張艷華 李嘉鵬

摘要：仿生機械手是現(xiàn)代工程作業(yè)的重要工具，在裝備制造、石油勘探、高空架設等諸多行業(yè)可代替人類完成重要的工作。在對人類手掌進行數(shù)據(jù)采集的基礎上，以手骨為連桿，以筋為驅(qū)動，設計了一款仿人手形狀機械手。利用 SolidWorks完成建模組裝，并使用運動算例進行仿手形機械手的運動仿真，再利用 SolidWorks里 Simulation插件對食指進行有限元分析，從而得到最優(yōu)的設計方案。最后結(jié)合3D打印技術將設計數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實際可行的 ABS材料仿手形機械手模型。該機械手由連桿機構(gòu)組成，具有和人手相似的外形和尺寸，通過5個二次原動機（舵機）帶動各手指機構(gòu)完成手指的屈伸運動，可實現(xiàn)“愛你”“OK”等手勢動作。結(jié)果表明，機械手設計合理，能運動靈活且可完成各種動作，滿足設計要求，食指最大可鉤住約20 N的重物。

關鍵詞：機械手;仿手形;SolidWorks;運動仿真;有限元分析;3D打印

中圖分類號：TP241文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）11-0175-04

Design Simulation and Physical Verification of Manipulator with Imitative Hand

Zhang Yanhua，Li Jiapeng

（Department of Electromechanical Engineering， Guangdong University of Science & Technology， Dongguan， Guangdong 523083， China）

Abstract： Bionic manipulator is an important tool in modern engineering work， which can replace human beings in many industries such as equipment manufacturing， oil exploration and high altitude erection. Based on the data collection of human hand， a manipulator with the shape of human hand was designed， which was driven by the hand bone and the rib. The model was assembled by SolidWorks， and the simulation of the manipulator was carried out by using the motion calculation example. Then， the simulation plug-in in SolidWorks was used to analyze the forefinger by finite element method， so that the optimal design scheme can be obtained. Finally， the design data was transformed into a practical and feasible model of ABS manipulator based on 3D printing technology. The manipulator is composed of connecting rod mechanism， which has the similar shape and size as the hand. It can achieve the gesture action of "love you" and "OK" by driving each finger mechanism to complete the finger flexion and extension movement through five secondary prime motors （steering gear）. The results show that the manipulator is reasonable in design， flexible in motion and can complete various actions， and meets the design requirements. The index finger can hook up to about 20N heavy objects.

Key words： manipulator; imitating hand shape; SolidWorks; motion simulation; finite element analysis;3D printing

0 引言

機器人技術是當今世界上最熱點的技術[1]，隨著工業(yè)生產(chǎn)的進步，機器人已被廣泛用來代替人類完成一些簡單和重復性的工作。機械手自20世紀60年代初問世以來，經(jīng)過60多年的發(fā)展，目前已成為機械制造業(yè)自動化生產(chǎn)中重要的機電設備。由于仿生機械手具備像人手一樣的5個手指和手掌，具有更強的靈活性和功能性，因而其可以代替人手在很多場合完成各類復雜和靈巧的操作，例如醫(yī)療手術、設備安裝與維修、家務勞動等[2]。仿生機械手已成為現(xiàn)代工程作業(yè)的重要工具，所以研究仿生機械手臂具有重要的意義[3]。

目前仿生機械手的研究已有很多進展，英國南安普敦大學的 C M Light 等[4]研制出輕型自適應多軸機械手，能夠用最小的力對物體保持穩(wěn)定的抓取。西安工程大學李振浩等[5]研制出一款結(jié)構(gòu)簡單、易于控制和抓取的自適應欠驅(qū)動仿生機械手。南京大學的戚杭州[6]對于以人手姿態(tài)控制仿生機械手運動進行了研究，實現(xiàn)了交互地用手實時控制真實的仿人機械手。

基于此，本文對于仿手形機械手的機械結(jié)構(gòu)進行了研究，首先確立了機械手的外形，然后進行運動方案的設計，確定采用連桿機構(gòu)，由舵機帶動完成手指的各種動作，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制。使用 SolidWorks 完成零件的建模和組裝，并進行了運動仿真和靜應力分析，最后采用3D 打印方式制作出實物對設計進行了驗證。

1 機構(gòu)設計

1.1 外形確立

仿手形機械手的外形，可通過對人類手部的輪廓、外形及骨骼分布進行各種數(shù)據(jù)的采集[7]，繼而利用SolidWorks 軟件對仿手形機械手進行三維建模。

首先，得了解人類的手，了解了之后才能預先設定好目標。人手骨骼分布如圖1所示。手之所以能運動，其動力源是手部肌肉的收縮，通過拉扯手部骨骼作出相應的動作。手骨包括掌骨、指骨和腕骨。而手勢動作主要由指骨完成，正常情況指骨共有14塊，拇指占2節(jié)，其余4指各占3節(jié)，由指尖向掌心依次為遠節(jié)指骨、中節(jié)指骨、近節(jié)指骨，除了遠節(jié)指骨沒有指骨滑車外，中節(jié)指骨和近節(jié)指骨都有指骨滑車和指骨底，每節(jié)指骨件由指骨底和質(zhì)指骨滑車兩兩相接，相當于機械結(jié)構(gòu)中的鉸鏈結(jié)構(gòu)，用于做旋轉(zhuǎn)運動，為手指運動提供自由度[8]。

充分了解認識了手部結(jié)構(gòu)之后，便可以建立仿手形機械手設計的原始參考尺寸體系。首先，確定每根手指的每節(jié)指骨長度及手掌的大概外形尺寸[9]，如圖2所示。其次，確定每根手指的最大彎曲角度，最后就是各個鉸鏈副的旋轉(zhuǎn)中心位置。

1.2 機械手運動方案設計

機械手運動方案設計的好壞，對機械手能否完成預期的動作、完成動作的質(zhì)量及機械手在制作出實物后的可行性等，都起著決定性的作用。

1.2.1 運動機構(gòu)形式及原理

由于手指的運動是通過指骨滑車和指骨底形成的鉸鏈進行指關節(jié)的擺動，而拉動指關節(jié)的筋骨是移動的。為了得到傳動穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、動作靈敏且制造容易的機械手，在對機械手機構(gòu)選用時，使用范圍廣、可調(diào)性較好、結(jié)構(gòu)簡單、制造簡單、維護簡單的連桿機構(gòu);在連桿機構(gòu)中能實現(xiàn)往返移動和往返擺動的則有曲柄搖桿機構(gòu)[10]。

1.2.2 運動規(guī)律

（1） 手指關節(jié)機構(gòu)運動

將機械手拆分為指關節(jié)部和動力部，動力部由動力源和曲柄完成，指關節(jié)部由搖桿及其他連桿完成。動力部中的動力源選用較為經(jīng)濟又合乎需求的舵機，不僅扭矩適中，而且還能定點保持機械手在某個角度的彎曲動作[11]。先將舵機的轉(zhuǎn)動動力傳送給機構(gòu)中曲柄，再由曲柄帶動搖桿，使搖桿輸出擺動動力，作往返擺動動作，以此完成機械手動作需求。其原理如圖3所示。圖中，其總成結(jié)構(gòu)由 ab桿作為曲柄轉(zhuǎn)動帶動bc桿推動cde桿，使cde桿可做往復擺動運動;而cde桿與eg桿錯位連接，eg桿跟隨擺動并且可形成差速，由此模擬出手指彎曲的運動狀態(tài)。其余指關節(jié)彎曲原理相同。

（2） 建立指關節(jié)結(jié)構(gòu)簡圖

在大量參考數(shù)據(jù)和理論的支持下，對仿手形機械手的設計有了初步的設計思路及整體架構(gòu)，建立仿手形機械手各手指指關節(jié)簡圖。食指指關節(jié)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.2.3 建模與組裝

根據(jù)設計出來機械簡圖所提供的指關節(jié)尺寸通過 SolidWorks三維建模，得到指關節(jié)模型，如圖5（a）所示。依次對其他手指指關節(jié)進行結(jié)構(gòu)設計并三維建模，并完成組裝。最終完成的機械手三維模型如圖5（b）所示。

2 運動仿真

整體的機械結(jié)構(gòu)三維模型已經(jīng)建模完成，但理論設計在實際生產(chǎn)制作中未必能到理想的結(jié)果，本部分通過使用SolidWords軟件中的運動算例對機械手進行運動模擬，以確保機械手設計的結(jié)構(gòu)可行性和動作合理性。

通過對各手指添加不同角度的馬達，機械手可以完成不同的手勢動作，其中“愛你”和“OK”手勢效果如圖6所示。

3 有限元分析

主要對機械手的食指進行靜應力分析，采用的是 SolidWorks Simulation模塊。

3.1 材料設置

由于制作本機械手選用的技術為3D 打印技術。3D 打印是根據(jù)其成型原理有著不同從成型材料，所用3D打印機的成型原理為 FDM （Fused Deposition Modeling）成型技術，此成型技術常用的材料有 ABS 、PC 類材料、 PLA 、尼龍等。目前，產(chǎn)量較大、應用較廣泛的塑料是 ABS 樹脂，且 ABS 材料具備超強的易加工性，外觀特性，在價格上占很大優(yōu)勢，產(chǎn)量大，購買方便。出于成本考慮，優(yōu)先使用 ABS耗材。

3.2 邊界條件

根據(jù)機械手食指的實際使用情況，對食指與手掌連接面施加固定幾何體約束，對旋轉(zhuǎn)處施加固定鉸鏈約束。對食指指尖上表面施加垂直向下的力，力的大小分別設置了100 N 、50 N和10 N三種情況。

3.3 網(wǎng)格劃分

鑒于食指結(jié)構(gòu)的復雜性，采用網(wǎng)格智能劃分方法進行網(wǎng)格劃分。采用【生成網(wǎng)格】，基于曲率的網(wǎng)格，最大單元大小和最小單元大小為采用默認數(shù)值，采用高品質(zhì)單元，雅可比點4點。

3.4 靜應力分析

完成上述設置后，便啟動有限元分析。經(jīng)分析計算得到的應力云圖如圖7所示。圖為對指尖施加10 N作用力的情況，可以看出得到的最大應力20.601 MPa ，沒有超出 ABS材料的屈服強度50 MPa 。但當對指尖施加100 N 和50 N時，最大應力分別185.66 MPa 、90.06 MPa ，遠遠大于 ABS的屈服強度。

以上說明使用 ABS 材料制作仿手形機械手時不應對其施加太大的外部載荷，否則會造成零件斷裂，導致?lián)p壞，而此模型僅用于實踐操作及效果展示，要想使模型更加實用，應選用其他剛性材料且選用其他工藝制作。

4 實物驗證

通過SolidWorks軟件將機械手的每個關節(jié)、連接桿及手掌分別另存為STL格式文件，再加載進3D打印機的切片軟件中進行切片。打印耗材使用ABS絲材，設置好打印機的參數(shù)，進行零件打印制作和組裝。結(jié)果如圖8所示。

5 結(jié)束語

本文主要研究了仿人手機械手的機械結(jié)構(gòu)設計，制作和運動仿真，詳細內(nèi)容如下。

（1） 通過研究和分析人手的骨骼分布和生理結(jié)構(gòu)特征，對機械手進行數(shù)據(jù)采集和運動方案設計，使用 Solid- Works進行三維建模以及運動仿真和有限元分析，完成了仿手形機械手的設計。仿真結(jié)果顯示，機械手可以完成各種動作，ABS材料制作的食指可承受約20 N的重物。

（2） 通過3D打印技術打印出大部分部件，制作出仿人手機械手實物，經(jīng)過實物驗證，機械手可以完成設計的手勢動作。

參考文獻：

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[11]潘炳成， 張禹，于浩然.一種四自由度水下機械手設計與運動學分析[J].現(xiàn)代機械，2021（2）：5-9.

第一作者簡介：張艷華（1978-），女，碩士，副教授，研究領域為機械制造及其自動化，已發(fā)表論文26篇。

（編輯：刁少華）