摘 要

传统仿人机械手在驱动方案和关节结构上的复杂设计已经成为制约仿人机械手发展的重要因素。另一方面，智能材料中的SMA驱动器已经在众多领域得到了广泛应用。为了改进传统机械手设计中所存在的不足，提出设计一款基于SMA的仿人机械手，手指关节处采用SMA驱动器驱动弯曲，设计完成后使用3D打印技术进行加工制作。

首先确定关节处的SMA驱动器形式，随后完成仿人机械手中近远端指骨、手掌和连接盘的结构设计。在对局部结构进行有限元静力学分析和安全性评定后，使用3D打印机加工出设计的结构模型。对机械手的各打印部件进行安装，安装完成后实施弯曲实验和抓取实验，评价手指的弯曲与抓取效果。

实验结果表明，基于SMA的仿人机械手中的驱动器工作状态良好，达到了预期的弯曲效果，抓取功能正常，整个结构设计实现了高仿人、轻量化、低成本的设计目标。此次研究证明了SMA驱动技术和3D打印技术完全能够应用于仿人机械手的设计制造，且对机械手性能的改善发挥了积极作用。

关键词：仿人机械手；SMA驱动器；3D打印

Abstract

The complex design on the driving program and joint structure has become an important factor restricting the development of humanoid robot hand. On the other hand, SMA drive belonging to intelligent materials has been widely used in many fields. In order to solve the problems of the design of traditional robot hand, we propose a new method of humanoid robot hand based on SMA. It uses the SMA drive to make finger joints bend. After the design, we use 3D printing technology to manufacture the robot hand.

First of all, we need to determine the type of SMA drive of joints. Then completing the structural design of proximal phalanx and distal phalanx, palm and connecting plate of humanoid robot hand. After making finite element static analysis and safety assessment on the local structure, we use a 3D printer to get the structure body. Then installing all printouts of robot hand, conducting bending tests and grasping tests, making an evaluation on the bending and grasping actions.

Experiment results show that the drive of humanoid robot hand based on SMA is in good condition. It achieve the desired effect of bending, and the grasping function is normal. The entire structure design realizes the goals of highly humanoid, lightweight and low cost. This study demonstrates that the SMA drive technology and 3D printing technology can be applied to the design and manufacture of humanoid robot hand. They also play an important role in improving the performance of robot hand.

Key Words: humanoid robot hand; SMA drive; 3D print

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的背景、目的和意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究的目的和意义 2

1.2 国内外研究现状、研究内容和目标 3

1.2.1 国内外研究现状 3

1.2.2 研究内容 5

1.2.3 预期目标 5

第2章 机械手结构设计 6

2.1 SMA驱动方案设计 6

2.1.1 人手肌肉与骨骼结构分布 6

2.1.2 确定SMA驱动器形式 7

2.2 远端指骨结构设计 8

2.2.1 基础外形设计 8

2.2.2 连接结构设计 9

2.2.3 驱动支持结构设计 10

2.2.4 完成设计 11

2.3 近端指骨结构设计 12

2.4 手掌结构设计 12

2.4.1 框架结构设计 12

2.4.2 连接结构设计 13

2.4.3 驱动支持结构设计 13

2.4.4 完成设计 14

2.5 连接盘结构设计 14

第3章 指骨结构静力学分析 17

3.1 拉簧连接结构静力学分析 17

3.2 滑轮圆柱台结构静力学分析 18

第4章 3D打印加工与实验 20

4.1 3D打印加工 20

4.1.1 3D打印原理 20

4.1.2 打印加工过程 20

4.2 机械手弯曲实验 21

4.2.1 机械手结构安装 21

4.2.2 远端指间关节弯曲实验 21

4.2.3 掌指关节弯曲实验 22

4.2.4 手指弯曲实验 23

4.3 机械手抓取实验 23

4.4 基于SMA的仿人机械手定型 24

第5章 总结与展望 25

5.1 毕业设计总结 25

5.2 展望 25

参考文献 26

致 谢 27

第1章 绪论

本章主要介绍了此次毕业设计（论文）研究的背景、目的和意义。通过分析国内外对基于形状记忆合金的仿人机械手的研究现状，确定研究的方向，同时指出此次研究的内容和预期目标。

1.1 研究的背景、目的和意义

1.1.1 研究背景

（1）机械手的发展

1958年，世界上第一台机械手诞生于美国联合控制公司。作为最早研发并投入使用的工业机器人，在其出现之后，相关发达国家从未停止对机械手的研究与更新。1962年，机械手开始出现液压驱动形式。1978年，机械手的控制系统中开始使用小型计算机程序控制。自70年代初开始，机械手陆续正式应用于焊接、喷漆等工业生产场合^[1]。进入21世纪，机械手的发展与应用都达到了一个新的高度。在工业生产领域，如汽车和家电的自动化生产线上，布置有切割、焊接、喷漆型机械手；在医疗康复领域，手术机械手协助医生进行微细的手术操作，助残机械手可以帮助病人进行术后康复；在军事与救援领域，排爆和搜救机器人均以特殊机械手为结构基础，从而更好的从事危险与复杂的排爆搜救任务，保证了相关人员的安全。