基于3D打印技术的仿人机械手的设计及简易实现

《工业控制计算机》2018年第31卷第1期

傅思程(四川成都石室中学北湖校区，四川成都610051)

吴静漪(四川成都第七中学，四川成都610050)

陈中柘(电子科技大学，四川成都611731)

摘要：机械手是机器人的核心，在自动化生产过程中起着不可忽视的作用。设计了基于3D打印技术的机械手的结构以及控制系统，设计了适用于3D打印的各手指节及手掌，构建了机械手的整体结构。动力部分以舵机为动力源，通过单片机控制舵机，舵机驱动机械手的根指节，根指节与其他手指之间以鱼线和橡皮筋进行软联接。舵机通过拉伸鱼线并在橡皮筋的回复力作用下完成对手指的控制，从而模拟人手的各个活动，完成既定的任务。为基于3D打印技术的自动控制机械手的设计提供了参考方案。

关键词：机械手,3D打印，自动控制，简易实现

Abstract押In this paper熏a structure and control system of a humanoid robotic manipulator are presented.The finger sec⁃tion and palm manufactured by3D printer constitute the massive structure of the robot hand.The steering engines con⁃trolled by a single chip computer are the power source of the robot hand.The steering engines drive the root joints which are connected to the other joints by fishing l价格搜索

ines and rubber bands.The steering engines control the fingers to simulate the action of mankind by stretching these fishing lines熏with the help of the restoring force for the rubber bands.This paper pre⁃sents a scheme to design a manipulator based on3D printing technology.

Keywords押the robotic manipulator熏3D print熏automatic熏simply implementation

传统机械手都是以机械手段加工制造，难以加工各种复杂曲面。应用3D打印技术完美的解决了这一难题。3D熔融沉积快速成型可以打印出任意实体模型，打印出与人手指相似的基础支撑，再与机械设计相结合，可以高度模拟人手指的各个活动。

本文基于3D打印技术，设计了机械手的结构，机械手传动系统以及控制系统。机械手的结构由手掌和手指节构成，通过鱼线进行连接。动力部分以舵机为动力源，通过单片机对舵机进行控制。舵机和手指以鱼线链接，舵机通过拉伸鱼线并在橡皮筋的回复力作用下完成对手指的控制，从而模拟人手的各个活动，完成既定的任务。

1仿人五指机械手的结构设计及装配

仿人机械手主要由手部、传送机构、驱动系统、控制系统所组成[1]。在程序控制下，采用一定的驱动系统，通过传送机构使执行机构的相应部位按一定的运动轨迹和速度，在规定的时间完成期望的动作。

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本文设计的机械手完全模拟人手来设计，以便模拟人手的动作，因此，本机械手在结构、外观和尺寸上，基本与人手相似，材料采用工程ABS塑料，又保证了结构本体质量较轻，同时还需具备人手的灵活性和良好的可操作性。

1.1机械手的结构设计

本设计的机械手从结构、功能上模仿了人类的手指。各手指均由三个指节组成，即指尖、中指节和近指节，其尺寸与人手相仿。拇指有两个关节，包含2个转动副，其余四指每指均包括3个关节，每个关节有1个转动副，每根手指分别与一根鱼线联接，装在手掌上。在完成预设功能的基础上，为了简化结构，降低重量，四指仅设计了屈曲功能，而没有考虑侧摆的功能。大拇指和中指所在手掌平面呈15°的倾斜角度。五指均由舵机驱动，通过键联接装置将力传递给手指各关节。

图1是整个手掌的实际外形结构图。大拇指是二自由度，其余四手指是三自由度，五指配合，协调工作。橡皮筋为每个手指关节之间供回复力，指根关节是主动关节，由一个舵机驱动，随着舵机的转动，使手指做出期望的动作。每个关节上的橡皮筋与机械联接所形成的限位，使指节在没有外力作用时，保持两指节在一条直线上，限制手指在一定区域内运动，使其不产生多余的动作。根据所要达到的期望动作和任务，在结构上进行了简化设计，并没有按照传统的设计，在每一个关节上安装驱动的鱼线，而只是在末指关节安装了鱼线作为肌腱，其它关节则通过橡皮筋与末指关节联接，在末指节

的驱动下，橡皮筋产生的回复

力可以带动其他指节产生运

电磁炉热水器动。每一个手指分别由一个独

立的舵机控制。试验证明，这

种设计不仅在结构和装配上

得到了简化，同时在执行手指木醋液

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智能装备与系统的抓、握、捏动作时，更柔软、

轻巧，并且能够完成较为复杂

的动作[2]。

1.2机械手的装配

仿人机械手各零部件的加工由3D打印完成，综合了性能，造价，和工艺方面的比较，选用工程塑料A

BS作为3D打印机械手的材料。由于手指在工作时受到拉压和剪切作用，细长的轴和销钉若采用3D打印加工成型，容易破坏，故采用尺寸相同的鱼线代替，并与螺钉轴承等标准件结合，完成机械手的装配[3]。两个手指关节之间用螺钉连接，手指的手掌一侧自上而下连接有鱼线，用来传递舵机的动力，将鱼线形成的腱连接安装于手指的一侧，这样形成的力矩可以使手指受力向手掌弯曲。而手指的手背一面的各个关节之间安装有橡皮筋，如图2a所示，利用橡皮筋的弹力形成手指的回复力，还可以通过调整橡皮筋的松紧或增添橡皮筋的数目来方便地调整手指回复力的大小。再将整个机械手通过两根M6的钢立柱将机械手固定在铝板上。将舵

基于3D打印技术的仿人机械手的设计及简易实现Design and Simply Implementation of Manipulator Based on3D Printing

Technology

图1机械手装配体

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