機(jī)器人欠驅(qū)動手爪驅(qū)動控制器設(shè)計

李開霞，趙江海，丁 玲，花加麗

（1.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院先進(jìn)制造技術(shù)研究所，常州 213164；2.江蘇省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院機(jī)器人與智能裝備技術(shù)研究所，常州 213164；3.常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所，常州 213164）

0 引言

手爪作為機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵組成部分，其相當(dāng)于人類的手，主要用于對工具或者工件進(jìn)行握持和操作，承擔(dān)著重要的操作執(zhí)行功能。目前機(jī)器人手爪正朝著從簡單到復(fù)雜，從笨拙向靈巧的方向發(fā)展，欠驅(qū)動手爪作為一種欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)的仿人機(jī)器人手爪，人手是其研究對象與靈感來源，屬于多指手研究領(lǐng)域，目前被諸多研究者應(yīng)用到機(jī)器人研究中。

中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院先進(jìn)制造技術(shù)研究所對欠驅(qū)動手爪的研究工作已開展了多年，成功研制出了多種類型機(jī)器人欠驅(qū)動手爪，擁有多項發(fā)明專利，為欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)在機(jī)器人手爪中的應(yīng)用積累了豐富的寶貴經(jīng)驗，并具有多個機(jī)器人成功應(yīng)用欠驅(qū)動手爪的案例[1～3]。欠驅(qū)動手爪在欠驅(qū)動手指機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研制形狀自適應(yīng)手爪機(jī)構(gòu)，集成了具有被動柔順和多種抓取功能的欠驅(qū)動手指機(jī)構(gòu)，具有半主動柔順指面和主動適應(yīng)性，進(jìn)一步增強(qiáng)了手爪對物體形狀的適應(yīng)能力，提高了手爪在實際應(yīng)用中的可靠性。此類欠驅(qū)動手爪的設(shè)計充分吸納了欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)的優(yōu)點，具有獨特的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有驅(qū)動元件少、控制簡單、抓取適應(yīng)性強(qiáng)和出力大等優(yōu)點。本文以此為研究基礎(chǔ)，以實現(xiàn)欠驅(qū)動手爪在機(jī)器人系統(tǒng)中的靈活應(yīng)用為目的而進(jìn)行驅(qū)動控制器設(shè)計。

1 欠驅(qū)動手爪機(jī)械結(jié)構(gòu)

如圖1(a)欠驅(qū)動手爪實物樣機(jī)所示[4～6]，此款欠驅(qū)動手爪機(jī)構(gòu)由形狀自適應(yīng)欠驅(qū)動手指、平行四邊形精確捏取機(jī)構(gòu)和手指位置調(diào)整機(jī)構(gòu)三個部分組成。欠驅(qū)動手爪設(shè)計具有3個手指、手指基座外形為圓柱的形狀，整體形狀與人手相近，由手腕、手掌、手指以及各個手指的驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)和拇指位置調(diào)整機(jī)構(gòu)組成，能很好的實現(xiàn)對物體的抓持和操作，手指安裝到手掌上后，分別具有3個自由度，加上1個拇指機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)自由度，整個手爪共具有10個自由度。拇指旋轉(zhuǎn)由一個安裝在手掌內(nèi)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，通過拇指的旋轉(zhuǎn)配合其他三個手指實現(xiàn)更多的抓取模式，拇指的旋轉(zhuǎn)角度范圍為0°～90°。

手指驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)如圖1(b)所示[4～6]，欠驅(qū)動手爪的3個手指機(jī)構(gòu)的驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)的驅(qū)動電機(jī)采用微型力矩電機(jī)，可以直接在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上配合設(shè)計螺紋副，從而將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成直線運動控制手指的開合。微型力矩電機(jī)帶動其螺桿轉(zhuǎn)動，螺桿的轉(zhuǎn)動和導(dǎo)軌對螺母的限制作用又使得螺母沿螺桿移動，通過其正反轉(zhuǎn)控制螺母的移動方向，通過控制螺母的移動距離從而與螺母連接的手指機(jī)構(gòu)便處于不同的抓取、捏取或松開狀態(tài)。

圖1 欠驅(qū)動手爪實物樣機(jī)與手指驅(qū)動傳動結(jié)構(gòu)

欠驅(qū)動手爪設(shè)計中，3個手指的9個指面均可安裝觸力傳感器，根據(jù)實際需求選擇安裝（實驗中只在每個手指末關(guān)節(jié)安裝了傳感器），用于感知被抓取物體并獲取其相關(guān)信息。另外，在各手指的電機(jī)螺桿行程的末端極限位置以及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)極限位置，分別設(shè)置有限位開關(guān)，用于限制螺母沿螺桿的最大行程和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的極限旋轉(zhuǎn)位置以保護(hù)驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)。

2 驅(qū)動控制設(shè)計

2.1 驅(qū)動控制需求分析

欠驅(qū)動手爪的自適應(yīng)抓取功能可分為包絡(luò)抓取和精確捏取兩大類，精確捏取分為三指平行捏取和三指對心捏取，包絡(luò)抓取分為三指平行包絡(luò)和三指對心包絡(luò)抓取。以上為欠驅(qū)動手爪具備的動作能力，但是手爪作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是具有被動性的，因此，若想在機(jī)器人系統(tǒng)中讓欠驅(qū)動手爪完成機(jī)器人總控系統(tǒng)指定的任務(wù)，那么手爪必須與機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行集成應(yīng)用，建立與之的通訊系統(tǒng)，這樣手爪才能實時接受機(jī)器人系統(tǒng)總控的命令與指揮，以機(jī)器人為領(lǐng)導(dǎo)而做出動作，配合完成任務(wù)而實現(xiàn)應(yīng)用。

綜合考慮欠驅(qū)動手爪的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計與手爪功能設(shè)計后得出，欠驅(qū)動手爪的驅(qū)動、控制、檢測對象總結(jié)起來由三個微型直流力矩電機(jī)、一個步進(jìn)電機(jī)、9個可選觸力傳感器（設(shè)計中檢測接口為3路）、4個限位開關(guān)以及與機(jī)器人系統(tǒng)的通訊接口組成，需要實現(xiàn)的功能為，機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)送命令至驅(qū)動控制器，欠驅(qū)動手爪接收命令并執(zhí)行，通過對手指指面觸力的檢測，結(jié)合電機(jī)電流檢測，限位檢測，實現(xiàn)手指速度與位置控制，從而實現(xiàn)對手指作用力的控制，完成欠驅(qū)動手爪的自適應(yīng)抓取。

2.2 硬件設(shè)計

如圖2所示驅(qū)動控制器總體由以下幾部分組成：單片機(jī)MCU、電機(jī)驅(qū)動模塊、電流采樣模塊、限位開關(guān)模塊、壓力傳感器模塊、CAN總線通訊模塊及電源模塊。其中電機(jī)驅(qū)動與電流采樣模塊分別包含了三個直流力矩電機(jī)及一個步進(jìn)電機(jī)。

圖2 驅(qū)動控制器統(tǒng)硬件框圖

根據(jù)系統(tǒng)需求對單片機(jī)MCU進(jìn)行選型，綜合考慮各種資源需求，包括速度、存儲、IO、AD、CAN模塊等，最終選擇飛思卡爾工業(yè)級單片機(jī)MC9S08DZ60，在滿足豐富片上資源的同時，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動手爪電機(jī)運動，電流采集模塊用于對電機(jī)驅(qū)動電流進(jìn)行采集，參與力計算的同時用于限流保護(hù)。單片機(jī)集成CAN控制器，經(jīng)CAN驅(qū)動后與機(jī)器人控制系統(tǒng)的CAN接口組成CAN總線通訊，以此建立兩者之間的通訊系統(tǒng)。

觸力傳感器采用FlexiForce Sensor的MODEL A201（0-25lbs（110N）），信號經(jīng)過信號調(diào)理電路的調(diào)制、放大、濾波等處理后送至單片機(jī)進(jìn)行AD采集、計算，數(shù)據(jù)采集校準(zhǔn)及標(biāo)定參考傳感器的電導(dǎo)曲線進(jìn)行[7]。

2.3 軟件設(shè)計

如圖3驅(qū)動控制器總體軟件流程所示，機(jī)器人控制系統(tǒng)根據(jù)需求提出控制任務(wù)，并通過CAN總線進(jìn)行命令發(fā)送，驅(qū)動控制器在接收任務(wù)后，對欠驅(qū)動手爪的四個電機(jī)執(zhí)行驅(qū)動命令，驅(qū)動手指調(diào)節(jié)初始姿勢，手指以預(yù)定速度運行，通過手爪上的接觸力傳感器獲取抓取過程中的力信息，判斷抓取穩(wěn)定性，當(dāng)手爪達(dá)到合適位置時，手爪對物體形成包絡(luò)抓取或是精確捏取姿勢，然后手指形成對被抓取物體的多點約束或是面約束，根據(jù)傳感器反饋的信息形成閉環(huán)，根據(jù)控制算法判斷是否完成了穩(wěn)定抓取。

圖3 驅(qū)動控制器總體軟件流程

2.4 控制算法設(shè)計

接觸力的控制是穩(wěn)定抓取的關(guān)鍵，由于欠驅(qū)動手指的特點，輸入和輸出之間具有高度的非線性，各個手指面的接觸力取決于物體對手指約束，抓取過程中可能出現(xiàn)某個接觸力過大或是手指和物體沒有接觸的情況，造成不穩(wěn)抓取或是損害物體。因此，手爪抓取采用基于傳感器反饋的控制模式，關(guān)節(jié)指面安裝接觸力傳感器，實時檢測手爪在抓取物體過程中的動態(tài)接觸力，判斷手爪與目標(biāo)物的接觸狀態(tài)，監(jiān)測動態(tài)接觸力的變化過程，并根據(jù)反饋結(jié)果來調(diào)整抓取的接觸力大小。

單個手指的接觸力控制采用如圖4所示的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行力的控制[8,9]，其中Fd為期望接觸力，F(xiàn)n為實際檢測到的觸力，Ke、Kc、Ku分別為輸入誤差e、誤差變化Δe及輸出u對應(yīng)的比例因子，限流保護(hù)用于避免因電流過大而損壞電機(jī)及驅(qū)動的保護(hù)環(huán)節(jié)。

圖4 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制框圖

圖5 誤差、誤差變化及輸出隸屬函數(shù)

其中輸入誤差e、誤差變化Δe及輸出u分別用模糊集E={E1，E2，…，E9}，Ec={Ec1，Ec2，…，Ec9}，U={U1，U2，…，U9}表示，E、Ec及U的隸屬函數(shù)如圖5所示。采用如表1所示控制規(guī)則表，設(shè)計原則為：當(dāng)誤差較大時，控制量的變化應(yīng)盡量使誤差迅速減小，當(dāng)誤差較小時，除了要消除誤差，同時需要考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性，防止產(chǎn)生不必要的超調(diào)，甚至引起震蕩。

便于在單片機(jī)中實現(xiàn)控制算法，采用Larsen模糊推理法結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)解模糊方法，如圖6所示。已知e=e0，Δe=Δe0，根據(jù)Larsen模糊推理法得到規(guī)則式：根據(jù)規(guī)則式共得出81條規(guī)則，分別對應(yīng)9種輸出選擇，將對應(yīng)于同一輸出UK的ωij進(jìn)行取最大處理：例如：運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行去模糊化處理得到最終輸出：

圖6 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

3 實踐結(jié)果

根據(jù)欠驅(qū)動手爪機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計具體要求，研制出控制驅(qū)動器樣機(jī)，電路板實物如圖7所示，電路板尺寸為直徑6.5cm，結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，體積小。電路板設(shè)計可以根據(jù)具體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計配合做出相應(yīng)外形尺寸調(diào)整，具有一定靈活性與通用性。直流工作電壓范圍為12～24V，最高輸出持續(xù)電流3A，峰值電流7A，工作溫度-15℃～+85℃。經(jīng)反復(fù)測試實驗，樣機(jī)整體性能指標(biāo)達(dá)到使用要求，能夠?qū)崿F(xiàn)欠驅(qū)動手爪的驅(qū)動與控制。

圖7 實物圖

將研制的欠驅(qū)動手爪及驅(qū)動控制器集成至工業(yè)機(jī)器人手臂上，構(gòu)成高可靠性欠驅(qū)動多關(guān)節(jié)手爪抓取實驗平臺，通過大量抓取實驗驗證了驅(qū)動控制器設(shè)計的正確性和有效性[6,10,11]。

表1 模糊控制規(guī)則表

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圖8 欠驅(qū)動手爪抓取

4 結(jié)束語

針對目標(biāo)欠驅(qū)動手爪的機(jī)械結(jié)構(gòu)，分析驅(qū)動控制需求后，綜合應(yīng)用多項檢測與控制技術(shù)，設(shè)計出了結(jié)構(gòu)緊湊，集檢測、驅(qū)動、控制及CAN總線傳輸于一體的欠驅(qū)動手爪驅(qū)動控制器，集成度高，功能完善，通過作用力控制，能夠滿足穩(wěn)定抓取的功能需求。通過實驗驗證，欠驅(qū)動手爪驅(qū)動控制器能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)欠驅(qū)動手爪在機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用，為欠驅(qū)動手爪的普及應(yīng)用提供了便利，同時也為欠驅(qū)動手爪的模塊化生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)。下一步將針對驅(qū)動控制器在寬范圍電壓輸入、寬范圍功率輸出及模塊化應(yīng)用方面做進(jìn)一步改進(jìn)與完善。

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