仿人機(jī)械手設(shè)計(jì)

吳素珍,郭旭各

（河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,河南鄭州451191）

仿人機(jī)械手設(shè)計(jì)

吳素珍,郭旭各

（河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,河南鄭州451191）

通過(guò)人手運(yùn)動(dòng)學(xué)和解剖學(xué)分析,建立了仿人機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,分析了機(jī)械手的力學(xué)性能,設(shè)計(jì)出一個(gè)最大抓取力為341.43 N的仿人五指機(jī)器手；仿人機(jī)器手采用了氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式,利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手各關(guān)節(jié)的彎曲功能,選用數(shù)據(jù)手套為控制系統(tǒng)的信號(hào)輸入裝置；基于三位建模軟件Solidworks建立了仿人機(jī)器手各部件的三維模型以及整對(duì)仿人機(jī)器手進(jìn)行了無(wú)干涉裝配,為機(jī)器手的動(dòng)力學(xué)分析提供了支撐.

機(jī)械手；多自由度；氣動(dòng)系統(tǒng)；建模

面對(duì)嚴(yán)峻的社會(huì)環(huán)境,仿生機(jī)械手可替代人類完成一些危險(xiǎn)、復(fù)雜情況下的工作[1],比如在航天領(lǐng)域,利用仿生機(jī)械手完成在宇宙空間內(nèi)安裝、維修機(jī)械設(shè)備的一些工作,這樣可避免在宇航員進(jìn)行太空行走時(shí)所帶來(lái)的低壓、輻射等危險(xiǎn)；在安全領(lǐng)域,可利用仿生機(jī)械手完成諸如探險(xiǎn)營(yíng)救、搬運(yùn)危險(xiǎn)品等惡劣條件下的工作；在化學(xué)、生物領(lǐng)域,仿生機(jī)械手完成危險(xiǎn)的生物化學(xué)實(shí)驗(yàn),從而保證實(shí)驗(yàn)者本身的人身安全.應(yīng)對(duì)越來(lái)越復(fù)雜的工作環(huán)境,設(shè)計(jì)小體積、多自由度、運(yùn)動(dòng)靈活的機(jī)械手代替人手完成一些危險(xiǎn)、復(fù)雜的工作,就越來(lái)越迫切[2-3].

1 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由機(jī)械手、數(shù)據(jù)手套、電氣控制系統(tǒng)組成,系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)Fig.1 Design of general system structure

采用了數(shù)據(jù)手套作為整個(gè)系統(tǒng)的輸入方式,數(shù)據(jù)手套是布滿傳感器的手套,其對(duì)人手的動(dòng)作進(jìn)行檢測(cè),傳感器會(huì)自動(dòng)記錄操作者各關(guān)節(jié)的檢測(cè)量變化情況,然后將各信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、處理[4],根據(jù)數(shù)據(jù)手套感應(yīng)到的信號(hào)通過(guò)氣缸驅(qū)動(dòng)手指的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng).

本系統(tǒng)選用了氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式,氣動(dòng)系統(tǒng)控制方便、動(dòng)作靈活,并且系統(tǒng)體積大大減小.采用了連桿機(jī)構(gòu)作為其傳動(dòng)方式,降低了機(jī)械手的復(fù)雜程度,提升了機(jī)械手的機(jī)械性能.

2 機(jī)械手設(shè)計(jì)

2.1 人手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

綜合人手解剖學(xué)特點(diǎn),單從人手最基本的運(yùn)動(dòng)方式考慮,可將人手的運(yùn)動(dòng)劃分為4種運(yùn)動(dòng)方式,食指、中指、無(wú)名指、小指的伸展與彎曲；食指、中指、無(wú)名指、小指之間的相對(duì)擺動(dòng)；拇指的自由運(yùn)動(dòng)；手掌的運(yùn)動(dòng).其模型如圖2所示.

圖2 人手模型Fig.2 Model of Human hand

2.2 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立

考慮以上4種運(yùn)動(dòng),分析可知人手在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中多以關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)完成其運(yùn)動(dòng)動(dòng)作,本系統(tǒng)采用了直線驅(qū)動(dòng)方式,考慮到以直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)有很多種,選擇了最簡(jiǎn)單的曲柄-滑塊機(jī)構(gòu),如圖3所示.

圖3 仿人機(jī)器手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型Fig.3 Dynamatic model of humanoid robot hand

按照模型設(shè)計(jì)尺寸,曲柄最終將在兩個(gè)極限位置之間變化,而滑塊根據(jù)汽缸實(shí)際設(shè)計(jì)情況選擇.綜合手指的各個(gè)運(yùn)動(dòng)方式與結(jié)構(gòu),按照實(shí)際人手尺寸,建立如圖4所示的手指彎曲計(jì)算模型.

圖4 手指彎曲計(jì)算模型Fig.4 Finger curling mathematical model

設(shè)曲柄長(zhǎng)度為a,連桿長(zhǎng)度為b,取曲柄滑塊系統(tǒng)偏距為8.5 mm,滑塊行程為10 mm,對(duì)兩極限位置進(jìn)行分析.

（1）在曲柄處于水平位置時(shí),手指伸展,根據(jù)圖上條件有

（2）在曲柄處于豎直位置時(shí),手指彎曲,根據(jù)圖上條件有

聯(lián)立式（1）、式（2）,可得

2.3 機(jī)械手的力學(xué)性能分析

2.3.1 氣缸力學(xué)性能的分析要保證機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的時(shí)提供足夠的動(dòng)力,并保持良好的機(jī)械性能,對(duì)機(jī)械手的力學(xué)性能分析可以看作連桿的平衡系統(tǒng)的靜定問(wèn)題[5-6],首先對(duì)其活塞桿進(jìn)行受力分析.

（1）氣缸頂端連桿受力分析

氣缸頂端連桿的受力如圖5所示.

圖5 氣缸頂端連桿受力Fig.5 The force of top connecting rod of cylinder

設(shè)計(jì)機(jī)械手每個(gè)手指的提升質(zhì)量為10 kg,則分析每個(gè)手指在自然狀態(tài)下（指節(jié)之間角度為45毅）的受力情況

由力平衡條件

可知

式（3）至式（9）中：F——外力,單位為N；茲——指節(jié)轉(zhuǎn)過(guò)的角度；L——連桿長(zhǎng)度,單位為mm.（2）氣缸的理論輸出力

式（10）中：F0——?dú)飧桌碚摰妮敵隽?；F——?dú)飧讓?shí)際的負(fù)載；茁——?dú)飧椎呢?fù)載率,取0.5[7].（3）氣缸缸徑

式（11）中：F0——同上；D——缸徑,單位為mm；故選用氣缸缸徑為14 mm.

（4）氣缸的耗氣量

由于汽缸的活塞在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度是變化的,普通氣缸的速度范圍是5~500 mm/s,所以這里選擇氣缸的平均運(yùn)動(dòng)速度為200 mm/s作為其速度的衡量值.

氣缸一次往復(fù)行程所需時(shí)間：

氣缸耗氣量式（12）、式（13）中：s——?dú)飧仔谐?單位為cm；t——?dú)飧滓淮瓮鶑?fù)行程所需時(shí)間,單位為s；v——?dú)飧椎钠骄\(yùn)動(dòng)速度,取200 mm/s[7]；——?dú)飧缀臍饬?單位為L(zhǎng)/min；p——工作壓力,單位為MPa.

2.3.2 氣缸活塞桿拉壓校核

式（14）中：F——連桿所受的外力大小,單位為N；A——連桿橫截面面積,單位為mm2；——截面拉壓應(yīng)力,單位為MPa——界面許用拉壓應(yīng)力

2.3.3 連桿銷剪切力強(qiáng)度校核

計(jì)算截面剪切應(yīng)力

式（15）至式（18）中：F——銷所受的外力大小,單位為N；Fs——銷截面上所受到的剪切力大小,單位為N；A——銷截面面積,單位為mm2；τ——截面切應(yīng)力,單位為MPa；[τ]——界面許用切應(yīng)力,單位為MPa,許用剪切應(yīng)力[τ]=7.17 MPa；

2.3.4 全系統(tǒng)力學(xué)性能狀況綜合上面的力學(xué)分析結(jié)果,可得到全系統(tǒng)的綜合性能指標(biāo),如表1所示.

表1 全系統(tǒng)的綜合性能指標(biāo)Tab.1 Comprehensive performance index of whole system

3 仿人機(jī)械手模型建立與裝配

首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,研究它們的建模特征,將復(fù)雜的零件結(jié)構(gòu)分解成所能建立的基本特征要素,理清特征建模之間的相互關(guān)系,選用合理的順序進(jìn)行建模[8].

3.1 氣缸模型的建立

微型氣缸的設(shè)計(jì)是為了給整個(gè)系統(tǒng)提供給動(dòng)力,由于其要鑲嵌在機(jī)械手的手指肚里面和手掌的內(nèi)部,所以氣缸的結(jié)構(gòu)采用通常的圓筒狀,占用體積較小.另外為了方便固定,在氣缸的根部都開(kāi)有卡槽,安裝方便,利于拆卸.三維模型如圖6所示.

圖6 氣缸裝配模型Fig.6 Cylinder assembly modeling

3.2 機(jī)械手手指的建模

手指的建模主要是先進(jìn)行模型的劃分,對(duì)于手指的關(guān)節(jié)考慮到指節(jié)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及自由度的限制,每一個(gè)指關(guān)節(jié)作為一個(gè)手指的一部分進(jìn)行三維建模,這樣就能夠保證手指的靈活性.為了在手指肚內(nèi)部安裝微型氣缸驅(qū)動(dòng)裝置的方便性,對(duì)于該部分機(jī)構(gòu),采用對(duì)半式的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)建模,如圖7所示.

圖7 手指關(guān)節(jié)Fig.7 Finger joints

仿生機(jī)械手的大部分動(dòng)作是依靠拇指與其他四指的配合來(lái)完成的,所以拇指機(jī)構(gòu)的好壞決定了機(jī)械手性能的優(yōu)劣.在拇指的設(shè)計(jì)中,除了考慮類似其他四指的彎曲結(jié)構(gòu)外,在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了一個(gè)與其他四指不同的大角度擺動(dòng)機(jī)構(gòu)——轉(zhuǎn)向節(jié),以增強(qiáng)拇指向手掌內(nèi)彎曲的能力,如圖8所示.

圖8 手指轉(zhuǎn)向節(jié)Fig.8 Finger knuckle

機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不但要考慮手指之間的運(yùn)動(dòng)干涉,還要考慮到微型氣缸的安裝,因此機(jī)械手指的指肚是中空的,用來(lái)安裝微型氣缸.在各個(gè)關(guān)節(jié)建模完成后先進(jìn)行手指的裝配,使其構(gòu)成完整的機(jī)械手指,如圖9所示.

圖9 手指裝配模型Fig.9 Finger assembly modeling

3.3 機(jī)械手手掌的建模

手掌的設(shè)計(jì)是為了保證各個(gè)手指在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候有一個(gè)支撐,同時(shí)要求手掌的結(jié)構(gòu)不會(huì)干涉各個(gè)手指的運(yùn)動(dòng),特別為了保證大拇指的運(yùn)動(dòng),在手掌的設(shè)計(jì)上采用圓弧形結(jié)構(gòu).類似手指的設(shè)計(jì),手掌的設(shè)計(jì)也采用了對(duì)半式的設(shè)計(jì)思路,并在手掌的內(nèi)部設(shè)計(jì)了安裝微型氣缸的部分,保證了微型氣缸的安裝不會(huì)受到干擾,模型如圖10所示.

圖10 手掌Fig.10 Palm modeling

3.4 機(jī)械手套的虛擬裝配

模型采用的裝配方法是“自底而上的設(shè)計(jì)方法”（先生成零件并將其插入裝配體,然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求配合零件）,建立機(jī)械手主要部件的子裝配,并進(jìn)行檢查.驗(yàn)證各零部件之間是否會(huì)有運(yùn)動(dòng)干涉.機(jī)械手裝配圖如圖11所示,裝配爆炸圖如圖12所示.

圖11 機(jī)械手裝配模型Fig.11 Manipulator assembly modeling

圖12 仿人機(jī)械手爆炸圖Fig.12 Humanoid robot hand explosion view

4 小結(jié)

建立了五指機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,并對(duì)五指機(jī)械手進(jìn)行了力學(xué)性能分析,設(shè)計(jì)了一個(gè)抓取力為341.43 N的五指仿人機(jī)器.對(duì)仿人機(jī)器手機(jī)械進(jìn)行了三維模型建立和裝配,為機(jī)器手的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析提供了支撐.

[1]付鐵,李金泉,陳懇,等.一種新型高速碼垛機(jī)械手的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,27（1）：17-20.

[2]申瓊,何勇.仿生機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].東華大學(xué)學(xué)報(bào),2002,28（1）：37-40.

[3]R L諾頓[美],陳立周.機(jī)器和機(jī)構(gòu)綜合分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[4]張文龍,賀申.虛擬現(xiàn)實(shí)與數(shù)據(jù)手套的研究[J].常州工學(xué)院學(xué)報(bào),2005,18（5）：26-31.

[5]張利格,畢樹(shù)生,高金磊.仿人機(jī)器人復(fù)雜動(dòng)作設(shè)計(jì)中人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)提取及分析方法[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào),2010,36（1）：107-112.

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[7]紀(jì)俐,王宏,王恒.MTi姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)在機(jī)器手抓取中的姿態(tài)測(cè)量及分析[J].機(jī)械與電子,2013（6）：66-69.

[8]陳超祥,葉修梓.SolidWorks零件與裝配體教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

（責(zé)任編輯：盧奇）

Study on the design of humanoid robot hand

Wu Suzhen,Guo Xuge
（Henan Institute of Engineering,Zhengzhou 451191,China）

Based on the analysis of the hand kinematics and the anatomy,a humanoid robot hand kinematics model was built,the mechanical properties of the manipulator was analyzed and a humanoid five-finger hand with a maximum grasping force of 341.43 N was developed in this paper.This humanoid hand employs a pneumatic drive and crank link motion gear to achieve flexible joints of the humanoid hand；It also takes data glove as the signal input of the control system.By using the three dimensional modeling software Solidworks,a three-dimensional model for various parts of the humanoid hand was built and an assembly was did for the whole pair of humanoid hands, which lays foundation for the kinematic analysis of the humanoid hand.

manipulator；multi-degree freeedom；pneumatic system；modeling

TH113.2+2

A

1008-7516（2015）03-0050-07

10.3969/j.issn.1008-7516.2015.03.011

2015-03-30

河南省教育廳自然科學(xué)基金（12A460002）

吳素珍（1978―）,女,河南濮陽(yáng)人,博士生,講師.主要從事現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)研究.