（定稿）佩戴式灵巧手主手机械系统设计（全套下载）

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.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.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。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。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.佩戴,灵巧,手主手,机械,系统,设计,毕业设计,全套,图纸.灵巧型触感交互装置的发展研究概况感应手套.具有力反馈的主操作手穿戴型机械手第二章灵巧手主手的设计概述.设计综述.灵巧手主手设计任务第三章灵巧手主手的设计.人手指关节.灵巧手主手指设计被动式灵巧手设计主动式灵巧手设计第四章灵巧手的控制.计算扭矩的模型.控制方法第五章总结与展望.总结.佩戴式灵巧手的展望参考文献致谢附录第章引言.灵巧型触感交互装置的发展研究概况触感交互装置是种与操作者交换信息的机器人。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。