柔性多指机械手的结构设计
【摘要】随着工业化进程的不断加快，机械手的应用越来越广泛。工业生产中大量使用末端固定机械手，其只能夹取某一类特定的制件；当生产内容更变时，机械手需重新装夹（治具），多次装夹致使机械手夹取精度不高，影响生产周期。目前，应用于生产中的普通机械手正遭遇瓶颈期。本文论述的是三指柔性机械手指，其设计趋向于未来智能机械手的设计原型。柔性机械手的手指由舵机的驱动和转动装置的传动来旋转和收放柔性手指，从而实现对物体的抓取、移动和放置。本文阐述了柔性机械手的设计方案及机械手指的结构组成，机械手的工作原理和驱动方式。最后，通过机械手的实验得出其实际的载荷量，完善机械手的设计。
目录
引言 1
一 柔性机械手的概念及发展前景 2
二、柔性机械手的设计要求与总体设计方案 2
（一）机械手结构设计要求 2
（二）柔性机械手的设计总体方案 2
三、柔性多指机械手的结构分析与设计 3
（一）多指机械手手指结构 3
（二）舵机的选择 6
（三）驱动方式的选择与原理分析 8
（四）重要零部件的尺寸设计与性质 10
四、机械手受力分析与计算 13
（一）手指的运动分析 13
（二）手指的受力分析与计算 13
小结 16
参考文献 17
谢辞 18
引言
文章提出一种通过线的拉伸与关节间柔性材料的驱动来实现收缩和张开，从而完成对物体的抓握、移动和放置的三指柔性机械手指。
本文阐述了柔性机械手指的总设计方案及结构设计要求，柔性关节的工作原理及多指机械手指的结构及其组成。选择适合于手指的材料并利用3D打印技术设计制造出柔性手指所需的形状。柔性机械手指的三指是连接在机械手掌上面的，手掌内部为转动装置，由齿轮来传动，保证转动的相对稳定，还需要对重要零部件的尺寸设计细致入微，零部件的选材也至关重要。为了便于抓取不同的物体，手指的旋转是由舵机来实现控制的，因此，舵机的选择也同样重要。任何出彩的设计都要经过实验来完善。文章最后详细阐明了柔性机械手指的力学受力分析及推算出该尺寸的柔性机械手指可抓取的物体形状和质量。
一 柔性机械手
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
的概念及发展前景
所谓柔性,就是可调整性强。通过调整就可以适应不同工件的抓取,搬运等。能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手是对人手的高度仿真，最早的时候是开始于一些像日本和美国的一些发达的国家。其原理也是和手的关节活动非常的相似，通过对其控制而实现手指的抓取功能。机械手有多个系统，他们可以分为控制系统，驱动系统，反馈系统，执行系统，通过他们之间的配合与合作能够实现对物体精确而又稳固的抓取。每一个环节都息息相关，就像人体的大脑、心脏、神经反射一样相互配合，相互合作。
机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴的技术。它促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然还不如人手那样灵活，但它具有不断重复工作和劳动的能力，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。
早期的机械手操作大多为单自由度的夹持和平移。随着计算机控制技术、传感技术、新材料技术的先进技术的发展与应用，机械手逐渐向高智能化、通用性强、控制精度高、轻巧化、多自由度方向发展。它可以实现各种复杂作业问题，包括在工业生产中对重大物体的抓取和对小物体的精确抓取。机械手代替人手应用渗透到海洋资源探测、核能利用极限环境中，在航空航天、精密装备、军事、医疗等非常规环境中也得到广泛的应用。
二、柔性机械手的设计要求与总体设计方案
（一）机械手结构设计要求
1.完成多指机械手的结构设计；
2.说明设计的思路及原理；
3.分析多指柔性机械手的运动轨迹；
4.多指机械手能实现的操作。
（二）柔性机械手的设计总体方案
为了体现简洁性以及更好实现驱动，选择三根手指和一只手掌的模型，每根手指都是由两个关节组成。一根手指固定，另两根手指选用的是同时驱动，各两个关节。除了抓取物体以外，他们能够实现360度的旋转，为了更好的完成抓取的工作了，选用的是三个舵机对手指进行驱动。在驱动的设计方面，主要是通过线的运动来，能做到手指有效的夹持工作。与前一种设计相比较，新设计结构能够夹持更大体积的物体，而且两根手指能够实现360度的转动，对不同形状的物体来说，抓取也能够实现，应用上更加的广泛。设计的三维图形如图21,22所示：
图21 柔性机械手结构示意图 图22 柔性机械手结构示意图
从图中可以清楚的看到，此手指装置由三层组成。
1.第一层是工作台，上面是手指，三根手指通过线的拉伸和关节间柔性材料的驱动能够实现收缩和张开，从而完成对物体的抓取、移动和放置；
2.第二层是齿轮装置，齿轮装置分别是由两个大齿轮带动两个小齿轮的转动来组成，主要是实现两个机械手指的同步的转动；
3.第三层是安装的动力元件舵机。执行装置和动力装置通动过线的布置与连接进行。第一层、第二层、第三层之间选择通过线将舵机与手指进行连接。
三、柔性多指机械手的结构分析与设计
（一）多指机械手手指结构
1.多指手指的组成
手指的数目和组成结构决定了手指的灵活性和对物体的抓取能力。
如图31如示，三根手指在运动的过程中，每一根手指都有两个关节，对于同步运动的两根机械手指而言，关节与关节之间有弯曲运动，这主要是通过连接关节与关节、关节与手掌的韧性橡胶材料来实现，他们各有2个自由度。除此以外，还有关节与底盘之间的旋转运动，主要是通过台面凸台和第二层中的轴的旋转来完成，他们的自由度各是1个。
故由上述分析可知其两根机械手指的自由度一共为6个。对于固定的另一根手指，其没有旋转运动，所以自由度的数目为2。手指总共的自由度为8个。8个自由度能够满足一般物体的夹持，并且能够实现自动控制。
图31多指柔性机械手指 图32自由度分析
目录
引言 1
一 柔性机械手的概念及发展前景 2
二、柔性机械手的设计要求与总体设计方案 2
（一）机械手结构设计要求 2
（二）柔性机械手的设计总体方案 2
三、柔性多指机械手的结构分析与设计 3
（一）多指机械手手指结构 3
（二）舵机的选择 6
（三）驱动方式的选择与原理分析 8
（四）重要零部件的尺寸设计与性质 10
四、机械手受力分析与计算 13
（一）手指的运动分析 13
（二）手指的受力分析与计算 13
小结 16
参考文献 17
谢辞 18
引言
文章提出一种通过线的拉伸与关节间柔性材料的驱动来实现收缩和张开，从而完成对物体的抓握、移动和放置的三指柔性机械手指。
本文阐述了柔性机械手指的总设计方案及结构设计要求，柔性关节的工作原理及多指机械手指的结构及其组成。选择适合于手指的材料并利用3D打印技术设计制造出柔性手指所需的形状。柔性机械手指的三指是连接在机械手掌上面的，手掌内部为转动装置，由齿轮来传动，保证转动的相对稳定，还需要对重要零部件的尺寸设计细致入微，零部件的选材也至关重要。为了便于抓取不同的物体，手指的旋转是由舵机来实现控制的，因此，舵机的选择也同样重要。任何出彩的设计都要经过实验来完善。文章最后详细阐明了柔性机械手指的力学受力分析及推算出该尺寸的柔性机械手指可抓取的物体形状和质量。
一 柔性机械手
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
的概念及发展前景
所谓柔性,就是可调整性强。通过调整就可以适应不同工件的抓取,搬运等。能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。机械手是最早出现的工业机器人，也是最早出现的现代机器人，它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。
机械手是对人手的高度仿真，最早的时候是开始于一些像日本和美国的一些发达的国家。其原理也是和手的关节活动非常的相似，通过对其控制而实现手指的抓取功能。机械手有多个系统，他们可以分为控制系统，驱动系统，反馈系统，执行系统，通过他们之间的配合与合作能够实现对物体精确而又稳固的抓取。每一个环节都息息相关，就像人体的大脑、心脏、神经反射一样相互配合，相互合作。
机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴的技术。它促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然还不如人手那样灵活，但它具有不断重复工作和劳动的能力，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大等特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。
早期的机械手操作大多为单自由度的夹持和平移。随着计算机控制技术、传感技术、新材料技术的先进技术的发展与应用，机械手逐渐向高智能化、通用性强、控制精度高、轻巧化、多自由度方向发展。它可以实现各种复杂作业问题，包括在工业生产中对重大物体的抓取和对小物体的精确抓取。机械手代替人手应用渗透到海洋资源探测、核能利用极限环境中，在航空航天、精密装备、军事、医疗等非常规环境中也得到广泛的应用。
二、柔性机械手的设计要求与总体设计方案
（一）机械手结构设计要求
1.完成多指机械手的结构设计；
2.说明设计的思路及原理；
3.分析多指柔性机械手的运动轨迹；
4.多指机械手能实现的操作。
（二）柔性机械手的设计总体方案
为了体现简洁性以及更好实现驱动，选择三根手指和一只手掌的模型，每根手指都是由两个关节组成。一根手指固定，另两根手指选用的是同时驱动，各两个关节。除了抓取物体以外，他们能够实现360度的旋转，为了更好的完成抓取的工作了，选用的是三个舵机对手指进行驱动。在驱动的设计方面，主要是通过线的运动来，能做到手指有效的夹持工作。与前一种设计相比较，新设计结构能够夹持更大体积的物体，而且两根手指能够实现360度的转动，对不同形状的物体来说，抓取也能够实现，应用上更加的广泛。设计的三维图形如图21,22所示：
图21 柔性机械手结构示意图 图22 柔性机械手结构示意图
从图中可以清楚的看到，此手指装置由三层组成。
1.第一层是工作台，上面是手指，三根手指通过线的拉伸和关节间柔性材料的驱动能够实现收缩和张开，从而完成对物体的抓取、移动和放置；
2.第二层是齿轮装置，齿轮装置分别是由两个大齿轮带动两个小齿轮的转动来组成，主要是实现两个机械手指的同步的转动；
3.第三层是安装的动力元件舵机。执行装置和动力装置通动过线的布置与连接进行。第一层、第二层、第三层之间选择通过线将舵机与手指进行连接。
三、柔性多指机械手的结构分析与设计
（一）多指机械手手指结构
1.多指手指的组成
手指的数目和组成结构决定了手指的灵活性和对物体的抓取能力。
如图31如示，三根手指在运动的过程中，每一根手指都有两个关节，对于同步运动的两根机械手指而言，关节与关节之间有弯曲运动，这主要是通过连接关节与关节、关节与手掌的韧性橡胶材料来实现，他们各有2个自由度。除此以外，还有关节与底盘之间的旋转运动，主要是通过台面凸台和第二层中的轴的旋转来完成，他们的自由度各是1个。
故由上述分析可知其两根机械手指的自由度一共为6个。对于固定的另一根手指，其没有旋转运动，所以自由度的数目为2。手指总共的自由度为8个。8个自由度能够满足一般物体的夹持，并且能够实现自动控制。
图31多指柔性机械手指 图32自由度分析
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