摘要：仿生机械手是一种模拟生物抓握功能的机器人装置，通常具有灵活的关节和手指，能够进行多种形状和角度的抓握，应用场景广泛。介绍了一种仿生机械手的创新设计，旨在实现灵活性和稳定性的提升。腕关节采用交叉“十字轴”结构，具有前后和左右摆动的自由度。机械手指部分由推杆电机和连杆机构驱动，以增强机械手的灵活性。使用SolidWorks软件构建机械手的三维模型，并运用改进的D-H参数法建立运动学方程。通过MATLAB软件进行运动学仿真分析，并利用蒙特卡洛方法进行可视化分析，验证机械手设计的可行性。针对机械手抓取过程中末端速度进行计算分析，为机械手控制提供理论依据。研究结果能为仿生机械手的结构创新和性能提升提供有益参考。

　　关键词：仿生机械手；结构设计；运动学仿真；MATLAB

　　0引言

　　近年来，仿生机械手作为机器人技术领域的一项重要研究课题备受关注[1]。通过借鉴生物学中生物形态和运动特性的设计原理，仿生机械手不仅具备出色的灵活性和适应性，还可实现高度精准的运动控制[2-3]。与常见的工业机械手相比，仿生机械手因具备自然界生物体的结构和运动原理，能够更好地适应复杂和不确定的环境。这使得其在医疗手术、残障人士辅助和危险环境操作等领域具有广阔的应用前景[4]。

　　仿生机械手的研究已经进入了较为成熟和广泛推广应用的阶段。目前的研究重点主要集中在进一步提升仿生机械手的性能和功能，使其更加精确、灵活和智能[5]。研究人员致力于开发新的材料和结构设计，以实现仿真生物手部的运动特性和感知能力[6]。同时在探索更先进的控制算法和人机交互技术，以提高机械手的操作精度、自适应能力和协同性[7]。斯坦福大学研发的Stanford/JPL机械手[8]，开拓了仿生机械手创新设计的先河。该机械手通过绳索和绳轮的组合，构建了一种能够传递力和运动的系统。这种设计使机械手能够灵活地调整形状和位置，以适应各种复杂的工作环境。国内仿生学末端执行器的研发也取得了一定进展。其中，清华大学研制的TH型机械手采用了欠驱动原理，展现出优秀的抓取性能，是一项令人瞩目的成就[9]。

　　当前市场上的机械手主要采用预编程控制，虽然准确性有所提高，但现有的拟人手[10]多是通过线或铁丝来驱动关节，因此只能实现手指的弯曲或者伸直两个动作，不能精准控制手指各个关节的弯曲程度，手掌无法实现水平摆动，导致机械手的灵活性显著降低，并且缺乏跟随能力，因此亟需一种灵活性强、运动稳定的仿生机械手。

　　本文针对仿生手的灵活性，提出了一种“独立线性驱动”方式，以电动推杆作为动力源，结合连杆机构，实现手指关节的伸出和弯曲运动。底座借助“十字”交叉轴和“Y形”支撑机构，全面提升了机械底座的稳固性。同时借助运动学方法，对该机械手进行正运动学和逆运动学分析，为该机械手的控制提供有力的理论支持，为实现精确和可靠的机械手操作奠定基础。

　　1仿生机械手创新设计
       1.1机械结构

　　所设计的仿生机械手包括手掌、手指、底座3个部分。

　　机械手掌如图1所示。手掌掌面相较于普通机械手掌模仿人手掌的结构进行设计，掌心设有防滑面，采用弹性橡胶材料来增大表面摩擦力以提高机械手抓取物体时的防滑效果。

　　机械手指如图2所示，每根手指采用了2个可独立控制的直线电动推杆进行驱动。相较于绳轮结构，该手指拥有2个自由度，能够精准控制各个关节的弯曲程度，提升了手指灵活度，同时保证了运动的稳定性。机械手指运用了巧妙的连杆结构，机构简图如图3所示，按照平面机构自由度的计算公式，该机械手具有2个自由度，计算如下：

　　F=3n-2Pl-Ph=2

　　式中：n为活动构件数；Pl为低副数；Ph为高副数。

　　机械手的底座模仿仿人体手腕关节，设计了一个具有前后和左右运动功能的“十字”交叉轴。同时采用了“Y形”结构进行托举，确保机械底座的稳定性。与仅能进行前后摆动的机械手相比，该机械手具有更广泛的适用性和操作空间。底座具体设计如图4所示。

       1.2工作原理

　　本文仿生机械手的手指采用电动推杆驱动，每根手指均配有2个电动机，分别安装在电机盒的位置，如图5所示。

工作时，首先是近指端的直线电机通过带动推杆的前后运动使得整个手指绕着手掌连接点转动，远指端的直线电机通过推杆的前后运动以驱动手指末端的连杆结构，从而实现手指末端的“屈与伸”运动。手掌底通过2个电机驱动，完成整个手腕关节“前后”和“左右”2个方向的运动。其中，底座下方的电机驱动通过旋转轴连接中心轴，中心轴连接于上部分结构，从而模仿了人体手腕关节的“左右”摆动。而底座上方的电机通过旋转轴连接于中心轴，并通过与手掌的连接，模仿了人体手腕关节的“前后”摆动。该机械手在实际应用中，首先利用运动学分析出各个关节的位置参数，然后通过控制器输出各关节电动推杆驱动电机的实际转动角度，根据控制策略可以实现对机械手关节的独立驱动和整个机械手的联合运动控制。

　　2运动学分析
      2.1正运动学

　　机械手正运动学的求解是联系机械系统和运动控制系统的关键过程[11]。正运动学分析是用机械手已知的各运动关节参数来求解手指末端的位置参数，可为机械手的控制提供依据。

　　所设计的仿生机械手各关节运动参数已知，可在每个关节上建立一个坐标系，通过各关节的参数可以求解出每个坐标系的位置关系，由于该机械手指尖是欠驱动连杆机构，只需建立指节末端伸缩电机（简称指节末端）和关节运动之间的关系，适合采用改进后的D-H参数法进行分析。

　　D-H参数法的基本原理是在机械手的各个连杆上建立固连坐标系，通过齐次变换矩阵来描述第i-1个和第i个连杆之间的坐标系变换。1986年，Craig在D-H参数

　　建模法的基础上提出了改进的D-H参数建模法，如图6所示。

改进的D-H参数建模法与标准D-H建模方法的区别在于它将第i个连杆的固连坐标系的原点设置在连杆的首端。

　　根据改进的D-H参数建模原理，第i-1个和第i个坐标系之间的变换矩阵[12]如下：

　　依据改进D-H参数法对单根手指各指节建立坐标系[13]，如图7所示。

oxyz为初始状态的全局坐标系，x1y1z1、x2y2z2、x3y3z3、x4y4z4为基于各关节运动变化的动态参考坐标系。以全局坐标系原点为起点，按照各关节顺序，定义各腕节（指节）长度为ai-1，腕节（指节）间的转角为θi，腕节（指节）的扭角为αi-1，2个腕节（指节）间的距离为di。

　　根据所建立的坐标系，列出其对应的D-H参数表，如表1所示。

　　至此，通过前面所述的正逆运动学分析以及联立平面机构关系，可以为控制机械手达到期望位姿提供理论依据。同时，也证明了机械手正向运动计算过程的准确性。

　　3运动仿真

　　完成上述仿生机械手指设计和正逆运动学理论计算后，利用MATLAB中的Robotics Toolbox工具箱来建立机械手的仿真模型，并验证其抓取运动空间及相关运动参数。

借助表2中的相关参数，通过可视化图形来验证机械手设计的可行性。由于机械手采用模块化设计，每根手指的运动控制情况相同，现对其任意一根手指进行分析。基于前面所建立的改进后的D-H参数模型，利用Robotics Toolbox使用Link（）函数[15]建立其对应的连杆模型，如图8所示。

依据各指节的变量关系及变化范围，利用蒙特卡洛法[16-17]求解机械手单根手指的抓取运动空间，并运用fkine（）函数生成空间点集云图[18-19]，如图9所示。根据手指模型在空间内的点集云图对应的坐标参数（表3），与运动学理论计算结果一一对应，验证了前面的运动学分析的合理性。经过机械手空间运动仿真验证，采用Jtraj（）函数[20]对机械手的指节在抓取运动中的速度进行了分析和计算。利用Jtraj（）函数可以获得机械手末端执行器与各个关节之间的速度关系，从而为后续机械手速度控制提供理论依据。图10和图11所示分别为根据已知关节转动角度和移动位移数据（表2）计算得出的机械手末端执行器速度曲线。

      4结束语

　　本文展示了一种仿生机械手创新设计和仿真分析的过程。针对仿生手的灵活性，提出了一种“独立线性驱动方式”，通过电动推杆联合连杆机构，实现手指关节的伸出和弯曲运动。底座采用了“Y形”结构支撑，显著提高了机械底座的稳固性。除此，本文还采用正逆运动学分析以验证机械手设计的合理性。首先利用Solid-Works软件建立了三维模型，并对其结构的创新设计以及工作原理进行了阐述。随后基于改进的D-H参数法建立了运动学方程，并分别进行了正运动学分析和逆运动学求解。通过使用Robotics Toolbox工具箱，建立了连杆模型，并进行了机械手的空间运动仿真和可视化分析。最后使用Jtraj（）函数计算和分析了机械手末端的运动速度，为后续的控制和实验提供了有效的理论依据。

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