多自由度欠驱动仿生机械手机构与造型设计

论文摘要

由于战争、交通事故等原因,全世界的断臂、断手患者的数量日益增加,因此对假肢、假手的需求也不断的扩大。同时,在工业生产的特殊环境中,对复杂形状的物体进行自适应抓取,也需要这样的仿生机械手。但目前市场上接近真手功能的假手通常是机电结合的高科技产品,不但价格昂贵且维护费用高,不能满足广大患者的需要；而且由于人手的自由度多导致的驱动控制系统复杂的问题现在一直也没能得到很好解决。因此研究开发具有一般人手功能、便于维护而又成本较低的假手一直是研究者和工程师们的不懈追求。基于上述思路,研制了15自由度欠驱动仿生机械手。首先,利用多自由度差动驱动原理设计了5自由度差动滑轮组,放置在手掌部分,用于驱动手指运动；手指关节之间用片簧连接,构成弹性铰,并采用模块化嵌入式设计。通过差动驱动原理与弹性铰链的巧妙结合,设计的仿生机械手机构仅由一个原动力便可驱动手的15个关节进行运动,并具有对抓取物体的自适应性(原动力可由患者的上臂或上肩带动而不需要原动机)。在此基础上,本文设计了常闭和常开两种状态的仿生机械手,并对常开状态的仿生手设计了反向自锁机构对手指进行抓取控制。然后,对仿生机械手的运动驱动力以及驱动行程进行了分析,模拟了手指的运动及驱动力随时间变化的曲线。同时,应用产品形态设计理论和人机工程学原理对仿生机械手进行了造型和参数设计。并应用Solidworks三维软件对仿生机械手进行三维建模,并通过STL接口利用快速成型机制造出仿生机械手的各部分零件。最后,对零件进行装配,调试仿生机械手的运动,并应用仿生机械手对不同形状的物体进行了抓取试验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题研究的意义
• 1.2 国内外研究综述
• 1.2.1 仿生机械手研究现状
• 1.2.2 现存问题
• 1.2.3 本文拟解决的问题
• 1.3 本文研究的主要内容
• 1.4 本章小结
• 第二章 仿生机械手的驱动原理及机构设计
• 2.1 仿生机械手的驱动原理
• 2.1.1 包起帆的异步抓斗
• 2.1.2 差动驱动原理
• 2.2 差动驱动机构的设计与分析
• 2.2.1 差动驱动机构的设计
• 2.2.2 差动驱动机构的分析
• 2.3 手指关节设计
• 2.4 常闭仿生机械手的设计
• 2.5 常开仿生机械手的设计
• 2.5.1 常开仿生机械手关节和驱动机构设计
• 2.5.2 常开仿生机械手反向自锁机构设计
• 2.6 本章小结
• 第三章 仿生机械手的运动及驱动力分析
• 3.1 运动行程计算
• 3.2 驱动力的计算及影响因素分析
• 3.2.1 驱动力的计算
• 3.2.2 驱动力影响因素分析
• 3.3 差动轮系运动及受力分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 仿生机械手的造型设计
• 4.1 产品造型设计理论及方法
• 4.2 仿生机械手的造型设计
• 4.2.1 仿生机械手的仿生设计
• 4.2.2 仿生机械手的人机工程设计
• 4.3 三维建模
• 4.3.1 Solidworks建模的优势
• 4.3.2 确定方案进行建模
• 4.4 本章小结
• 第五章 实物模型制作
• 5.1 基于RPM技术的模型制作
• 5.1.1 快速成型技术及其应用现状
• 5.1.2 快速成型基本原理
• 5.1.3 熔积成型工艺方法
• 5.1.4 零件制作
• 5.2 模型调试
• 5.3 仿生机械手抓取实物展示
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间获奖情况