五指仿人機器手的結(jié)構(gòu)設計與實現(xiàn)

□田 園

一、引言

隨著機器人技術的飛速發(fā)展及其在各領域的廣泛應用，國家在《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要》和《國家高技術研究發(fā)展計劃“十一五”發(fā)展綱要》中，把“服務機器人”研發(fā)作為重點項目。機器手是“機器人”的關鍵部位，在各種護理、排爆、搶險等機器人中，機器手是機器人完成任務必不可缺的一部分。本文針對多指靈巧手的結(jié)構(gòu)進行了深入的分析，采用了微小型步進電機作為驅(qū)動裝置，設計并開發(fā)出微小型關節(jié)減速器作為傳動裝置，采用中空式的鋁合金關節(jié)殼體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對微小型步進驅(qū)動電機和傳動減速器的合理布局，為各關節(jié)之間的鏈接和各類傳感器的安放提供了有效的空間，采用CATIA 軟件建立仿人機器手的三維實體模型并進行裝配。在結(jié)構(gòu)設計、樣機開發(fā)過程中，總結(jié)出一套仿人機器手的設計、加工和控制理論，為機器手的進一步優(yōu)化奠定了基礎。

二、五指仿人機器手的總體結(jié)構(gòu)設計

在對五指仿人機器手的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計時，我們對手指數(shù)目、手指的材料、手指的結(jié)構(gòu)形式、各手指之間的相對位置及姿態(tài)、手指關節(jié)運動副的形式、各關節(jié)運動的驅(qū)動方式及傳動方式、各關節(jié)的長度及回轉(zhuǎn)關節(jié)的回轉(zhuǎn)角度范圍、手掌的結(jié)構(gòu)等問題進行優(yōu)化分析和設計。根據(jù)以上主要設計內(nèi)容，具體設計方案路線如下:

(一)五指仿人機器手材料的選擇。仿人機器手各手指要求實現(xiàn)2 個俯仰自由度，結(jié)構(gòu)比較復雜，對材料剛度與強度要求較高。在綜合考慮仿人機器人結(jié)構(gòu)和傳動方式的基礎上，從五指仿人機器手手指受力情況分析，它們在工作中直接承受靜、動載荷，并且指尖所受載荷時轉(zhuǎn)矩較大，因此五指仿人機器手手指的材料選用了LY12 硬質(zhì)鋁合金，這樣既保證了手指關節(jié)殼體的剛度和強度，又減輕了手的整體重量。在齒輪材料的選擇上，通過校核計算，最終選擇銅合金材為微小型手指齒輪減速器材料，使其達到較高傳動精度。

(二)五指仿人機器手手指結(jié)構(gòu)設計。通過對人手的各關節(jié)長度尺寸的研究，確定該仿人機器手具有11 自由度，整個機器手由5 個手指和一個掌面組成，每個手指有2 個旋轉(zhuǎn)關節(jié)，新型五指仿人機器手可以模仿人手的功能進行簡單操作，完成手指彎曲運動，并通過手指的合作與協(xié)調(diào)來實現(xiàn)一定的運動和簡單的抓取。新型仿人機器手由大拇指、食指、中指、無名指、小拇指、手掌殼體組成;食指、中指、無名指、小拇指結(jié)構(gòu)相同且具有兩個擺動副，各由一臺伺服電動機驅(qū)動，大拇指具有三個擺動副各由一臺伺服電動機驅(qū)動。

五指仿人機器手的結(jié)構(gòu)尺寸可以參考人類手指的長度比例，并加以適當?shù)姆糯蠡蚩s小，或根據(jù)所設計的機器手尺寸的使用場合來進行適當?shù)恼{(diào)整。具體仿人化手掌結(jié)構(gòu)尺寸如圖1 所示。

圖1 仿人化手掌結(jié)構(gòu)尺寸

三、五指仿人機器手傳動系統(tǒng)和電機的選擇

五指仿人機器手的機械結(jié)構(gòu)是研究仿人機器手控制方面的基礎。本仿人化機器手主要由微小型步進電機、微小型關節(jié)減速器和外形殼體3 大部分組成，實現(xiàn)了仿人化的手形結(jié)構(gòu)。

(一)手指關節(jié)電機的選擇。步進電機的旋轉(zhuǎn)角度正比于其脈沖數(shù)，在停轉(zhuǎn)時具有最大的轉(zhuǎn)矩，并且具有良好的啟停和反轉(zhuǎn)響應?？紤]五指仿人機器手的手指尺寸，以及其對位置精度和負載力矩要求較高，其手指各關節(jié)均選用步進電動機(pm10s020)驅(qū)動。電機尺寸參數(shù)與驅(qū)動參數(shù)如圖2 和圖3 所示。

圖2 電機尺寸參數(shù)圖

圖3 電機驅(qū)動參數(shù)圖

(二)手指關節(jié)傳動結(jié)構(gòu)設計。五指仿人機器手的傳動系統(tǒng)是把步進電機產(chǎn)生的運動和力準確地傳遞到手指關節(jié)，帶動關節(jié)做俯仰運動。五指仿人機器手的手指關節(jié)采用自主設計的微小型關節(jié)式齒輪減速器來傳遞步進電機產(chǎn)生的運動和力，不僅減小了手指的尺寸和質(zhì)量，而且提高了抓取能力和抓取過程中的平穩(wěn)性。

齒輪減速器由固定板、板間支撐柱、輸出軸、傳動軸、齒輪和電機組成。電機為一臺小型步進電動機。步進電動機固定在中層固定板上，齒輪固定在傳動軸上(齒輪4 除外)，傳動軸與固定板間為滑動摩擦。電機提供的動力經(jīng)過五級齒輪減速最后由輸出軸輸出。減速達到369:1。手指關節(jié)模型圖如圖4 所示。減速器由上、中、下固定板7.12、7.13、7.14，齒輪7.2、7.3、7.5、7.6、7.10、7.15，軸7.1、7.4、7.8、7.11組成，齒輪7.10 安裝在電動機7.9 上，齒輪7.15 安裝在軸7.11 上，齒輪7.6 安裝在軸7.8 上，齒輪7.3 安裝在軸7.4 上，齒輪7.5 空套在軸7.1 上，齒輪7.2 安裝在軸7.1 上;電機工作帶動齒輪7.15→7.16→7.5→7.3→7.2，齒輪7.2 帶動軸7.1 輸出。

圖4 手指關節(jié)模型圖

(三)機器手手指外形殼體的設計。機器手外形殼體結(jié)構(gòu)的設計不僅決定了其擬人化程度，同時也決定了各關節(jié)的連接形式和機器手的靈巧性。機器手手指殼體采用銑削成型鋁合金薄殼，能夠?qū)崿F(xiàn)減速器和驅(qū)動電機的合理布局，為各類傳感器提供了有效的安放空間。如圖5 所示為微小型減速器、步進電機和手指殼體構(gòu)成裝配圖。第一電動機8.3安裝在第一減速器8.2 上，第一減速器8.2 固定在中指節(jié)8.4 上，通過第一減速器8.2 的輸出軸帶動指頭運動;第二電動機8.6 安裝在第二減速器8.5 上，第二減速器8.5 固定在基指節(jié)8.7 上，通過第二減速器8.5 的輸出軸帶動中指節(jié)運動。(食指、中指、無名指、小拇指結(jié)構(gòu)相同)，最終手指通過后端螺紋孔連接到手掌上。機器手抓取物體達到抓握穩(wěn)定后，手指依靠步進電機的自鎖能力保持對物體的抓取力。

圖5 仿人機器手手指裝配圖

為了保證加工與安裝方便仿人機器手與腕部采用法蘭結(jié)構(gòu)連接，把手掌與腕關節(jié)分開設計，制成獨立的法蘭腕部結(jié)構(gòu)，既滿足了設計的要求，減輕了手部整體質(zhì)量，也使其與手臂易于連接。

四、試驗與驗證

課題基于三維造型設計軟件CATIA 建立了仿人機器手的參數(shù)化模型，完成對機械系統(tǒng)各零部件和裝配體的建模，并進行了干涉和碰撞檢查。然后將裝配體模型導入Adams軟件進行后續(xù)的約束和驅(qū)動添加，建立了手指、手掌虛擬樣機仿真模型，通過對手指各關節(jié)運動特性的仿真分析，最終通過模擬實驗驗證該結(jié)構(gòu)的性能，使其獲得最優(yōu)化結(jié)構(gòu)。仿真結(jié)果表明五指仿人機器手各項性能指標符合設計要求，且系統(tǒng)反應靈敏穩(wěn)定、可靠，準備投產(chǎn)。

［1］郭語，孫志峻，黃衛(wèi)清.超聲電機驅(qū)動五指靈巧手的設計與仿真［J］.機械科學與技術，2007，5(10):10 ～36

［2］劉伊威，金明河.DLR/HIT 仿人機器人靈巧手的設計［J］.機械制造，2006，8(11):42 ～45

［3］何永強，朱廣超，張啟先.多指靈巧手雙閉環(huán)模糊控制［J］.高技術通訊，2004，4(7):59 ～64