陈涛 杜福鹏

摘 要：文章以人手为仿生对象，采用欠驱动方式设计了一种仿生灵巧手，通过SolidWorks Motion对仿生灵巧手进行了运动学仿真分析。仿真结果表明，所设计灵巧手结构合理、控制简单。

关键词：灵巧手;欠驱动;运动学仿真

中图分类号：TM743  文献标识码：A  文章编号：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

像人手一樣灵活的多指灵巧手^[1-3]能够改善人们生活或工作方面的不便，可以广泛应用于工业制造、农业生产、娱乐服务、抢险救灾、家务劳动等领域^[4-6]，具有较大的实际价值和应用前景。高性能的通用型多指灵巧手是目前众多学者研究的热点之一。

本文以人手为仿生对象，结合机器人仿生学构建出所要设计的灵巧手的运动模型，采用欠驱动方式，通过三维软件实体建模并用SolidWorks Motion进行运动学仿真分析。

1 仿生灵巧手结构设计

1.1 仿生对象

人手由手掌和5指组成，小拇指、食指、中指和无名指各有三节指骨，按照它们在手指上的位置分别称作为远指骨（DP）、中指骨（MP）和近指骨（PP），大拇指仅有远节和近节两节指骨。腕骨是位于手掌末端与小臂之间的区域，其作用是连接了小臂与掌骨，如图1所示。

1.2 手指的驱动原理

本文采用欠驱动的驱动方式，在完成灵活抓取各类不同形状、尺寸、体积物体任务的同时，具有重量轻、控制简单等优点。如图2所示，每根手指由两根腱绳驱动，腱绳通过手掌，穿过近指骨，中指骨，远指骨最后将腱绳固定到指尖。

拉动蓝色的腱绳，并释放红色腱绳，蓝色腱绳由于手指内壁的约束手指关节开始弯曲，从而抓取物体。拉动红色腱绳，同时释放蓝色腱绳，红色腱绳受远指骨关节、近指骨关节、远指骨关节的约束，手指伸展开，如图3所示。

1.3 手指的结构设计

食指设计时，根据所测量得到的人手各关节的尺寸进行设计。本文所做实物使用3D打印机进行制造，所以设计时不用考虑加工方法，把手指设计的接近真人手指一样的圆柱型，内空式，为了很好地打印模型，必须把手指的每个指骨的模型分为两端。关节直接用销钉连接如图4所示。

手掌是采用拟人法，手掌没有做成一体，特别对小指，无名指和拇指进行特殊设计，使手掌更加拟人化，多了三个自由度操作更灵活，展开的形状与人手形状相似。效果如图5所示。

2 运动学仿真分析

本文采用虚拟样机技术对灵巧手进行运动学仿真分析，先对灵巧手进行建模，将建模灵巧手零件装配起来，对其进行约束和添加载荷。在仿真分析的过程当中，对不正确或不合适的地方进行修改与调整。

SolidWorks Motion仿真步骤如下：

（1）装配机械：SolidWorks完成所要仿真的机构装配。

（2）添加驱动：为将要仿真的运动件添加运动参数。

（3）运动仿真：设置仿真间隔、时间等仿真参数以后，点击运行，进行仿真计算。

（4）查看结果：查看运动件的运动特性和运动副的动力特性。

利用SolidWorks Motion对仿生灵巧手进行运动学仿真后，结果如下：

3 结论

以人人手为仿生对象，将人手分解为手指和手掌，采用欠驱动方式设计了一种仿生灵巧手，通过SolidWorks Motion对仿生灵巧手进行了运动学分析。下一步工作重心是对仿生灵巧手进行动力学，建立有约束的非线性优化模型，进行结构进一步优化设计。

参考文献

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