仿人机械手设计

吴素珍,郭旭各

（河南工程学院机械工程学院,河南郑州451191）

仿人机械手设计

吴素珍,郭旭各

（河南工程学院机械工程学院,河南郑州451191）

通过人手运动学和解剖学分析,建立了仿人机械手运动学模型,分析了机械手的力学性能,设计出一个最大抓取力为341.43 N的仿人五指机器手；仿人机器手采用了气动驱动方式,利用曲柄连杆机构实现了机械手各关节的弯曲功能,选用数据手套为控制系统的信号输入装置；基于三位建模软件Solidworks建立了仿人机器手各部件的三维模型以及整对仿人机器手进行了无干涉装配,为机器手的动力学分析提供了支撑.

机械手；多自由度；气动系统；建模

面对严峻的社会环境,仿生机械手可替代人类完成一些危险、复杂情况下的工作[1],比如在航天领域,利用仿生机械手完成在宇宙空间内安装、维修机械设备的一些工作,这样可避免在宇航员进行太空行走时所带来的低压、辐射等危险；在安全领域,可利用仿生机械手完成诸如探险营救、搬运危险品等恶劣条件下的工作；在化学、生物领域,仿生机械手完成危险的生物化学实验,从而保证实验者本身的人身安全.应对越来越复杂的工作环境,设计小体积、多自由度、运动灵活的机械手代替人手完成一些危险、复杂的工作,就越来越迫切[2-3].

1 机械手总体设计

本系统主要由机械手、数据手套、电气控制系统组成,系统总体设计方案如图1所示.

图1 系统总体方案设计Fig.1 Design of general system structure

采用了数据手套作为整个系统的输入方式,数据手套是布满传感器的手套,其对人手的动作进行检测,传感器会自动记录操作者各关节的检测量变化情况,然后将各信号进行转换、处理[4],根据数据手套感应到的信号通过气缸驱动手指的关节运动.

本系统选用了气动驱动方式,气动系统控制方便、动作灵活,并且系统体积大大减小.采用了连杆机构作为其传动方式,降低了机械手的复杂程度,提升了机械手的机械性能.

2 机械手设计

2.1 人手运动学分析

综合人手解剖学特点,单从人手最基本的运动方式考虑,可将人手的运动划分为4种运动方式,食指、中指、无名指、小指的伸展与弯曲；食指、中指、无名指、小指之间的相对摆动；拇指的自由运动；手掌的运动.其模型如图2所示.

图2 人手模型Fig.2 Model of Human hand

2.2 机械手运动学模型的建立

考虑以上4种运动,分析可知人手在实际运动中多以关节转动完成其运动动作,本系统采用了直线驱动方式,考虑到以直线运动转换成旋转运动的机构有很多种,选择了最简单的曲柄-滑块机构,如图3所示.

图3 仿人机器手运动学模型Fig.3 Dynamatic model of humanoid robot hand

按照模型设计尺寸,曲柄最终将在两个极限位置之间变化,而滑块根据汽缸实际设计情况选择.综合手指的各个运动方式与结构,按照实际人手尺寸,建立如图4所示的手指弯曲计算模型.

图4 手指弯曲计算模型Fig.4 Finger curling mathematical model

设曲柄长度为a,连杆长度为b,取曲柄滑块系统偏距为8.5 mm,滑块行程为10 mm,对两极限位置进行分析.

（1）在曲柄处于水平位置时,手指伸展,根据图上条件有

（2）在曲柄处于竖直位置时,手指弯曲,根据图上条件有

联立式（1）、式（2）,可得

2.3 机械手的力学性能分析

2.3.1 气缸力学性能的分析要保证机械手运动的时提供足够的动力,并保持良好的机械性能,对机械手的力学性能分析可以看作连杆的平衡系统的静定问题[5-6],首先对其活塞杆进行受力分析.

（1）气缸顶端连杆受力分析

气缸顶端连杆的受力如图5所示.

图5 气缸顶端连杆受力Fig.5 The force of top connecting rod of cylinder

设计机械手每个手指的提升质量为10 kg,则分析每个手指在自然状态下（指节之间角度为45毅）的受力情况

由力平衡条件

可知

式（3）至式（9）中：F——外力,单位为N；兹——指节转过的角度；L——连杆长度,单位为mm.（2）气缸的理论输出力

式（10）中：F0——气缸理论的输出力；F——气缸实际的负载；茁——气缸的负载率,取0.5[7].（3）气缸缸径

式（11）中：F0——同上；D——缸径,单位为mm；故选用气缸缸径为14 mm.

（4）气缸的耗气量

由于汽缸的活塞在运动过程中的速度是变化的,普通气缸的速度范围是5~500 mm/s,所以这里选择气缸的平均运动速度为200 mm/s作为其速度的衡量值.

气缸一次往复行程所需时间：

气缸耗气量式（12）、式（13）中：s——气缸行程,单位为cm；t——气缸一次往复行程所需时间,单位为s；v——气缸的平均运动速度,取200 mm/s[7]；——气缸耗气量,单位为L/min；p——工作压力,单位为MPa.

2.3.2 气缸活塞杆拉压校核

式（14）中：F——连杆所受的外力大小,单位为N；A——连杆横截面面积,单位为mm2；——截面拉压应力,单位为MPa——界面许用拉压应力

2.3.3 连杆销剪切力强度校核

计算截面剪切应力

式（15）至式（18）中：F——销所受的外力大小,单位为N；Fs——销截面上所受到的剪切力大小,单位为N；A——销截面面积,单位为mm2；τ——截面切应力,单位为MPa；[τ]——界面许用切应力,单位为MPa,许用剪切应力[τ]=7.17 MPa；

2.3.4 全系统力学性能状况综合上面的力学分析结果,可得到全系统的综合性能指标,如表1所示.

表1 全系统的综合性能指标Tab.1 Comprehensive performance index of whole system

3 仿人机械手模型建立与装配

首先进行结构分析,研究它们的建模特征,将复杂的零件结构分解成所能建立的基本特征要素,理清特征建模之间的相互关系,选用合理的顺序进行建模[8].

3.1 气缸模型的建立

微型气缸的设计是为了给整个系统提供给动力,由于其要镶嵌在机械手的手指肚里面和手掌的内部,所以气缸的结构采用通常的圆筒状,占用体积较小.另外为了方便固定,在气缸的根部都开有卡槽,安装方便,利于拆卸.三维模型如图6所示.

图6 气缸装配模型Fig.6 Cylinder assembly modeling

3.2 机械手手指的建模

手指的建模主要是先进行模型的划分,对于手指的关节考虑到指节的相对运动及自由度的限制,每一个指关节作为一个手指的一部分进行三维建模,这样就能够保证手指的灵活性.为了在手指肚内部安装微型气缸驱动装置的方便性,对于该部分机构,采用对半式的方法进行设计建模,如图7所示.

图7 手指关节Fig.7 Finger joints

仿生机械手的大部分动作是依靠拇指与其他四指的配合来完成的,所以拇指机构的好坏决定了机械手性能的优劣.在拇指的设计中,除了考虑类似其他四指的弯曲结构外,在结构上设计了一个与其他四指不同的大角度摆动机构——转向节,以增强拇指向手掌内弯曲的能力,如图8所示.

图8 手指转向节Fig.8 Finger knuckle

机械手结构的设计不但要考虑手指之间的运动干涉,还要考虑到微型气缸的安装,因此机械手指的指肚是中空的,用来安装微型气缸.在各个关节建模完成后先进行手指的装配,使其构成完整的机械手指,如图9所示.

图9 手指装配模型Fig.9 Finger assembly modeling

3.3 机械手手掌的建模

手掌的设计是为了保证各个手指在运动的时候有一个支撑,同时要求手掌的结构不会干涉各个手指的运动,特别为了保证大拇指的运动,在手掌的设计上采用圆弧形结构.类似手指的设计,手掌的设计也采用了对半式的设计思路,并在手掌的内部设计了安装微型气缸的部分,保证了微型气缸的安装不会受到干扰,模型如图10所示.

图10 手掌Fig.10 Palm modeling

3.4 机械手套的虚拟装配

模型采用的装配方法是“自底而上的设计方法”（先生成零件并将其插入装配体,然后根据设计要求配合零件）,建立机械手主要部件的子装配,并进行检查.验证各零部件之间是否会有运动干涉.机械手装配图如图11所示,装配爆炸图如图12所示.

图11 机械手装配模型Fig.11 Manipulator assembly modeling

图12 仿人机械手爆炸图Fig.12 Humanoid robot hand explosion view

4 小结

建立了五指机械手运动学模型,并对五指机械手进行了力学性能分析,设计了一个抓取力为341.43 N的五指仿人机器.对仿人机器手机械进行了三维模型建立和装配,为机器手的运动学和动力学分析提供了支撑.

[1]付铁,李金泉,陈恳,等.一种新型高速码垛机械手的设计与实现[J].北京理工大学学报,2007,27（1）：17-20.

[2]申琼,何勇.仿生机械手结构设计与分析[J].东华大学学报,2002,28（1）：37-40.

[3]R L诺顿[美],陈立周.机器和机构综合分析[M].北京：机械工业出版社,2002.

[4]张文龙,贺申.虚拟现实与数据手套的研究[J].常州工学院学报,2005,18（5）：26-31.

[5]张利格,毕树生,高金磊.仿人机器人复杂动作设计中人体运动数据提取及分析方法[J].自动化学报,2010,36（1）：107-112.

[6]王剑,马宏绪.基于CAN总线的仿人机器人力信息监测系统[J].华中科技大学学报：自然科学版,2004,32（增刊1）：164-166.

[7]纪俐,王宏,王恒.MTi姿态测量系统在机器手抓取中的姿态测量及分析[J].机械与电子,2013（6）：66-69.

[8]陈超祥,叶修梓.SolidWorks零件与装配体教程[M].北京：机械工业出版社,2011.

（责任编辑：卢奇）

Study on the design of humanoid robot hand

Wu Suzhen,Guo Xuge
（Henan Institute of Engineering,Zhengzhou 451191,China）

Based on the analysis of the hand kinematics and the anatomy,a humanoid robot hand kinematics model was built,the mechanical properties of the manipulator was analyzed and a humanoid five-finger hand with a maximum grasping force of 341.43 N was developed in this paper.This humanoid hand employs a pneumatic drive and crank link motion gear to achieve flexible joints of the humanoid hand；It also takes data glove as the signal input of the control system.By using the three dimensional modeling software Solidworks,a three-dimensional model for various parts of the humanoid hand was built and an assembly was did for the whole pair of humanoid hands, which lays foundation for the kinematic analysis of the humanoid hand.

manipulator；multi-degree freeedom；pneumatic system；modeling

TH113.2+2

A

1008-7516（2015）03-0050-07

10.3969/j.issn.1008-7516.2015.03.011

2015-03-30

河南省教育厅自然科学基金（12A460002）

吴素珍（1978―）,女,河南濮阳人,博士生,讲师.主要从事现代机械传动研究.