是機(jī)械的把各個組件生硬的裝配在一起，那么后續(xù)的仿真過程基本上是沒有辦法完成的。下面就開始具體說明機(jī)械手的裝配及仿真過程；
4.2.1機(jī)械手的建模
由于此次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的三個手指均具有三個自由度，所以三個手指可以采用相同的結(jié)構(gòu)，從而機(jī)械手的三個手指具有三個相同的結(jié)構(gòu)，只是將三個手指安裝在機(jī)械手手掌上的結(jié)構(gòu)也是相同的，只是具體位置有差異而已，所以在進(jìn)行裝配的時候就可以采用部裝，然后總裝的方式進(jìn)行。從而將機(jī)械手的整個裝配分為三部分；
1. 機(jī)械手手掌的裝配
首先打開Pro/e軟件，點(diǎn)擊新建圖標(biāo)創(chuàng)建一個新的裝配文shouzhang.asm，如圖4-1所示
圖4-1 Pro/e裝配的新建界面
點(diǎn)擊確定，然后選擇mmns_part_solid進(jìn)入Pro/e的裝配界面，如圖4-2所示：
圖4-2 Pro/e裝配體的初始界面
接下來可以進(jìn)行手掌的裝配，在添加組件的時候有兩種選擇，一是可以選擇Pro/e的工具欄中的“插入”選項(xiàng)再選擇“元件”菜單的下拉菜單中的“裝配”選項(xiàng)找到已建立好的三維模型將元件添加到裝配圖中，為了在后續(xù)的工程圖制作過程中滿足投影關(guān)系，在添加第一個組件的時候須選擇“缺省”的裝配約束，如本例中在添加第一個組件是應(yīng)如圖4-3所示
圖4-3 Pro/e中裝入第一個組件的界面
點(diǎn)擊“”即可完成第一個元件的裝配。然后進(jìn)行第二組件的裝配，前面的步驟是相同的只是在選擇裝配約束時應(yīng)按照具體的組件與組件間的約束關(guān)系來選擇約束。按照同樣的步驟裝配手掌部件的所有元件，最終手掌部件完成裝配，如下圖4-4示：
圖4-4 手掌部件的裝配
2. 手指的裝配
在進(jìn)入裝配界面和手指第一個元件的裝配和手掌的裝配時是完全相同的，在裝完第一個元件時如圖4-5所示
接下來的裝配就不能按照之前的裝配方式進(jìn)行了，原因很簡單，之前的裝配都是機(jī)構(gòu)部分機(jī)架的裝配，各個部件之間在機(jī)械手工作時都是不動的部件，只需要滿足各部件的相對位置關(guān)系即可，但是手指部分的各個部件在機(jī)械手工作是均是需要運(yùn)動的，故不可按照機(jī)架的裝配方式進(jìn)行裝配，由第二章工作原理的分析可以知道，機(jī)械手的手指是屬于連桿機(jī)構(gòu)，所以各個桿件間有相對轉(zhuǎn)動所以在裝配手指部件是應(yīng)選擇能夠?qū)崿F(xiàn)相對轉(zhuǎn)動的約束進(jìn)行約束。
在此，各桿件的轉(zhuǎn)動可以用“銷釘”約束進(jìn)行約束，具體的銷釘約束應(yīng)該是兩桿件相對轉(zhuǎn)動的兩根轉(zhuǎn)軸對齊約束和沿轉(zhuǎn)對軸的移動約束，這樣就可以限制除了沿軸線轉(zhuǎn)對之外的所有約束。如圖4-7完成第二個桿件的裝配
圖4-6 在裝配轉(zhuǎn)動副時選擇約束方式為銷釘約束
圖4-7 按定義的運(yùn)動副約束裝配轉(zhuǎn)動副
其余的桿件均是按照此種方式進(jìn)行“約束”裝配。最終完成裝配的手指機(jī)構(gòu)如下圖4-8所示
圖4-8 完成單個手指的裝配
3.驅(qū)動部分的裝配
由第二章的功能原理設(shè)計(jì)可知，該機(jī)械手的驅(qū)動部分是采用的多個球面副對機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動，故在選擇約束是就應(yīng)該選擇“球”約束對驅(qū)動部分的各個球面副約束裝配。球面副的約束方式具體的來講就是球面副的“點(diǎn)對齊”方式，所以在建模階段就需要建立基準(zhǔn)點(diǎn)。裝配的步驟和以上手指機(jī)構(gòu)的裝配方式基本一致，這里就不作過多的介紹。球面副完成裝配后如圖4-9所示
圖4-9 完成驅(qū)動部分球面副的裝配
至此，機(jī)械手各個部件的裝配已經(jīng)結(jié)束，最后對機(jī)械手進(jìn)行總裝，裝配方法均和前面部裝的方法類似，在此不多做贅述。但是有一點(diǎn)是需要特別注意的地方，在總裝的時候，手掌部件應(yīng)該新建一個約束“固定”來對手掌進(jìn)行約束，因?yàn)樵谇懊嬗姓f到，手掌部件在機(jī)械手工作是充當(dāng)?shù)氖菣C(jī)架的角色，所以應(yīng)該添加一個“固定”的約束來對手掌進(jìn)行固定完成總裝后的機(jī)械手如下圖4-10所示
圖4-10 完成三指機(jī)械手的裝配
4.2.2機(jī)械手的仿真
該功能是由軟件自帶的機(jī)構(gòu)模塊實(shí)現(xiàn)的。機(jī)構(gòu)模塊（Mechanisms）主要有兩大功能：定義機(jī)構(gòu)和機(jī)構(gòu)仿真運(yùn)動。由此可見，該模塊主要應(yīng)用于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)檢測及仿真設(shè)計(jì)。
產(chǎn)品各零件之間的裝配關(guān)系，可使用仿真模塊模擬實(shí)際操作。它可快速、準(zhǔn)確地檢測零部件的干涉、物理特征，模擬使用產(chǎn)品的操作過程，直觀顯示存在問題的區(qū)域及相關(guān)的零部件，指導(dǎo)設(shè)計(jì)者直接、快速地修改模型，從而縮短修改時間，提高設(shè)計(jì)效率。
由4.3.1的方式將機(jī)械手按運(yùn)動副的約束裝配成功后即可點(diǎn)擊Pro/e工具欄中應(yīng)用程序的下拉菜單“機(jī)構(gòu)”進(jìn)入機(jī)構(gòu)模塊，在進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真時首先應(yīng)該給機(jī)構(gòu)定義一個起始位置，在Pro/e機(jī)構(gòu)模塊中可以點(diǎn)擊拖動圖標(biāo)“”對機(jī)構(gòu)進(jìn)行拖動，然后點(diǎn)擊快照圖標(biāo)“”以定義機(jī)構(gòu)的起始位置，其次，在某些機(jī)構(gòu)中對于機(jī)構(gòu)的某些組件需要定義一個初始條件以確定在機(jī)構(gòu)運(yùn)動開始時這些組件處于一個特定的位置，在Pro/e的機(jī)構(gòu)模塊中同樣可以定義，具體步驟如下：點(diǎn)擊定義初始條件圖標(biāo)“”對機(jī)構(gòu)的初始位置進(jìn)行定義。最后當(dāng)然就是對機(jī)構(gòu)的原動件添加伺服電機(jī)，以確定原動件的運(yùn)動方式和運(yùn)動參數(shù)。下面就按照以上給定的步驟對機(jī)械手進(jìn)行運(yùn)動仿真。
首先，打開已裝配好的機(jī)械手組件“jixieshou-asm”文件，點(diǎn)擊應(yīng)用程序的下拉菜單中的機(jī)構(gòu)模塊進(jìn)入Pro/e的機(jī)構(gòu)模塊，點(diǎn)擊拖動圖標(biāo)“”將機(jī)械手各組件拖動到合適的位置如圖，然后點(diǎn)擊快照圖標(biāo)即可生成快照“Snapshot1”。
然后點(diǎn)擊第一初始條件圖標(biāo)“”對機(jī)構(gòu)的初始條件進(jìn)行定義，在此我們對機(jī)械手的第一個指節(jié)的轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行定義，定義好后如圖4-11所示，即完成對機(jī)構(gòu)初始條件的定義。
最后我們應(yīng)該為機(jī)構(gòu)定義伺服電機(jī)以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，由第二章可以知道，機(jī)械手每個手指均具有三個自由度，總有九個自由度。于是我們應(yīng)給機(jī)械手定義九個伺服電機(jī)，在此我們選擇在每個指關(guān)節(jié)處定義一個伺服電機(jī)，定義伺服電機(jī)的步驟如下：點(diǎn)擊定義伺服電機(jī)圖標(biāo)“”對伺服電機(jī)進(jìn)行編輯定義，在進(jìn)入對伺服電機(jī)的定義后，在對從動圖元的定義時有兩個選項(xiàng)，分別為“運(yùn)動軸”和“幾何”選項(xiàng)，由于我們的伺服電機(jī)控制手指各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，所以我們應(yīng)該選擇“運(yùn)動軸”選項(xiàng)，然后選擇任意一個手指的第一個指節(jié)的運(yùn)動軸如圖4-12所示
圖4-11 初始條件的定義
圖4-12 在定義伺服電機(jī)是選擇運(yùn)動軸類型
在點(diǎn)擊確定之前，應(yīng)該注意電機(jī)的方向是否和機(jī)構(gòu)第一指節(jié)的運(yùn)動方向相同，具體的判斷方法為：在選擇了運(yùn)動軸后轉(zhuǎn)動軸會出現(xiàn)一根深紫色的箭頭，然后用右手定則判斷電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向（大拇指的指向?yàn)樯钭仙^的指向，其余四個手指的方向就是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向），然后點(diǎn)擊輪廓按鈕，對運(yùn)動軸進(jìn)行定義設(shè)置，在此我們選擇速度選項(xiàng)規(guī)范，并定義速度的大小為6deg/sec。如圖4-13所示。
圖4-14 模型樹中各個伺服電機(jī)
至此，我們已完成第一個手指第一個指節(jié)伺服電機(jī)的定義。剩下的八個點(diǎn)擊即可按照同 圖4-13 對第一根軸定義輪廓
樣的方法進(jìn)行定義，在定義完成后，可以打開Pro/e的模型樹查看定義的電機(jī)。如下圖4-14可知，我們已給機(jī)構(gòu)定義了九個電機(jī)。能實(shí)現(xiàn)九個旋轉(zhuǎn)自由度的伺服要求。
到此，已經(jīng)完成了對伺服電機(jī)的定義，若去除機(jī)械手的驅(qū)動部分，到此即可對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析，此時我們即可點(diǎn)擊機(jī)構(gòu)分析按鈕“”對機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，名稱改為“my finger-1”類型選擇“運(yùn)動學(xué)”機(jī)構(gòu)運(yùn)動的時間設(shè)置為15s幀頻設(shè)為50，初始配置選擇快照以確定每次運(yùn)動均是由快照 “Snapshot1”開始 運(yùn)動，然后點(diǎn)擊電動機(jī)選項(xiàng)設(shè)置電動機(jī)運(yùn)動時如下圖4-15所示
圖4-15 分析定義中對伺服電機(jī)定義伺服時間
至此，以完成了對機(jī)構(gòu)分析的定義，現(xiàn)在即可按運(yùn)行按鈕對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動仿真。運(yùn)行完成后點(diǎn)擊回放按鈕“”進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真回放并對仿真文件進(jìn)行保存。進(jìn)入回放界面后可以點(diǎn)擊“捕獲”按鈕對仿真的錄像進(jìn)行捕獲，如圖4-16所示即可捕獲機(jī)構(gòu)運(yùn)動的錄像。
圖4-16 回放菜單的界面
小結(jié)
本設(shè)計(jì)將機(jī)械設(shè)計(jì)制造與自動化專業(yè)本科四年的知識整合到一起，完成特定功能的設(shè)計(jì)。它更好地體現(xiàn)了機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動化專業(yè)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。
基于人體工程學(xué)仿生機(jī)械臂畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我的知識豐富了許多，能力提高了許多。
首先，通過對機(jī)器人數(shù)據(jù)的檢查，我對機(jī)器人整體有了更深入的了解，并對國內(nèi)外機(jī)器人的發(fā)展有了深入的了解，并對機(jī)器人的發(fā)展方向和應(yīng)用更加了解現(xiàn)代操縱器領(lǐng)域。
其次，在機(jī)器人總體原理方案設(shè)計(jì)中，對機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)有一定的了解和理解，對機(jī)械產(chǎn)品原理方案的評估方法有了新的認(rèn)識和體會，并將此設(shè)計(jì)與使命相結(jié)合對機(jī)械手的驅(qū)動方式，傳動方式及其相應(yīng)的傳動結(jié)構(gòu)有深入的了解。
然后，在對組織運(yùn)動的分析中，我深化了對機(jī)械原理的認(rèn)識和理解，并學(xué)習(xí)了一些高等院校研究的知識和方法。我堅(jiān)信這些知識會對我的生活產(chǎn)生巨大的影響。
最后，通過Pro / e軟件的學(xué)習(xí)，完成了機(jī)械手的建模，熟悉了Pro / e軟件的基本建模特點(diǎn)。基于此，網(wǎng)絡(luò)資源用于進(jìn)一步研究Pro / e軟件的其他模塊。知識，并通過自己的不斷努力來完成機(jī)械手的運(yùn)動模擬分析。
通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，我學(xué)會了如何搜索信息，提高了我的自學(xué)能力，并讓我明白沒有理由獲得獎勵。我相信這個畢業(yè)項(xiàng)目為我未來的工作提供了很大的幫助。
由于我能力有限，設(shè)計(jì)上還存在不足之處，希望老師能夠及時糾正我。
致謝
歷時近三個月的畢業(yè)設(shè)計(jì)終于完成。在此期間，完成了大學(xué)課程的學(xué)習(xí)，使個人理論水平和實(shí)際操作能力得到了飛躍，從而加強(qiáng)了個人在設(shè)計(jì)，分析，實(shí)踐操作中的能力和使專業(yè)知識得到充分鞏固和加強(qiáng)。
這個畢業(yè)設(shè)計(jì)可以順利完成，我的指導(dǎo)老師給予了很多專業(yè)幫助，指導(dǎo)老師非常關(guān)心我選擇的開題報(bào)告，指出了開題的方向，幫助分析了該開題的可行性以及實(shí)踐中可能出現(xiàn)的問題和注意事項(xiàng)。在選擇課程時，我指出了我需要關(guān)注的知識范圍，并幫助我分析相應(yīng)知識困難的原理，使我的畢業(yè)設(shè)計(jì)能順利進(jìn)行。
同時，我也要感謝大學(xué)四年所有教過和傳輸知識的老師，他們也幫了我很大的忙,他們的許多想法和建議都激勵著我,提前致謝！
還有那些在中國工業(yè)控制網(wǎng)和中國機(jī)器人技術(shù)協(xié)會的默默貢獻(xiàn)的朋友，雖然不知道名字，在此也一并致謝！
由于個人的時間，知識和能力有限，論文中會出現(xiàn)一些疏乎或錯誤是在所難免，在此歡迎各位老師提出批評和糾正并表示感謝！
參考文獻(xiàn)
[1] 付永領(lǐng), 王巖, 裴忠才. 基于CAN總線液壓噴漆機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[R]. 機(jī)床與液壓. 2003, (6): 90～92
[2] 丁又青, 朱新才. 一種新型型鋼翻面機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[A]. 機(jī)床與液. 2003,(5): 128～129
[3] 劉劍雄, 韓建華. 物流自動化搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)電系統(tǒng)研究[C]. 機(jī)床與液壓. 2003, (1): 126～128
[4] 徐軼, 楊征瑞, 朱敏華, 溫齊全. PLC在電液比例與伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[R]. 機(jī)床與液壓. 2003, (5): 143～144
[5] 胡學(xué)林. 可編程控制器(基礎(chǔ)篇[D]). 北京: 電子工業(yè)出版社, 2003.
[6] 胡學(xué)林. 可編程控制器(實(shí)訓(xùn)篇) [D]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004.
[7] 孫兵, 趙斌, 施永康. 基于PLC的機(jī)械手混合驅(qū)動控制[A]. 液壓與氣動. 2005, (3): 37～39
[8] 孫兵, 趙斌, 施永康. 物料搬運(yùn)機(jī)械手的研制[R]. 機(jī)電一體化. 2005, (2): 43～45
[9] 王田苗, 丑武勝. 機(jī)電控制基礎(chǔ)理論及應(yīng)用[J]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2003.
[10] 李建勇. 機(jī)電一體化技術(shù)[J]. 北京: 科學(xué)出版社, 2004.
[11] 王孫安, 杜海峰, 任華. 機(jī)械電子工程[A]. 北京: 科學(xué)出版社,2003.
[12] 張啟玲, 何玉安. PLC在氣動控制稱量包裝裝置中的應(yīng)用[C]. 液壓與氣動. 2005, (1): 31～33
[13] 趙文. 數(shù)字控制技術(shù)在龍門刨床電控系統(tǒng)中的應(yīng)用[M]. 電氣傳動. 2005. 35 卷(3): 55～57
[14] 沈興全, 吳秀玲. 液壓傳動與控制[R]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2005.
[15] 王憲軍, 趙存友. 液壓傳動[A]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué)出版社, 2002.
[16] 徐灝等. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[D]. 第5卷. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.
[17] 陳鐵鳴, 王連明, 王黎欽. 機(jī)械設(shè)計(jì)(修訂版) [C]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 2003.
[18] 鄧星鐘. 機(jī)電傳動控制(第三版) [J]. 武漢: 華中科技大學(xué)出版社, 2001.
[19] 西門子自動化與驅(qū)動集團(tuán)(SIEMENS AG). S7-200系統(tǒng)手冊. 2002.
[20] 蔡行健. 深入淺出西門子S7-200 PLC[R]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2003.
[22] 張利平. 現(xiàn)代液壓技術(shù)應(yīng)用220例[R]. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.
[23] 高西林. 鍛床上料機(jī)械手. 輕工機(jī)械. 2001, (2):
[24] 李春波, 王大明, 李哲, 王祖溫. PLC控制的氣動上下料機(jī)械手[C]. 液壓氣動與密封, 1999. 12. (6): 21～24
[25] 尹自榮, 熊曉紅, 駱際煥, 王建坤. 數(shù)控上下料機(jī)械手的研究及應(yīng)用. 鍛壓機(jī)械[D]. 1994, (6): 3～5
[26] 張波, 李衛(wèi)民, 尚銳. 多功能上下料用機(jī)械手液壓系統(tǒng)[A]. 2002， (8): 31～32
[27] 侯沂, 劉濤. 裝卸機(jī)械手設(shè)計(jì)研究[D]. 機(jī)械. 2004, 第31卷 (6): 53～54
[28] 葉愛芹, 袁金強(qiáng). PLC在機(jī)械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 安徽技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào). 2001, 15卷(4): 64～65
[29] 王會香, 孫全穎. 自動涂膠機(jī)械手的PLC控制[A]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào). 2
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