摘 要
本文设计并优化了一种五指输入的鼠标型抓握式灵巧手主操作手。灵巧手可用于太空探索、核能开发、医疗器械等人难以适应的极端和精密微操作环境中以替代人手作业。主操作手是灵巧手系统中用于测量人手运动位姿并实现力反馈的触感交互装置。我们从电脑鼠标获得启示，设计一种符合人手操作习惯，小巧、简单的主操作手。它的每根手指具有三个自由度，每个自由度都能实现力反馈。这种装置的指根关节采用杠杆原理实现，由直流电机驱动钢丝拉动手指后端实现力反馈。指尖关节采用滚球鼠标传动原理设计，通过控制一个球套环逐渐抱紧滚球，增大滚动阻力实现力反馈。 最后，运用ADAMS软件对主手的静力学和动力学特性进行了仿真分析，依此优化设计方案。
关键词：五指灵巧手，触感交互装置，结构优化设计，ADAMS
Abstract
塑料单向阀
In this paper, the design and optimization of a five-fingered mouse-shaped dexterous hand master is proposed. The dexterous hands are applied for tasks that are difficult for human to execute, such as dexterous micro operation and operation in extreme environments: space exploration, nuclear energy development and medical device. The dexterous hand master, as a haptic interface， can measure movement of the operator and display force feedback. From the idea of the computer mouse, we designed a simple compact master hand which is adapted to the human hand. It is manipulated on the desk. Each finger of this device has three DOF with脉动时空 feedback in three directions. The root joint of this device is designed in the use of leverage and its force feedback is transmitted from the DC motor through a rotation link. Front finger part of the device is designed based on the principle of ball mouse. We use a spherical ring wraps a ball. The rolling resistance, as the force feedback on the joints, 电子围栏技术increases with the contraction of the ring.
Finally, we simulate the statics and dynamics of this device using ADAMS. The optimization of the design is based on the results of the simulation.
Key Words：Dexterous hand; Haptic interface device; Structural optimal design; ADAMS
第一章 引 言
1.1 灵巧手系统的发展概况
随着科技水平的不断进步和新兴的交叉学科不断涌现，如太空探索、核能开发、医疗器械等都对机器人技术提出了更高的要求，而传统的工业机器人末端夹持器有一些缺点，如灵活性差，感知能力低下，力的控制精度不高等。近二十几年来，由于工程应用的迫切需要，多指灵巧手的研究工作得到了迅速的发展，并已逐渐成为一个专门的研究领域，涵盖从空间探索到医疗器械等领域中的一些重大课题。由于多指灵巧手涉及机构学、材料科学、机器人学、计算机图形学、自动控制等学科，近年来很多国家都已成立了专门的多指灵巧手实验室或研究中心，以大力发展这一高新技术。目前，国内该技术的研究相对薄弱。随着我国载人航天事业的成功，太空探索的步伐也就大大加快了！其中如何帮助宇航员太空舱外的探索变得十分迫切。由于太空服内与太空舱的气压不等，宇航员在走出太空舱之前至少需要准备三个小时；在走出舱外时，宇航员会立即翻起筋斗，与太空舱相连的安全索会缠绕起来，这些都增加了不安全因数。虽然在一般场合下，人手远胜于灵巧手，但穿着笨重太空服的宇航员手的技能与灵巧手相比，已没有优势可言。如果灵巧手具备了 五个手指，就能为宇航员提供一个有效的工具，宇航员就可以在舱内操纵舱外的灵巧手进行太空探索。此外，国外在核能开发的恶劣环境下和微创手术的医疗器械中，也都开始应用灵巧手。因此，无论是从理论上还是工程应用上看，大力加强多指灵巧手的研究，都显得格外迫切。
灵巧手技术的发展经历了4个阶段。(1). 早期阶段。多指手最先是从假肢开始的。1509年，人们为在战争中失去一只手的年轻战士Berlichingen制作了弹簧驱动的假手。这只假手在战斗中发挥了重要的作用，但是在生活中却很不方便。在Berlichingen手之后人们又相继研究了许多假手，有些假手至今仍在使用。Chilidress将这些手分为装饰型、被动型、身体驱动型和外部动力型四种，其中动力型手从1920年开始流行，从30年代开始得到广泛的应用。(2). 初期阶段。Tomovic和Boni于1962年研制成功的Belgrade手最初是为前南斯拉夫的一位伤寒病患者而设计的，它被认为是世界上最早的灵巧手。从20世纪弹起式地面插座70年代开始，国际上开始进行机器人多指灵巧手的系统化研究。1974年日本研制成功的Okada手，可以完成将螺栓拧进螺母之类的操作，它是初期灵巧手的典型代表，如图1.1所示。(3). 中期阶段。20世纪80年代以来，灵巧手进入了一个快速发展时期，一批著名的灵巧手相继问世。如美国麻省理工学院和犹他大学1980年联合研制成功的Utah/MIT手(图1.2)、美国斯坦福大学研制
的Stanford/JPL手(又称Salisbury手)(图1.3)等，这些成果奠定了灵巧手的理论基石和技术基础。(4). 20世纪90年代以后，以德国和意大利为代表的欧洲和美国在灵巧手方面的研究非常活跃，典型代表是意大利研制的DIST手(图1.4)和UB手(图1.5)、德国宇航中心研制的两代DLR手(图1.6，1.7)以及美国宇航局研制的NASAquartz插件>高梁红手(图1.8)等。利用相关领域的成果，这些灵巧手具有很高的集成化和智能化水平，标志着灵巧手的研究已经进入了一个成熟的发展阶段。我国的灵巧手研究起步较晚，北京XXXX大学于80年代末开始灵巧手的研究与开发，其代表为BH系列灵巧手。图1.9就是BH-4型灵巧手。哈尔滨工业大学机器人研究所与德国宇航中心机器人与系统动力学研究所开展合作，双方基于DLR II共同研制开发了HIT/DLR机器人灵巧手，如图1.10所示[ 1 ]。
