【摘要】：隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展,太空活動不斷增加,宇航員將面臨更多危險的任務(wù)。將空間靈巧手這類多功能靈巧操作工具安裝在機械臂末端可以代替或協(xié)助宇航員完成許多危險工作,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)境的腱傳動靈巧手指的傳動分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計。首先,分析了腱傳動靈巧手的研究現(xiàn)狀和特點。介紹了國內(nèi)外腱傳動靈巧手的發(fā)展歷史和研究現(xiàn)狀,總結(jié)出腱傳動靈巧手的設(shè)計思路和使用腱傳動所需解決的問題,包括關(guān)節(jié)解耦、路徑設(shè)計、腱繩預(yù)緊固定和摩擦力控制。其次,分析了腱傳動系統(tǒng)。進行手指整體設(shè)計,模塊化手指包含4個關(guān)節(jié)和3個自由度,由3個電機通過N型腱驅(qū)動方式驅(qū)動。分析了手指運動學(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,分析了腱繩路徑對腱繩內(nèi)力和電機功率的影響規(guī)律,提出了腱傳動手指的設(shè)計指導(dǎo)思想,得到最佳的傳動路徑方案。再次,進行手指結(jié)構(gòu)設(shè)計。手指從功能上分為手指關(guān)節(jié)、腱傳動系統(tǒng)、驅(qū)動模塊和傳感器系統(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)由垂直交錯的十字軸和滑輪組組成,可實現(xiàn)兩自由度耦合運動;腱傳動系統(tǒng)包括腱繩的選材、預(yù)緊、固定、導(dǎo)向和路徑設(shè)計;驅(qū)動模塊的獨特設(shè)計允許腱繩從手指中間引入到關(guān)節(jié)端,使得手指外形對稱,有利于后續(xù)的靈巧手的設(shè)計;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量基關(guān)節(jié)的二維力矩和遠端指間關(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,分析了手指傳動關(guān)系并通過試驗檢驗手指性能。分析了腱繩摩擦和腱繩延展對手指傳動關(guān)系造成的影響,得到了手指驅(qū)動空間到關(guān)節(jié)空間的映射關(guān)系。組裝一個手指進行運動試驗,驗證了手指結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性,為控制系統(tǒng)的設(shè)計奠定基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：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)動形式采用“N含 3 個自由度。Stanford/JPLhand 是第一個具備完置、觸覺等傳感器）的靈巧手，對于靈巧手的發(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界上第一種能實現(xiàn)靈巧操作的多指機械手。它具有 每個手指有 4 個關(guān)節(jié)和 3 個自由度，由氣動伺服缸距離傳動。

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，整個靈巧手由三根相同的手指組成，手指驅(qū)動形式采用“N+1 型”腱繩驅(qū)動，每根手指包含 3 個自由度。Stanford/JPLhand 是第一個具備完整傳感系統(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現(xiàn)靈巧操作的多指機械手。它具有 4 個完全相同的模塊化手指，每個手指有 4 個關(guān)節(jié)和 3 個自由度，由氣動伺服缸驅(qū)動，使用腱繩和滑輪進行遠距離傳動。

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