目 錄 摘 要. 1 1 緒論. 1 1.1 仿生機(jī)械的概述 2 1.2 課題的研究目的和意義 3 1.3 國內(nèi)外該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀 3 1.4 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式 7 1.4.1 繩索滑輪驅(qū)傳動(dòng)方式 8 1.4.2 鏈條、鋼帶驅(qū)動(dòng) 8 1.4.3 閉式鏈連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式 8 1.5 本文主要研究內(nèi)容. 10 2 原理方案的設(shè)計(jì) 10 2.1 明確設(shè)計(jì)任務(wù) 11 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 12 2.6. 具體工作原理 . 14 2.6 本章總結(jié) 15 3 機(jī)械手手指的運(yùn)動(dòng)分析 15 3.1 手指機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué) 15 3.1.1 手指機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算 15 3.1.2 位置正解. 16 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(dòng)空間分析與仿真 22 4 基于 Pro/e 的仿生機(jī)械手的建模，裝配及仿真 . 24 4.1 Pro/e 簡介. 24 4.2 仿生機(jī)械手各部分的建模 . 25 4.3 機(jī)械手的裝配與仿真 . 25 4.3.1 機(jī)械手的裝配 25 4.3.2 機(jī)械手的仿真 31 總結(jié)與體會(huì) 34 致謝詞 35 參考文獻(xiàn) 361 摘 要 本設(shè)計(jì)是根據(jù)亞確定輸入的原理設(shè)計(jì)的以少輸入控制多自由度的三指九自由 度機(jī)械手， 在機(jī)械手初始運(yùn)動(dòng)時(shí)機(jī)械手的每個(gè)手指作為一個(gè)運(yùn)動(dòng)單元作整體的運(yùn) 動(dòng)，但當(dāng)機(jī)械手手指的第一個(gè)指節(jié)因某種因素突然受阻，驅(qū)動(dòng)力克服動(dòng)力約束，自 動(dòng)啟動(dòng)了位于第一個(gè)指節(jié)和第二個(gè)指節(jié)之間關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度， 時(shí)就應(yīng)用了各個(gè) 手指的第二個(gè)自由度，同樣的，當(dāng)?shù)诙€(gè)指節(jié)和第三個(gè)指節(jié)間的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度因?yàn)槟?種外在的因素突然受阻時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)機(jī)械手各個(gè)手指的第三個(gè)自由度。這樣就實(shí)現(xiàn) 了機(jī)械手的以少輸入控制多自由度的控制方式， 達(dá)到機(jī)械手對(duì)不同形狀工件的抓 取動(dòng)作，可以達(dá)到省力、省能以及減少電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)容量，因而減少機(jī)構(gòu)的負(fù)載及改 善動(dòng)力性能。 【關(guān)鍵詞】亞確定輸入、自由度、指節(jié) Abstract The design is based on the principle of deficientdeterminate 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】deficientdeterminate input；DOF；knuckle 1 緒論1 1.1 仿生機(jī)械的概述 仿生學(xué) 的 學(xué) ， 生學(xué)的的 與 關(guān) 的的仿生機(jī)械學(xué)的 生和 機(jī) 機(jī)構(gòu) 仿生機(jī)械領(lǐng)域 ， 的仿生機(jī)構(gòu) 模仿各 動(dòng)?的￠￡?￥￠的動(dòng)作，?§動(dòng)機(jī) 的設(shè)計(jì) 與構(gòu)currency1'“ ??的?fi fl 主要介–生?運(yùn)動(dòng)機(jī)理與仿生機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)構(gòu)currency1， ?? 仿生機(jī)構(gòu)的研究'“? · 仿生機(jī)械 ，仿生機(jī)構(gòu)作?仿生機(jī)械的?要??部分， 模仿生?的運(yùn)動(dòng)? ”?生理結(jié)構(gòu)和?…原理設(shè)計(jì)…‰ 的功能? `′??? ?? ˉ具 ?生?˙¨的機(jī)構(gòu)， 仿生機(jī)械 ?機(jī)械運(yùn)動(dòng)的???體 模仿生?的?”、結(jié)構(gòu)和?…原理設(shè)計(jì)…‰ 的功能? 、`′??ˉ具? 生?˙¨的機(jī)械 研究仿生機(jī)械的學(xué) ?仿生機(jī)械學(xué)，? 20 ?ˇ 60 — 由生?學(xué)、生? 學(xué)、 學(xué)、機(jī)械工 、?…論和 學(xué) 、 結(jié) ??的 ?學(xué) 自 a 生? ? ??和? 的自o 自 具??度的? ? 的 ·、? 、指 、反?、運(yùn)動(dòng) 機(jī)能 和 ?結(jié)構(gòu)?? …‰的機(jī)械?? 模仿生??”結(jié)構(gòu)創(chuàng)‰機(jī)械的 ?悠久的歷史 15 ?ˇ意大利的列奧納 多．達(dá)芬奇認(rèn)? 可以模仿鳥 飛￠ ˉ繪… 撲翼機(jī)圖 到 19 ?ˇ 各種自 學(xué)? 較大的 利 空氣動(dòng) 學(xué)原理 …? 幾種不同 型的單翼機(jī)和 雙翼滑翔機(jī) 1903 —，?國的 W.萊˙和 O.萊˙ 明 飛機(jī) ， 很? 段時(shí) 間內(nèi)， 于生?與機(jī) 間到底?什么共同 處還缺乏認(rèn) ，因 只限于? 體上的模仿 直到 20 ?ˇ 葉，由于原 能利 、航?、海洋? 和軍事 的 需要，迫 要求機(jī)械裝置 具?? 和?度的可靠 以往的各種機(jī)械裝置 ??不能滿足要求，迫 需要尋找 條全 的 途徑和設(shè)計(jì)理論 隨著 生?學(xué)的 ， 現(xiàn)，生? 能量轉(zhuǎn)換、?…調(diào)節(jié)、信息處理、辨別方位、 導(dǎo)航和探測 方面?著以往 不可?擬的?處 同時(shí) 自 學(xué) 又 現(xiàn) “?…論”理論 ? 研究機(jī) 和生?體 ?…和 信的 學(xué) ?…論 溝 系統(tǒng)和生?系統(tǒng)工作原理 間的橋梁，?奠定 機(jī) 與生?可以 ?的理論基 礎(chǔ) 1960 — 9 月 ?國召? 第 屆仿生學(xué)討論會(huì)，ˉ' “生?原型 的關(guān)鍵”的論題，從 確立 仿生學(xué)學(xué) ，以后又??許多仿生學(xué)的分支學(xué) 1960 —由?國機(jī)械工 學(xué)會(huì)主辦，召? 生? 學(xué)學(xué) 討論會(huì) 1970 —日本 工 手研究會(huì)主辦召? 第 屆生?機(jī)構(gòu)討論會(huì)，從 確立 生? 學(xué)和生?機(jī)構(gòu)學(xué) 兩個(gè)學(xué) ， fl個(gè)基礎(chǔ)上?? 仿生機(jī)械學(xué) 仿生機(jī)械研究的主要領(lǐng)域?生? 學(xué)、?…體和機(jī) 生? 學(xué)研究生命 的 學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，包括生體材料 學(xué)和生體流體 學(xué)，生體機(jī)械 學(xué)和生體流 體 學(xué) ?…體和機(jī) 根據(jù)從生? 解到的· 建‰的工 系統(tǒng) 其 腦?…的 ??…體 手、裝具 ； 計(jì)算機(jī)?…的 ?機(jī) 仿2 生機(jī)械學(xué)的主要研究課題?擬 型機(jī)械手、 ￠機(jī)、 以及模仿鳥 、 和 生?的各種機(jī)械 1.2 課題的研究目的和意義 自從 1960 —第 機(jī) ?以 ，機(jī) ? 的 ， 國 、 研、生 領(lǐng)域 ? 的 ， 從事 的、 的、 可達(dá)的工作，從 的 動(dòng) 度，'? `′， 大 動(dòng)的空 間 ?目?國內(nèi)外的工￠機(jī) ￡，大 ? ￥ 的任務(wù) 設(shè)計(jì)的， ? 的 §currency1式 '￠§動(dòng)式的單自由度 “?￠ fl種 “?￠ 的結(jié)構(gòu) 簡單，?…方?， 于?現(xiàn)fifl的大 –運(yùn)動(dòng)作￠?分?`， ?· 以 幾個(gè) 方面的缺?? 1.? ?體的§?和定位 ??較大的” 生的?… ?現(xiàn)的，· ‰ 的幾? 閉和 閉，因`′于達(dá)到很?的‰ ?度，?定 和可靠 ˉ 2.?限… 機(jī) 系統(tǒng)的??作￠˙' 傳統(tǒng)的機(jī) ¨調(diào) “位置， 手?調(diào) “?” 由于¨的 ?較大，因` 個(gè)¨部的運(yùn)動(dòng)很′?現(xiàn) ?體的?確位?調(diào) 和?作，ˇ動(dòng)”— 較ˉ 3.?缺 ?確的 ?…，只能 ?§? 要求不?的作￠ 4.不能? ?體外?的 多指 手的研…? 于解?上述 題 因?作? “?￠ 的 手 于 裝 機(jī) ¨上的可 立?現(xiàn)???作運(yùn)動(dòng)的 ?機(jī) ， 機(jī) ¨?現(xiàn) 定位，利 手?現(xiàn)?確定位 ? 的‰ 方式和‰ 規(guī) 算 ，從 理論上可以‰ 任意?狀的?體ˉˇ ?體??任意的運(yùn)動(dòng)和 fl '?機(jī) 能 作￠˙'?著?要的意義 本課題 手手指結(jié)構(gòu)的 設(shè)計(jì)及 ?…系統(tǒng)的研究， 解?以 幾個(gè) 題? 1a能? ?作 象外?的 、 可能‰ 不同?狀的?體 2a能?…?作 ，以? 不同材?的 象 ￠?作 3a能 ‰?體 ￠ ?的位?調(diào) 4a 上位機(jī)?… ?‰ 運(yùn)動(dòng)規(guī) ，能?? 手'?的運(yùn)動(dòng)ˉ能? 現(xiàn) ?體的?定‰ 1.3 國內(nèi)外該領(lǐng)域的研究現(xiàn) 狀 1962 —?國?? 種 ?多指 手的手o…‰ 真正的 手 1974 —日本的 o 手 1 ， 圖 1.1 ? 3 該手具?三個(gè)手指，? 個(gè)手 ， 指?三個(gè)自由度， 兩個(gè)手指各??個(gè)自由 度 各自由度 由 機(jī)驅(qū)動(dòng)，ˉ由鋼 和滑輪 ?運(yùn)動(dòng)和動(dòng) 的傳 ，?于 ? 驅(qū)動(dòng)方式 該手的‰ ?量? 0.8??，自? 0.24?? fl種手的 ?較?， 由于 指只?三個(gè)自由度，還不 的手 `外， 結(jié)構(gòu)上，各個(gè)手指?? 單 ，′以?現(xiàn)較大的‰ 和?作 國 航 研…的 DLR 手 公認(rèn)?迄今?止?a上 、 能 和 ? ?的仿 機(jī) 多指 手 2 圖 1.2 ?，該手 種仿 手，? 由? 個(gè) 全 同手指??， 個(gè)手指??個(gè)關(guān)節(jié) 個(gè)手共由1000 個(gè)機(jī)械零件以及 1500 個(gè) 元件和 112 個(gè)傳 ?? 其 ， “的兩個(gè)關(guān)節(jié)同 手 ?，· 著機(jī) 械禍 ，? 個(gè)驅(qū)動(dòng) ￠驅(qū)動(dòng) 基關(guān)節(jié)? 兩個(gè)驅(qū)動(dòng) ，?現(xiàn)兩個(gè)方向的運(yùn) 動(dòng) DLR 手 驅(qū)動(dòng)方式，? 型直線驅(qū)動(dòng) 作?驅(qū)動(dòng)元件，?+1 驅(qū)動(dòng)方式 該直線驅(qū)動(dòng) 將旋轉(zhuǎn) 機(jī)、旋轉(zhuǎn)直線轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和 速機(jī)構(gòu)融? 體 以?可將 ?的驅(qū)動(dòng) ? 手指 手 ， ? 手指的 ?，同時(shí)?腿的傳動(dòng)距離縮 短，'? 動(dòng)”— DLR 手 每個(gè)手指上 ?? 28 個(gè)傳 ，包括 ? 工皮 膚的觸覺傳 、關(guān)節(jié) 矩傳 、位置傳 、速度傳 和溫度傳 圖 1.2DLR 多指 手指 具 表 的多指 手 1985 —?國麻省理工學(xué)院和猶他大學(xué)聯(lián) 研…的 Ut h/M 工 T 手 3 ，fl 種仿 手，其大?、?狀、功能 與 手 ? 4 Ut h/MIT 手 模塊 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，?個(gè)手指 指、食指、 指和無名指 全 同，每個(gè)手指??個(gè)自由度，各手指 連接到手 ˉˇ 于手 運(yùn)動(dòng) 手 指的每個(gè)關(guān)節(jié) 由腿 繩索 、滑輪 ￠?距離帶動(dòng)，?于 2? 驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)元件 的 排氣動(dòng)伺服缸，能 指尖上 生 31N 的‰ 16 個(gè)位置傳 裝 每個(gè)關(guān)節(jié)上，32 個(gè)腿拉緊傳 裝 ?后面 目?該手多 于?驗(yàn)室的各種研究， ?的主要 題 關(guān)節(jié)自由度太多，?…太 ，′以?現(xiàn)?時(shí)的 線?…，還未 得到?際 ?國斯坦福大學(xué)研…的 St ?for /JPL 手 S lisbry 手 4 種 常具? 表 的 仿 多指 手 該手沒?手 ，共三個(gè)手指，每指三個(gè)關(guān)節(jié)， 指 兩指布置 每個(gè)手指由?個(gè)直流 矩 機(jī)驅(qū)動(dòng)， ?條繩索張 的調(diào)節(jié) ?…三個(gè)關(guān)節(jié) 矩的大?，?于 ?+1 驅(qū)動(dòng) 關(guān)節(jié) 1、2 ?士 90’的運(yùn)動(dòng) –， “ 關(guān)節(jié) 3 ?士 135’ 運(yùn)動(dòng) – 種手每個(gè)手指的自由度只?三個(gè)， ‰ ?體時(shí)， ‰ ? 指尖位置 旦確定后，其‰ ?”?唯 確定 因`，?際上手指沒? 冗余關(guān)節(jié)， ?沒?‰ 的柔 ，無 像 手 樣 ￠ 、?定的‰ 和?作 `外，根據(jù)欠驅(qū)動(dòng)原理研…的三指 10 個(gè)自由度的機(jī) 手o具?驅(qū)動(dòng)元件數(shù)量 、‰ ?體 – ?， 欠驅(qū)動(dòng)手o的 4 個(gè)主要機(jī)構(gòu) 欠驅(qū)動(dòng)手指 ‰ ?體具? 動(dòng)柔順和?狀自? 的˙ ，首先 三關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)手指機(jī)構(gòu) ￠靜 學(xué)分析 ' 理的設(shè)計(jì)目標(biāo)和約束條件 后根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo) 遺傳算 得 到手指機(jī)構(gòu)的各個(gè)關(guān)節(jié)連桿 ?和‰ ?體時(shí)的˙殊構(gòu)? ?得 ‰ 給定?體 時(shí)各關(guān)節(jié)指面的接觸 達(dá)到均勻分布 得到?`的 傳 和??緊湊的機(jī)構(gòu) ? ? 拿 大 MD ROBOTICS 公 司 和 L v l 大 學(xué) 作 研 … SARAH 手 o Self-A pti??Robotic Auxili ry H ? 5 圖 1.3 ? 該手o共? 10 個(gè)自 由度 只 兩個(gè) 機(jī)驅(qū)動(dòng) 個(gè) 機(jī)fi責(zé)三個(gè)手指的? 個(gè)fi責(zé)調(diào) 手指方 向 ?其能 不同的‰ ?勢‰ ?體 SARAH 手o既可以 關(guān)節(jié)指面捏 的 方式 ?各種?確捏 圖 1.4 ?，又可以 欠驅(qū)動(dòng)的方式 ?包絡(luò)‰ ， 圖 1.5 ? 5 圖 1.3 欠驅(qū)動(dòng)10-DOF SARAH 手o 圖 1.4 欠驅(qū)動(dòng) 10-DOF SARAH 手o 關(guān)節(jié)指面捏 6 圖 1.5 欠驅(qū)動(dòng) 10-DOF SARAH 手o 欠驅(qū)動(dòng)的方式 ?包絡(luò)‰ 國內(nèi)， 手的研究 從 20 ?ˇ 80 — 后 ?始的，其 以北京航空航 ?大學(xué)研…的 BH 系列? 表，從 1987 —以 ，北航 先后研… BH 1、BH 2、BH 3 型多指 手，該型手 種仿 St ?for /JPL 手，三指九自由度，每 個(gè)手指由?個(gè) 機(jī)驅(qū)動(dòng)，?于 ?+1 驅(qū)動(dòng)方式 幾—，北航?始研究 BH 4 型 手，該手??指?六自由度， 模塊 設(shè)計(jì)，分?手指、手 和機(jī)械接口三 個(gè)模塊，改 手 設(shè)計(jì) 可以獲得擬 擬 手，機(jī)械接口 于確定手與¨的 連接，改 機(jī)械接口可以? 手? 不同的機(jī)械¨ 傳動(dòng)元件全部由齒輪 ? ?， 機(jī) 全置于手指 傳動(dòng) 線短，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊 由于國內(nèi) 機(jī)械手研究的 后 原因， 國目? …‰ 的fl 多指 手 結(jié)構(gòu)方面 · 許多不 的 方 因`，? 要 多指 手結(jié)構(gòu) ￠ ?的分析，ˉ 理的 設(shè)計(jì)方 ，設(shè)計(jì) 結(jié)構(gòu)?? 理的多指 手， ?多指 手的? 和其他方面的研究'“ 理 的結(jié)構(gòu) 1.4 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式 機(jī) 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式?直接驅(qū)動(dòng)方式和間接驅(qū)動(dòng)方式兩種 接驅(qū)動(dòng)方 式 驅(qū)動(dòng) 的 和機(jī) 的關(guān)節(jié) 直接 連，間接驅(qū)動(dòng)方式 驅(qū)動(dòng) 的 速 鋼 繩、皮帶、'￠連桿 傳 給關(guān)節(jié) 直接驅(qū)動(dòng)方式的驅(qū)動(dòng) 和關(guān)節(jié) 間的機(jī)械系統(tǒng)較 ， 能? ?… 線 因 的 —，?… 能?較? ， 方面? 直接驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，驅(qū)動(dòng) 的 矩 很大， ` 外， 于本設(shè)計(jì)，要求手指結(jié)構(gòu)要? 的因 ?定 不能 fl種驅(qū)動(dòng)方式 間接驅(qū)動(dòng)方式 正 大部分機(jī) 的驅(qū)動(dòng) 方式，fl種間接，驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng) 的 矩 ???于驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié) 需的 矩，因 `， 常? 速 于手¨的 ¨梁結(jié)構(gòu)， 驅(qū)動(dòng) 的 裝位置不 ，將 會(huì)?手¨根部關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng) 的fifl 大， 手指結(jié)構(gòu)同樣 · fl個(gè) 題 `7 常 的間接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，常 的?以 幾種? 1.4.1 繩索滑輪驅(qū)傳動(dòng)方式 繩索滑輪驅(qū)傳動(dòng)方式 常 的 手驅(qū)傳動(dòng)方式 fl種傳動(dòng)方式 ?較?利的 ?可以很方? ?現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng) 的?距離傳 能較?的滿足 手結(jié)構(gòu)上的 要求 ˉˇ?量 、 fi? 、 ?…較?、 ? 、 傳動(dòng)結(jié)構(gòu) ?意圖 圖 1.6 ? “桿?兩個(gè) 機(jī) 分別驅(qū)動(dòng) “桿的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn) 以?現(xiàn) 手指的§?和 ? 圖 1.6 繩索滑輪驅(qū)傳動(dòng)方式 `種傳動(dòng)方式具? 和運(yùn)動(dòng)傳 的 不足的 ?˙? ˉ由` 各種缺 ? 1 繩索?張 容 ? 會(huì) 傳動(dòng)的 后現(xiàn)象 ? 時(shí)間? 繩索會(huì) 將會(huì)帶 較大的運(yùn)動(dòng)傳 ˉ 2 繩索 工作?還需要?緊 常?緊 ?較大 又不能 大 張 大可 能會(huì)?繩索拉￠ 不利于大fi?條件 的‰ 工作 3 ￡ 繩索與滑輪 ?￥的?…可以?較? fl種方式需要正確布置 繩索的￡向 ?§會(huì) 生很大的currency1? 和currency1? 矩 生fl種currency1? 矩時(shí) 會(huì)? 運(yùn)動(dòng) 現(xiàn)' ??…的′度 fl種?…具?“?的 線 和 ' 給?… 帶 很大的?′ 4a繩索只能?拉，不能?”， 以?現(xiàn)? 將會(huì)很?′ ?… 旦fi調(diào) fl 將 件 常麻 的事 fi調(diào)又 ?際 不可–?的 要 ?現(xiàn)? 只? 每個(gè)關(guān)節(jié)處??置 個(gè) 機(jī) ?兩個(gè) 機(jī)配 工作?現(xiàn) 個(gè)關(guān)節(jié)的正反轉(zhuǎn) fl樣給手指的 裝和?… 會(huì)帶 不? 由上述分析可以· 繩索?滑輪fl種 傳動(dòng)方式ˉ不理 不能滿足 手的設(shè)計(jì)要求 1.4.2 鏈條、鋼帶 驅(qū)動(dòng) 鏈條、 帶fl種方式同樣 驅(qū)動(dòng) 和關(guān)節(jié)分? 裝， ? 驅(qū)動(dòng)的手段 ， 鏈條、鋼帶與鋼 繩 ?， ?，可以傳 較大的 ， 設(shè)計(jì)上的限… 很 大， SCARA 型的關(guān)節(jié)機(jī) 多 ` 1.4.3 閉式鏈連桿 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式8 于像 手指fl 不 很?距離的運(yùn)動(dòng)和動(dòng) 傳 連桿機(jī)構(gòu) 可￠的方 手指機(jī)構(gòu)的主體 ? 聯(lián)三連桿機(jī)構(gòu) `? 機(jī)構(gòu)上?? 零自由度的 桿? ?可以構(gòu)‰ 閉 連桿機(jī)構(gòu) fl 桿?可以將手指根部的動(dòng) 傳 到各 個(gè)關(guān)節(jié) 圖 1.7 圖 1.7 閉式鏈?zhǔn)种笝C(jī)構(gòu) 桿件 1、 件 2 和桿件 3 分別?根關(guān)節(jié)、 關(guān)節(jié)和 關(guān)節(jié) 根關(guān)節(jié) 定于 上 2 的桿件 1、4、6 同 驅(qū)動(dòng) 機(jī)直接驅(qū)動(dòng)桿件 1、4 和 6 桿件 4 個(gè) ?連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)桿件2 的運(yùn)動(dòng) 件 6 外 個(gè)'面?連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)??桿 8 后? 第 3 個(gè)?連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)手指 關(guān)節(jié)桿 3 其 ?? 8 的作 ? 改 兩個(gè)'面? ? 間的傳 能 fl樣??現(xiàn) 手指 3 個(gè)關(guān)節(jié)的 立驅(qū)動(dòng) 考 ?到 ?連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的運(yùn)動(dòng) 傳動(dòng) ?較大 因` 于 ?的'￠? ?機(jī)構(gòu) 可以· 桿件 3 分別由桿件 2 和桿件 9 領(lǐng)”的兩條支鏈直 接ˉ聯(lián)驅(qū)動(dòng) fl兩條支鏈又 聯(lián)于桿件 1 上 以手指 “的位?將由桿件 1 的位?以及桿件 1 上的兩個(gè)'￠? ?機(jī)構(gòu)分別 導(dǎo)的支鏈的位?共同確定 以上的˙¨?明 fl 種…聯(lián)結(jié)構(gòu) 同時(shí)具‰ˉ聯(lián)結(jié)構(gòu)和 聯(lián)結(jié)構(gòu)的 勢 ? ˉ聯(lián)結(jié)構(gòu)的?速、 ? 度 又`‰ 聯(lián)結(jié)構(gòu)的? ?驅(qū)動(dòng)方式 ? ˉ聯(lián)驅(qū)動(dòng) 個(gè)手指 ? 聯(lián)結(jié)構(gòu)的 具? 聯(lián)結(jié)構(gòu)的˙? 閉式鏈傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的˙?? fl種傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 常規(guī)驅(qū)動(dòng)方式 與傳統(tǒng)的繩索滑輪驅(qū)傳動(dòng)方式 ? ?以 ?? 1 運(yùn)動(dòng) ? 接觸面?面接觸 兩元 間?于′滑 桿件幾?構(gòu)?簡單 ?于?工…‰ 2 傳 ?? 沒? 后 幾?約束定位 傳動(dòng)可靠 工作 全 3 桿件ˉ聯(lián)驅(qū)動(dòng)可以 ?較大?fl 機(jī)械???較? fl 連桿驅(qū)動(dòng) ˉ 的 ? 4 桿件 可?拉 可?” 個(gè) 機(jī)?可?現(xiàn)關(guān)節(jié)的正反轉(zhuǎn) ? 方? 因`? … 旦fi調(diào) fl 很簡單 5 閉式鏈 '￠? ?機(jī)構(gòu)傳動(dòng) '￠? ?機(jī)構(gòu)?著 ? 于 的˙ 因`手指的運(yùn)動(dòng)學(xué)和各種 能 同于? '面 3 自由度連桿機(jī)構(gòu) 因`運(yùn)動(dòng)學(xué)求 解和 能分析得以簡 由以上的分析?較可· 設(shè)計(jì)的 型ˉ聯(lián)連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng) 方式?傳統(tǒng)的繩索滑輪傳動(dòng)?較?的 勢 ˙別 ? 傳統(tǒng)傳動(dòng)方式傳 不 足的 ?缺 `種 型傳動(dòng)方式具? 定的改 功` fl種傳動(dòng)方式將會(huì) ? 手的結(jié)構(gòu) 得 結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)時(shí)需?意 ˙ 上述驅(qū)動(dòng)方式的分析和研究，本文 的機(jī)械手 閉式鏈連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的 驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)9 1.5 本文主要研究內(nèi)容 ? 目?多指 手研究 · 的 題，ˉ考?現(xiàn)?的研究條件，本文著? ￠以 研究工作? 1. 多指手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究 多指手的結(jié)構(gòu)型式 ￠˙ 分析，¨ 理的 方 手結(jié)構(gòu)參數(shù) ￠ ，從仿 手的 度，以 手結(jié)構(gòu)?式及??參數(shù) ??據(jù)， ￠多指 手的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，?其?較?的機(jī)械˙ ， ? 傳 的?度 ˉ Pro/e ?件 ￠ 多指 手的三ˇ‰型 2. 多指 手的運(yùn)動(dòng)學(xué)和靜 學(xué)分析 設(shè)計(jì)的三指 手分析ˉ建立 運(yùn) 動(dòng)學(xué)模型，得 正、反向運(yùn)動(dòng)學(xué)方 ，ˉ ‰?狀” 各手指的運(yùn)動(dòng)?” ￠ 仿真 靜 學(xué)研究計(jì)算 靜'—狀” 各關(guān)節(jié)的 矩，? ?研究機(jī)械手 的?…'“ 理論?據(jù) 3. ￠機(jī)械手的裝配和仿真 2 原理方案的設(shè)計(jì) ? 要 規(guī) 、方案設(shè)計(jì)、 設(shè)計(jì)、?工設(shè)計(jì) 幾個(gè) 段 方案設(shè)計(jì) 段? 的主要功能' 原理的構(gòu)currency1， 索解? 題的?理` 和工作原理，ˉ 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖、 圖、 圖 表達(dá)構(gòu)currency1的內(nèi)容 方案設(shè)計(jì) 的結(jié)構(gòu)、工 、?本、 能和? ˇ ?很大的 —， 關(guān)系 ˙'和 能 的關(guān)鍵 節(jié) 以，原理方案的創(chuàng) 設(shè)計(jì)?其 足 ? 的義 工 設(shè)計(jì)內(nèi)容 ˙ ， 立靜止 分析 方面的 題，得 的結(jié)論往往 面、 限的 系統(tǒng)工 方 將事? 作 個(gè) 體系統(tǒng) 研究，分析系統(tǒng)10 明確任務(wù) 求總功能 象 總體方案分析 索 創(chuàng) 、設(shè)計(jì)目錄 求功能元 分解 功能? 求功能元解 索 創(chuàng) 、設(shè)計(jì)目錄 系統(tǒng)原理解 ? ?”學(xué)矩 a原理方案 圖 21 原理方案設(shè)計(jì) ?各??部分 間的?機(jī)聯(lián)系和系統(tǒng)與外a 的關(guān)系， 較全面的˙ 研究方 原理方案設(shè)計(jì) 往往利 系統(tǒng)工 的??、方 解? 的 題 原理方案的設(shè)計(jì) ?- 的 從功能分析?手， 創(chuàng) 構(gòu)currency1探求多 種方案， 后 ￠ ， o¨，求得 a原理方案 其 ?和各 段 的主要方 圖 2-1 ? 系統(tǒng)工 方 設(shè)計(jì) ￠ 的原理方案設(shè)計(jì) 緊緊– 功能的分析和求解 和? ??的 系統(tǒng)工 學(xué) “ ”研究分析 題 于 的未·系統(tǒng)，猶 不 明不 ·其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“ ” 可以利 外部?測， 分析 與 – 的聯(lián)系、 ?和 ， 解其功能、˙ ，從 探求其內(nèi)部原理和結(jié)構(gòu) 2.1 明確設(shè)計(jì)任務(wù) 根據(jù)` 設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù) 要求設(shè)計(jì) 個(gè)九自由度三指仿生機(jī)械手， ?機(jī) 械手 其他?體的‰ 具體要求 ? 1a九自由度三指仿真機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案； 2a九自由度機(jī)械手指的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)分析； 11 3a九自由度三指仿真機(jī)械手的三ˇ設(shè)計(jì)； 4a械手的裝配與仿真 2.2 功能分析 由于現(xiàn) 機(jī)械 動(dòng) 主要? 動(dòng)機(jī)、? 機(jī)、 機(jī)、氣動(dòng) 達(dá) ， 由于 機(jī)械手的工作條件和各種動(dòng) 的˙??定 ， 現(xiàn) 機(jī)械手 的動(dòng) 多以 動(dòng)機(jī)作?動(dòng) ? 本設(shè)計(jì) 均以 動(dòng)機(jī)作?動(dòng) ￠研究探索 動(dòng) ?件 總功能?機(jī)械手 不同?狀的?件?現(xiàn) 的‰ 三指機(jī)械手 機(jī)械手 不同?狀 的?件?現(xiàn)‰ 動(dòng) 作 2.3 功能分析 仿生機(jī)械手和 §?工具?現(xiàn) 工件的‰ ?， 需要??的 度，以 ?于?現(xiàn)機(jī)械手 于不同?狀的工件?現(xiàn)?? 可靠的‰ 2.4 功能分解 動(dòng) 機(jī)a 不同 ?狀 的工 件 ?現(xiàn) 的‰ 運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換 往 運(yùn)動(dòng) 往 動(dòng) 手指運(yùn)動(dòng) 運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié) 2.5 原理方案 圖 2-2 ? 種較?的三指機(jī)械手的原理方案， 機(jī)的?轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ? ?滑塊 ?面 桿機(jī)構(gòu)的? 12 圖 2-2 單指 2 自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡圖 `處省? NNNNNNNNNNNN 需要 ?明 和設(shè)計(jì)圖 . 聯(lián)系 ?九七 九二零八零零 '“全?機(jī)械畢 ￠設(shè)計(jì) ?！該論文 答辯 本設(shè)計(jì) 要求九自由度三指仿生機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，? 圖 2-2 ￠修改 異 后 可得到單指三自由度的機(jī)械手結(jié)構(gòu)， 異后的機(jī)械手 pro/e ?件建模 圖 2-3 ? 圖 2-3 各種位? 手指的仿真圖 異后得到的機(jī)械手結(jié)構(gòu) pro/e ‰ 圓柱工件和??工件的仿真 圖 2-4 ??13 圖 2-4 ‰ 圓柱?和??工件的三自由度手指三ˇ模型 2.6. 具體工作原理 2.5 ?明 機(jī)械手§?部分的原理方案， 明確機(jī)械手的具體 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布 ， 面? 機(jī)械手的 體布 和驅(qū)動(dòng)方式作具體分析，由上述 2.4 可·，機(jī)械手的動(dòng) 的 機(jī)， 機(jī)的 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 的 ?轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， 分析，機(jī)械手?￠§?的部分要求的 桿機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)，? 需將 機(jī)主 的?轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換?機(jī)械手?￠部件的桿機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng) 由機(jī)構(gòu)學(xué) 可·，將 個(gè)?轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換?直線運(yùn)動(dòng)主要?以 幾種方案? 1a??滑塊機(jī)構(gòu) ??滑塊機(jī)構(gòu) 的運(yùn)動(dòng) 均? ?又 ? 機(jī)構(gòu)a 其運(yùn)動(dòng) 元 ?面 接觸，” 較?， ?能 較大，′滑?，磨??，?工…‰容 ，ˇ??滑塊 機(jī)構(gòu) 的 幾? 閉的， ?工作的可靠 ?利 利 ??滑塊機(jī)構(gòu)還可以很方?的達(dá)到改 運(yùn)動(dòng)的傳 方向， 現(xiàn) 和?距 離傳動(dòng)的目的 ??滑塊機(jī)構(gòu) · ˙?， 要 機(jī)轉(zhuǎn) 的?轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要 間 構(gòu)件??和連桿的傳 ，? ? 傳動(dòng)線 ， 生較大的累積 ˉ，ˉˇ?得 機(jī)械`′降 2a齒輪齒條機(jī)構(gòu) 齒輪齒條機(jī)構(gòu)￡ '?機(jī)械傳動(dòng)`′方面???滑塊機(jī)構(gòu)具?較大的 勢， 齒輪的齒面作? 個(gè)較? 的型面， ?工和…‰ 較??′，ˇ? 工?本???滑塊機(jī)構(gòu)?， 齒輪齒條傳動(dòng) 傳動(dòng)上還· 個(gè)不可忽視的缺?， 輪齒條嚙 傳動(dòng)時(shí) ? 于線接觸，? ??滑塊機(jī)構(gòu)，齒輪齒條嚙 傳動(dòng)時(shí)的接觸 較大，齒面容 磨?， 終會(huì)導(dǎo)致?大的傳動(dòng) ˉ 3a凸輪機(jī)構(gòu) 凸輪機(jī)構(gòu)作?將?轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換?其他運(yùn)動(dòng)?式的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)， 工￠ ?其 ˙的 勢，其 大的 ?? ?只要? 設(shè)計(jì) 凸輪的輪廓?線，?可以 ?得推桿得帶各種? 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律， ˇ— ，機(jī)構(gòu)簡單緊湊 由于凸輪機(jī)構(gòu)自o的結(jié)構(gòu)?式，?定 其 ?的缺?， 凸輪機(jī)構(gòu) ，凸輪14 廓線和推桿間??、線接觸， 以接觸 大，容 磨?， ˇ凸輪的?工…‰ 較?′ 4a螺旋機(jī)構(gòu) 螺旋機(jī)構(gòu)?螺桿、螺母和機(jī)架?? 情況 ，? 將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換?直線運(yùn)動(dòng) 螺 旋機(jī)構(gòu)的 ? 能獲得很大的 速?和 的 益，還可以自鎖 由于螺紋的機(jī)構(gòu)?式， 螺旋機(jī)構(gòu)的機(jī)械`′會(huì)?較 `′' ?，磨?§ 大，兩 不可`得 由上述分析，˙ 傳動(dòng) ˉ，傳動(dòng)`′和 ?本的考?，以 方案 ??滑塊機(jī) 構(gòu) 機(jī)械手的?￠部分?現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，機(jī)械手單個(gè) 手指的的布 ??§由圖 2-5 可·，機(jī)械手 的工作原理? ?? 1 的外部鏈接 個(gè) 機(jī)， 機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ??滑塊機(jī)構(gòu)將 運(yùn)動(dòng)傳至三 板 4，由于滑塊 3 將運(yùn)動(dòng)傳至構(gòu) 件 由?面 ?現(xiàn)的， 以構(gòu)件 4 可?現(xiàn) 豎 直方向§動(dòng)外，還可以?現(xiàn)三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng) 圖 2-5 機(jī)械手單個(gè)手指的的布 圖 ?由 4 構(gòu)件各個(gè)頂?的上 §動(dòng)帶動(dòng) 5 構(gòu)件運(yùn)動(dòng)，?由桿機(jī)構(gòu) 6、7、8 的運(yùn)動(dòng)將 運(yùn)動(dòng)傳至指尖機(jī)構(gòu) 8， 工件?現(xiàn)§? 構(gòu)件 4 連接構(gòu)件 5 的運(yùn)動(dòng) ??面 ， §可以?現(xiàn) 各種?狀的工件 ￠自? §? 2.6 本章總結(jié) 至`，三自由度的手指方案 給定，本章主要運(yùn) 機(jī)械的功能設(shè)計(jì) 九自 由度三指機(jī)械手 ￠ 原理方案的設(shè)計(jì)，ˉ基于 pro/e ￠ 初 的建模仿真， 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)空間和機(jī)構(gòu)的各部分 ?方面的考?ˉ未涉及 3 機(jī)械手手指的運(yùn)動(dòng) 分析 機(jī) 運(yùn)動(dòng)學(xué)描述 機(jī) 關(guān)節(jié)與??機(jī) 的各 體 間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系 章 首先 手指機(jī)構(gòu) ￠自由度分析，以確定?幾個(gè) 立參數(shù)需要驅(qū)動(dòng)， 后 手指 機(jī)構(gòu) ￠位置正反解分析，速度分析，得到 雅克?矩 后 機(jī)構(gòu)的˙殊位 ?和零? ￠ 討論，得 設(shè)計(jì)條件 3.1 手指機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng) 學(xué) ?體 工作空間內(nèi)的位置以及機(jī) 手的位置， 以 個(gè)確定的坐標(biāo)系 描 述的、 工作任務(wù)§ 以 個(gè) 間坐標(biāo)系 賦于手指 “的坐標(biāo)系 規(guī)定的 由笛卡兒坐標(biāo)系 描述工作任務(wù)時(shí)， 上述fl 規(guī)定 換? 系列能?由手 指驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)位置 確定手指位置和?”的各關(guān)節(jié)位置的解答， 運(yùn)動(dòng)方 的求 解 要·道工作?體和工具的位置，?要指定手指逐?運(yùn)動(dòng)的速度 雅克?矩 由 個(gè)笛卡兒坐標(biāo)系規(guī)定的各單個(gè)關(guān)節(jié)速度 后 個(gè)連桿速度的線 換 3.1.1 手指機(jī)構(gòu)的 自由 度計(jì)算 '面機(jī)構(gòu)的自由度計(jì)算公式?15 p --?????????????????? 1 1 ???3?2?? 2 1 2 ?F 3 2 pl p h 其 ? n 機(jī)構(gòu) 動(dòng)構(gòu)件的數(shù)目； l p h 機(jī)構(gòu) ? 的數(shù)目 3-1a 從圖 3-1 可以· `手指結(jié)構(gòu)? 7 個(gè) 動(dòng)構(gòu)件，9 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng) ，沒?? ， 不· 部自由度和虛約束，自由度計(jì)算 ? F 3 2 pl p 3 ′7 2 ′9 1 0 3 3.1.2 位置正解 圖3-1 手指的機(jī)構(gòu)簡圖 具?閉式鏈結(jié)構(gòu)的 手，?定手 “位?及速度和?速度 能的主要桿件間 的 轉(zhuǎn) ，? 間接驅(qū)動(dòng)的，? 關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)， 關(guān)節(jié)會(huì)由于結(jié)構(gòu) 上的原因 生currency1?運(yùn)動(dòng) 以， 求解時(shí)， 先分析運(yùn)動(dòng)˙?，找 直接?定 “位?、速度和?速度 能的關(guān)節(jié) ， ? 分離 ，?? 的?鏈機(jī)構(gòu)， 后 ￠求解 6 個(gè) ?DOF 的閉式鏈可? ?DOF 的?式鏈和 個(gè) 0DOF 的桿?構(gòu) ?，自由度 ?不 ，閉式鏈的運(yùn)動(dòng)學(xué)˙ 及工作 能由?式鏈?定 圖 3-1 ?的手指結(jié)構(gòu)，可以將其 ?由桿 1、5、7 ??的? '面三自由度連桿結(jié) 構(gòu)，?作運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 建立 圖 3-2 ?的坐標(biāo)系，各關(guān)節(jié) ? ? ， 2 和 3 ， 各關(guān)節(jié) 基坐標(biāo)系 x 的轉(zhuǎn) ? ， 2 和 ， ? 各 機(jī) ? ， 關(guān)系? ?利 幾? 可以得到手指 “的位置正解，手指 “? P 的位置可以 坐標(biāo)16 ?? x (mm) y ( mm) p p 1 2 P ( x p , y p ) 表?，?” 表?， 投 換? 關(guān)系? x p y p l cos l cos( ) l cos( 2 3 ) l sin 1 l sin( 2 ) l 3 sin( 1 2 3 ) 2 3 3-3a 3-4a 3-5a 圖 3-2 '面三自由度? 連桿機(jī)構(gòu)坐標(biāo)系 l 30 m l 2 28 m l 10 m 國內(nèi)外仿生機(jī)械手指的 設(shè)計(jì)，¨定 根 據(jù)不同的 ， 2 和 3 可以得到手指的不同的位置， ?公式 3-3 3-4 3-5 計(jì)算數(shù)據(jù) 表 3.1? 表 3.1 仿生機(jī)械手指的位置正解?? ? 號(hào) 1 15 45 60 37.978 40.674 2 15 90 45 13.071 39.810 3 30 60 75 16.322 45.589 4 45 15 90 26.553 50.462 5 75 60 30 21.694 51.365 ( °) 120 150 165 150 165 3.1.3 三自由度仿 生機(jī)械手指的位置反解分析 “?的位置， 能?現(xiàn)fl “位置的 ? 系列關(guān)節(jié) ? 的17 2 2 j j j j j j j j 1 1 3 3 (3-9) 2 2 2 2 [ l l l 2 l cos( )] 1 C[r l l l 2rl cos( )]1 2 3 1 3 3 A cos B sin C (3-10) ?位置反解的 ， 位置反解的求解可以分別 數(shù)的方 以及幾?的 方(a) 數(shù) ?設(shè) “? P 的位置 P ( x p , y p , 3 ) ，圖 33 圖 3-3 位置反解 數(shù) 分析 arctan( y p / x p ), r x p y p 利 數(shù)向量 列 矢量位§方 l e l e l e re 3-6 3-7a 手指 “? P 的位置 P ( x p , y p , 3 ) 確定后，上式?兩個(gè)未·數(shù) 1 和 2 ，?可 以求解 §項(xiàng)， 式兩 同乘以各自的共軛 數(shù)，? ( e )( e ) ( re l e l e ) ×( e l e l e ) 3-8 將上式 ?， ˉ同 項(xiàng)，? ( r cos l cos ) cos ( sin l sin ) sin 2 2 A r cos l cos 其 B r sinl sin 2 A B C 均 ·， 簡 ? 2 2 可得 ?兩個(gè)解?18 B ??2 ?//l sin r sin l sin 1 1 2 2 ? ??' ?????? I : A A A P I I : A A A P ??????*?????!? P ( x , y , ) x x l co s p 3 3 A (y ?? ?? (3-14)y y l sin ?2 2 2 ?è B A C A C ? 3-11a ?利 式 5)求解 ， ? í l sin 3-12a ?l co s r co s l cos l cos 得? 1 ? r sin l 2 sin l sin r cos l cos l cos ÷ 3-13a è 2 2 3 3 ?于 ?兩個(gè)解 ，fl個(gè)可以 幾?的方 詳?解釋， 圖 3.2 ?兩 ba幾? ? 手指 “? P 的位置 確定后， 圖 3 4 可以求 ?位置 ?19 2 2 2 2 2 2 2 2 x y l l cos (3-16) 2 2 ' 2 2 2 2 x y l l 2 2 ?(3-19) E????? ??????E??????????????? (3-20) ?*?????????????????????????? l 30 m l 28 m l 10 m ???!?!?? 1 ?? ?x 16.322 10 cos 165 25 81 ?2 2 2 2 25 81 43 30 28 cos 0. 00 圖 3-4 位置反解幾? 分析 圖 34 ?， l , l 2 和 ??的三 ?內(nèi)， 余弦定理可以求 2 ，其 投 關(guān)系 ? x y l l 2 l cos( 80 2 ) 3-15 由`可得 2 l 值得?意的 ? (1)? ?解的· ，目標(biāo)? A ( x y ) 滿足 x y ￡l l 2 的條件； (2) 滿足解的· 的條件 ，可能?兩個(gè)解 其 由虛?線表?a? ( ￡ ￡180 ? 求 ，首先計(jì)算 度 和其 arctan( y / x 3-17 cos ( ￡￡180 3-18 2l x y 由`得 1 其 ， 2 0 時(shí)， “+”號(hào)； 2 0 時(shí)， “ ”號(hào) 手指 “連桿的 3 3 1 2 3 從 確定 現(xiàn)¨?幾? 驗(yàn)?反解，具體 ? 1 2 3 位置的數(shù)據(jù) x p 16.322 m ， y p 45.589 m ， 165 ， ? 3-14 式得 ?y 45.589 10 sin 165 43 00 ?續(xù) ?(316)得? 2 ′30 ′28 § 60 0 2 60 0 0 式(317) 、(318)，得到 arctan( 3 / 25 81 58 6 20 58 8 6 28 6 30 ??????*??? 87 2 ?? 60 ?? 102 ???? 3.3 ????????????????!??????? & & & x s l s l s l s l s l s ?& & & y l c l c l c c l c l c (3-21) p 1 1 2 12 3 123 1 2 12 3 123 2 3 123 3 ?T T & 2 2 2 2 co s 25 81 43 30 2 28 2 0. 76 2 ′30 ′28 8 6 25 81 43 60 0 時(shí)， ?式(319) 、(320) 1 60 0 0 0 的時(shí)， ?式(319) 、(320) 58 6 28 6 87 7 2 102 從結(jié) 分析，? ?解 30 ， 2 60 ， 3 75 ?正解分析 的位置， 1 2 3 ?，兩?解 手指 “關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié) 同的，因?fl由公式 3-14 ?定 兩 ?解的手指根段關(guān)節(jié)和手指 段關(guān)節(jié)的位置”，正? 關(guān)于 原?與 A ( y 的 直線 ，fl 由于公式 3-16 ?定的， ?際情況 兩?解 可能?現(xiàn)，只 第 ?解?第二?解?容 到達(dá)，ˉˇ可以??–?奇異位置的 現(xiàn) 3.2 仿生機(jī)械手指的 速度 分析 式 3-3 、式 3-4a、式 3-5a 時(shí)間 t 求導(dǎo)，?得到手指 “ P 的速度 ?其 s sin1 ， s 2 sin 2 ， s 23 sin 2 3 ， c cos1 ， c 2 cos 2 ， c 23 cos 2 3 ； p p 3 1 2 3 將 3-21a式改寫?矩 ?式 V= J q& 3-22 21 é l s l s l s l s l s l s ùê 1 1 2 12 3 123 2 12 3 123 úc l c l c c l c l c ? 1 1 2 12 1 3 123 2 12 1 3 123 3 123 1 ?3-23 J ? 手指機(jī)構(gòu)的雅可?矩 ， 描述 機(jī) 機(jī)構(gòu)的?作空間速度和關(guān)節(jié)空 間速度的線 映射關(guān)系 fl 描述 手指 “ P ?的速度和各關(guān)節(jié)速度的映射 關(guān)系 由于線速度和?速度的不同量綱，將雅可?矩 J 分? ? èJ w ?將 3-22a式寫?? ? c l 2 c 2 l c 23 2 c 2 l c 23 l c 23 ?J 1 1 3-26 J ?R 速度反解? q J & X 3-27 J 滿秩時(shí)， J ?雅克?矩 的逆矩 ， 不滿秩時(shí)， J =0，J 的逆矩 不 · ，`時(shí)任? ?關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng) 量?奇異關(guān)節(jié) 量，機(jī)構(gòu)處于奇異位?，欲?手 “沿 個(gè)笛卡兒方向以 定的速度運(yùn)動(dòng)，其 個(gè)關(guān)節(jié) 需的速度將 得 常大， ˇ接 極限不確定值， 由于關(guān)節(jié)?際運(yùn)動(dòng)速度不可能無限大， 以 “勢 偏 離 要求的運(yùn)動(dòng) 失去 個(gè)方向的運(yùn)動(dòng) 現(xiàn)機(jī)構(gòu)自由度瞬時(shí) 的現(xiàn)象 同位置分析 樣， “? P 不考?與?體的接觸?”，§ 描述?”的 量 可以任意，`時(shí)的速度雅克?將? ? c l 2 c 2 l c 23 2 c 2 l 3 c 23 l c 23 ?J ?R 不 方 ，于 不· 逆矩 ， 其偽逆 J ，? q& J X J X 3-29 由線 數(shù)的· 可·式(329)的解不唯 ，?無窮多?解， ￠速度規(guī) 時(shí) 根據(jù)要求¨ ? 的解 3.3 仿生 機(jī)械手指的運(yùn)動(dòng)空間分析與仿真 目?，隨著機(jī) 研究領(lǐng)域的不￠ ，機(jī) 計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)作?機(jī) 設(shè)計(jì)和 研究的 方?的工具， 揮著?要的作 本設(shè)計(jì) 的機(jī)械手作? 種仿 機(jī)械手，能 22 ?較 的‰ 動(dòng)作 機(jī)械手 于作￠研究時(shí)， 個(gè)?要的因 ? 機(jī)械手 運(yùn)動(dòng) 能達(dá)到的空間位置，fl 于作￠和–障 ? 定的?際意義，因` 機(jī)械手的設(shè)計(jì)和 研究 段 機(jī)械手的可達(dá)空間 ￠分析 本節(jié)探討 數(shù)方 求解 3 自由度手指的 工作空間 首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求， 30 m ， 28 m ， l 10 m 可以得 手指運(yùn)動(dòng)空間 肯定分別 x ， y 方向 (8 6 8 內(nèi) ?上約束條件，約定 y 方向只 正方向， ( , 8 –內(nèi)；由于機(jī)構(gòu) · '￠? ?結(jié)構(gòu)， 以約定 ( , 180 間； 去 '￠ ? ?的奇異位置， ? ? 序 度的判￠， '￠? ?兩個(gè) 鄰的桿件§ ? 0 80 時(shí)去 ， 編… 序的時(shí)候 1 的 –內(nèi) fl兩個(gè)位置去 掉；??上分析 公式(312)，其 判￠反解· 的條件 B A C 的 fi 以上fl 約束條件， ￠ MATLAB 的 序仿真，仿真結(jié) 圖 3.4 y mm ) x( mm 圖 3.4 3 自由度手指工作空間分析圖 23 4 基于 Pro/e 的仿 生機(jī)械手的建模，裝配及仿真 4.1 Pro/e 簡介 Proe ?國 PTC 公司旗 的 Pro/Engineer ?件的簡 P ro/E Pro/Engineer ?作?件a ?國參數(shù) 公司 Parametric Technology Corporation，簡 PTCa 的?要 款 CAD/CAM/CAE 功能 體 的˙ 三ˇ?件， 目?的 三ˇ‰型?件領(lǐng)域 占?著?要 位，ˉ作? 今?a機(jī)械 CAD/CAE/CAM 領(lǐng)域 的 標(biāo)準(zhǔn) 得到￠a的認(rèn)可和推 ， 現(xiàn)今 ?功 CAD/CAM ?件 20 多—不￠的創(chuàng) 和 ，pore 現(xiàn) 三ˇ建模?件領(lǐng)域的領(lǐng) 頭羊 ，?具? ˙?和 勢? 參數(shù) 設(shè)計(jì)和˙¨功能 Pro/E??i?eer 參數(shù) 設(shè)計(jì)的、基于˙¨ 的?體模型 系統(tǒng)，工 設(shè)計(jì) 員 具? 能˙ 的基于˙¨的功能去生 ?模型， 腔、殼、倒 及圓 ，您可以隨意勾畫草圖， 改 模型 fl 功能˙ 給工 設(shè)計(jì) '“ 設(shè)計(jì)上從未? 的簡 和 單 數(shù)據(jù)庫 Pro/E??i?eer 建立 統(tǒng) 基層上的數(shù)據(jù)庫上，不象 傳統(tǒng)的 CAD/CAM 系統(tǒng)建立 多個(gè)數(shù)據(jù)庫上 謂單 數(shù)據(jù)庫，? 工 的 資料全部 自 個(gè)庫，?得每 個(gè) 立 戶 ? 件 ‰型 工作，不管 他 哪 個(gè)部 的 換￡ ， 個(gè)設(shè)計(jì) 的任? 處 生改動(dòng)，亦可 以?后反 個(gè)設(shè)計(jì) 的 關(guān) 節(jié)上 ? ， 旦工 詳圖?改 ，NC 數(shù)?a工具 徑 會(huì)自動(dòng)? ；?裝 工 圖 ?任? 動(dòng)， 全同樣反 個(gè)三ˇ模型上 fl種 ˙的數(shù)據(jù) 結(jié)構(gòu)與工 設(shè)計(jì)的 的結(jié) ，?得 件 的設(shè)計(jì)結(jié) fl ?， ?得設(shè)計(jì)? ，? ?量??， 能?? 推向市場， 格 ??宜 全 關(guān) ?Pro/ENGINEER 的 ?模塊 全 關(guān)的 fl?意味著 ? 處 ￠的修改，能? 到 個(gè)設(shè)計(jì) ，同時(shí)自動(dòng)? ? 的工 文檔，包括裝配體、設(shè)計(jì)圖 ，以及…‰數(shù)據(jù) 全 關(guān) 鼓勵(lì) ? 的任 ? ￠修改，?沒?任??失，ˉ?ˉ￠工 ??可能， 以能 ??? 后 的 功能'? 揮其作 24 基于˙¨的參數(shù) ‰型?Pro/ENGINEER ? 戶熟悉的˙¨作? 幾 ?模型的構(gòu)‰要 fl ˙¨ 普 的機(jī)械 象，ˉˇ可以按?先設(shè)置 很容 的 ￠修改 ? ?設(shè)計(jì)˙¨?弧、圓 、倒 ，? 工 員 ? 很熟悉的，因 于? 裝配、?工、…‰以及其?學(xué) ? fl 領(lǐng)域 ˙的˙¨ 給fl ˙¨設(shè)置參數(shù) 不 包括幾? ?，還包括 幾?? a， 后修改參數(shù) 很容 的 ￠多 設(shè)計(jì)疊 ，?現(xiàn) ? 數(shù)據(jù)管理??速投放市場，需要 較短的時(shí)間內(nèi)? ?多的 ? ?現(xiàn)fl種`′， 允許多個(gè)學(xué) 的工 師同時(shí) 同 ￠? 數(shù)據(jù) 管理模塊的? 研…，正 ￥ 于管理ˉ￠工 同時(shí) ￠的各項(xiàng)工作， 由于? Pro/ENGINEER ˙的全 關(guān) 功能，因 ? ??可能 裝配管理?P ro/ENGINEER 的基本結(jié)構(gòu)能??您利 直?的命 ， “嚙 ”、“插?”、“ ” 很容 的 零件裝配 ，同時(shí) ?設(shè)計(jì)意圖 ? 的功能支?大型 裝配體的構(gòu)‰和管理，fl 裝配體 零件的數(shù)量不?限… 于? ? 單以直?的方式聯(lián) 現(xiàn)，'“ ¨項(xiàng)和?先¨ 的 普 ¨項(xiàng)，同時(shí)還'“ 簡短的 單描述和 的 線 ，fl種?式?得容 學(xué) 和? 4. 2 仿 生 機(jī) 械手 各 部 分 的 建 模 由于` 設(shè)計(jì)的機(jī)械手 連桿驅(qū)動(dòng)方式， 以 于機(jī)械手的各部分建模 ˉ不· ′?，只需按 給定的 ? ￠三ˇ模型的建立 可 4. 3 機(jī) 械 手 的裝 配 與 仿 真 由于 Pro/e 自o的˙?， ?件裝配 沒?考?后續(xù)的仿真 的需 要，只 機(jī)械的 各個(gè)?件生 的裝配 ， 么后續(xù)的仿真 基本上 沒?辦 ?的 面??始具體?明機(jī)械手的裝配及仿真 ； 4. 3.1 機(jī)械 手 的 裝 配 由于` 設(shè)計(jì)的機(jī)械手的三個(gè)手指均具?三個(gè)自由度， 以三個(gè)手指可以 同的結(jié)構(gòu)，從 機(jī)械手的三個(gè)手指具?三個(gè) 同的結(jié)構(gòu)，只 將三個(gè) 手指 裝 機(jī)械手手 上的結(jié)構(gòu) 同的，只 具體位置?ˉ異 ， 以 ￠裝配的時(shí)候?可以 部裝， 后總裝的方式 ￠ 從 將機(jī)械手 的 個(gè)裝配分?三部分； 1. 機(jī)械手手 的裝配 首先 ? Pro/e ?件，? 建圖標(biāo) 創(chuàng)建 個(gè) 的裝配文 shou h ??. s ， 圖 4-1 ?25 圖 4-1 Pro/e 裝配的 建a面 ? 確定， 后¨? ?s p rt soli ? Pro/e 的裝配a面， 圖 4-2 ? ? 圖 4-2 Pro/e 裝配體的初始a面 接 可以 ￠手 的裝配， ???件的時(shí)候?兩種¨?， 可以¨? Pro/e 的工具 的“插?”¨項(xiàng)?¨?“元件” 單的 拉 單 的“裝26