淺析多指仿生靈巧手結(jié)構(gòu)設(shè)計

陳玉瑜 權(quán)潔

摘要：多指仿生靈巧手可以在人手無法操作的環(huán)境中靈活、準(zhǔn)確、精細(xì)的完成一系列動作。本文分析了多指仿生靈巧手在設(shè)計過程中的關(guān)鍵技術(shù)和手指機構(gòu)的傳動方案，概述了靈巧手的應(yīng)用和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：靈巧手；結(jié)構(gòu)設(shè)計；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：TP241文獻標(biāo)識碼：A

多指仿生靈巧手是一種集機構(gòu)、驅(qū)動、傳感和控制為一體的機器人系統(tǒng)，具有通用性強、感知能力豐富、操作靈活等優(yōu)點，可在日?；驑O限環(huán)境下代替人手執(zhí)行多種操作。

1 應(yīng)用

多指靈巧手采取仿生學(xué)原理，由多個擁有2～3個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的手指組成，每一個關(guān)節(jié)的自由度都是獨立控制的。因此，它可以模仿人手完成設(shè)備操作、維修、裝配等各種復(fù)雜的動作。它可以在深海、太空航天器的艙外、自動化生產(chǎn)線、核電站、化工廠等危險、惡劣的工作環(huán)境下從事探測、取樣、裝配、修理等作業(yè)；此外，在工業(yè)生產(chǎn)中，大量的重復(fù)動作可以讓靈巧手準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)，大大提高工作效率，減少人力成本。

2 設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)

通過研究人手結(jié)構(gòu)，分析國內(nèi)外多指仿生靈巧手的研究成果，靈巧手的設(shè)計從宏觀來看，應(yīng)該在以下幾個方面研究。

2.1 手指的設(shè)計

分析人手結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，人類的五個手指除了拇指，其余四指結(jié)構(gòu)大致相同，所以可以進行模塊化設(shè)計，即重點設(shè)計其中某一手指，別的手指可以在其基礎(chǔ)上做尺寸上的調(diào)整。拇指最靈活，人手的大部分動作都是依靠拇指與其他手指的配合來完成的，所以拇指的設(shè)計也較其他手指復(fù)雜。

2.2 傳感器設(shè)計

觸覺是人手與外界接觸的主要途徑，而觸覺傳感器是仿生靈巧手感知外界的重要介質(zhì)，所以觸覺傳感器的設(shè)計至關(guān)重要，它的優(yōu)劣在很大程度上影響和決定著靈巧手的功能實現(xiàn)。

2.3 控制系統(tǒng)研究

為了使多指仿生靈巧手的尺寸和重量達到人手水平，在設(shè)計控制系統(tǒng)時，要通過優(yōu)化算法、合理建模等方法盡量壓縮結(jié)構(gòu)尺寸，將控制系統(tǒng)嵌入手的內(nèi)部。

3 設(shè)計的基本原則

設(shè)計多指仿生靈巧手需要根據(jù)用途確定其功能要求和設(shè)計指標(biāo)，用途不同帶來的設(shè)計結(jié)果存在很大的差異。在設(shè)計的時候可根據(jù)不同的工作環(huán)境和工作要求，制定不同的設(shè)計方案，在滿足實際功能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，盡量追求結(jié)構(gòu)的靈巧性、美觀性、緊湊型和通用實用性。

4 手指機構(gòu)的傳動方案設(shè)計

4.1 關(guān)節(jié)運動的驅(qū)動方式

多指仿生靈巧手根據(jù)其關(guān)節(jié)運動驅(qū)動機構(gòu)來分，一般有兩種：

（1）旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式。旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方式的動力來源一般是各種型號的電機和舵機，使用這種驅(qū)動方式的靈巧手機械結(jié)構(gòu)簡單，動作十分靈敏，控制較為方便。但是驅(qū)動設(shè)備一般體積較大，而且受驅(qū)動設(shè)備性能參數(shù)的影響，一般抓取力量較小，在工程應(yīng)用中較少。

（2）直線驅(qū)動方式。直線驅(qū)動方式的動力來源較廣泛，目前應(yīng)用較多的有液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、直線電機等等。動力來源不同，機械手尺寸與力學(xué)性能也有較大差別。液壓驅(qū)動機械手一般抓取力較強，是目前力學(xué)性能最好的機械手，但是采用液壓驅(qū)動的機械手一般重量與體積都比較大，而且液壓控制系統(tǒng)的反應(yīng)速度較低，所以其機械手的靈敏性和靈巧程度受到了很大的影響。而氣動機械手較液壓驅(qū)動機械手，其力學(xué)性能上有一定的差距，但是氣動系統(tǒng)通常體積較小，安裝方便，同時又能夠保證整個機械手具有足夠的靈巧程度與靈敏性，所以，對于小型仿人手機械手，這種驅(qū)動方式更能夠發(fā)揮其作用。

4.2 關(guān)節(jié)運動的傳動方式

為保證傳動結(jié)構(gòu)緊湊并實現(xiàn)所需求的手指運動功能，常用的傳動方式有如下三種。

（1）繩輪傳動。繩輪傳動機械結(jié)構(gòu)簡單，能實現(xiàn)多個自由度，能傳遞遠(yuǎn)距離的兩關(guān)節(jié)之間的運動和動力，也能較好的滿足靈巧手機械結(jié)構(gòu)上的要求，并且加工方便、傳動平穩(wěn)、無噪聲、無振動和沖擊、耐用性強。但是這種傳動方式不能提供較大的抓取力度；繩索容易變形，使用時間長了，繩索會變松弛，將會帶來較大的運動傳遞誤差；并且繩索只能受拉，不能受壓，實現(xiàn)回程將會很困難；所以在應(yīng)用上受到了一定的限制。

（2）鏈條、鋼帶傳動。鏈條、鋼帶傳動也是遠(yuǎn)程驅(qū)動的手段之一，與繩輪傳動相比，剛性高，可以傳遞較大的輸出，但設(shè)計上的限制也很大。

（3）閉式鏈連桿傳動結(jié)構(gòu)。仿生靈巧手指各關(guān)節(jié)之間的距離不是很遠(yuǎn)，所以也可以運用連桿機構(gòu)傳遞運動和動力。手指機構(gòu)采用開環(huán)的串聯(lián)三連桿機構(gòu)，再添加一些自由度為零的桿組，就可以構(gòu)造出閉環(huán)連桿機構(gòu)，通過這一閉環(huán)連桿機構(gòu)可以把手指根部的運動和動力傳遞到各個關(guān)節(jié)。這種傳動方式提升了靈巧手的機械性能，但是增加了靈巧手的復(fù)雜程度。

5 發(fā)展趨勢

隨著仿人機器人的發(fā)展，研發(fā)多指仿生靈巧手具有重要的理論和實踐意義。機器人學(xué)的發(fā)展方向始終是高度仿人形，機械手發(fā)展的最高目標(biāo)是高度仿人手。

（1）要使靈巧手高度仿人手，兩者具有1：1的對應(yīng)關(guān)系。首先要在外形尺寸、結(jié)構(gòu)，手指數(shù)量、感覺，抓取功能等方面達到人手的程度。這樣它就能真正成為人手的延伸或替代，方便而準(zhǔn)確地抓取物體。同時，靈巧手結(jié)構(gòu)和重量的日益親民化，控制的日益智能化也為靈巧手成為殘疾人假手提供條件。

（2）考慮到雙手協(xié)作不僅能簡化某些操作，還可能擴大手的作用，雙手的協(xié)作必將成為發(fā)展趨勢。但是要實現(xiàn)雙手協(xié)作問題，雙手必須能夠?qū)崿F(xiàn)即時通信，所以就需要研究設(shè)計一套完美的通信系統(tǒng)。

（3）多指仿生靈巧手將被廣泛地運用到工業(yè)實際中，面向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，靈巧手技術(shù)將得到進一步深入發(fā)展。

參考文獻：

[1]張玉茹，李繼婷，李劍鋒.機器人靈巧手——建模、規(guī)劃與仿真[M].機械工業(yè)出版社，2007.4.

[2]張濤.機器人引論[M].機械工業(yè)出版社，2016.11.

基金項目：常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)術(shù)科研基金項目（CFK201508）

作者簡介：陳玉瑜（1979），女，甘肅靖遠(yuǎn)人，碩士，講師，常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，主要從事機械設(shè)計和數(shù)控技術(shù)的教學(xué)科研工作；權(quán)潔（1987），男，江蘇徐州人，碩士，助教，常州紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，主要從事機械設(shè)計和機械制造的教學(xué)科研工作。