靈巧手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-仿生類含ProE三維及13張CAD圖
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靈巧手指結(jié)構(gòu)Pro/E設(shè)計(jì)
摘 要
靈巧手作為一種特殊的末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)，本文對(duì)它在國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀以及發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，同時(shí)對(duì)于它在國(guó)內(nèi)的發(fā)展前景進(jìn)行了一定的描述。其中提及它的外形部分應(yīng)該更加仿人化，從人手的一些數(shù)據(jù)信息，在從機(jī)械設(shè)計(jì)方面對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的改變，得出既符合機(jī)械設(shè)計(jì)又與人類手指接近的尺寸大小。再進(jìn)行了手指自由度的分析計(jì)算，在不影響手指正?；顒?dòng)的合理范圍內(nèi)對(duì)自由度進(jìn)行一定程度的減少，這樣對(duì)設(shè)計(jì)會(huì)有很大的幫助，然后，就不同的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了系統(tǒng)回路的探究并對(duì)各個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，
本次設(shè)計(jì)首先，通過(guò)對(duì)靈巧手結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行分析，在此分析基礎(chǔ)上提出了其設(shè)計(jì)方案電動(dòng)驅(qū)動(dòng)架構(gòu)方案；接著，對(duì)主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算選擇；然后，對(duì)各主要零部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與校核；最后，通過(guò)AutoCAD制圖軟件繪制了機(jī)械手裝配圖及主要零部件圖，并采用Pro/E軟件建立了三維模型。
關(guān)鍵字：仿人；靈巧手，電動(dòng)；三維設(shè)計(jì)
Abstract
As a special end effector mechanism, dexterous hand is analyzed in this paper. At the same time, its development prospect in China is described. It is mentioned that the shape part of it should be more humanoid. From some data information of human hand, we can make reasonable changes to these data from the aspect of mechanical design, and get the size that not only conforms to the mechanical design but also is close to the human finger. After that, the degree of freedom of the fingers is analyzed and calculated, and the degree of freedom is reduced to a certain extent within a reasonable range without affecting the normal activities of the fingers, which will be of great help to the design. Then, the system loop is explored for different drives and the advantages and disadvantages of each transmission system are analyzed,
In this design, firstly, through the analysis of the structure and principle of the dexterous hand, on the basis of this analysis, the design scheme of the electric drive architecture is put forward; secondly, the main technical parameters are calculated and selected; secondly, the main parts are designed and checked; finally, the assembly drawing and main parts drawing of the manipulator are drawn by AutoCAD drawing software, and Pro is used /The 3D model is built by E software.
Keywords: Humanoid; dexterous hand, electric; 3D design
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒 論 1
1.1研究背景及意義 1
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)況 1
第2章 總體方案設(shè)計(jì) 3
2.1設(shè)計(jì)要求 3
2.2靈巧手功能分析 3
2.2.1仿人手分析 3
2.2.2自由度分析 3
2.3各類架構(gòu)方案分析 3
2.3.1液壓關(guān)節(jié)架構(gòu)方案 3
2.3.2氣動(dòng)關(guān)節(jié)架構(gòu)方案 6
2.3.3電動(dòng)關(guān)節(jié)架構(gòu)方案 6
2.3.4驅(qū)動(dòng)方案的選擇 8
第3章 設(shè)計(jì)計(jì)算 10
3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 10
3.1.1根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機(jī)型號(hào) 10
3.1.2啟動(dòng)矩頻特性校核 11
3.2絲桿螺母副的選型與校核 12
3.2.1型號(hào)選擇 12
3.2.2校核計(jì)算 13
3.3齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 13
3.3.1齒輪尺寸計(jì)算 13
3.3.2 輪齒強(qiáng)度計(jì)算 14
3.4其他參數(shù)設(shè)計(jì) 16
第4章基于Pro/E的三維設(shè)計(jì) 17
4.1 Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件簡(jiǎn)介 17
4.2三維設(shè)計(jì) 17
4.2.1絲杠設(shè)計(jì) 17
4.2.2齒輪 17
4.2.3推桿、推桿筒體 18
4.2.4支座 18
4.2.5手指指節(jié)、指頭 19
4.2.6手掌前蓋、后蓋 19
4.2.7三維裝配 19
總 結(jié) 20
參考文獻(xiàn) 21
致 謝 22
IV
靈巧手指結(jié)構(gòu)Pro/E設(shè)計(jì)
第1章 緒 論
1.1研究背景及意義
機(jī)器人是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)密集的機(jī)電一體化產(chǎn)品。目前，對(duì)多指靈巧手的智能抓持，位置協(xié)調(diào)控制的研究是機(jī)器人學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。應(yīng)用仿人機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用仿人機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。在一些簡(jiǎn)單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以仿人機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。應(yīng)用仿人機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用仿人機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都沒(méi)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。綜上所述，有效的應(yīng)用仿人機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)。
靈巧手發(fā)展的進(jìn)步，人們就對(duì)它越來(lái)越重視，使得靈巧手在各個(gè)方面都有影響。技術(shù)的進(jìn)步和理論的完善使得，靈巧手的應(yīng)用也深入到各個(gè)行業(yè)。而對(duì)于多指靈巧手本身的機(jī)構(gòu)的探索從一開始到現(xiàn)今日就從未停止，發(fā)展方向也越來(lái)越多樣化，功能越來(lái)越智能化。到如今多指靈巧手探索依舊要面臨許許多多的挑戰(zhàn)吧，包括了基礎(chǔ)知識(shí)還有技術(shù)層面的難題。在面對(duì)國(guó)內(nèi)外多重挑戰(zhàn)和機(jī)會(huì)的時(shí)刻，是靈巧手設(shè)計(jì)發(fā)展的重要時(shí)刻，因?yàn)樗梢源嫒祟愅瓿珊芏嗖荒芡瓿傻娜蝿?wù)，比如在高溫、高壓等人手所不能承受的危險(xiǎn)的環(huán)境。
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)況
像人一樣，機(jī)器人需要用它的手與環(huán)境發(fā)生作用。機(jī)器人發(fā)展初期，面向的需求首先來(lái)自制造領(lǐng)域，早期工業(yè)機(jī)器人主要執(zhí)行上下料這樣的簡(jiǎn)單任務(wù)，功能單一的兩指夾持器便能滿足任務(wù)要求。隨著技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人開始向更多的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，上百種專門用途的“手”，統(tǒng)稱為末端執(zhí)行器，使機(jī)器人能夠應(yīng)對(duì)豐富多彩的任務(wù)對(duì)象，從輪胎、玻璃到布料，從大型金屬熱軋件到微小電子器件。盡管如此，末端執(zhí)行器仍然是制約機(jī)器人應(yīng)用的一個(gè)主要因素。于是，開發(fā)多用途機(jī)器手成為早期靈巧手研究的緣由和動(dòng)機(jī)。
目前國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺(jué)和視覺(jué)仿人機(jī)械手。第二代仿人機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)想的能力。研究安裝各種傳感器，能把感覺(jué)到的信息反饋，使仿人機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。
國(guó)外也出現(xiàn)了第三代仿人機(jī)械手，它能獨(dú)立地完成工作過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)對(duì)于搬運(yùn)物體類的機(jī)械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾——放并且能搬運(yùn)物件，這就要求具有較高的精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動(dòng)定位等特性。設(shè)計(jì)氣動(dòng)機(jī)械手的原則是：充分分析作業(yè)對(duì)象和環(huán)境，明確工作的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運(yùn)時(shí)的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進(jìn)一步確定對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)及運(yùn)行控制的要求，盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)制造過(guò)程，兼顧通用性和專用性，并能實(shí)現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。
在靈巧手的這個(gè)方面的研究歐洲一直領(lǐng)先，帶領(lǐng)著世界一起在這個(gè)領(lǐng)域里探索，歐洲這些國(guó)家中，作為領(lǐng)導(dǎo)羊便是英、德和意大利。除了歐洲這些國(guó)家以外美國(guó)也早早的對(duì)這個(gè)行業(yè)靈巧手進(jìn)行了研究。多指的機(jī)械手最先是運(yùn)用于人體假肢上的，而靈巧手的系統(tǒng)性研究就要追溯到上世紀(jì)的70年代。之后的十年里，靈巧手這一行業(yè)的研究就進(jìn)入了一個(gè)發(fā)展快速時(shí)段。這就使得有不少的多指靈巧手相繼問(wèn)世，這里就包括美國(guó)麻省理工學(xué)院研制的Utah/MIT手，它與人的手就挺相似的，但是它只有有四個(gè)手指，不過(guò)人手能完成的動(dòng)作它基本上也可完成。另外還有意大利研究出來(lái)的DIST手，除此之外德國(guó)研究的DLR手也很有代表性。這幾中靈巧手可以說(shuō)都很先進(jìn)，它們都具有不低的智能水平同時(shí)還具備挺高的集成化，這是靈巧手領(lǐng)域的一個(gè)里程碑，這個(gè)行業(yè)也越來(lái)越趨緊于成熟。
而在國(guó)內(nèi)，幾乎同一時(shí)間北京航空大學(xué)開始對(duì)靈巧手盡享研究和開發(fā)，這就彌補(bǔ)了當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的空白。之后哈工大也研究了一款多指的靈巧手，稱之為HIT手，這種靈巧手它一共有四根手指，而且每個(gè)手指還擁有四個(gè)關(guān)節(jié)，一只手達(dá)到了12個(gè)自由度，這款多指靈巧手的大小就和人類的手及其相似了。
第2章 總體方案設(shè)計(jì)
2.1設(shè)計(jì)要求
通過(guò)對(duì)比電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)的靈巧手進(jìn)行設(shè)計(jì)分析和對(duì)比，完成靈巧手Pro/E設(shè)計(jì)。
2.2靈巧手功能分析
2.2.1仿人手分析
靈巧手的仿生參照于人手，參考人體解剖學(xué)人類的手包括肌肉、神經(jīng)以及手骨，可以說(shuō)從機(jī)械方面來(lái)說(shuō)相當(dāng)于自由度和驅(qū)動(dòng)方面。
人類的手指中的四指都有三個(gè)指節(jié)和三個(gè)關(guān)節(jié)，只有大拇指有兩個(gè)。
關(guān)節(jié)可以作為一個(gè)繞軸旋轉(zhuǎn)的單軸關(guān)節(jié)，相當(dāng)于一個(gè)自由度。指骨上有肌腱，在肌腱的牽涉下手指各個(gè)指骨就有了聯(lián)系。人類的手可以做出的動(dòng)作有抓握和捏取，指骨關(guān)節(jié)通常都會(huì)參與。最為特殊的就是大拇指了，拇指處的關(guān)節(jié)為雙軸鞍狀關(guān)節(jié)，它實(shí)現(xiàn)了大拇指的彎曲和轉(zhuǎn)動(dòng)，可以說(shuō)這個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)于手完成各類動(dòng)作都有著至關(guān)重要的作用，雖然其余的四根手指和手掌之間的關(guān)節(jié)也是雙軸鞍狀關(guān)節(jié)，但是由于它們只是完成了小幅度擺動(dòng)，所以為了機(jī)械設(shè)計(jì)的方便這里將它們看成單軸關(guān)節(jié)。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，大拇指關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)要重點(diǎn)關(guān)照，而其余的四根手指關(guān)節(jié)就將看成簡(jiǎn)單的單軸轉(zhuǎn)動(dòng)使得。
2.2.2自由度分析
人類的手在日常生活中有著非常重要的作用，能做很多非常精細(xì)的工作而且非常靈活，只是因?yàn)槭种傅淖杂啥确浅８?。因?yàn)槭种傅淖杂啥仁桥c手指靈巧操作有關(guān)的。
拇指設(shè)計(jì)成和其他四指一樣的4個(gè)自由度，兩個(gè)單自由度的樞紐關(guān)節(jié)和一個(gè)雙自由度橢球關(guān)節(jié)，這樣就是20個(gè)自由度。除此之外還有一個(gè)自由度是來(lái)自大拇指，另外還有在手腕上有三個(gè)自由度，這樣一只手一共有24個(gè)自由度。但是手腕處的自由度是來(lái)源與一堆手掌底部的碎骨間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以考慮到設(shè)計(jì)難度和實(shí)際必要性，就不會(huì)考慮到手腕處的自由度，自由度進(jìn)行模擬如圖所示。
2.3各類架構(gòu)方案分析
2.3.1液壓關(guān)節(jié)架構(gòu)方案
（1）手掌、手背設(shè)計(jì)
手掌和手背在方便設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上盡量按照人手的尺寸和參數(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這里為了后面近指節(jié)的固定，在手背上設(shè)計(jì)一個(gè)固定孔。
圖2.1 圖2.2
（2）遠(yuǎn)指節(jié)、中指節(jié)的設(shè)計(jì)
手的五個(gè)手指中除了大拇指都有三個(gè)指節(jié)，但是其余四指中遠(yuǎn)節(jié)指骨和中節(jié)指骨的關(guān)節(jié)連接的關(guān)節(jié)并不是非常靈活。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)步驟，這里將遠(yuǎn)指節(jié)和中指節(jié)設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，兩者之間呈現(xiàn)一個(gè)角度。根據(jù)人手自然狀態(tài)下，手指自然垂落大約30°，這樣將這個(gè)角度設(shè)計(jì)成150°。而大拇指只有兩個(gè)指節(jié)，所以這里根據(jù)拇指的遠(yuǎn)指節(jié)的尺寸設(shè)計(jì)一個(gè)遠(yuǎn)指節(jié)即可。如下圖所示。
圖2.3 圖2.4
（3）近指節(jié)的設(shè)計(jì)
這里為了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便，四指剩下的兩個(gè)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)成一個(gè)液壓缸來(lái)驅(qū)動(dòng)，將手指關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)成液壓缸往回收縮，先將遠(yuǎn)指節(jié)繞固定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，到達(dá)極限位置后繼續(xù)拉扯中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)。
圖2.5 圖2.6
如圖所示液壓缸連接近指節(jié)部分為如圖黃色部分，這里由于在液壓缸收縮過(guò)程中對(duì)近指節(jié)的力會(huì)隨著近指節(jié)旋轉(zhuǎn)而變化，所以黃色的連接部分采取3部分組成。而手背與中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)連接的部分為灰色的連桿，使中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)也能跟隨近指節(jié)繞著手背的固定孔旋轉(zhuǎn)。
圖2.7 圖2.8
以上為彎曲部分，而伸直部分由于黃色的連接部分力的方向變化會(huì)使的指節(jié)伸直困難，于是在近節(jié)指骨和中節(jié)、遠(yuǎn)節(jié)指骨連接處加一個(gè)可以使恢復(fù)的彈簧，使手指伸直更加方便。
圖2.9
（4）液壓缸的設(shè)計(jì)
參照人手掌骨，將液壓缸設(shè)計(jì)在手掌骨的位置，所以手掌和手背設(shè)計(jì)成空心的，同時(shí)為了液壓缸的液體輸入將手掌和手背連接的腕處設(shè)計(jì)一個(gè)孔，方便液體的輸入。
圖2.10 圖2.11
2.3.2氣動(dòng)關(guān)節(jié)架構(gòu)方案
（1）設(shè)計(jì)靈感來(lái)源
手指基礎(chǔ)動(dòng)作為抓取，這就需要手指彎曲，而這里要求彎曲的角度最大為90°，故參考手風(fēng)琴的形狀將關(guān)節(jié)處設(shè)計(jì)成類似手風(fēng)琴的樣子。下端固定上端可變大這樣就能實(shí)現(xiàn)手指的90°彎曲。
（2）手指、手掌的設(shè)計(jì)
手指關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)成手風(fēng)琴風(fēng)箱樣式，使上側(cè)可以實(shí)現(xiàn)充氣膨脹，下端限制他膨脹，這樣就實(shí)現(xiàn)了手指關(guān)節(jié)處的彎曲。而指節(jié)設(shè)計(jì)成中空，內(nèi)部設(shè)置氣體管，手掌與近指節(jié)處的連接同樣為這種設(shè)計(jì)。而手掌與手背的設(shè)計(jì)依舊參照液壓處的設(shè)計(jì)，有一孔，方便氣動(dòng)設(shè)備的連接。
圖2.12 圖2.13
2.3.3電動(dòng)關(guān)節(jié)架構(gòu)方案
（1）設(shè)計(jì)靈感來(lái)源
從解刨學(xué)方面了解到手掌面的結(jié)構(gòu)主要有屈指肌腱和腱滑液鞘、手機(jī)以及它們的血管、神經(jīng)。而實(shí)現(xiàn)手指彎曲、伸直便來(lái)自于肌腱的收縮。于是結(jié)合肌腱便想出了電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪、蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)方案。而在每個(gè)指關(guān)節(jié)處采用軸關(guān)節(jié)連接模式。這里為保證足夠的電機(jī)輸出的力足夠，選用直流無(wú)刷伺服電機(jī)。
（2）手掌的設(shè)計(jì)
由于人的手的拇指近指節(jié)與掌骨之間的連接處有兩個(gè)自由度，不僅可以彎曲還可以轉(zhuǎn)動(dòng)，其他四指由于不影響動(dòng)作同時(shí)為了方便設(shè)計(jì)，所以四指近指節(jié)與掌骨的連接指算一個(gè)自由度，而拇指這里在手掌處設(shè)計(jì)一個(gè)軸的固定處，這里采用齒輪連接，使拇指可以進(jìn)行橫向轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖2.14 圖2.15
（3）手指的設(shè)計(jì)
五個(gè)手指中四指皆與液壓的一致，改變的是驅(qū)動(dòng)，這里采用電機(jī)帶動(dòng)齒輪，傳遞到蝸輪蝸桿，使蝸桿伸縮實(shí)現(xiàn)與液壓缸一樣的效果。
圖2.16 圖2.17
這里的蝸桿區(qū)別于液壓缸，需要一個(gè)電機(jī)的固定位置，于是設(shè)計(jì)一個(gè)固定架使得蝸桿和電機(jī)固定在一起，固定架固定在手背上。
圖2.18 圖2.19
2.3.4驅(qū)動(dòng)方案的選擇
機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，按動(dòng)力源分為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)三大類。根據(jù)需要也可這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：
（1）液壓驅(qū)動(dòng)
由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動(dòng)力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機(jī)器人。但是，液壓系統(tǒng)需要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換液氣壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。
（2）氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)
具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)。適用于中、小負(fù)荷的機(jī)器人中采用。但是因難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)器人中，如在上、下料和沖壓機(jī)器人中應(yīng)用較多。
（3）電動(dòng)驅(qū)動(dòng)
由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機(jī)及其配套的伺服驅(qū)動(dòng)器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)器人中被大量采用。這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。直流有刷電機(jī)不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高。但因?yàn)檫@類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)比較突出，因此在機(jī)器人中被廣泛的使用。
表2.1 各種控制方式的比較
項(xiàng)目
氣壓傳動(dòng)
液壓傳動(dòng)
電氣傳動(dòng)
機(jī)械傳動(dòng)
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
簡(jiǎn)單
復(fù)雜
復(fù)雜
較復(fù)雜
安裝自由度
大
大
中
小
輸出力
稍大
大
小
不太大
定位精度
一般
一般
很高
高
動(dòng)作速度
大
稍大
大
小
響應(yīng)速度
慢
快
快
中
清潔度
清潔
可能污染
清潔
較清潔
維護(hù)
簡(jiǎn)單
比液動(dòng)復(fù)雜
需要專門技術(shù)
簡(jiǎn)單
價(jià)格
一般
稍高
高
一般
技術(shù)要求
較低
較高
最高
較低
控制自由度
大
大
中
小
危險(xiǎn)性
幾乎沒(méi)問(wèn)題
注意火
一般無(wú)問(wèn)題
無(wú)特殊問(wèn)題
液壓驅(qū)動(dòng)的顯著優(yōu)點(diǎn)就是能傳遞很大的力，除此之外它力的傳遞平穩(wěn)，傳輸距離遠(yuǎn)，但是傳輸速度很慢，所以它實(shí)用于力大速度慢。缺點(diǎn)就顯而易見(jiàn)了工作液油難免會(huì)發(fā)生泄露，這樣的話液體的污染對(duì)系統(tǒng)有很大的影響，同時(shí)油管也有膨脹泄露的可能，油管一旦密封性不好，就會(huì)造成壓力損失，使得傳動(dòng)比不準(zhǔn)確。
氣動(dòng)能在高溫高壓下工作都，比液壓和電動(dòng)要更能適應(yīng)環(huán)境。
但是空氣的壓縮有不確定性，速度易受影響。氣缸在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)候，速度穩(wěn)定性會(huì)很差，這是因?yàn)榈退贂r(shí)受摩擦力的影響。除此之外氣缸的輸出力要比液壓小的多，而且會(huì)有很大的噪音。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)首先它的精確度高電力作為動(dòng)力源，帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)力 的傳遞和轉(zhuǎn)向。其次它節(jié)省能源電力是現(xiàn)在能源來(lái)源最廣也是使用最頻繁的能源，人們對(duì)于電的使用過(guò)程中損耗很小。再者電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)精密控制，由于是電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以快速到達(dá)指定位置，這樣就能很好的實(shí)現(xiàn)執(zhí)行元件的啟動(dòng)停止，而且有效的停在指定位置。電能的使用還有很多優(yōu)點(diǎn)，污染小，可以不使用冷卻液，噪音低等。
通過(guò)上述對(duì)比可知，本次采用電動(dòng)關(guān)節(jié)架構(gòu)方案。
第3章 設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 電動(dòng)機(jī)的選擇
仿人靈巧手的驅(qū)動(dòng)不但要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比、寬調(diào)速范圍、高可靠性，而且電機(jī)的轉(zhuǎn)矩一轉(zhuǎn)速特性受電源功率的影響，這就要求驅(qū)動(dòng)要具有盡可能寬的高效率區(qū)舊J?？v觀機(jī)器人大賽、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、科研機(jī)構(gòu)等制作使用的電機(jī)無(wú)非是步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)、直流伺服電機(jī)3種。步進(jìn)電機(jī)接收的是矩形波信號(hào)，所以它傳遞的轉(zhuǎn)速／轉(zhuǎn)矩都非常精準(zhǔn)，其缺點(diǎn)是功率不能做大；直流電機(jī)具有響應(yīng)快速，較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，從0轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，但直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)也正是它的缺點(diǎn)，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)要產(chǎn)生額定負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)須恒維持90°，這就使碳刷及整流子在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，碳粉除了會(huì)造成組件損壞之外，使用場(chǎng)合也受到限制；伺服電機(jī)的功率可大可小，它接收波形電信號(hào)，轉(zhuǎn)動(dòng)誤差大，一般要加校正回路彌補(bǔ)其誤差。綜上所述，步進(jìn)電機(jī)不容易實(shí)現(xiàn)控制，直流電機(jī)的慣性大，而舵機(jī)可以克服以上缺點(diǎn)，因此文中選用舵機(jī)。
舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些角度需要不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。舵機(jī)是一個(gè)典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)。跟其他電機(jī)一樣，它的選型也要考慮到力矩、工作電壓等，綜上所述，市場(chǎng)的舵機(jī)大都能滿足以上要求，結(jié)合舵機(jī)的價(jià)格和質(zhì)量，最終設(shè)計(jì)選用了Futaba$3003，
選用時(shí)主要有以下幾個(gè)步驟：
3.1.1根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機(jī)型號(hào)
(1)步距角
初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)，并從手冊(cè)中查到步距角,由于
綜合考慮，我初選了，可滿足以上公式。
(2)距頻特性
步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mmq與最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax的關(guān)系是：
Mmq=
步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒(méi)有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩按下式計(jì)算：
式中：Mkq為空載啟動(dòng)力矩；Mka為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度折算到電機(jī)軸上的加速力矩；Mkf為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；為由于絲桿預(yù)緊折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。
而且初選電機(jī)型號(hào)時(shí)應(yīng)滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即：
MkqMmq=λMjmax
計(jì)算Mkq的各項(xiàng)力矩如下：
①加速力矩
②空載摩擦力矩
③附加摩擦力矩
3.1.2啟動(dòng)矩頻特性校核
步進(jìn)電機(jī)有三種工況：?jiǎn)?dòng)，快速進(jìn)給運(yùn)行，工進(jìn)運(yùn)行。
前面提出的，僅僅是指初選電機(jī)后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保證電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不丟步。因此，還要對(duì)啟動(dòng)矩頻特性進(jìn)行校核。
步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng)。
突跳啟動(dòng)時(shí)加速力矩很大，啟動(dòng)時(shí)丟步是不可避免的。因此很少用。而升速啟動(dòng)過(guò)程中只要升速時(shí)間足夠長(zhǎng)，啟動(dòng)過(guò)程緩慢，空載啟動(dòng)力矩中的加速力矩不會(huì)很大。一般不會(huì)發(fā)生丟步現(xiàn)象。
3.2絲桿螺母副的選型與校核
絲杠已由專門工廠制造，因此，不用我們自己設(shè)計(jì)制造，只要根據(jù)使用工況選擇某種類型的結(jié)構(gòu)，再根據(jù)載荷、轉(zhuǎn)速等條件選定合適的尺寸型號(hào)并向有關(guān)廠家訂購(gòu)。此次設(shè)計(jì)中絲杠被三次選用，故本人只選取其中最重要的主軸傳動(dòng)中的絲杠加于設(shè)計(jì)和校核。其步驟如下：
首先對(duì)于一些參數(shù)說(shuō)明如下：
軸向變載荷，其中i表示第i個(gè)工作載荷，i=1、2、3…n ；
第i個(gè)載荷對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速(r/min);
第i個(gè)載荷對(duì)應(yīng)的工作時(shí)間 (h) ;
絲桿副最大移動(dòng)速度(mm/min);
絲桿預(yù)期壽命。
3.2.1型號(hào)選擇
（1）計(jì)算絲杠副的主要參數(shù)
①根據(jù)使用工作條件，查得載荷系數(shù)=1.0系數(shù)=1.5；
②計(jì)算當(dāng)量轉(zhuǎn)速
③計(jì)算當(dāng)量載荷
④初步確定導(dǎo)程
取4mm
⑤計(jì)算絲桿預(yù)期工作轉(zhuǎn)速
⑥計(jì)算絲桿所需的額定載荷
（2）選擇絲桿型號(hào)
根據(jù)初定的和計(jì)算的，選取導(dǎo)程為4mm，額定載荷大于的絲桿。所選絲桿型號(hào)為CDM2004-2.5。其為外循環(huán)雙管式、雙螺母墊片預(yù)緊、導(dǎo)珠管埋入式系列絲杠。
3.2.2校核計(jì)算
（1）臨界轉(zhuǎn)速校核
校核合格。
（2）由于此絲桿是豎直放置，且其受力較小，溫度變化較小。所以其穩(wěn)定性、溫度變形等在此也沒(méi)必要校核。
（3）絲杠的預(yù)緊
預(yù)緊力一般取當(dāng)量載荷的三分之一或額定動(dòng)載荷的十分之一。即：
其相應(yīng)的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩
3.3齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
3.3.1齒輪尺寸計(jì)算
為了傳動(dòng)平穩(wěn)采用斜齒輪傳動(dòng)，取=14 =19
1）對(duì)中心距進(jìn)行修正
因?yàn)橛?jì)算齒輪和后，經(jīng)過(guò)取整數(shù)使中心距有了變化，所以應(yīng)根據(jù)取定的重新計(jì)算中心距A作為齒輪齒數(shù)分配的依據(jù)。
修正中心距：
（3.3）
經(jīng)計(jì)算取中心距A=15mm
2）對(duì)螺旋角進(jìn)行修正
修正螺旋角：
（3.4）
經(jīng)計(jì)算取
齒輪參數(shù)如表3.1所示。
表3.1齒輪基本參數(shù)
序號(hào)
計(jì)算項(xiàng)目
計(jì)算公式
1
齒數(shù)
2
分度圓直徑/mm
3
齒頂高/mm
4
齒寬/mm
3.3.2 輪齒強(qiáng)度計(jì)算
（1）輪齒彎曲強(qiáng)度計(jì)算
斜齒輪彎曲應(yīng)力:
（3.5）
式中 ——計(jì)算載荷（N·mm）；
——斜齒輪螺旋角；
——應(yīng)力集中系數(shù)，可近似取=1.50；
Z——齒數(shù)；
——法向模數(shù)（mm）；
y——齒形系數(shù)，可按當(dāng)量齒數(shù)在圖中查得；
——齒寬系數(shù)；
——重合度影響系數(shù)，=2.0。
齒輪1，查齒形系數(shù)圖得y=0.132，代入得=342.25Mpa；
齒輪2，查齒形系數(shù)圖得y=0.158，代入得=121.52Mpa；
當(dāng)計(jì)算載荷取作用到最大轉(zhuǎn)矩時(shí)，許用應(yīng)力在180~350Mpa范圍，所有斜齒輪滿足＜[]，故彎曲強(qiáng)度足夠。
（2）輪齒接觸應(yīng)力計(jì)算
（3.6）
式中 ——輪齒的接觸應(yīng)力,Mpa；
F——齒面上的法向力， ,N；
——圓周力（N），；
——計(jì)算載荷,N·mm；
d——節(jié)圓直徑,mm；
——節(jié)點(diǎn)處壓力角；
——齒輪螺旋角；
E——齒輪材料的彈性模量，合金鋼取E=2.1Mpa；
b——齒輪接觸的實(shí)際寬度,mm；
、——主、從動(dòng)齒輪節(jié)點(diǎn)處的曲率半徑（mm），直齒輪，斜齒輪；、為主、從動(dòng)齒輪的節(jié)圓半徑（mm）。
將上述有關(guān)參數(shù)代入式（3.6），并將作用在載荷/2作為計(jì)算載荷時(shí)，得出：
故所有齒輪滿足＜[]，接觸強(qiáng)度足夠。
3.4其他參數(shù)設(shè)計(jì)
結(jié)合日常手的操作，可將手指的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化，手指的各關(guān)節(jié)圍繞軸進(jìn)行90°以內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。手指的橫向張并這里可以將其簡(jiǎn)化忽略不記。為了將手指在不影響驅(qū)動(dòng)力矩的前提下做到結(jié)構(gòu)尺寸要和人的手指接近一致，也就是比例接近1：1。結(jié)合人的手指得到以下數(shù)據(jù)：遠(yuǎn)節(jié)指骨中食指、中指、無(wú)名指的尺寸近似25mm，小指的尺寸大約為20mm而大拇指的尺寸大約為30mm；中節(jié)指骨中前三指的尺寸大約為30mm，小指的尺寸為15mm而大拇指沒(méi)有中節(jié)指骨；遠(yuǎn)節(jié)指骨中前三指的尺寸近似為25mm，小指的尺寸為20mm而大拇指的尺寸為30mm；近節(jié)指骨中食指、無(wú)名指近似30mm，中指為33mm，小指20mm而大拇指為30mm。這里將食指無(wú)名指和食指近似一樣。各指骨的直徑為18mm而指節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度最大為90°
第4章基于Pro/E的三維設(shè)計(jì)
4.1 Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件簡(jiǎn)介
Pro/Engineer操作軟件是美國(guó)參數(shù)技術(shù)公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/Engineer軟件以參數(shù)化著稱，是參數(shù)化技術(shù)的最早應(yīng)用者，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位。Pro/Engineer作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣，是現(xiàn)今主流的CAD/CAM/CAE軟件之一，特別是在國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域占據(jù)重要位置。
Pro/E第一個(gè)提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)解決特征的相關(guān)性問(wèn)題。Pro/E采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等，保證用戶可以按照自己的需要進(jìn)行選擇使用。功能如下：
（1）特征驅(qū)動(dòng)（例如：凸臺(tái)、槽、倒角、腔、殼等）；
（2）參數(shù)化（參數(shù)=尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等）；
（3）通過(guò)零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數(shù)之間（如表面積等）的關(guān)系來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)；
（4）支持大型、復(fù)雜組合件的設(shè)計(jì)（規(guī)則排列的系列組件，交替排列，Pro/PROGRAM的各種能用零件設(shè)計(jì)的程序化方法等）。
（5）貫穿所有應(yīng)用的完全相關(guān)性。
4.2三維設(shè)計(jì)
4.2.1絲杠設(shè)計(jì)
絲杠如下圖示：
圖4-1絲杠
4.2.2齒輪
各齒輪設(shè)計(jì)結(jié)果如下圖示：
圖4-2齒輪
4.2.3推桿、推桿筒體
推桿、推桿筒體設(shè)計(jì)結(jié)果如下圖示：
圖4-3推桿、推桿筒體
4.2.4支座
支座如下：
圖4-4 支座
4.2.5手指指節(jié)、指頭
手指指節(jié)、指頭如下：
圖4-5 手指指節(jié)、指頭
4.2.6手掌前蓋、后蓋
手掌前蓋、后蓋如下：
圖4-6 手掌前蓋、后蓋
4.2.7三維裝配
圖4-7 三維裝配
總 結(jié)
靈巧手作為一種特殊的末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)，本文對(duì)它在國(guó)內(nèi)外的現(xiàn)狀以及發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析，同時(shí)對(duì)于它在國(guó)內(nèi)的發(fā)展前景進(jìn)行了一定的描述。其中提及它的外形部分應(yīng)該更加仿人化，從人手的一些數(shù)據(jù)信息，在從機(jī)械設(shè)計(jì)方面對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的改變，得出既符合機(jī)械設(shè)計(jì)又與人類手指接近的尺寸大小。再進(jìn)行了手指自由度的分析計(jì)算，在不影響手指正?；顒?dòng)的合理范圍內(nèi)對(duì)自由度進(jìn)行一定程度的減少，這樣對(duì)設(shè)計(jì)會(huì)有很大的幫助，然后，就不同的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了系統(tǒng)回路的探究并對(duì)各個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。
畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，通過(guò)這次對(duì)靈巧手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論知識(shí)和實(shí)際設(shè)計(jì)的相結(jié)合，鍛煉了我的綜合運(yùn)用所學(xué)專業(yè)知識(shí)，解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，同時(shí)也提高了我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)規(guī)范能力以及其他專業(yè)知識(shí)水平，而且通過(guò)對(duì)整體的掌控，對(duì)局部的取舍，以及對(duì)細(xì)節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗(yàn)得到了豐富，并且意志品質(zhì)力，抗壓能力以及耐力也都得到了不同程度的提升。
這是我們都希望看到的也正是我們進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的所在，提高是有限的但卻是全面的，正是這一次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我積累了許多實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，使我的頭腦更好的被知識(shí)武裝起來(lái)，也必然讓我在未來(lái)的工作學(xué)習(xí)中表現(xiàn)出更高的應(yīng)變能力，更強(qiáng)的溝通力和理解力。
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致 謝
大學(xué)生活即將結(jié)束，在這短短的四年里，讓我結(jié)識(shí)了許許多多熱心的朋友、工作嚴(yán)謹(jǐn)教學(xué)相幫的教師。畢業(yè)設(shè)計(jì)的順利完成也脫離不了他們的熱心幫助及指導(dǎo)老師的精心指導(dǎo)，在此向所有給予我此次畢業(yè)設(shè)計(jì)指導(dǎo)和幫助的老師和同學(xué)表示最誠(chéng)摯的感謝。
首先，向本設(shè)計(jì)的指導(dǎo)老師表示最誠(chéng)摯的謝意。在自己緊張的工作中，仍然盡量抽出時(shí)間對(duì)我們進(jìn)行指導(dǎo)，時(shí)刻關(guān)心我們的進(jìn)展?fàn)顩r，督促我們抓緊學(xué)習(xí)。老師給予的幫助貫穿于設(shè)計(jì)的全過(guò)程，從借閱參考資料到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際操作，他都給予了指導(dǎo)，不僅使我學(xué)會(huì)書本中的知識(shí)，更學(xué)會(huì)了學(xué)習(xí)操作方法。也懂得了如何把握設(shè)計(jì)重點(diǎn)，如何合理安排時(shí)間和論文的編寫，同時(shí)在畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，她和我們?cè)谝黄鸸餐鉀Q了設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的各種問(wèn)題。
其次，要向給予此次畢業(yè)設(shè)計(jì)幫助的老師們，以及同學(xué)們以誠(chéng)摯的謝意，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，他們也給我很多幫助和無(wú)私的關(guān)懷，更重要的是為我們提供不少技術(shù)方面的資料，在此感謝他們，沒(méi)有這些資料就不是一個(gè)完整的論文。
另外，也向給予我?guī)椭乃型瑢W(xué)表示感謝。
總之，本次的設(shè)計(jì)是老師和同學(xué)共同完成的結(jié)果，在設(shè)計(jì)的一個(gè)月里，我們合作的非常愉快，教會(huì)了大我許多道理，是我人生的一筆財(cái)富，我再次向給予我?guī)椭睦蠋熀屯瑢W(xué)表示感謝！
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