具有力/位感知的仿人假手拇指機(jī)構(gòu)

王 偉，姜 力，王新慶，劉伊威，劉 宏，2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實驗室，哈爾濱150086，kingwei82@163.com; 2.德國宇航中心，機(jī)器人及機(jī)電一體化研究所，慕尼黑82230)

近年來，國內(nèi)外對假手的研究都取得了一定成果，如意大利的RTR I［1－2］和RTRⅡ假手［3］，美國的IOWA－Hand［4］和Standford－Hand［5］，加拿大的TBM－Hand［6］，西班牙的MANUS－Hand［7］，哈工大的HIT－DLR手［8－9］等.現(xiàn)有大部分假手的傳感系統(tǒng)不夠完善，限制了假手的應(yīng)用，基于欠驅(qū)動原理設(shè)計的上一代HIT/DLR假手，雖然其拇指包絡(luò)性較好，但由于其需要儲能元件(扭簧)，決定了拇指的尺寸比較大，且實驗表明，由于儲能元件的存在，拇指在運(yùn)動的起點(diǎn)和終點(diǎn)會發(fā)生震動，這些都限制了欠驅(qū)動技術(shù)在假手中的應(yīng)用.

本文在上一代假手的基礎(chǔ)上研制了一種基于耦合原理和空間四桿的具有力矩和位置感知的仿人拇指.該拇指能夠感知手指的絕對位置和指尖出力.采用了耦合驅(qū)動，使得尺寸小于成人拇指，抓取速度快且在運(yùn)動的起點(diǎn)和終點(diǎn)沒有震動.

1 仿人拇指的結(jié)構(gòu)設(shè)計

人手拇指有3個指節(jié)組成，即近指節(jié)、中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)(指尖).近指節(jié)被肌肉包裹，在手掌一側(cè)，故拇指一般只露出后2個指節(jié)，但近指節(jié)在抓握物體時參與運(yùn)動.另外，拇指在抓握運(yùn)動時，通常是沿一錐面，即伸展/彎曲，外展/內(nèi)收兩個自由度的結(jié)合，而不是做單一方向的運(yùn)動.

本文設(shè)計的仿人假手拇指具有3個指節(jié)，考慮到假手外觀及佩戴手套需要，每個指節(jié)的尺寸均略小于成人拇指.電機(jī)經(jīng)減速箱和傘齒輪減速裝置減速增矩后驅(qū)動近指節(jié)運(yùn)動，中指節(jié)與近指節(jié)之間、遠(yuǎn)指節(jié)與中指節(jié)之間均采用耦合驅(qū)動方式.為模仿人手拇指的運(yùn)動特點(diǎn)，遠(yuǎn)指節(jié)與中指節(jié)之間為平面耦合驅(qū)動，中指節(jié)與近指節(jié)之間采用了一平面四桿和一空間四桿結(jié)合的空間耦合驅(qū)動方式，原理如圖1(a)和圖1(b)所示.

圖1 拇指近指節(jié)連桿機(jī)機(jī)構(gòu)簡圖

其中:l1為拇指基座，l2為近指節(jié)側(cè)板，l6為中指節(jié)軸盤，s1，s2為球鉸.近指節(jié)側(cè)板l2的運(yùn)動推動連桿軸l3的運(yùn)動，連桿軸通過球鉸連桿l5推動中指節(jié)軸盤運(yùn)動，從而實現(xiàn)與中指節(jié)軸盤l6連在一起的中指節(jié)運(yùn)動.對于圖1(b)所示的雙球鉸四桿機(jī)構(gòu)，由空間自由度計算公式可得該機(jī)構(gòu)的自由度F=2.

可見雙球鉸之間會引入一局部自由度，為消除此自由度，其中球鉸s2使用兩個轉(zhuǎn)動副軸線垂直的球連桿代替，如圖1(c).這樣，球鉸s2的3個轉(zhuǎn)動自由度轉(zhuǎn)變?yōu)閮蓚€轉(zhuǎn)動自由度.新一代假手與上一代假手比較見圖2(a)，可以看出，新一代假手的拇指比上一代假手尺寸更小，外觀更加仿人化.拇指的結(jié)構(gòu)圖見圖2(b).

2 仿人假手拇指近指節(jié)連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析

如圖2(b)所示，近指節(jié)側(cè)板、基座、近指節(jié)連桿與連桿軸組成一平面四連桿機(jī)構(gòu)，近指節(jié)側(cè)板、連桿軸、球鉸套、球連桿與中關(guān)節(jié)軸盤組成一空間四桿機(jī)構(gòu).球鉸中心點(diǎn)B是此平面四桿機(jī)構(gòu)和空間四桿機(jī)構(gòu)的公共點(diǎn)，通過對這兩個機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行分析，推出B點(diǎn)的坐標(biāo)值，建立方程，進(jìn)行運(yùn)動學(xué)計算.

圖2 兩代假手比較及拇指結(jié)構(gòu)圖

2.1 拇指近指節(jié)平面四桿運(yùn)動學(xué)分析

為空間四桿計算方便，坐標(biāo)原點(diǎn)O0設(shè)置在通過球鉸中心B且垂直于基關(guān)節(jié)軸的平面與基關(guān)節(jié)軸的交點(diǎn)處，z0軸與基關(guān)節(jié)軸重合，x0軸垂直于基關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸線與中關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸線所形成的平面，y0由右手定則確定.建立的坐標(biāo)系如圖3(a)所示.

對于△OAC，有

對于△ABC，有

對于該拇指機(jī)構(gòu)β2＜90°，可得

圖3 平面四桿運(yùn)動學(xué)分析和空間四桿的連桿坐標(biāo)系

同理可得

其中，β=β1+β2.

其中，θ1為輸入角.

則球鉸中心B點(diǎn)的坐標(biāo)

2.2 拇指近指節(jié)空間四連桿運(yùn)動學(xué)分析

對拇指空間四桿機(jī)構(gòu)建立坐標(biāo)系如圖3(b)所示，O0坐標(biāo)系與平面四桿坐標(biāo)系重合，連桿的Denavit-Hartenberg參數(shù)如表1所示.

表1 連桿的Denavit－Hartenberg參數(shù)表

在這里，0≤θ1≤45°，0≤θ2＜180°，0≤θ3＜90°，0≤θ4＜90°.

相鄰連桿坐標(biāo)系之間的齊次變換矩陣是:

其中:si=sin θi，ci=cos θi.

則空間四桿的坐標(biāo)變換矩陣

可得B點(diǎn)的坐標(biāo):

其中:cij=cicj－sisj，sij=cisj+sicj，d5為坐標(biāo)原點(diǎn)O4到B點(diǎn)沿z4軸的距離.

為模仿人手拇指的運(yùn)動，取中關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角與基關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角θ2∶θ1=0.9∶1.0.根據(jù)人手拇指近指節(jié)的尺寸，可以確定l2，l3和di的值，則由(1)(2)聯(lián)立，并注意到θi的變化范圍即可求得中關(guān)節(jié)軸盤l1的值.

圖4(a)為通過Matlab得出的拇指中關(guān)節(jié)與基關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度關(guān)系曲線.圖4(b)為通過ADAMS仿真得到的拇指各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角與時間關(guān)系曲線.

圖4 中關(guān)節(jié)與基關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度關(guān)系曲線和拇指各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角與時間關(guān)系曲線

3 仿人假手力矩和位置傳感裝置設(shè)計

3.1 力矩傳感裝置設(shè)計

設(shè)計了基于應(yīng)變片的一維力矩傳感器，安裝在手指的基關(guān)節(jié)上，用來測量手指的抓取力矩.傳感器和電機(jī)驅(qū)動部分相連，把電機(jī)的扭矩傳遞給各個手指.基關(guān)節(jié)力矩傳感器的彈性體作為一個機(jī)械部件連接在基關(guān)節(jié)軸和驅(qū)動連桿之間，由ANSYS對其進(jìn)行受力分析，找出其應(yīng)變最大處，貼應(yīng)變片.它反映了抓取過程中近指節(jié)、中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)與物體接觸的時間和力的大小.

根據(jù)各彈性體在手指中的實際受力情況，要求彈性體在電機(jī)額定力矩的驅(qū)動下，中間應(yīng)變?yōu)?×10－3mm/mm左右，以此來確定彈性體的基本結(jié)構(gòu).對力矩傳感器進(jìn)行了靜態(tài)標(biāo)定實驗，由標(biāo)定所得數(shù)據(jù)可知，在力矩傳感器末端加負(fù)載50 N時，力矩傳感器的應(yīng)變?yōu)?.74×10－3mm/mm.通過ANSYS分析，力矩傳感器末端加負(fù)載50 N時，平均應(yīng)變?yōu)?.81×10－3mm/mm，說明力矩傳感器實驗與理論相符.

3.2 位置傳感裝置設(shè)計

根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，將磁鋼固定在減速箱輸出軸上的轉(zhuǎn)盤邊沿，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)盤隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，磁鋼也將跟著同步旋轉(zhuǎn)，磁鋼所產(chǎn)生的磁場也將隨著變化，安裝在轉(zhuǎn)盤上方的霍爾器件，受磁鋼所產(chǎn)生的磁場的影響，將產(chǎn)生與位置變化相關(guān)的正余弦電壓信號.根據(jù)霍爾器件產(chǎn)生的電壓值可以計算出轉(zhuǎn)軸的絕對位置.圖5為手指在伸展/彎曲時位置傳感器輸出信號.該位置傳感器能夠測得0°～360°的絕對位置，轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動范圍為108°，設(shè)計的位置傳感器能夠滿足需要.

圖5 手指在伸展/彎曲時位置感器信號圖

4 仿人假手的控制系統(tǒng)設(shè)計和抓取實驗

假手的控制系統(tǒng)采用主、從雙DSP分布式控制結(jié)構(gòu)，由驅(qū)動和傳感系統(tǒng)和上層主控制系統(tǒng)組成.

如圖6所示，主控制系統(tǒng)中的DSP2作為主控制器置于手臂筒內(nèi)，以減少手掌的體積，它負(fù)責(zé)整個電氣系統(tǒng)的處理與決策.DSP2將處理完的肌電(EMG)信號轉(zhuǎn)換為電機(jī)動作指令后，通過CAN總線把命令發(fā)給驅(qū)動和傳感系統(tǒng)控制器的DSP1.

驅(qū)動和傳感系統(tǒng)采用DSP加CPLD的基本設(shè)計思路.根據(jù)就近原則DSP1與CPLD置于手掌內(nèi)，電機(jī)編碼器把信號返還給CPLD進(jìn)行處理，獲得手指的速度信息并發(fā)給DSP1.在功能上，實現(xiàn)力矩傳感器、位置傳感器信號的計算，從而獲知手指的力矩和絕對位置信息.驅(qū)動和傳感系統(tǒng)由自己的系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換模塊為DSP供電，但和主控制系統(tǒng)共用一對電池.此部分通過CAN總線通訊，接受DSP2主控制系統(tǒng)的指令，并根據(jù)相應(yīng)的指令驅(qū)動電機(jī)工作，另外它還可以通過DSP1的SCI口經(jīng)由MAX3221轉(zhuǎn)為RS232串口與PC機(jī)進(jìn)行通信.

人手抓握物體一般包括精確抓取、力量抓取、捏拿等抓握方式，在抓取物體時，拇指起到了很重要的作用，沒有拇指施加力，其他手指只能完成很小直徑的柱狀物體的抓握.圖7為假手分別進(jìn)行抓取U盤(手指正向捏取)、抓取乒乓球(三指捏取)、抓取水瓶(柱狀抓握)和握拳圖.實驗證明，假手能夠完成人手大部分抓取功能，且運(yùn)動速度快，抓取力大且穩(wěn)定，運(yùn)動軌跡仿人化，能夠滿足殘疾人基本生活需要.

圖6 假手的控制系統(tǒng)

圖7 假手抓取實驗和假手握拳圖

5 結(jié)語

1)基于耦合驅(qū)動原理對拇指機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計和實驗，并集成了力矩和位置感知功能.

2)拇指的特點(diǎn)是:能夠感知拇指的絕對位置和指尖出力，運(yùn)動速度快且在運(yùn)動的起點(diǎn)和終點(diǎn)沒有震動，尺寸略小于正常人的拇指，運(yùn)動軌跡仿人化，能夠滿足殘疾人基本生活需要.

3)與上一代假手相比，手指的出力更大，運(yùn)動更穩(wěn)定，抓取速度更快.

［1］CARROZZA M C，MASSA B，MICERA S，et al.The development of a novel biomechatronic hand——ongoing research and preliminary results［J］.IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2002，7(2):108－114.

［2］CARROZZA M C，MASSA B，DARIO P，et al.A two DOF finger for a biomechatronic artificial hand［J］.Journal Technology and Health Care，2002，10(2):77－89.

［3］MASSA B，ROSELLA S，CARRIZOZO M C，et al.Design and Development of an Underactuated Prosthetic Hand［C］//Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Robotics and Automation.Washington DC:［s.n.］，2002:28－36.

［4］YANG Jingzhou，PITARCH E P，ABDEL-MALEK K，et al.A Multi-Fingered Hand Prosthesis［J］.Mechanism and machine theory，2004，39:555－581.

［5］DOSHI R，YEHC C.The design and development of a gloveless endoskeletal prosthetic hand［J］.Journal of Rehabilitation Research and Development，1998，35 (4):388－395.

［6］DECHEV N，NAUMANN S.Multiple Finger，Passive adaptive grasp prosthetic hand［J］.Mechanism and Machine theory，2004，36:1157－1173.

［7］PONS J L，ROCON E，CERES R.The MANUS-HAND dextrous robotics upper limb prosthesis:Mechanical and manipulation aspects［J］.Autonomous Robots，2004，16:143－163.

［8］HUANG Hai，JIANG Li，ZHAO Da-wei，et al.The Development on a New Biomechatronic Prosthetic Hand Based on Under-actuated Mechanism［C］//IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.Beijing，China:IEEE，2006:3791－3796.

［9］HUANG Hai，JIANG Li，LIU Yi-wei，et al.The Mechanical Design and Experiments of HIT/DLR Prosthetic Hand［C］//2006 IEEE International Conference on ROBOTICS and BIOMIMETICS.Kunming，China:IEEE，2006:896－901.