一種復(fù)合驅(qū)動(dòng)指關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)與仿真

李阿為，郗夢(mèng)璐，李 玲，馬翔宇，劉家豪

(西安航空學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 西安 710077)

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，機(jī)器人研究也在不斷取得進(jìn)步，其執(zhí)行裝置的精度也得到了提高。然而，機(jī)器人末端執(zhí)行裝置已不能滿足復(fù)雜、多變的環(huán)境。因此，開發(fā)一種實(shí)用性強(qiáng)、可在各種復(fù)雜多變環(huán)境下進(jìn)行快速工作的機(jī)器人靈巧手已經(jīng)成為技術(shù)發(fā)展的必需。隨著新型材料和新工藝的開發(fā)，越來越多的新型智能材料，如高分子材料、形狀記憶合金(shape memory alloys，SMA)[1]等，受到了機(jī)器人領(lǐng)域科學(xué)研究人員及專家的肯定和關(guān)注，并慢慢代替了傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。1962年由Tomovic、Boni共同研發(fā)的Belgrade手最開始是為南斯拉夫的一位傷寒病患者而設(shè)計(jì)的，它被認(rèn)為是世界上最早的靈巧手[2]。日本研發(fā)的Okada手采用電驅(qū)動(dòng)縫式關(guān)節(jié)，靈活性有限，只能進(jìn)行簡單的重復(fù)性動(dòng)作[3]。20世紀(jì)80年代，許多國家對(duì)于機(jī)器人靈巧手的研制開發(fā)都投入了大量的精力，誕生了以多自由度、可控制、具有多種感知功能為標(biāo)志的現(xiàn)代意義上的靈巧手，如Utah/MIT手[4]、Stanford/JPL手[5]、styx手[6]等。我國從20世紀(jì)80年代后期開始研究靈巧手，代表有北航研制的BH系列靈巧手，包含BH-1、BH-2、BH-3、BH-4型等多種多指靈巧手[7]。文獻(xiàn)[8-9]設(shè)計(jì)了一種機(jī)械靈巧手，滿足了手指的基本使用功能。由于機(jī)械傳動(dòng)、驅(qū)動(dòng)、傳感、電子等方面技術(shù)和控制方法的技術(shù)局限性，減慢了靈巧手的發(fā)展節(jié)奏。總而言之，通過國內(nèi)外現(xiàn)有的研究情況，可以發(fā)現(xiàn)存在諸多問題，比如驅(qū)動(dòng)方式缺乏靈活性、自由度低、反應(yīng)能力較慢等。大多數(shù)設(shè)計(jì)的靈巧手手指關(guān)節(jié)通常都會(huì)采用單一驅(qū)動(dòng)的方式，這樣的靈巧手驅(qū)動(dòng)方式可靠性和抓取反應(yīng)效率都比較低。本文設(shè)計(jì)了一種復(fù)合驅(qū)動(dòng)指關(guān)節(jié)，驅(qū)動(dòng)可靠性強(qiáng)，指關(guān)節(jié)的抓取反應(yīng)效率也大大提高。

本文通過研究人手運(yùn)動(dòng)機(jī)理，對(duì)指關(guān)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，關(guān)節(jié)采用電機(jī)-SMA復(fù)合驅(qū)動(dòng)。為區(qū)別電機(jī)與SMA兩種驅(qū)動(dòng)的方式，對(duì)其分別進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。仿真結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的復(fù)合驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)滿足設(shè)計(jì)要求。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

復(fù)合驅(qū)動(dòng)是目前靈巧手開發(fā)的一個(gè)重要的研究方向。復(fù)合驅(qū)動(dòng)指關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)涉及了許多方面，包括機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為了提高指關(guān)節(jié)的反應(yīng)速度及抓取效率，設(shè)計(jì)了一種SMA驅(qū)動(dòng)器來和電機(jī)共同驅(qū)動(dòng)以達(dá)到復(fù)合驅(qū)動(dòng)的目的。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸出位移大、運(yùn)行可靠，但是電機(jī)的功重比較低，手指關(guān)節(jié)很難滿足抓取反應(yīng)速度的要求。形狀記憶合金功重比較高、質(zhì)量輕、驅(qū)動(dòng)力大、反應(yīng)快，使其能廣泛應(yīng)用于對(duì)機(jī)構(gòu)質(zhì)量、尺寸要求較嚴(yán)格的情況。但其能耗較高、工作效率較低，并且驅(qū)動(dòng)回復(fù)位移較小。

手指的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是由其自身的運(yùn)動(dòng)原因所導(dǎo)致的。一個(gè)人的手有5個(gè)手指：拇指、食指、中指、無名指和小指。大多數(shù)腕骨位于拇指所在的位置，并包含1個(gè)掌骨和2個(gè)趾骨。其他4個(gè)手指位于跟骨、指間骨和手指的末端，并且都包含一個(gè)掌骨。手掌的內(nèi)部肌肉控制了手指的運(yùn)動(dòng)。手掌和手指關(guān)節(jié)與內(nèi)部的肌肉組織連接，通過大腦中的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)運(yùn)動(dòng)信號(hào)來控制手掌的運(yùn)動(dòng)，在收縮時(shí)肌腱受到腦部運(yùn)動(dòng)中心的控制，產(chǎn)生有距離的拉動(dòng)力，以控制手指各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)(圖1)。

圖1 人手關(guān)節(jié)

常用的機(jī)器人傳動(dòng)方式有齒輪傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)、皮帶傳動(dòng)、平面連桿機(jī)構(gòu)、差動(dòng)機(jī)構(gòu)等。皮帶傳動(dòng)具備了構(gòu)造簡易、傳動(dòng)平穩(wěn)無噪音、沒有嚴(yán)格限制的配合距離等優(yōu)點(diǎn)。絲桿傳動(dòng)效率高、精度高、有可逆性。本設(shè)計(jì)采用皮帶傳動(dòng)、絲桿傳動(dòng)等傳動(dòng)方式。關(guān)節(jié)處采用皮帶傳動(dòng)，電機(jī)與連桿的傳動(dòng)也采用皮帶傳動(dòng)，形狀記憶合金與連桿的傳動(dòng)采用絲桿傳動(dòng)。同時(shí)，參考人手的關(guān)節(jié)構(gòu)造，定義各個(gè)關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)動(dòng)副。本設(shè)計(jì)選用三關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，為了方便設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)仿真，3個(gè)關(guān)節(jié)采用完全相同的傳動(dòng)方式。圖2所示為所設(shè)計(jì)的復(fù)合驅(qū)動(dòng)指關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖，電機(jī)和形狀記憶合金復(fù)合驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)指關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)選用三關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，指關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)大小參考人手指關(guān)節(jié)的尺寸，并且根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行了小幅調(diào)整。大數(shù)據(jù)的來源為某中學(xué)青少年學(xué)生手指尺寸的統(tǒng)計(jì)， 統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

1.指關(guān)節(jié)Ⅲ； 2.電機(jī)； 3.連桿；4.指關(guān)節(jié)Ⅱ； 5.固定塊Ⅰ； 6.固定塊Ⅰ； 7.指關(guān)節(jié)Ⅰ；8.皮帶Ⅱ； 9.形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器；10.皮帶輪Ⅳ； 11.皮帶輪Ⅲ； 12.固定桿；13.皮帶輪Ⅱ；14.皮帶Ⅰ； 15.皮帶輪I

圖2 復(fù)合驅(qū)動(dòng)指關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

在本文設(shè)計(jì)的復(fù)合驅(qū)動(dòng)器中，SMA驅(qū)動(dòng)器主要是為了提高手指的抓取反應(yīng)速度。在常規(guī)抓取中，指關(guān)節(jié)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)；在反射抓取過程中，為了提高指關(guān)節(jié)的抓取反應(yīng)速度防止被抓物體滑落，指關(guān)節(jié)由SMA驅(qū)動(dòng)。具體工作原理為：在常規(guī)抓取中，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，連桿帶動(dòng)皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)指關(guān)節(jié)的彎曲運(yùn)動(dòng)；在反射抓取過程中， SMA絲通電加熱收縮產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩，拉動(dòng)連接塊移動(dòng)，由于連接塊與連桿是螺紋連接，故連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，同樣連桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，指關(guān)節(jié)發(fā)生彎曲運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合驅(qū)動(dòng)的目的。

2 運(yùn)動(dòng)仿真

將指關(guān)節(jié)Ⅲ及指關(guān)節(jié)Ⅲ上的電機(jī)、張緊裝置、固定桿和形狀記憶合金作為第1個(gè)連桿，并選擇固定連桿；指關(guān)節(jié)Ⅲ上的第1個(gè)皮帶輪作為第2個(gè)連桿；指關(guān)節(jié)Ⅲ上的第1個(gè)皮帶輪定義為第1個(gè)旋轉(zhuǎn)副；以此類推定義8個(gè)連桿與7個(gè)運(yùn)動(dòng)副。仿真結(jié)果見圖3、4。

圖3 仿真演示截圖

圖4 指關(guān)節(jié)II位移/速度/加速度曲線

通過對(duì)比位移、速度、加速度曲線可見，指關(guān)節(jié)Ⅱ電機(jī)驅(qū)動(dòng)的位移約為80°，最大速度可達(dá)到8.6 (°)/s，最大加速度可達(dá)到3.4 (°)/s2。SMA驅(qū)動(dòng)的位移為約為76°，最大速度可達(dá)到12 (°)/s，最大加速度可達(dá)到4.7 (°)/s2。綜上所述，SMA驅(qū)動(dòng)的加載速度明顯優(yōu)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

3 軌跡規(guī)劃

軌跡規(guī)劃是提高機(jī)器人智能和自主能力的關(guān)鍵技術(shù)，研究可行、實(shí)用、實(shí)時(shí)的軌跡規(guī)劃方法對(duì)于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人智能與自主是至關(guān)重要的。本文此處采用Matlab軟件中運(yùn)算方法進(jìn)行軌跡規(guī)劃。依據(jù)實(shí)際尺寸，在Matlab里建立三維模型,見圖5。

圖5 指關(guān)節(jié)三維模型

起始角度、終止角度分別為：

q0=[8,25,45]*pi/180

q1=[120,120,100]*pi/180

依據(jù)軌跡規(guī)劃的要求，求解各關(guān)節(jié)的角速度和角加速度，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 軌跡規(guī)劃結(jié)果

4 結(jié)論

針對(duì)現(xiàn)有的單一電機(jī)驅(qū)動(dòng)指關(guān)節(jié)加載速度慢、反射抓握性能有限的問題，提出并設(shè)計(jì)了一種形狀記憶合金與電機(jī)復(fù)合驅(qū)動(dòng)指關(guān)節(jié)，形狀記憶合金的加入主要用于提高手指的反射抓握速度。根據(jù)復(fù)合驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、互補(bǔ)原則、兼容原則，提出并設(shè)計(jì)了形狀記憶合金與電機(jī)復(fù)合驅(qū)動(dòng)指關(guān)節(jié)，建立了復(fù)合驅(qū)動(dòng)指關(guān)節(jié)的三維模型，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和仿真驗(yàn)證。運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的復(fù)合驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)滿足要求，為復(fù)合驅(qū)動(dòng)的研究提供了一定的參考。