【毕业设计】佩戴式灵巧手主手机械系统毕业设计说明书 ㊣ 精品文档 值得下载

脂构成，如图所示。

当手指弯曲时，传感器也随着弯曲发生电阻变化，从而计算出手指弯曲的程度。

此外，它还采用了超声传感器来确定人手位置。

由公司设计的使用复杂的外骨架结构固定在手指各关节之间，骨架由软金属铝制成，软带和衬垫把连杆机构固定在指关节之间，每个关节上装有磁霍尔传感器测量手指转角，如图所示。

每根手指上装有个位置传感器，因此整个结构可以检测人手个关节的运动，采用三维磁场传感器检测人手姿态。

不过，复杂的机械结构和多自由度使得该数据手套重量较重。

公司研制的使用压感导电墨液，在每个手指上装有三个弯曲传感器及检测手指间角度的传感器，如图所示。

图图此外，实验室设计的采用霍尔传感器检测手指关节弯曲角度，结合普通尼龙手套，实现了低成本，结构坚固，重量轻的数据手套，实验证明达到了很好的效果。

上述感应手套只具有位置检测功能，随着虚拟现实及精确抓取的发展，仅有位置检测显然不能满足实际操作的需要，因此具有力感应的主操作手相继出现。

具有力反馈的主操作手理想的触感交互装置应具有以下几个因素首先，反馈力的大小应与末端受力致其次，反馈力的方向与末端也应保持致再次，装置整体应具有操作轻便，工作空间大等特点最后，安全性也是触感交互装置的个重要因素，特别是主动式力反馈机构需要增加限位环节，以避免装置失控时操作者受到伤害。

在此，首先将两个概念进行阐明临场感或沉浸感，即操作者在操作时，有种身临其境的感觉。

反馈力的大小和方向与末端保持致可以保证操作者在操作时具有良好的临场感或沉浸感。

反向驱动能力，在忽略摩擦间隙的情况下，操作者操纵机构末端驱动机构运动，这时要求机构的加速特性大且各向同性好，即在操作空间各个方向运动时的感觉是自由的。

穿戴型机械手该型主操作手般具有较大的工作空间，易于操控，但无法感知目标物体的重量，操作者易受主操作手自身重量影响。

以下是几种各具特点的主操作手。

图主操作手意大利实验室开发了种具有力反馈的主操作手，如图所示。

整个主操作手是穿戴式结构，由四个的背部骨架式结构组成，每个手指骨架有四个自由度，其中三个主动自由度，分别由三个伺服直流电机驱动，个被动自由度，整体具有个自由度。

主操作手与操作者每根指骨都有力接触点，最大施力为，因此在抓取工作时，该主操作手的力场还原性较真实。

传动方式采用单向腱传动，这就使得手指部分结构简单，重量较轻。

腱传动方式虽然可以降低电机到连杆的惯性引起的振动，但是也会产生电机转矩和关节转矩之间的耦合关系，而且腱传动会引起额外的摩擦力。

该主操作手采用基于金属应变计的内置力传感器进行力的测量，而关节角度由种采用康铜导电塑料混合技术的内置电位传感器测量。

此外，该操作手重量达到了，操作者需承受整个主操作手的自身重量，在长时间操作时，操作者容易产生疲劳感。

日本东京大学，等人设计制作的种碰撞式多指主操作手，使用迂回式关节的外骨架机构，结构紧凑，实现了操作者手指的较大工作空间，如图所示。

该主操作手采用类似齿轮齿条机构，通过与关节角位移成比例的延伸连杆长度的办法，解决了主操作手手指弯曲时对操作者造成的干涉。

巧妙地采用反射式光电传感器和薄板式压力传感器，对操作者手指进行跟踪和压力测量。

在目标无接触运动过程中，操作者手指末端不与主操作手接触，这就使得操作者在运动过程中非常自由。

当目标接触物体并施加力作用时，主操作手将对操作者产生力反馈。

该操作手结构比较复杂，力反馈接触点集中于操作者手指末端。

由于主操作手单个手指具有的三个关节被关联起来，由个电机驱动，因此整个主操作手只能跟踪人手的自然弯曲过程，且具有较高的耦合性。

图碰撞式多指主操作手图加力反馈单元的数据手套日本大学的等人利用商业数据手套结合力反馈机构实现主操作手，如图所示。

其中，手指关节转角由测量，力信息由压敏导电橡胶传感器获取，并用于力反馈控制。

该主操作手采用了个伺服电机作为驱动器，传动机构为线驱动。

每个手指的力反馈接触点为两个，使操作者具有良好的沉浸感。

作者将其用于虚拟现实环境的运动示教，达到了良好效果。

日本大学的等人利用超声离合器研制了种被动式力反馈的多指外骨架触感装置，如图所示。

该主操作手由三个手指四连杆机构组成，每个四连杆结构的两个自由度分别由两个超声离合器驱动。

利用连杆几何长度和编码器获取的连杆角位移，可以解算出每个手指末端位姿。

该主操作手采用弹性元件作为施力单元，而力的测量则由角度传感器和弹性元件的弹性系数得到。

图采用超声离合器的主操作手目前应用在主操作手中的被动式力反馈单元多为电磁粉末离合器或电流变制动器。

前者转矩容易控制，因为流经线圈的电流和扭矩成比例关系。

但是其响应时间为几十毫秒，因此不扭矩的模型首先，我们推断迂回关节扭矩和绳的拉力之间的关系，下图表示出了所有参数图绳的拉力和关节扭矩在迂回关节的关系绳的延伸和关节角位移之间的关系为当电机角位移从变化到时，绳的延伸力为，关节的扭矩为，由压缩弹簧取代的力，分别为和。

因此，绳的张力和关节的扭矩之间保持如下的能量守恒定律，从式得出绳的张力为式中等号右边后两部分是由压缩弹簧作用产生的，因此我们可以忽略它们，从而式可以写成等式表明，绳的拉力和关节的扭矩呈线性关系和关节角位移没有关系，也就是说，用绳驱动的方法是控制扭矩简单而且有效的。

像上述简略的等式中我们忽略了压缩弹簧的作用样，在后文中对于压缩弹簧的作用，我们都忽略不及。

像我们的主手那样，许多迂回关节被连接在起时，所有绳拉力的总和就是关节的扭矩。

连接根部关节的绳受到的拉力很大，因此，我们把它分配到其他几个绳上。

如下图所示，我们的主手用到了个绳子。

图主手手指机制的力平衡关节扭矩和绳拉力在第个关节的关系是下面，给出了角位移和手指之间的接触力和绳的张力。

第个关节的扭矩和接触力的关系可以表示成由式可以得到从式得到绳的拉力从式得到绳的延伸率为综上所诉，我们的主手手指是由耦合的三个关节驱动的，它们的比例为我们假定下面三个条件主手机制没有摩擦指尖接触力垂直于连杆方向接触力的作用点就是实际的人手指尖。

因此，从式我们可以得出图主手手指机制的说明从式中看出，滚筒的半径和绳的延伸率是成比例的此外，每个矢量可以表达成式中的可以在式中得到，它和电机角位移和小齿轮的比率的关系是最后由式带入式就得到了关节角位移，指尖接触力和扭矩之间的关系。

控制方法对于主动类型的力反馈，我们用个简单的方法控制机械手不接触任何物体，即是控制灵巧手主手指尖和操作者手指指尖之间的距离。

当操作者手指指尖不接触到灵巧手手指指尖时，机械手就不会反馈到力，故不会接触物体。

当机械手手指碰到物体时灵巧手主手手指受到的力和机械手反馈到的力是相等的。

同时，机械手所处的位置也是和灵巧手主手的位置致的。

这种控制就叫做主动式力反馈的伺服系统。

下图中表示位置，表示力，表示由光学传感器测量到的灵巧手主手手指指尖和操作者手指指尖之间的距离，是我们渴望得到的结果，和用来区分灵巧手主手和机械手图块状控制图通过实验我们得出了电机角位移和电机扭矩以及接触力之间的关系图真实数据和理论数据的关系由图可以看出我们的灵巧手主手具有较高的精确度。

第五章总结与展望总结经过三个月的努力，设计绘图和分析工作顺利的完成。

在不断遇到问题，发现问题，分析问题，解决问题的过程中，有很多设计方案可供选择，最后还是确定这最优方案。

本装置具有以下特点原理简单，结构和人手结构相符并且操作简单。

运用迂回关节的外骨骼机制，可以为操作者提供广阔的工作空间。

可以让操作者真实的感受到主动式力反馈。

该装置具有较高的精确度。

佩戴式灵巧手的展望该型主操作手般具有较大的工作空间，并且易于操控，但其无法感知目标物体的重量，操作者易受主操作手自身重量的影响，此外，在长时间操作时，操作者容易产生疲劳。

因此，我们需要开发更加灵巧舒适的机械结构，。

随着科技的进步，更多质优量轻的材料将被研发，我们可以在选材以及结构上进步设计灵巧手主手的结构，在不影响其工作的基础上更加简化其构造，减轻其质量，增强其使用舒适性。

现阶段灵巧手上的驱动器种类很多，它们各自有它们的优缺点，随着新型驱动器的研究发展，相信可以使灵巧手取得突破性的进展。

我们在实验中常常采用成熟的控制方法。

控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，但是在控制非线性时变耦合及参数和结构不确定的复杂过程时工作得不是太好，而触感交互装置大多是非线性，高耦合的复杂系统，因此智能化集成化成为了新的发展方向之。

灵巧手主手形式多种多样，设计思路广阔，并且其中包含了许多学科的知识，如计算机材料学设计工程机械工程等等。

随着科学技术的不断进步，未来的灵巧手会更加小巧灵活，并且佩戴更为舒适，而且功能和工作效率都会得到很大的提升，相信未来的灵巧手不仅可以感知物体的重量并且不会受操作者手自身重量的影响，并且可以更加顺利的完成高难度的工作。

同时，随着微型驱动器的发展，我们可以选择更好的驱动器，将现有驱动器的缺点克服，这样必定会使灵巧手得到突破性的发展。

参考文献高松海遥控机器人北京原子能出版社梅中义等虚拟现实技术及其应用前景航空工艺技术国欣等二自由度闭环触觉再现机构的反向驱动性能北京航空航天大学学报，致谢这次毕业设计可以圆满的完成，我首先要感谢的是直以来对我精心帮助的孙志峻老师，从设计之初到最终撰写论文，孙老师都给了我许多十分宝贵的意见。

孙老师渊博的专业知识，严谨的教学严谨，平易近人的人格魅力对我影响深刻。

孙老师不仅教会了我基本的研究方法，更教会了我为人处事的道理。

这段日子以来，我对孙老师的精心辅导和耐心的帮助深表感谢，对孙老师出众的科研能力和他的人格魅力表示钦佩。

我还要感谢以前教过我的所有的老师，是他们教会了我许多专业知识。

同时我还要感谢帮助我的同学，还有我的父母，是他们始终支持着我。

最后，对我的老师们，同学们还有家人再次表示衷心的感谢。

附录主手手指总装草图食指部件草图毕业设计题目佩戴式灵巧手主手机械系统设计学生姓名学号系部机电工程系专业机械工程及自动化班级指导教师佩戴式灵巧手主手机械系统设计摘要本文设计了种五指输入的佩戴式灵巧手主手。

主手可指挥机械手完成更为精密的任务，如定位感知物体的质感等，并具有较高的效率，此外，还可以操作机械手在太空探索核能开发等人难以适应的极端和精密微操的环境中以替代人手作业。

该灵巧手具有