（优秀毕业全套设计）佩戴式灵巧手主手机械系统设计（整套下载）

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，因此在触觉表达方面有定的局限性第二章灵巧手主手的设计概述.设计综述本课题目的是设计种佩戴式灵巧手主手。

从引言介绍可以看出，灵巧手主手的结构形式多种多样，只要根据人手结构便于人手佩戴，并且易于操作，能够反馈操作者手的力都可以设计成我们所需的主手。

本设计借鉴了引言中提到的佩戴式灵巧手主手，利用类似齿轮齿条机构和延伸连杆长度的方法进行设计，我们采用微型力传感器和反射金属板等实现力的反馈。

每个手指的关节都通过个电机进行驱动，具有较高的耦合性。

在学习并了解了该装置传动原理和认知了其存在的缺陷的基础上，我们形成了本设计的思路和主要任务。

.灵巧手主手设计任务本设计利用齿轮齿条的传动和由电机驱动的绳的弹簧之间的相互作用力设计种五指输入的佩戴式灵巧手主手。

首先，对主手整体机械系统进行设计分析，明确每个部件单元的设计方案然后，运用软件对每个部件进行绘制建模最后，将各个部件组装起来，形成我们所需的佩戴式灵巧手主手。

第三章灵巧手主手的设计.人手指关节人的手指各关节如图.所示，每个手指都有三个关节，四个自由度。

拇指的关节分别是关节近端关节关节中端关节关节远端关节，其余四手指的关节类似，分别是关节近端关节关节中端关节关节远端关节。

其中，手指的关节拇指的关节有两个自由度，完成弯曲和摆动运动，其余两个关节都分别只有个弯曲自由度，如图.所示。

图.人手指各关节示意图图.人手各关节自由度拇指的关节随着拇指的关节同步运动，拇指的关节也能随着拇指的关节同步运动。

研究表明，拇指的关节与拇指的关节的弯曲角度存在关系，如式.，.所示。

这关系可以帮助简化装置结构，在设计中便可以去掉对拇指关节弯曲角度的测量，通过测量与之相关的上关节的弯曲角度值计算出该关节的角度。

本设计每个手指只有三个自由度，除去了拇指关节自由度的输入.灵巧手主手指设计被动式灵巧手设计设计之初我们发现放置外骨骼结构可能的方法是放在操作者手指的上面或者旁边。

把它放在操作者手指的上面时有个问题，当操作者手指弯曲的时候主手的手指会干扰操作者手指的运动。

如下图所示图.操作者手指弯曲是平行关节影响其运动然而把它放在操作者手指的旁边是困难的，因为没有足够大的空间放置。

为了解决这个问题，我们努力使主手的手指弯曲后达到和操作者手指弯曲后致的长度。

如下图所示图.迂回关节的基本组成主动式灵巧手设计上面我们简单的介绍了被动灵巧手，这里我们主要要介绍的是符合人手结构，并且也是我们所设计的主手主动式灵巧手。

为了解决上述的问题，使手指弯曲时达到与人手弯曲时致的长度，我们采用了迂回关节，其原理图如下图所示图.迂回关节结构的爆炸图其次，为了使灵巧手主手手指的旋转轴和操作者手指的旋转角度致，旋转角位移和延长链之间的关系必须是非线性的。

这意味着直齿轮和半径不变的扇形齿轮是不适当的。