西华大学
硕士学位论文
机械手对目标物体的抓取
姓名：李亮
申请学位级别：硕士
专业：机械制造及其自动化
指导教师：费凌
20090501西华大学硕七学位论文
机械手对目标物体的抓取
机械制造及其自动化专业
研究生李亮指导老师费凌
机械手是典型的机电一体化装置，它综合运用了机械与精密机械、微电子
与计算机、自动控制与驱动、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新
研究成果，随着经济的发展和各行各业对自动化程度要求的提高，机器人技术得到了迅速发展，出现了各种各样的机械手产品。手爪的应用环境干差万别，
抓取可靠、环境适应性好、控制简单、自适应性强、自主能力高是衡量机器人手爪设计水平的重要标志。性能优良的机器人手爪可以实现可靠、快速和精确
’地抓取。研究和开发一个性能优良的机器人手爪是一项艰巨的任务，包括技术实现和理论研究两个方面。近年来机器人技术得到大力的发展，手爪的研究也
步入了一个良好的发展时期，机器人手爪正由简单发展到复杂，由笨拙发展到灵巧，其中的仿人灵巧手已经发展到可以与人手媲美。机械手对目标物体抓取
的稳定性研究是一个值得长期探讨的课题。本论文在综述近年来机械手技术研究和发展状况的基础上设计了一种用于实验目的可以对目标物体进行稳定抓取的小型化、轻量化机械手系统。本文先
从整体上对机械手设计的特点和局部结构相关元件的选择进行研究，设计了一种５自由度机械手，然后对机械手手臂建立运动学方程，并且在此基础上用
ＭＡＴＬＡＢ软件对其仿真，验证方程推导得正确性，接下来按照稳定抓取的要求
选择了适用于本系统的传感器，并设计了信号调理电路，然后设计了以单片机为控制单元，通过电机驱动模块来控步进电机转向以及转速来实现手爪变速开合的系统硬件结构并在此基础上设计软件流程包括主程序，数据处理程序以及
ＰＷＭ调速等程序流程图，并进行程序编写。通过对机械手系统提供的总体设
计方案，为下一步详细设计的深入奠定了理论基础。
关键词：机械手运动学模型ＭＡＴＬＡＢ传感器单片机西华大学硕士学位论文
Ｓｎａｔｃｈｔａｒｇｅｔｏｂｊｅｃｔｂｙｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ
Ｍ．Ｅ．ｃａｎｄｉｄａｔｅ：ＬｉＬｉａｎｇＳｕｐｅｒｖｉｓｅｄｂｙ：ＦｅｉＬｉｎｇ
ＴｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｉｓａｔｙｐｅｏｆｍｅｃｈａｎｔｒｏｎｉｃｓｅｑｕｉｐｍｅｎｔｗｈｉｃｈｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｓｔｈｅｌａｓｔｒｅｓｅａｒｃｈａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｏｆｅｎｇｉｎｅａｎｄＰｒｅｃｉｓｉｏｎｅｎｇｉｎｅ，ｍｉｃｒｏ．ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．ａｎｄｃｏｍｐｕｔｅｒ，ａｕｔｏｍａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｄｒｉｖｅ，ｓｅｎｓｏｒａｎｄｍｅｓｓａｇｅｄｉｓｐｏｓｅａｎｄａｒｔｉｆｉｃｉａｌｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅａｎｄＳＯｏｎ．Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｎｄｔｈｅｄｅｍａｎｄｆｏｒａｕｔｏｍａｔｉｏｎｃｏｎｔｒ０１．Ｒｏｂｏｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｑｕｉｃｋｌｙａｎｄａｌｌｋｉｎｄｓｏｆｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｐｒｏｄｕｃｔｓａｒｅｃｏｍｉｎｇｉｎｔｏｂｅｉｎｇ．Ｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｉｓｕｓｅｄｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．ＴＯｈｏｌｄｓｔｅａｄｉｌｙ，ｇｏｏｄａｄａｐｔａｔｉｏｎｔｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｓｉｍｐｌｅ
ｃｏｎｔｒｏｌ，ｓｔｒｏｎｇａｄａｐｔａｔｉｏｎ，ｈｉｇｈａｕｔｏｎｏｍｙａｒｅｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｓｉｇｎｓｆｏｒｔｈｅｌｅｖｅｌｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ：Ｔｏｓｔｕｄｙａｎｄｄｅｖｅｌｏｐａｒｏｂｏｔｏｆｇｏｏｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｓａｈａｒｄｔａｓｋ，ｉｔｃｏｎｃｌｕｄｅｔｈｅｒｅａｌｉｚｅｏｆｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｏｒｙ．Ｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｒｏｂｏｔｄｅｖｅｌｏｐｅｄｑｕｉｃｋｌｙ．Ａｎｄｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｈａｓｃｏｍｅｉｎｔｏａｇｏｏｄｄｅｖｅｌｏｐｍｏｍｅｎｔ．Ｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｉｓｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｆｒｏｍｅａｓｙｔｏｄｉｆｆｉｃｕｌｔｆｒｏｍ
ｃｏｍｐｌｅｘｔｏｓｍａｒｔ．ＴｈｅｈｕｍａｎｏｉｄｓｍａｒｔｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒＣａｎｗｏｒｋｓａｓｇｏｏｄａｓｔｒｕｅｈｕｍａｎｈａｎｄ．Ｔｏｈｏｌｄｔｈｅｔａｒｇｅｔｏｂｊｅｃｔｓｔｅａｄｉｌｙｂｙｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｉｓａｔａｓｋｎｅｅｄｅｄｔｏｂｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｆｏｒａｌｏｎｇｔｉｍｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｏｆｂｏｔｈｔｈｅｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｔｈｅｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅｓｉｇｎｅｄａｓｍａｌｌａｎｄｌｉｇｈｔｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈｃａｎｓｎａｔｃｈｔａｒｇｅｔｏｂｊｅｃｔ．Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅｔｈｅｓｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｒｉｃｏｆｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｄｅｓｉｇｎａｓａｗｈｏｌｅａｎｄｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｐａｒｔｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｕｎｉｔｓ．Ｉｔｄｅｓｉｇｎｅｄａｆｉｖｅｄｅｇｒｅｅｏｆｆｒｅｅｄｏｍｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ．ＴｈｅｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔａｄｅｔａｉｌｅｄｄｅｓｉｇｎｓｓｉｍｐｌｅｆｏｒｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｈａｎｄａｎｄｐｒｏｇｒａｍｍｅｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂｙＭａｔｌａｂｓｏｆｔｗａｒｅｔｏｔｅｓｔｔｈｅｅｑｕａｔｉｏｎ．ＡｆｔｅｒｔｈａｔａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｄｅｍａｎｄｏｆｓｔｅａｄｉｌｙｓｎａｔｃｈｉｎｇＩｃｈｏｏｓｅｔｈｅｓｅｎｓｏｒｆｉｔｔｅｄｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ．ＴｈｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．ＴｈｅｎｄｅｓｉｇｎｅｄｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｔｈｅＭＣＵａｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅ
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．’．西华大学硕十学位论文
ｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｅｎｐｒｏｇｒａｍｍｅｄｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｃｏｎｃｌｕｄｅｄｔｈｅｍａｉｎｐｒｏｇｒａｍｐｒｏｃｅｓｓａｎｄｔｈｅ
ｄａｔｅｐｒｏｃｅｓｓｐｒｏｇｒａｍａｎｄｔｈｅＰＷＭｓｕｂｄｉｖｉｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓａｎｄＳＯｏｎ．．Ｔｈｉｓｓｔｕｄｙｗｏｕｌｄｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｅｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｄｅｓｉｇｎｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ，Ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｍｏｄｅｌ，ＭＡＴＬＡＢ，ｓｅｎｓｏｒ，ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ
ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔ
－３－西华大学硕士学位论文
声明尸明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经
发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论
文中作了明确的说明并表示谢意。本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成
果归西华大学所有，如果今后研究与论文相关课题需征得导师同意，特此声明。
作者签导师签乡旯哆日
乡只傍西华大学硕士学位论文
西华大学
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，
同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分
内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。
本学位论文属于１、保密口，在／年解密后适用本授权书；
２、不保密豳，适用本授权书。（请在以止口内划４）
学位论文作者签名：蔫芸／
日期：研．多。锣誓曼教师签名抉
日期：伽哆．万、衫Ｖ
～西华大学硕士学位论文
１引言
１．１课题来源和研究意义
课题来源：
省级重点研究项目研究意义：性能优良的机器人手爪可以实现可靠、快速和精确地抓取。研究和开发一个性能优良的机器人手爪是一项艰巨的任务，包括技术实现和理论研究两个方面。
根据机器人手爪已有的研究成果，设计一种用于实验室研究的机械手系统，从理论上实现了对目标物体稳定抓取的设计，为进一步具体功能的实现打下了基
础。
１．２国内外发展现状和发展趋势
随着机器人研究的深入和各方面需求的巨大增长，机器人的应用领域在不
断地扩大，概念也在不断地拓展，不再局限于搬运、焊接以及大批量作业的工
业机器人，人类已经研制成功或正在研制用于危险环境作业、海洋资源探测、核能利用、军事侦察以及空间探测中的特种机器人。机器人已经从小说素材和科幻电影中发展为广泛应用于各领域的由计算机控制的智能机电装置系统。在
机器人获得巨大发展的同时，机器人关键部件之一的机器人手爪也获得了长足的进步。作为机器人与环境相互作用的最后环节和执行部件，机器人手爪既是
一个主动感知工作环境信息的感知器，又是最后的执行器，是一个高度集成的、
具有多种感知功能和智能化的机电系统，涉及机构学、仿生学、自动控制、传感器技术、计算机技术、人工智能、通讯技术、微电子学、材料学等多个研究领域和交叉学科。机器人手爪正由简单发展到复杂，由笨拙发展到灵巧，其中的仿人灵巧手已经发展到可以与人手媲美，它能捏住一支花，握住一枚鸡蛋，抓取任意一件东西，还能进行一些简单的操作。由于机器人手爪的重要性，美
国、德国、日本、俄罗斯等机器人研究强国研制成功了多种通用和专用的机器人手爪，手爪的灵活性和可靠性得到很大的提高，加上先进的感知系统，具备
一定的自主能力，为机器人的灵活抓取和操作奠定了坚实的基础。我国的机器
人的研究开始于７０年代，起步较晚，手爪研究也相对落后。从８０年代至今，在国家８６３计划和国家自然基金的大力支持下，机器人的研究被列入重点发展
．１．西华大学硕士学位论文
的主题，得到大力的发展，手爪的研究也步入了一个良好的发展时期。
手爪的应用环境干差万别，抓取可靠、环境适应性好、控制简单、自适应性强、自主能力高是衡量机器人手爪设计水平的重要标志。性能优良的机器人
手爪可以实现可靠、快速和精确地抓取。研究和开发一个性能优良的机器人手爪是一项艰巨的任务，包括技术实现和理论研究两个方面。根据机器人手爪已有的研究成果，结合研制的经验，并参阅大量的相关文酬卜９１，总结出机器人
手爪主要的研究内容包括以下几个方面：
１．２．１手爪主要的研究内容
１．２．１．１驱动和传动系统机器人手爪在体积、重量、灵活性和可操作性等各项性能指标上都存在很大的区别，造成这些区别的主要原因是由于手爪采用的驱动和传动方式不同。
手爪按照驱动源的方式可以分为电机、液压、．气动以及形状记忆合金等，机器人灵巧手传动系统把驱动器产生的运动和力以一定的方式传递到手指关节，从
而使关节做相应的运动，动系统的设计与驱动器密切相关。虽然驱动源是影响
手爪体积重量的重要因素，但是抓取稳定性和灵活性等重要指标取决于传动系统，置精度；控制时需要一定的预紧力，容易产生摩擦；腱的布局容易产生力
矩和运动的耦合。这些因素都增加了手爪抓取控制的难度和复杂性。
１腱传动方式
第一类是由腱（钢丝绳、绳索等）加上滑轮或者软管实现传动，其特点是：腱一般具有很高的抗拉强度和很轻的重量，容易实现多自由度和远距离动力传输，
节省空间和成本，是一种零回差的柔顺传动方式。但是，腱本身的刚度有限，影响位和寿命问题，手指反应速度也不高。
２连杆传动方式
除了腱传动以外，另外一类是采用连杆的传动方式。其特点是采用平面连杆机构传动，优点是刚度好、出力大、负载能力强、加工制造容易、易获得较
高的精度，构件之间的接触可以依靠几何封闭来实现，能够较好实现多种运动规律和运动的轨迹的要求，但是设计复杂。
３其他传动方式手爪驱动器通过螺纹将旋转变成直线运动，拉动驱动器和手指之间的弹簧
．２．