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【摘要】机器人技术是电子、机械、人工智能等各个领域新技术的结晶，其中仿生机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备，由于在特殊科研和生产环境下的准确性和强适应性，机械手被广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等行业，随着人类科学技术的进步和社会的不断发展，人类探索发现的领域也不断拓宽，未知和不确定因素与环境也给人类工作带来更多的危险，如辐射区、高空作业、地下釆矿、深海作业、探险救援、航空航天等，且在一定程度上工作者与控制对象存在空间跨度，所以迫切需要人机协作完成一些高危任务。本文阐述了仿生机械手研发的国内外发展现状与存在的问题，并针对这些问题对仿生机械手进行了三维建模以及运动学仿真，同时阐明了仿生机械手研究对社会生活的现实意义。

【关键词】仿生机械手;三维建模;运动学仿真

机器人技术的发展是一个国家高科技水平和综合能力的重要标志，而服务机器人是未来社会发展的必然产物，对于服务机器人的研究，尤其是仿生机器人的研究是具有巨大经济价值和历史意义的，其原因有二：第一，世界老龄化进程的加快，尤其是中国也正进入老龄化社会，照顾老人问题即将成为一个严重的社会问题，而仿生机器人在解决这一社会问题中有着不容置疑的作用;第二，由于各种灾难和疾病造成的残障人士也逐年增加，他们需要越来越多的关心和照顾，如果采用专门的人力将严重增加社会的负担。所以对于服务型机器人的研究，显得格外重要。目前有很多服务型机器人，但是没有一个机器人可以像人一样有一双灵巧的手，完成只有人类才能实现的复杂动作，本课题就是针对这一问题从仿生机器人的机械手开始研究的。

一、国内外发展现状与问题

从1960年由通用电气公司设计制造的造型为两只手指的爪状物开始，为以后的各类机械手打下了基础，到现在为止美国的宇航局（NASA）、哈佛大学和耶鲁大学，日本的东京大学在机械手的研究上都取得了不小的突破。我国机械手的研究比较晚但是也做了很多工作，国防科技大学、哈尔滨工业大学也研制出了多指灵巧手。尤其是哈尔滨工业大学机器人研究所研制的“仿生型机器人灵巧手”，2006年5月亮相德国慕尼黑国际机器人及自动化展览会，以其精美的外观、可靠的软硬件系统等赢得了众多参观者的赞赏，并率先进入了国际市场。

由此可见，目前多数国家和企业高校都在对仿生机械手进行研究与设计，不过现在还存在一系列问题，例如：价格昂贵，实时性不理想，设备笨重，并且大都停留在实验阶段，这些都制约其在实际当中的应用。

二、五指仿生机械手设计

本文设计的五指仿生机械手具有的优势有：采用欠驱动控制方式，所以机械系统大大简化，机械手大小基本与普通人手大小一致，便于安装到各种服务机器人的移动平台上;同时每个手指都靠手指末端拉力进行运动，也就是说只需要一个拉力便可以实现机械手指的人类手指运动方式，结构紧凑、便于控制、动作灵活;材料可以采用塑料纤维进行加工实现，因此质量轻、价格便宜，易于普及;可以采用嵌入式的控制方式进行控制，处理速度快，响应时间短。可帮助人们在极端或有害环境下安全、有效地从事科研和生产等活动，其中仿生机械手具有与人手相似的外形，可代替人手完成高危工作。力反馈手套采用电阻应变片作为感知层，采集穿戴者手部动作信息。参考人类手部结构，本文采用腱驱动方式驱动手指关节，并通过穿戴在手上的力反馈数据手套，实时控制机械手的运动。针对有线控制机械手在某些存在空间跨度的危险工作环境下不能被应用的问题，本文搭建了PC端应用层软件和云平台配合机械手的无线控制，并在安卓端进行了简单地云平台联网测试。整个系统分为穿戴端、执行端、PC端和云端四个部分，穿戴端主要是由电阻应变片、微控制器和无线传感模块组成的力反馈数据手套，其中电阻应变片能够采集穿戴者手部动作由力产生的形变信息，并反馈到微控制器，再由微控制器把动作信息发送到云端和执行端;执行端主要是由大扭矩舵机、微控制器和无线传感模块组成的仿生机械手，将接收到的形变信息映射到舵机的扭矩角度，从而重现穿戴者的手部动作。

本文通过Solidworks对五指仿生机械手进行建模，其单指与整手建模图形如下所示：

本文通过ADAMS实现仿生机械手的运动学仿真，其仿真图形如下所示：

三、现实意义

对于仿生机械手的研发对社会有着重要意义，其一：对于服务机器人的研制，尤其仿生机器人的研究应用，必将对机器人行业起到积极地促进作用;其二，仿生机械手的研发隶属于制造业，其研制成功与推广，可以增加就业，创造经济价值;其三，其技术的实现可以促进制造业的信息化、自动化和产品的智能化，提升产品技术含量和附加值，从而促进制造业相关技术领域的发展;其四，实现服务机器人上机械手的灵活运动与控制，对于老年人以及残障人士在心理上和身体上都非常有益处，“十二五”期间，我国有8500万残疾人，逾1/3有辅助器具需求。通过组织实施辅助器具服务实施方案，为残疾人提供各类辅助器具600余万件，培训辅助器具专业服务人员万余人次，覆盖城乡的辅助器具服务网络逐步完善，为残疾人提供个性化辅助器具适配服务的能力进一步提升。全国残疾人基本服务状况和需求专项调查（2015年）显示，我国有758万有辅助器具需求的持证残疾人和残疾儿童未得到基本的辅助器具服务。预计“十三五”期间，我国有8800万残疾人，超过20%的人有辅助器具的需求，预计将为残疾人提供各类辅助器具700余万件。为解决我国社会问题，创建和谐社会做出贡献。