摘要
灵巧手是一种仿人手生理结构机器人，与机械臂等其他机器人共同作用可实现在某一空间内对非标对象抓持与操作。随着工业化进程推进，灵巧手应用领域愈加广泛，同时对灵巧手自身动作灵活性和结构鲁棒性亦有更高标准。本文通过人手生理解剖学分析研制出一款腕手复合仿人灵巧手，并基于改进D-H参数法分别对灵巧手手部和腕部进行运动学分析，同时完成了算法验证、手部与腕部工作空间仿真及关键零部件强度刚度校核，最后通过实验验证了灵巧手动作灵活性及结构鲁棒性。具体研究内容如下: 1.灵巧手结构设计。通过分析人手与腕解剖学结构得到灵巧手设计指标，依据人手生理特点提出一种基于滚转关节腱绳传动手指，并在手掌引入腱绳解耦机构，同时根据人手腕动作及驱动特点研发一种2-P5R+逆平行四连杆复合手腕机构。进而实现灵巧手主体机械结构设计。 2.灵巧手手指运动学解算。对手指进行连杆等效建模后应用改进D-H参数法建系进而得到手指正运动学方程，通过位置向量将关节变换矩阵移至驱动腱绳切出点和等效连接点，通过两点间位置向量得到手指关节角与腱绳总收放长度之间映射关系，实现对手指整体运动学解算。解决了非滑轮导向绳驱机构由于几何关系复杂导致运动学解算困难的问题。 3.灵巧手手腕运动学解算。将手腕复合机构拆解为手腕翻转机构+两个P5R机构，通过位置向量与连杆长度间关系对手腕翻转机构中逆平行四连杆部分解耦进而得到末端运动学方程，再将手腕翻转机构基坐标系分别变换至与两侧P5R机构基坐标系重合，通过手腕翻转机构末端位姿分别逆解两侧P5R机构的输入位移，实现手腕复合机构运动学解算。解决了这种存在高度耦合关系的双支链机构主从端运动映射关系不明确的问题。 4.灵巧手强度刚度及多刚体动力学仿真分析。基于有限元方法使用workbench实现手部及腕部关键部件进行强度与刚度分析。通过MATLAB机器人工具箱得到手指的工作空间点云。利用Adams等效仿真结果与手指关节角-驱动腱绳映射关系推导结果进行对比，验证手指解算方法正确性。利用Adams仿真结果与手腕翻转机构推导解耦结果及手腕复合机构运动学解算结果进行对比验证了求解方法的正确性，并通过Adams仿真模型扫略得到手腕工作空间。 5.进行灵巧手真机实验。通过灵巧手多种手势实验验证了灵巧手自由度有效性。使灵巧手抓持多种类型工作对象进而验证其抓持稳定性。通过灵巧手对生活中常见的异形对象进行操作进而验证灵巧手操作灵活性。对灵巧手五指峰值指尖输出力进行多次读取得到每根手指指尖输出力均值。在灵巧手受外部冲击前后多次记录相同输入下输出进而分析验证灵巧手五指冲击鲁棒性。
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