1. 研究目的与意义（文献综述）
1.1目的及意义
机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着新型材料的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。
1.2国内外研究现状
近年来，随着国内外假肢手领域相关学者的深入研究，大量的仿人假肢手被研制提出，如，iLimb-Hand[1]，TMB Hand[2],TBHand[3]。假肢手的发展经历了由灵巧手到耦合单自由度再到欠驱动稱合单自由度假肢手的发展历程。灵巧手运动灵活、操作精准，能完成各种复杂工况下的抓取任务，因此在工业及航空航天领域中得到了广泛的运用。现有的发展成熟的灵巧手有：年日本设计的Gifu HandⅡ[4], 2003年德国研制的DLR[5]手，以及哈尔滨工业大学联合DLR以DLRⅡ为基础研制了灵巧手DLR/HITⅠ、DLR/HITⅡ。然而由于灵巧手结构复杂、体积庞大、笨重以及控制难度大等缺陷，使现有的灵巧手很难达到假肢佩戴者的要求。
欠驱动假肢手目前主要有三种实现模式：差动齿轮驱动模式、连杆驱动模式和鍵驱动模式。其中差动齿轮驱动模式下的欠驱动假肢手主要有：2004年，日本假肢手研究者K Koganezawa[6]等设计的一种基于稱合差动轮系设计的欠驱动自适应假肢手；以及中南大学于2012年设计的基于差动轮系的耦合单自由度假肢手[7]。连杆驱动模式下的欠驱动假肢手主要有：2007年，上海交通大学的茅一春等人基于计的基于TBM Hand[8]连杆传动的欠驱动耦合自适应假肢手；意大利卡西诺大学G.Carbone等人于2008年对LARM Hand进行改进，在原有的刚性传动连杆中引入了弹性元件设计的欠驱动自适应假肢手。腱驱动模式的欠驱动假肢手主要有：意大利博洛尼亚大学于2005年成功研制出的假肢手UB Hand3[9];2006年，意大利Loredana Zollo等人研制出的RTRⅡ改进手；哈尔滨工业大学于2010年设计的一套腱驱动假肢手[10]。基于差动齿轮驱动的欠驱动假肢手，由于其结构复杂，加工及安装精度较高目前并未得到广泛的运用。基于连杆驱动的欠驱动假肢手刚度高、抓握力大、可控性强，但结构复杂、尺寸较大、比较笨重。此外，由于耦合杆件数目较多，加上弹性元件的引入，因此很难对该类假肢手进行结构优化及理论分析。基于腱驱动的欠驱动假肢手结构简单、紧凑，体积小重量轻，易做到与人手的外形、尺寸、重量一致。但该类假肢手的刚度较小，手指的抓握力也比较小。
目前假肢手领域最为常用的驱动方式主要包括以下几种：
(1)电机驱动
电机驱动具有驱动位移大、驱动电路简单、能耗低、控制方便等优点，近年来，在假肢手领域得到了广泛的发展与运用。电机驱动灵巧手中，电机一般安装在手指指节内通过圆锥齿轮传动驱动各指节，如Gifu HandⅡ。电机驱动锅合单自由度假肢手或欠驱动假肢手中，则通过四杆机构，如TBM Hand, UB Hand3或驱动腱，如RTRⅡHand3，将电机驱动力传递到各指节。
然而电机的功重比较低，在满足尺寸、重量限制下，电机的输出功率较小。为满足假肢手指的抓握力要求，驱动电机一般与大传动比减速器结合使用，但这显著降低了假肢手的抓握速度。
（2）气压驱动
气压驱动是以空气作为传动元件，气虹或气动肌肉为系统执行元件，驱动各指节转动。气压驱动具有驱动力矩、位移较大，驱动灵活等优点，在灵巧手领域得到了广泛的运用。气压驱动假肢手主要有两种实现模式：第一种是液压执行元件直接安装在手指各指节驱动手指转动，如浙江工业大学先后研制的基于气动柔性驱动器的FPA多指灵巧手[11]和ZJUT Hand[12]。第二种气压驱动模式是气动肌肉或气压虹置于假肢手臂内通过腱传动驱动假肢手指。如，北京理工大学研制的气动肌肉驱动灵巧手[13]、波特兰研制的气动假肢手[14]以及英国研制的Shaodow Hand[15]。
气压驱动假肢手由于其驱动系统复杂、制造成本高、噪音大等缺陷，导致气压驱动假肢手实用性较差，近年来该领域的发展速度较为缓慢。
（3）液压驱动
液压驱动是以油液作为传动元件，液压赶或液压马达为执行元件，驱动各指节转动。液压驱动具有驱动力矩大，传动效率高等优点，在灵巧手领域得到了广泛的运用与发展。现有的液压驱动假肢手主要实现方式是将液压执行元件置于各手指关节，直接驱动手指转动，而手指的回复运动则由弹賛驱动实现。如，德国研制的液压驱动仿人手，吉林大学研制的三关节仿人灵巧手。高压油液进入液压驱动器后，手指弯曲抓握，而手指的回复运动则由回复弹黃驱动。
液压驱动对系统元件的密封性能要求较高，元件的加工、安装精度高，制造成本高昂。此外’液压系统质量重，维护成本高，易对环境造成污染。
（4）形状记忆合金驱动
形状记忆合金驱动通过合金的加热收缩变形驱动手指弯曲转动。形状记忆合金驱动具有功重比高、质量轻、输出力矩大、驱动电路简单等突出优点，近年来多种新颖的形状记忆合金驱动假肢手被研制成功。形状记忆合金驱动假肢手主要分为两种类别：第一种是形状记忆合金偏动式驱动假肢手，该种假肢手的弯曲运动由形状记忆合金的加热收缩驱动，而假肢手的伸展释放则由回复弹簧驱动。如，韩国东义文大学设计的SMA驱动假肢手。该类假肢手的回复是通过合金丝冷却，回复弹簧驱动实现的。
第二种是形状记忆合金差动式驱动假肢手，该类假肢手的弯曲抓握与伸展释放都由合金丝加热收缩驱动[16]。如，英国剑桥大学的SBC Hand[17]，以及加拿大维多利亚大学设计的形状记忆合金驱动假肢手。由于假肢手的回复仍由合金丝加热收缩驱动，故与第一种类别相比，显著提高了假肢手的工作频率。
为满足假肢佩戴者对假肢手的尺寸、重量、外形、抓握速度、抓握能力等要求。假肢研究者对假肢手驱动器提出了以下几个相关方面的性能评价指标：重量、尺寸、输出力矩、驱动位移、响应速度、噪音、结构复杂性、能耗以及控制性能等。通过以上对现有的四种驱动模式的初步分析与对比研究，得出了如表所示的性能对比分析表。
表1-1驱动性能比较
| 性能指标 | 电机驱动 | 形状记忆合金驱动 | 气压驱动 | 液压驱动 |
| 功重比 | 中等 | 高 | 低 | 低 |
| 输出力矩 | 中等 | 高 | 高 | 高 |
| 驱动位移 | 高 | 低 | 高 | 高 |
| 响应速度 | 中等 | 高 | 低 | 高 |
| 噪音 | 中等 | 低 | 高 | 中等 |
| 机构复杂性 | 中等 | 低 | 高 | 高 |
| 能耗 | 低 | 高 | 中等 | 中等 |
| 控制性能 | 高 | 中等 | 中等 | 高 |
在上述介绍的现有四种常用驱动模式中，各种驱动模式都存在自身的优点与缺
陷。这次课题中，我们采用形状记忆合金驱动方式。
2. 研究的基本内容与方案
目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机械手共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。主要研究内容集中在以下几个方面：
(1)机械手的优化设计
3. 研究计划与安排
（1）收集、准备参考资料，查阅文献，最后完成开题报告2016.03.04—2013.03.16
（2）完成所有设计的总体结构设计和计算任务 2016.03.17—2016.04.25
（3）完成所有毕业设计的图纸和相关毕业论文的撰写2016.04.26—2016.05.20
4. 参考文献（12篇以上）
[1] 刘德忠、费仁元、任英.形状记忆合金丝驱动的微型机械手.制造技术与机床，2001，2001年第9期：23～24.
[2] 陶宝淇.智能材料结构.[m].北京：国防工业出版社,2003,12.
[3] 杨大智,张连生,王凤庭.形状记忆合金[m].大连:大连理工大学出版社,1998:1～4.
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