一種欠驅動仿生靈巧手設計

陳濤 杜福鵬

摘 要：文章以人手為仿生對象，采用欠驅動方式設計了一種仿生靈巧手，通過SolidWorks Motion對仿生靈巧手進行了運動學仿真分析。仿真結果表明，所設計靈巧手結構合理、控制簡單。

關鍵詞：靈巧手;欠驅動;運動學仿真

中圖分類號：TM743 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）09-65-03

An Underactuated Bionic Dexterous Hand Design^*

Chen Tao， Du Fupeng^*

（?Lanzhou Petrochemical Polytechnic，?Gansu Lanzhou 730060?）

Abstract：?In this paper， a human hand is used as a bionic object， and a bionic dexterous hand is designed in an under-driven manner. The kinematics simulation analysis of bionic dexterous hands was performed by SolidWorks Motion. The simulation results show that the designed dexterous hand has reasonable structure and simple control.

Keywords： Dexterous hand; Underactuation; Kinematic simulation

CLC NO.： TM743 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）09-65-03

引言

像人手一樣靈活的多指靈巧手^[1-3]能夠改善人們生活或工作方面的不便，可以廣泛應用于工業制造、農業生產、娛樂服務、搶險救災、家務勞動等領域^[4-6]，具有較大的實際價值和應用前景。高性能的通用型多指靈巧手是目前眾多學者研究的熱點之一。

本文以人手為仿生對象，結合機器人仿生學構建出所要設計的靈巧手的運動模型，采用欠驅動方式，通過三維軟件實體建模并用SolidWorks Motion進行運動學仿真分析。

1 仿生靈巧手結構設計

1.1 仿生對象

人手由手掌和5指組成，小拇指、食指、中指和無名指各有三節指骨，按照它們在手指上的位置分別稱作為遠指骨（DP）、中指骨（MP）和近指骨（PP），大拇指僅有遠節和近節兩節指骨。腕骨是位于手掌末端與小臂之間的區域，其作用是連接了小臂與掌骨，如圖1所示。

1.2?手指的驅動原理

本文采用欠驅動的驅動方式，在完成靈活抓取各類不同形狀、尺寸、體積物體任務的同時，具有重量輕、控制簡單等優點。如圖2所示，每根手指由兩根腱繩驅動，腱繩通過手掌，穿過近指骨，中指骨，遠指骨最后將腱繩固定到指尖。

拉動藍色的腱繩，并釋放紅色腱繩，藍色腱繩由于手指內壁的約束手指關節開始彎曲，從而抓取物體。拉動紅色腱繩，同時釋放藍色腱繩，紅色腱繩受遠指骨關節、近指骨關節、遠指骨關節的約束，手指伸展開，如圖3所示。

1.3?手指的結構設計

食指設計時，根據所測量得到的人手各關節的尺寸進行設計。本文所做實物使用3D打印機進行制造，所以設計時不用考慮加工方法，把手指設計的接近真人手指一樣的圓柱型，內空式，為了很好地打印模型，必須把手指的每個指骨的模型分為兩端。關節直接用銷釘連接如圖4所示。

手掌是采用擬人法，手掌沒有做成一體，特別對小指，無名指和拇指進行特殊設計，使手掌更加擬人化，多了三個自由度操作更靈活，展開的形狀與人手形狀相似。效果如圖5所示。

2 運動學仿真分析

本文采用虛擬樣機技術對靈巧手進行運動學仿真分析，先對靈巧手進行建模，將建模靈巧手零件裝配起來，對其進行約束和添加載荷。在仿真分析的過程當中，對不正確或不合適的地方進行修改與調整。

SolidWorks Motion仿真步驟如下：

（1）裝配機械：SolidWorks完成所要仿真的機構裝配。

（2）添加驅動：為將要仿真的運動件添加運動參數。

（3）運動仿真：設置仿真間隔、時間等仿真參數以后，點擊運行，進行仿真計算。

（4）查看結果：查看運動件的運動特性和運動副的動力特性。

利用SolidWorks Motion對仿生靈巧手進行運動學仿真后，結果如下：

3 結論

以人人手為仿生對象，將人手分解為手指和手掌，采用欠驅動方式設計了一種仿生靈巧手，通過SolidWorks Motion對仿生靈巧手進行了運動學分析。下一步工作重心是對仿生靈巧手進行動力學，建立有約束的非線性優化模型，進行結構進一步優化設計。

參考文獻

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