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灵巧手是机器人末端执行器的一种，是直接执行任务的装置，对提高机器人的柔顺性和操作性有着重要的作用。在灵巧手取书应用中，如何在不同环境下稳定地抓取书本一直是灵巧手领域的研究难点，这对灵巧手的结构设计提出了较高的要求。然而，现有的通用机器人手无法完成书本的抓取任务，现有的取书机器人手存在抓取不稳定及应用场景受限的问题。因此，本课题基于抓取平铺在桌面上的书本和紧密排列的书本这两种应用场景，提出了一种可重构的欠驱动三指灵巧手，完成了灵巧手机电系统搭建，并根据人手取书的特点提出了灵巧手的抓取规划。
现有的取书机器人手大多为两只夹持器，只能进行书架上书本的抓取任务，应用场景非常单一。本课题受人手取书过程的启发，在灵巧手的结构上进行创新。针对紧密排列的书本和桌面上的书本这两种常见的书本状态，提出了灵巧手的基本功能模块：
（1）平行夹取功能模块：书本是一种形状规则的薄物体，其上下表面互相平行，平行夹取可以保证手指与书本表面有较大的接触面积，降低了接触力要求，能够提高抓取稳定性。
（2）主动表面功能模块：灵巧手在接触书本时，由于结构限制，多数情况下手指只能接触书本较边缘的位置，这导致抓取后书本重心在手指外侧，不利于抓取稳定性。手指的主动表面可以在抓取过程中使书本的重心更靠近手掌，提高稳定性和抓取成功率。
（3）可重构功能模块：本课题设计的灵巧手需要抓取平放在桌面上的书本及紧密排列的书本，结构较为固定的灵巧手难以完成不同环境下书本的抓取任务，因此引入可重构功能模块，可以根据不同应用需求改变手指的构型，满足不同环境中的抓取任务。
基于这些功能模块，完成了灵巧手的结构设计，进行欠驱动手指运动学分析，并结合灵巧手的抓取任务，确定了主要结构参数，得到了灵巧手的工作空间及平行夹取范围，以验证结构的合理性。搭建了灵巧手的机电系统，上位机能够对灵巧手进行实时控制。最终，基于UR5e机械臂平台进行灵巧手的取书试验，实现了对不同环境下书本的稳定抓取。
针对本课题提出的功能模块，进行灵巧手模块化结构设计，整体结构包含三大模块：欠驱动手指模块、主动表面拇指模块、底座模块。
欠驱动手指的运动由丝杆螺母结构实现，并通过曲柄滑块结构，将直线运动转化为旋转运动。手指含有上下两节指骨，下端指骨与连杆、基座组成平行四连杆结构，主要起到传动作用，实现平行夹取功能。上端指骨与书本直接接触，设计了一个滑块结构，可以根据不同接触条件给书本提供不同摩擦程度的接触面。此外上端指骨与下端指骨通过弹簧连接，形成欠驱动关节，使灵巧手具自适应能力。
主动表面拇指的主动面是一根同步带，在抓取过程中，同步带运动带动书本在手指上移动，这个过程结束后，书本的重心更加靠近手掌，能够实现更加稳定的抓取。
灵巧手的驱动器（直流电机）和齿轮传动机构集成在底座中，底座中的电机可以通过上下两层齿轮组，实现手指的重构功能和开合动作。灵巧手共 3 个主动自由度，两个欠驱动手指的运动同步，但手指的重构功能和开合动作独立分离。
灵巧手的欠驱动手指分为两个部分：曲柄滑块机构、RRP型连杆机构。分别对这两个机构进行运动学分析，得到欠驱动手指的运动学模型。结合运动学模型与灵巧手的性能指标，确定了灵巧手的结构参数。所设计的灵巧手整体尺寸为120 mm×90 mm×210 mm，拇指长115 mm，欠驱动手指上端指骨长 50 mm，下端指骨长 60 mm。
根据所确定的参数，在MATLAB Robotics toolbox工具箱中利用蒙特卡洛方法求解灵巧手工作空间，并得到平行夹取范围。结果表明灵巧手具有较大的工作空间及平行夹取范围，满足性能要求，能进行复杂环境下的抓取任务。
本课题利用 3D打印工艺完成了灵巧手样机的制作，整体质量约为 0.8 kg。此外，搭建了灵巧手控制系统，定义了一种指令包格式，并编写了下位机的指令解析程序，上位机能对灵巧手进行实时控制。
最终基于UR5e机械臂平台进行灵巧手取书试验。首先根据人手取书的特点，本课题分别提出了针对桌面上书本和紧密排列书本的抓取规划，结合所设计的灵巧手的结构优势，简化了人手取书过程的一些步骤，使取书过程更加简单可靠。试验结果表明，灵巧手在抓取桌面上的书本时能够有效地将书本下表面与桌面分离，主动表面拇指能够使书本重心向内移动，实现更稳定的抓取；灵巧手在抓取紧密排列的书本时能够将目标书本与周围书本有效分离，抓出目标书本的同时不影响周围书本的排列。在抓取对象方面，灵巧手最小能够抓取 0.1 mm厚度的A4 纸，最大能抓取 300 mm×200 mm×20 mm的书本。灵巧手的抓取稳定性和环境适应性优于现有的取书机器人手。
（1）本课题进行灵巧手结构上的创新，提出了一种具有可重构功能的欠驱动三指灵巧手。提出的灵巧手共 3 个主动自由度，能平行抓取书本，并能根据不同的场景重构欠驱动手指，完成所需的抓取动作。
（2）对灵巧手进行运动学分析，建立单根欠驱动手指的运动学模型。根据性能指标确定结构参数，并得到灵巧手工作空间和平行夹取范围，验证了所设计结构的合理性。
（3）完成灵巧手机电系统搭建，基于UR5e机械臂平台进行取书试验，能分别对桌面上书本和紧密排列书本进行稳定抓取，抓取对象涵盖 0.1 mm厚度的A4 纸到 20 mm厚度的书本，试验结果优于现有的取书机器人手。
（1）通过连杆欠驱机构与基于滑块与同步带的主动表面结构，构建一种能够抓取薄状物体的灵巧手。
（2）基于可重构机构手掌，使灵巧手具有多种变形模式，实现多种抓取任务。
（3）通过模仿人类抓取薄物体的动作，提出灵巧手抓取薄状物体规划方法。
灵巧手三维图与实物图如图 1 所示，桌面书本抓取效果图如图 2 所示，紧密排列书本抓取效果图如图 3 所示。
图 1 灵巧手三维图与实物图
图 2 桌面书本抓取效果图
图 3 紧密排列书本抓取效果图
高校指导教师：董会旭；企业指导教师：翁敬砚
本课题研发一种以学生为中心的机械原理的教学用具——小行程平面刨削集成教学系统。该系统能够实现平面机构结构展示分析功能，展示机构的设计过程，提供运动和动力分析的载体，在实际切削条件下，能够实现数据感知，实现结构参数变化与动力特性参数变化及加工质量的关联演示。学生可以观察和对比分析调整设计结构参数的影响，加深对知识的理解和感知，进而为优化设计提供方向。
本课题对刨削主运动系统和进给系统进行了结构设计，通过设计曲柄长度可调节和曲柄回转中心可调节机构，实现了动力特性参数的变化调节。通过工作台的棘轮进给方案，合理地解决了实际切削加工的进刀问题，可以完成对蜡块的刨削，提供更真实的应用环境。对刨削装置电控系统和数据采集系统进行了设计，安装于小行程平面刨削装置的传感器，为小行程平面刨削装置的动力特性变化感知提供全面的数据支持。将数字孪生技术引入教具设计，能够对不同构件进行基于理论和动态真实数据的演示，学生可以据此给出优化设计方向；可以实现构件尺寸优化设计前后的动力特性数据的对比，给学生以直观感受，提供优异的数据展示效果。
对小行程平面刨削装置的国内外研究现状进行调查、分析。对小行程平面刨削装置的主运动模块，结构优化模块进行方案分析，总体结构设计。通过设计曲柄长度可调节，以及曲柄回转中心可调节机构实现动力特性参数的变化调节，学生可以在观察和实际操作的过程中了解机构的运作原理，加深对知识的理解。对小行程平面刨削装置的主运动模块进行动力特性仿真，并以压力角和速度波动为目标，进行了结构的优化设计，学生可以调整结构，对比分析两种结构的变化带来的影响。对各模块进行详细的结构设计，通过仿真来验证结构优化模块的对刨削过程产生的影响。制作机构并进行调试。通过机构的装配与调试，讨论了影响机构稳定刨削的原因。最后，成功搭建了一台小行程平面刨削机构，并且验证其合理性。
以B665 型牛头刨床为参考范例，设计了小行程平面刨削装置和进给系统的结构。通过对连杆进行简化设计，实现了装置体积尽可能小以便于携带的目标。同时，通过对主运动的运动分析和传动结构的设计，实现了进给运动和主切削运动的工作节拍配合展示。采用了曲柄滑块机构、棘轮机构和螺旋机构这些机械基础结构结合的方案作为横向进给方案，实现了结构与知识点紧密联系，便于知识点的直接讲解。此外，对传动机构进行了结构优化，使得棘轮转动更加平稳，连杆装配更加方便。采用了棘轮机构作为间歇进给机构，完成了横向进给量可调的目标。通过工作台的纵向进给方案，合理地解决了实际切削加工让刀难的问题，可以完成对蜡块的刨削，提供更真实的应用环境。
自主研发一套小行程平面刨削装置的动力特性参数采集系统，继而为小行程平面刨削装置的数字孪生系统提供关键部件的位置、速度等信号。小行程平面刨削装置的动力特性参数采集系统主要包括各部分测量传感器、IIC通信、模拟量采集、串口通信、主控芯片。传感器采集到相应的物理量，并输出相应电信号，主控接收到电信号后，上传至上位机，通过滤波、微分，最终获得需要采集的各项动力特性参数，并通过串口发送到上位机，提供给数字孪生系统进行建模同步。小行程平面刨削装置的动力特性参数采集系统的主要信号处理功能包括信号的去噪、计算和数据传输。信号由相应的传感器采集并传送到主控芯片后，通过滤波算法，去除信号中含有的由传感器自身产生的高频噪声和低频噪声，获得相对准确的有用信号。最终通过串口通信，实现与上位机的通信，并由上位机绘制图像，用于与理论值的对比试验。该系统主要基于Arduino-UNO-R3 单片机实现，使用Arduino-IDE编译器进行设计和调试完成。该动力特性参数采集系统实现了对小行程平面刨削装置动力特性参数的采集。与计算机的串口通信可以实现数据在计算机上显示、绘图、存储等功能，为学习机械原理课程的学生提供非常直观、准确的认识，有利于提高机械原理课程的学习效果。
基于工程教育背景，旨在改善机械原理课程教学效果，将数字孪生技术引入教具设计，构建针对机械原理课程的教具——小行程平面刨削装置的数字孪生系统。本课题设计的数字孪生系统基于Visual Studio和Unity两个平台联合开发，主要设计内容为：
（1）基于Visual Studio中的WPF技术完成人机交互层的设计。通过调用Win32 API将Unity程序嵌入WPF中，实现模型展示功能，同步展示虚拟模型的运动。借助WPF中的TextBox控件及Data Binding机制，将后台数据与前端展示层进行绑定，实现结构参数，如曲柄长度、机架高度、摇杆长度的数值展示功能。利用Interactive Data Display开源控件实现线图绘制功能，同步接收传感器采集的数据并绘制相应线图。借助Canvas控件实现机构运动简图绘制功能，同步绘制六杆机构动态运动简图。完成对比分析功能，实现对理论值与实测值的对比分析，实现对前后两次试验间的对比分析。
（2）利用Visual Studio编写C#后台脚本完成数据处理层的设计。通过矢量多边形法对六杆机构进行运动学分析，并转换为C#代码，完成动力特性参数计算，利用微分算法对采集的数据进行处理，计算得到各个构件的速度与加速度，实现数据处理功能。通过串口通信与Socket通信实现数据传输功能，完成各个模块间的数据联通。
（3）利用Unity完成模型驱动层的设计。将Solidworks中建立的模型导入Unity中，通过Unity将C#脚本挂载到构件上，借助C#脚本实现虚拟模型的实时运动。
（4）完成整体桌面应用程序的开发，进行联合调试，并对程序进行了完善。本课题将数字孪生技术应用于工程教具设计中，为工程教具设计提供了一个可行的方向，对提升工程教学质量具有一定的作用。
（1）实现了小行程平面刨削机构的总体设计。通过设计曲柄长度可调节和曲柄回转中心可调节机构实现动力特性参数的变化调节，给优化设计提供依据。
（2）实现了横向进给系统和纵向进给系统的机械结构设计。采用了曲柄滑块机构、棘轮机构和螺旋机构等机械原理基本结构作为横向进给方案，实现了结构与知识点紧密联系，完成对蜡块的刨削，提供更真实的应用环境。
（3）研制了一套小行程平面刨削装置控制系统和动力特性参数测试系统，并为数字孪生系统提供数据支持，同时完成实物的搭建。
（4）完成数字孪生系统人机交互层设计，实现了模型展示功能、结构参数展示功能、性能参数展示功能、机构运动简图绘制功能、运动线图绘制功能和对比分析功能。
（1）设计了一种新型曲柄及机架结构，在可承受切削载荷的条件下实现曲柄长度及曲柄回转中心高度的自由调节，实现急回特性参数调整和传动性能参数调整。
（2）通过工作台的棘轮进给方案，合理地解决了实际切削加工的进刀问题，可以完成对蜡块及类似物块的刨削，提供更真实的应用环境。
（3）构建了控制系统和动力特性参数测试系统，将数字孪生技术引入教具设计，能够对不同构件进行基于理论和动态真实数据的演示，学生可以据此给出优化设计方向。
（4）给出一种连杆机构替代凸轮机构控制棘轮机构的创新设计方法，实现了机构简化，减小了机器的大小。
三维模型如图 1 所示，实物如图 2 所示，数字孪生系统界面如图 3 所示。
图 1 三维模型
图 2 实物
图 3 数字孪生系统界面
高校指导教师：叶红仙，于保华；企业指导教师：张尧