机械手作为工业机器人的末端执行器,是我国“十四五”机器人产业发展规划的重要研究内容之一。近年来人们围绕机械手的设计提出了面向各种任务的模型,但和人手的高度灵巧性相比,仍存在一定差距。本文从人手仿生学角度出发,提出一种仿拇指与食指操作物体运动特性的灵巧操作手设计,通过在手掌引入可旋转机构,扩大其工作空间,增强抓手的灵活性和可操作性,为灵巧手的设计提供了更广阔的思路。首先,通过对人手手掌软体组织结构和手指旋转物体功能进行分析,提出了一种仿拇指和食指操作物体运动特性的灵巧操作手设计,并详细介绍了一种能使物体产生旋转运动的手掌机构以及欠驱动手指。结合所设计灵巧操作手的运动特性,对常用驱动方案和传动方案的优缺点进行比较,确定灵巧操作手手指的驱动方案和传动方案。其次,对灵巧操作手进行运动学和静力学分析。采用D-H法建立手掌机构运动学模型,并在此基础上得到手掌工作空间。采用闭环矢量法建立手指机构在捏取物体和抓握物体两种工作模式下的位置、速度和加速度数学模型,并进一步得到手指末端的工作空间。通过力平衡原理和虚功原理分析了灵巧操作手在捏取物体和抓握物体两种工作模式下接触力与各指节接触点以及转动角之间的关系。再次,对灵巧操作手的抓握能力进行分析,得出抓握范围与仿手掌软体组织的柔性带之间的关系。结合抓持时灵巧操作手手指与物体的接触模型,对物体表面轮廓和指尖轮廓进行分析并得到满足接触约束条件。建立力平衡方程,采用直接微分法求出灵巧操作手雅克比矩阵和目标物体抓持矩阵,进而得到抓持雅克比矩阵。在此基础上,以抓持雅克比矩阵的可操作度和条件数为性能指标,分析了灵巧操作手的抓持灵巧性。对灵巧操作手旋转物体运动进行分析,验证了该灵巧操作手具有旋转物体的灵巧性。最后,通过虚拟样机技术对灵巧操作手捏取并旋转物体以及抓握物体进行运动仿真,制作了灵巧操作手物理样机并对常见物品进行抓取实验,证明了该灵巧操作手可以完成抓握物体以及捏取并旋转物体的操作。