在假肢的手部应用方面, 目前主流 的应用是 一种具有手 形 状的假手, 市场上销售 的假 手大 都已经 具有 一个自 由度, 可 以 利用拇指、食指、中指进行三指的抓取动作, 自由 度位于手指 的 根部, 手指本身并 没有 关 节。文 中 所设 计 的假 手 也有 三 个 手 指, 除指根部的关节外, 拇指另有一个关节, 其余 二指有两个 关 节, 而且假手的腕部有 2 个 自由 度, 可 以完 成腕 部的屈 伸和 回 转。
人类食指和中指在机能上主要表现在 和拇指的对 握, 其 次 是和拇指的指尖形成的像/ 抓0、/ 捏0 的 动作, 在 形状上 表现 为 手指具有两个关节和指根部的可转动性。 在设计手指 时, 希 望 在形状和机能上和人类 手尽 量相类 似, 目前, 较 为流行 的手 指 设计仅仅在指根部有一个自由度, 手指 其他部分 在形状上设 计 一定的弯曲。这种设计从几何角度上看, 手指很 难在所有的 转 动角度和人类手指的实际转动角度一致, 在功能 上也仅限于 抓 取的功能。为了使所设计的手尽量和人类 手一致, 设计者大 都 采用三关节的手指设计, 但对关节的传 动一般都 采用齿轮传 动 或缆绳传动两种方式, 文中关节间的 传动采用 齿轮传动。齿 轮 传动较缆绳传动能够 传递 较大 的载荷, 较 快的 速度。同 时, 随 着工程塑料和尼龙齿轮技术的发展, 为 减轻质量 选用材质较 轻 的尼龙齿轮提供了可能。
其最终结构 为一个 手掌、一腕, 包括 三指 11 关节, 各 手指和 腕 部均为模块化设 计。图 1 为机械 手的 虚拟样 机。利用 优化 方 法进行机械手机构尺寸综合的数学模型为[ 5] :
m in F ( X )
X I Rm 约束条件:
xi \ X imin ( i = 1, 2, ,, m)
杆件长度 a 0 0 a b c d
2. 2 机械手运动学方程的逆解 通过对人类手指运动轨迹的模拟分析, 可以 得到手指指 尖
和各关节角度的轨 迹曲 线。据此 也 就知 道了 手 指的 指尖 运 动
时, 所应该达到的位置, 这 就为 建立机 械手 的逆 运动学 方程 提
34
机械 设计
第 23 卷第 6 期
个充分条件之一: ( 1) 三个相邻关节轴相交于一点; ( 2) 三个 相 邻关节轴平行。文中的 机械手 满足 第二个 条件, 理论上 存在 显
式解。如下即为所求得的机械手的 6 个解。
手在形状上相似, 更重要的 是要求其在 机 能上和人手的一致。在实际的生活观察中, 拇指 和四指对握 的 动作最多最重要。在五指的使用频度上, 拇指、食指、中指同 等 重要。其余二指较此三指约少 50% , 可以 看作其它三指的辅助 者[2] 。因此, 在设计中 只需 设计三 个手 指, 即可以 满足 人类 手 的大部分的功能。为了满足结构的仿生性 , 采用 了三指、一腕、 一掌、十一关节和一装饰性手指的设 计方案。图 1 为机械手 的 虚拟样机。 1. 2 手指的设计
一般而言, 人们所 称的/ 手0 有两种 意义, 一 是指整 个的 上 肢 , 二是腕部到指尖的部分, 也就 是所谓 的手部。人 类的单 只 手臂以机械学的形式分 析, 可以 用大约 27 个自 由度的 连杆 机 构来表示。但其中大约 20 个自由 度集中在 手部[1] 。文中着 重 于假肢的手部设计。
qj min [ qj [ qj max ( j = 1, 2, ,, n) 式中: m ) ) ) 未知结构参数的数目;
n ) ) ) 机器人关节的数目;
qj ) ) ) 第 j 关节的运动参数。 通过优化设计并参照人类手指的长度, 获得 机械手手指 的
长度。
2 机械手的运动学分析
在对仿生机 械 手 进 行 结 构 和 运 动 分 析 的 基 础 上, 采 用 Denav it - H artenber g( D - H ) 方 法建立连 杆坐 标系下 的机 械 手运动学模型, 并对其 进行正 向和 逆向分 析求 解, 通过 对机 械
关键词: 仿生机械手; 假手; 运动学; 正解; 逆解 中图分类号: T P 24 文献标识码: A 文章编号: 1001- 2354( 2006) 06- 0032- 03
机械手的设计和控 制, 是近 30 年 来国 内外 非常活 跃的 研 究课题。它 的设计大致可 以划 分为工 业机 器人 用机械 手的 设 计和假肢用机械手的 设计。前 者的作 用在 于代 替工业 生产 中 作业人员, 着重于 机能 的设 计。而 后者 的作 用在 于替 代上 肢 肢残者的缺损部分, 除 了要 考虑 机能问 题外, 还 要考虑 其仿 生 性, 即其形状和人类的肢体形状的相似性。
第 23 卷第 6 期 2006 年6 月
机械设计
JO U RN A L O F M ACH IN E D ESIG N
V ol. 23 N o. 6 Jun. 2006
假肢用机械手的机构设计与运动学分析*
姬彦巧1 , 王宏1 , 赵长宽2 , 李封1
( 1. 东北大学 机械工程与自动化学院, 辽宁 沈阳 110004; 2. 东北大学 计算中心, 辽宁 沈阳 110004)
机器人进行表示和建模, 并导 出了 他们的 运动 学方 程, 现在 已
经成为表示机器人和对机器人进行建模的标准方法。Denav it -
Har tenberg ( D - H ) 模型表示了对机器人连杆和关 节进行建模
的一种非常简单的方法。以食 指为 例, 建立 的食 指手指 在前 臂
基座坐标系内的坐标图, 如图 3、图 4 所示。据 此可以 求出第 三
1 仿生机械手的机构设计
机械手的机构设计也称机构综合, 主要包括 型综合和尺 寸 综合。在机 械人的研究领域, 机械手的 机构设计 是一项很重 要 的工作, 机械手机构型 式和 结构 尺寸, 决定 了机 械手的 操作 性 和末端执行器的位姿。 1. 1 仿生机械手的型综合
型综合是在确定机械手机构参数之前, 根据 作业的要求 确 定机械手机构 的 自由 度、组成 形 式、关节 数 目和 配 置方 式[ 1] 。 人类的手作为具有 20 个自 由度 的精巧 机构, 其 结构仿 生和 再 现有很重要的现实意义。作为仿生机械手 的设计, 不仅要求 所
2006 年 6 月
姬彦巧, 等: 假肢用机械手的机构设计与运动学分析
33
曲外还有转动。二是拇指从 一侧 开始 的运 动。为 了实 现这 两 个动作采用了拇指的根部结构, 在这种 结构中应 用了一种被 称 为 Geneva- w heel[4] 的机构, 来实 现拇指 的这 两种 动作。同 时 此设计还兼顾了利用最少的电机, 来控 制最多的 自由度的设 计 思想, 即利用一个电机控制拇指的所有运动。 1. 4 腕部的设计
( 4)
pz
dS 234 + cS 23 + bS 2
图 3 食指结构的运动学模型 图 4 食指的 D- H 参考
和参考坐标系
坐标系线图
表 1 手指的 D - H参数表
关节
0 1 2 3 4 5
关节变量 H H0 H1 H2 H3 H4 H5
关节偏移 d 0 0 0 0 0 0
杆件扭角 A 0 90 0 0 0 0
从人类拇指和其它 四指 的关系 上, 拇指 的动作 可以 分为: 一是拇指和其它四指的 相向 动作, 在这 个动 作中, 拇指 除了 弯
* 收稿日期: 2005- 08- 30; 修订日期: 2005- 12- 28 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 50435040) 。 作者简介: 姬彦巧( 1975- ) , 女, 河北晋州人, 东北大学机械工程与自动化学院硕士研究生, 研究方向: 仿生机器人, 生物电信号处理。
供了依据。运动学逆解在机器人运动 分析、运动仿真、离线编 程
和轨迹规划中, 占有重要地位。在机器人控 制中, 只有使各关 节
移动(或转动) 逆解中的值, 才能 使末端执行器达到工作所要求 的位置和姿态, 所以, 运动 学逆 解是机 器人 控制 的关键 环节 之
一[8] 。就目前而言, 已经可 以对 一般结 构的 6 自 由度串 联机 械 手进行逆运动学求解, 但要获 得封 闭的显 式解, 需满足 以下 两
锁, 电机可以随时改变运动方向, 以实现各个运动的协调。 1. 5 仿生机械手的尺寸综合
尺寸综合用来确定机械手的杆件和关 节等的结构 参数, 通
常以机械手末杆或末杆活动范围为出发点, 采用 适当的方法 进 行机构尺寸的分析和计 算, 因此 机械手 的尺 寸参数 确定 时, 工 作空间是重要的指标。
仿生机械手的结构 尺寸, 可 以参考 人类 手指的 长度 比例, 并通过确定优化的目 标函 数, 利用合 适的 优化算 法来 得到[ 4] 。
nx ox Ax
C01 C2345 - C01S 2345 S 12
得: CR5 = ny oy Ay = S 01 S 2345 - S 01S 2345 - C12
( 3)
nz oz Az
S 2345
C2345
0
px
C01( dC 234 + cC23 + bC 2 + a)
CP5 = p y = S01 ( dC 234 + cC23 + bC2 + a)
S 01 S 2345 - S 01S 2345 - C12 S01 ( dC234 + cC 23 + bC2 + a)
( 1)
S 2345
C2345
0
dS 234 + cS 23 + bS 2
0
0
0
1
由: C=
CT
0 0
T
1 1
T2
2T
3
3T
4 4
T
5
=
CR5 CP5 01@ 3 1