【摘要】：隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展,太空活動(dòng)不斷增加,宇航員將面臨更多危險(xiǎn)的任務(wù)。將空間靈巧手這類多功能靈巧操作工具安裝在機(jī)械臂末端可以代替或協(xié)助宇航員完成許多危險(xiǎn)工作,因此許多國家都開始了空間靈巧手的研制工作。本文介紹了一種面向空間操作環(huán)境的腱傳動(dòng)靈巧手指的傳動(dòng)分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。首先,分析了腱傳動(dòng)靈巧手的研究現(xiàn)狀和特點(diǎn)。介紹了國內(nèi)外腱傳動(dòng)靈巧手的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀,總結(jié)出腱傳動(dòng)靈巧手的設(shè)計(jì)思路和使用腱傳動(dòng)所需解決的問題,包括關(guān)節(jié)解耦、路徑設(shè)計(jì)、腱繩預(yù)緊固定和摩擦力控制。其次,分析了腱傳動(dòng)系統(tǒng)。進(jìn)行手指整體設(shè)計(jì),模塊化手指包含4個(gè)關(guān)節(jié)和3個(gè)自由度,由3個(gè)電機(jī)通過N型腱驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)。分析了手指運(yùn)動(dòng)學(xué),求出了不同類型的外載荷產(chǎn)生的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩和平衡關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩所需的腱繩內(nèi)力,分析了腱繩路徑對(duì)腱繩內(nèi)力和電機(jī)功率的影響規(guī)律,提出了腱傳動(dòng)手指的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想,得到最佳的傳動(dòng)路徑方案。再次,進(jìn)行手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。手指從功能上分為手指關(guān)節(jié)、腱傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)模塊和傳感器系統(tǒng)四部分;手指關(guān)節(jié)包含指間耦合關(guān)節(jié)和基關(guān)節(jié)兩部分,耦合關(guān)節(jié)采用腱繩耦合,基關(guān)節(jié)由垂直交錯(cuò)的十字軸和滑輪組組成,可實(shí)現(xiàn)兩自由度耦合運(yùn)動(dòng);腱傳動(dòng)系統(tǒng)包括腱繩的選材、預(yù)緊、固定、導(dǎo)向和路徑設(shè)計(jì);驅(qū)動(dòng)模塊的獨(dú)特設(shè)計(jì)允許腱繩從手指中間引入到關(guān)節(jié)端,使得手指外形對(duì)稱,有利于后續(xù)的靈巧手的設(shè)計(jì);傳感器系統(tǒng)包括位置傳感器、力矩傳感器和張力傳感器,位置傳感器由電機(jī)內(nèi)的霍爾傳感器和關(guān)節(jié)端霍爾傳感器組成,布置在基關(guān)節(jié)前端的力矩傳感器可測(cè)量基關(guān)節(jié)的二維力矩和遠(yuǎn)端指間關(guān)節(jié)的力矩,分析了張力傳感器布置的必要性和布置位置。最后,分析了手指傳動(dòng)關(guān)系并通過試驗(yàn)檢驗(yàn)手指性能。分析了腱繩摩擦和腱繩延展對(duì)手指傳動(dòng)關(guān)系造成的影響,得到了手指驅(qū)動(dòng)空間到關(guān)節(jié)空間的映射關(guān)系。組裝一個(gè)手指進(jìn)行運(yùn)動(dòng)試驗(yàn),驗(yàn)證了手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V44;TP241
【圖文】：

圖 1-1 日本靈巧手 Okada handPL hand 是由美國斯坦福大學(xué) Salisbury 于 1982 年研了模塊化的設(shè)計(jì)思想，是現(xiàn)代意義上靈巧手的典型巧手由三根相同的手指組成，手指驅(qū)動(dòng)形式采用“N含 3 個(gè)自由度。Stanford/JPLhand 是第一個(gè)具備完置、觸覺等傳感器）的靈巧手，對(duì)于靈巧手的發(fā)展他州立大學(xué)和美國麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制了 Utah/M界上第一種能實(shí)現(xiàn)靈巧操作的多指機(jī)械手。它具有 每個(gè)手指有 4 個(gè)關(guān)節(jié)和 3 個(gè)自由度，由氣動(dòng)伺服缸距離傳動(dòng)。

圖 1-1 日本靈巧手 Okada handStanford/JPL hand 是由美國斯坦福大學(xué) Salisbury 于 1982 年研制成功的。該靈巧手首次采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，是現(xiàn)代意義上靈巧手的典型代表。如圖 1-2所示，整個(gè)靈巧手由三根相同的手指組成，手指驅(qū)動(dòng)形式采用“N+1 型”腱繩驅(qū)動(dòng)，每根手指包含 3 個(gè)自由度。Stanford/JPLhand 是第一個(gè)具備完整傳感系統(tǒng)（包括力/力矩、位置、觸覺等傳感器）的靈巧手，對(duì)于靈巧手的發(fā)展具有里程碑的意義。1985 年猶他州立大學(xué)和美國麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制了 Utah/MIT 手，如圖 1-3所示，這是世界上第一種能實(shí)現(xiàn)靈巧操作的多指機(jī)械手。它具有 4 個(gè)完全相同的模塊化手指，每個(gè)手指有 4 個(gè)關(guān)節(jié)和 3 個(gè)自由度，由氣動(dòng)伺服缸驅(qū)動(dòng)，使用腱繩和滑輪進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳動(dòng)。

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