摘 要

近些年来，随着机器人技术的发展，多指灵巧手逐渐代替了传统机器人的末端夹持器，被应用在了航空航天、核能开发、海洋勘探等很多高新技术领域，无论是国内或者国外，多指灵巧手都得到了迅猛的发展，涵盖了机械、材料及控制等学科，并逐渐成为了一个专门的研究领域。为迎合以上发展需求，本文设计了一种由腱驱动的五指灵巧手，包括手掌和手指的结构设计，以及腱绳驱动方案的研究。

论文首先以人手的生理结构及骨骼解剖为理论基础，得出灵巧手各手指所需自由度数，完成了灵巧手机械结构设计，这其中包含关节耦合机构的设计；进而分析腱绳传动原理，并设计了腱张力分配算法；同时完成了腱绳材料及驱动电机的选型，并设计了相应的驱动机构；最后为检验设计方案能否达到合理的效果，对五指灵巧手完成了ADAMS的运动学及动力学仿真，结果表明方案设计合理可行。

关键词：五指灵巧手；腱绳驱动；结构设计；ADAMS仿真

Abstract

In recent years, with the development of robot technology, multi fingered dexterous hand gradually replaced the traditional robot end of the gripper, is used in many areas of High Technology such as aerospace, nuclear energy development, ocean exploration and so on, whether domestic or foreign, multi fingered dexterous hand has been the rapid development, covering machinery, materials and control subjects, and gradually become the a special field of study. In order to meet the above needs, this paper designs a tendon driven fingers dexterous hand, including the structural design of the palm and fingers, as well as the tendon rope driving scheme.

Firstly, with the hand physiological structure and skeletal anatomy as the theoretical foundation, obtains the dexterous hand with each finger of the required number of degrees of freedom, the dexterous hand mechanical structure design, which includes joint coupling mechanism design. And then analyzes the transmission principle of tendon rope, and the design of the tendon tension distribution algorithm. Tendon rope material and the drive motor selection, and design the corresponding drive mechanism. To test design scheme if can achieve reasonable results, completed the kinematics and dynamics simulation of Adams of the five fingered dexterous hand and the results show that the design scheme is reasonable and feasible.

Key Words: five fingered dexterous hand；tendon rope drive；structure design；ADAMS simulation

目录

第一章 绪论 1

1.1 项目的研究背景及意义 1

1.2 国内外的研究现状分析 2

1.2.1 内置型多指灵巧手的国内外现状 2

1.2.2 外置型多指灵巧手的国内外现状 4

1.3 本文的研究内容及预期目标 6

第二章 仿人五指灵巧手机械结构设计 7

2.1 引言 7

2.2 五指灵巧手的设计原则 7

2.3 五指灵巧手设计的理论基础 7

2.4 灵巧手机械结构设计 9

2.4.1 灵巧手整体设计 10

2.4.2 灵巧手手指设计 11

2.4.3 四连杆耦合机构的设计 13

2.4.4 腱绳传动系统 14

2.4.5 腱绳固定装置 16

2.4.6 关节处各个腱绳的张力分配 17

2.4.7 前臂和手腕的结构设计 18

2.4.8 腱绳材料及驱动部件的选型 19

2.4.9 腱绳及腕部驱动机构 20

2.5 本章小结 21

第三章 仿人五指灵巧手的ADAMS仿真 22

3.1 仿真软件的选用及模型的导入 22

3.2 灵巧手的运动学仿真 23

3.3 灵巧手的动力学仿真 24

3.4 本章小结 26

第四章 总结与展望 28

4.1 全文总结 28

4.2 研究展望 28

4.3 经济性分析28

参考文献30

致谢32

第一章 绪论

1.1 项目的研究背景及意义

科技水平的进步和新兴技术的涌现，对机器人技术在太空探索、地质勘探、医疗服务等方面的要求更高了，而对于传统的工业机器人的末端夹持器来说，其灵活性差、感知能力低下、控制精度低等缺点是不可避免的。在之前的二十多年中，工程应用上对多指灵巧手的需求越来越多，因此多指灵巧手方面的研究迅速发展，并逐渐发展为一个独立的研究学科，涵盖了很多领域的专项课题。由于多指灵巧手涉及机械、电子、自动化、机器人学等很多个学科，这些年来无论是国内或国外都成立了许多专门的多指灵巧手的实验机构，使这种高新技术得到飞速发展。

现代进行的对多指灵巧手驱动方式的研究，大体上分为外置驱动器驱动、内置驱动器驱动及记忆合金驱动这三种驱动方式。外置驱动器驱动指的是将灵巧手的驱动器放置在腕部或前臂中，而手指各关节由肌腱一样的腱绳驱动；内置驱动器驱动是将驱动器直接放在手指各个关节处，直接由驱动器控制旋转；记忆合金驱动是最近几年发展的技术，靠记忆合金作为手指的回转关节^[1]。

内置驱动器多指灵巧手关节之间自由度相互独立，各自靠相应的电磁电机驱动而转动，一般一个关节就是一个自由度。这种灵巧手手部的结构独立，因此它有着可以安装在各种不同类型的机械臂上的优势，但是它尺寸限制上的缺点尤为突出。