（定稿）毕业设计_佩戴式灵巧手主手机械系统设计.rar

方面它将操作者的有关运动信息般是手部的作为输入，另方面将虚拟环境或远程控制中从机器人所受的力作用反馈给操作者。

般我们认为灵巧型触感交互装置即为具有力感应的主操作手。

与仅有视觉反馈的系统相比，灵巧型触感交互装置可以指挥从机器人完成更为精确的工作任务，如定位感知物体的质感等，并具有较高的效率。

灵巧型触感交互装置的两大主要功能是主操作手的运动位姿测量和力触觉反馈。

目前，它主要用于两个方面主从控制系统，如精密微操作极端环境中的工作外太空核反应堆等。

二虚拟现实系统，如模拟外科手术游戏以及各种模拟训练。

早期触感交互装置般只应用于主从控制系统，年美国实验室研制的纯机械结构的型主从式遥操作机是最早的应用实例。

随着计算机的发展，智能化虚拟现实及科学可视化促进了触感交互装置应用领域的拓展。

现在，越来越多的触感交互装置应用于虚拟现实领域。

由于人手上拥有最多最丰富的触觉神经，因此目前所研究的触感交互装置大都基于手部结构。

此外，相对人身体其他部位，人手的结构更加复杂，运动更加灵活，这也使得触感交互装置成为机器人研究领域的难点之。

近年来，各式各样的主操作手应运而生，从仅有位置检测的感应手套到兼具位置检测和力触觉反馈的交互装置。

从结构上可以将主操作手分为穿戴型和桌面型。

穿戴型主操作手般具有符合人手结构的支撑骨架，外形与人手相似，其自身重量需由人手负担，般固定于手掌背部极少数采用掌内固定，传感器需参照人手关节位置进行放置。

桌面型主操作手般不需由人手负重，通常放置在桌面上或有独立支撑机构，传感器放置空间较大，结构上不受人手限制，但往往随着自由度的增加而变得庞大和复杂。

主操作手的力反馈机构可以分为两类主动式力反馈，即采用驱动器和传动机构对操作者手部产生反作用力，从而达到力反馈的效果。

二被动式力反馈，即采用阻尼器或弹性元件结合制动器离合器等组成力反馈机构。

主动式力反馈具有控制灵活，力作用较大等特点，但也有诸如结构较复杂，尺寸较大等缺点。

被动式力反馈在控制灵活性上不如前者，但其具有结构简单，较安全等优点。

感应手套市场上多以只具有位置检测的感应手套为主。

随着虚拟现实，新型传感器以及计算机的发展，带力反馈的主操作手渐渐成为新宠。

越来越多的国内外高校开展了该领域的研究，并取得了丰硕的成果，甚至各相关公司也纷纷推出自己的产品。

由于相关研究作品非常丰富，下面将针对近几年比较典型的主操作手进行阐述。

严格意义上讲，感应手套并不属于触感交互装置，早期还曾用于手语翻译。

然而在些场合，感应手套可以经过加装力反馈机构，实现触感交互功能。

般，感应手套按传感原理可以分为光纤式电阻或导电墨水式机械式三种。

具有代表性的作品有以及等。

由公司设计的曾经是当时最有名的感应手套。

它使用光纤传感器测量手指的弯曲，光纤的端连接光源，另端连接光电探测器。

当手指弯曲时，光纤也同时弯曲，而通过光纤的光强则依弯曲的程度成反比变化，依照光强与弯曲角度之间的线性关系实现了关节角位移的检测，而人手在空间的姿态由三维磁场传感器检测，该手套如图所示。

图.图.是由公司制造，其传感器基本元件为应变仪或导电墨水，由条长约英寸，表面涂有厚.导电墨水的多元脂构成，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，由四个独立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，因此不适合高速响应控制。

后者的制动原理是利用电流变流体的流变特性控制转矩，即电流变流体的粘度与输入电压成反比高速变化。

不过，当操作者处于静止状态时，电流变制动器是不能提供扭矩的，因此它不适合主操作手作抓持运动。

此外，传统的被动力反馈单元还有诸如运动不稳定，整体系统尺寸偏大等问题。

因此，设计者选择了新型的超声离合器作为被动式力反馈单元。

超声离合器具有高速响应，静音运转，不受电磁干扰，尺寸小等特点，结合连杆机构作为传动单元，很好的解决了传统机构存在的问题。

图.新型单向主从控制原理图设计者采用了种新的主从式控制方法，如图所示。

不同于以往的双向控制方法，该控制方法增加了在从手由非接触状态到接触状态时的切换环节。

当从手处于非接触状态时，主手端处于自由状态，从手仅仅接受主手的位置信息当从手运动到接触状态时，控制方法切换为力控制，超声离合器锁定，由弹性元件对操作者产生力作用，并保证主手的力作用与从手受力致。

这种控制方法的不足之处在于，如果目标物体处于运动状态，则主手不能准确反应从手所受的实时力作用。

然而正是由于力信息单方向地由主手传递到从手的特点，使得这种控制方法适用于有延时的远程操控。

法国实验室研制的力反馈数据手套是目前主动自由度及力接触点最多的触感交互装置，如图所示。

图.主操作手图.整体由个手指结构组成，共有个自由度，其中拇指部分为个，其余手指各为个，每个手指有个被动自由度，总重量不超过.。

采用线驱动方式，细线通过套管连接到微型电机，通过滑轮的转动拉紧或放松细线，使指关节产生力觉。

手指外骨架为三连杆结构，和指关节起构成闭合的平面四连杆机构，每个指关节上四连杆机构的连杆长度与相应的指关节长度成比例。

这种机械结构有其独特的优点首先，四杆平面机构能由本身形状保证运动副封闭，具有确定的运动规律和传递运动准确的特性其次，可以适应不同操作者的手部尺寸再次，整体结构固定在手背，安装相对容易最后，该主操作手可以对每个指关节施加不同的力。

该主操作手采用了测力传感器和光学增量式角度传感器。

前者由金属应变片和钢片胶结而成，固定于指节上部后者用来测量线缆的移动距离，是种增量式光学编码器，它测量手指关节角位移的理论分辨率可以达到.度。

美国大学人机接口实验室开发了种采用气动元件作为驱动器的主操作手，图为其外观结构。

该主操作手的显著特点是结构非常简单轻巧，采用定制的气动驱动器直接驱动，且不需额外的线缆和滑轮，可以对拇指食指中指无名指分别施加多达的力。

然而，由于手掌内装有驱动器的缘故，使得操作者做抓握运动时手掌并不能实现完整的闭合。

气缸的伸长距离和自身转角由非接触式霍尔元件和红外传感器测得，通过运动学方程可以解算出手指各关节的转角及指尖位置，从而达到对从手运动的映射。

韩国大学的等学者采用超声电机作为驱动器，开发了种可穿戴型主操作手，如图所示。

图.结构原理图它具有与主操作手类似的连杆结构，不同的是没有采用腱传动方式，而是直接把超声电机放置在关节之间作为对应连杆机构的驱动源。

整体结构由个拇指部分和个食指部分组成，分别具有三个和四个力自由度。

超声电机相对于传统直流电机具有许多优点重量轻，响应快，静音运转以及高能量质量比。

超声电机不但具有自由加速减速状态，还具有普通直流电机本身不具有的自锁状态。

这些优点使得它非常适用于小型机器人。

国内北京航空航天大学机器人研究所开发了种数据手套及手臂式触感交互装置，数据手套具有个自由度，由放置在手套五个手指末端的振动器提供触感交互，手臂部分具有个自由度，整个装置可同时提供接触外力和抓握内力。

为了简化结构降低成本和控制难度，该装置并没有完整构建与人手致的结构，