基于繩索牽引的混聯(lián)機構(gòu)仿人機械手抓握裝置的設(shè)計與研究*

侯津博，劉靜娜，葉龍飛，胡凱恒，管邦龍，梁 洺，李卓欣

（1.天津理工大學天津市先進機電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點實驗室，天津 300384；2.機電工程國家級實驗教學示范中心（天津理工大學），天津 300384；3.天津理工大學集成電路科學與工程學院，天津 300384）

機械手[1]是一種模仿人手的某些動作功能，按照固定的程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可以代替人手從事繁重危險的作業(yè)，例如在石油勘探、高空架設(shè)以及裝備制造等諸多領(lǐng)域充當重要角色，但其在功能性、靈巧性、精密性和適應(yīng)性上通常難以兼顧。因此，研制一種可以完成高難度、高靈敏度和高精密度作業(yè)的仿人機械手已經(jīng)成為當前研究領(lǐng)域的重點課題。

20世紀80年代起，許多研究者開始了對繩索驅(qū)動型機構(gòu)的研究，其中對繩牽引并聯(lián)機器人的研究最為顯著[2]。這種以輕質(zhì)繩索傳遞動力的方式賦予機構(gòu)一定的被動順應(yīng)性，使得設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，有質(zhì)量負載比大、動態(tài)響應(yīng)好、工作空間跨度大等特點，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于航空航天、大型輪船艦艇制造、機械加工等領(lǐng)域[3]?；诖?，國內(nèi)外一些機器人研究機構(gòu)開始了靈巧機械手的研究[4]。在國內(nèi)，2009年，清華大學基于欠驅(qū)動原理開發(fā)了欠驅(qū)動機械手GCUA Hand[5]，該手共有5根手指，每根手指3個自由度，由彈簧、繩索和電機聯(lián)合控制手指屈伸。在抓握物體時，末端指節(jié)會逐漸向目標物體運動，且手指的中關(guān)節(jié)可以主動彎曲。因此，抓取、握手、彈鋼琴等是GCUA Hand的典型應(yīng)用[6]。在國外，東京大學開發(fā)了一種雙指雙關(guān)節(jié)的抓握裝置，指尖位置通過高速、高精度近似控制實現(xiàn)精確控制，在物體表面變形之前通過基于近距離的接觸檢測來停止運動，可以自動適應(yīng)目標對象的外形，準確地抓住各種柔軟的物體。此外，目前開發(fā)的機械手已實現(xiàn)搬運[7]、采摘[8]、醫(yī)療[9]、演奏樂器[10]等復雜動作。

本文針對欠驅(qū)動型機械手[11]進行改進，采用串聯(lián)和并聯(lián)[12-13]結(jié)合的形式，在手指外部采用套管固定繩索路徑，實現(xiàn)外置式驅(qū)動，可不受電機尺寸的限制，并克服了電機自重對手指運動靈活性所造成的影響，減少了非必要的力矩輸出。因此，此類機械手相比于傳統(tǒng)機械手在操作上更加靈活。

1 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實現(xiàn)簡單的抓取任務(wù)，設(shè)計機械手時沒有采用十分復雜的結(jié)構(gòu)。參照人手的結(jié)構(gòu)，設(shè)計了由手指、手掌和手臂三部分組成的機械手，見第103頁圖1。以大拇指、食指、無名指為主要抓取手指，中指和小拇指為輔助手指，從而降低抓握動作控制的復雜性。以舵機作為驅(qū)動源，繩索作為牽引方式，將繩索一端固定在指節(jié)，另一端固定在舵機的輸出軸上，并將繩索牽引路徑通過套管固定，每根手指通過6根繩索實現(xiàn)彎曲和伸直動作。

圖1 機械手三維模型圖

1.2 手指與手掌結(jié)構(gòu)設(shè)計

手指部分包括5根手指，其三維模型圖見第103頁圖2。每根手指有3個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)以單自由度轉(zhuǎn)動連接兩段指節(jié)，且轉(zhuǎn)動軸線均平行。大拇指由兩段指節(jié)和一個指跟關(guān)節(jié)構(gòu)成，指跟關(guān)節(jié)與另外兩個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動軸線相互垂直，以單自由度轉(zhuǎn)動副連接于手掌。這種設(shè)計可以實現(xiàn)大拇指兩個方向的彎曲和伸直，使機械手更加靈活，便于抓握物體。手掌部分用于對5根手指進行合理布局，手臂部分用于放置舵機。

圖2 手指三維模型圖

整只機械手中，每個手指的關(guān)節(jié)為順聯(lián)方式分布，而每個指節(jié)由兩根繩索的組合運動實現(xiàn)其彎曲和伸直，見圖3，因此該機械手裝置為混聯(lián)結(jié)構(gòu)。

圖3 手指繩索牽引原理圖

為保證指節(jié)運動精度，在手指和手掌內(nèi)部固定有可供繩索伸縮的路徑。另外，為保證手指的運動協(xié)調(diào)性，當一根手指上某個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動時，牽引其他關(guān)節(jié)的繩索也需要進行放線或收線，具體運動參數(shù)由SolidWorks軟件進行運動仿真后得到。

2 控制程序及電路設(shè)計

2.1 單片機的選擇與程序設(shè)計

選擇Arduino開發(fā)板[14]作為舵機控制器，該控制器具有多個I/O接口，可以實現(xiàn)機械手的抓握力與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角之間的反饋控制。舵機與其所控制的指節(jié)對應(yīng)關(guān)系見表1。整體電路接線圖見圖4。

表1 舵機與指節(jié)對應(yīng)關(guān)系表

圖4 電路接線圖

利用Arduino自帶的Servo函數(shù)對舵機進行控制，通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比和進行延時控制，實現(xiàn)舵機在指定時間內(nèi)轉(zhuǎn)過指定角度，進一步使用判斷語句后可實現(xiàn)多個舵機內(nèi)的伺服電機同時轉(zhuǎn)動，再通過齒輪傳動驅(qū)動舵盤牽引繩索。

2.2 壓力傳感器反饋控制

在機械手食指和大拇指每個指節(jié)抓握側(cè)表面安裝FSR402薄膜壓力傳感器，其反饋信號可用于判斷抓握力是否滿足抓握需求[15]。為進一步提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，壓力傳感器兩端并聯(lián)了一個6.8 kΩ的電阻，能夠壓縮壓力傳感器量程，避免系統(tǒng)輸出的運動參數(shù)出現(xiàn)大幅振蕩。仿人機械手抓握裝置的閉環(huán)控制流程見圖5。

圖5 壓力傳感器反饋控制流程圖

3 實物搭建與實驗

3.1 仿真實驗

1）運用SolidWorks軟件進行三維建模，然后通過該軟件的Motion運動仿真模塊在手指的每個關(guān)節(jié)處設(shè)置驅(qū)動馬達，控制每節(jié)手指的轉(zhuǎn)動角度，從而模擬機械手的運動情況以及各個部分在每一時刻的空間位置以及狀態(tài)。通過測量工具得到手指末端位置的位移、速度、加速度，以此來驗證方案的可行性。仿人機械手的模擬抓握見圖6。

圖6 機械手模擬抓握

2）抓握不同圓柱體各指節(jié)轉(zhuǎn)過角度的測量結(jié)果見表2，此結(jié)果對于實物的搭建以及驗證機械手的可行性起到重要作用。

表2 抓握不同圓柱體各指節(jié)所轉(zhuǎn)過的角度

3）經(jīng)過實驗得出了仿真結(jié)果，進行握拳動作的食指近端指節(jié)角位移、角速度、角加速度曲線見圖7。其中，運動頻率為0.3 Hz，角位移運動范圍為-180°～-90°。

圖7 食指近端指節(jié)仿真曲線

設(shè)指節(jié)長度為l，指節(jié)轉(zhuǎn)過的角度為α。由動能定理進行推導，公式為

得到線速度v的表達式為

進而根據(jù)式（2）求得角速度ω的表達式為

因此角加速度和角速度成反比，說明運動方案合理。另外，在角位移曲線單增時控制手指彎曲的舵機進行收線，單減時進行放線，控制手指伸直的舵機則反之，從而實現(xiàn)抓握。

綜上所述，該機械手能夠?qū)崿F(xiàn)抓握動作，且運動平穩(wěn)無干涉，滿足設(shè)計要求。

3.2 實物搭建

根據(jù)仿真結(jié)果進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終設(shè)計了一種長265 mm、寬111 mm、厚30 mm的機械手，其手指設(shè)計結(jié)構(gòu)與人手指基本一致，單根手指總長137 mm，具體尺寸見表3。

表3 機械手手指尺寸 （mm）

機械手的材料主要為亞克力板、繩索、套管等，實物見圖8。

圖8 機械手實物模型圖

3.3 實物實驗

1）根據(jù)仿真條件確定所需圓柱體參數(shù)，見表4。

表4 圓柱體參數(shù)

2）對3種圓柱體進行抓握實驗，均能夠成功抓握，見圖9。取直徑為100 mm圓柱體增加其重量，測得該機械手的極限抓握重量為2.25 kg。

圖9 抓握實驗圖

3）對無名指的遠端指節(jié)進行壓力傳感檢測，設(shè)定抓取直徑為80 mm的圓柱體，初始返回信號值為0，舵機轉(zhuǎn)動速度為20（°）/s，過程參數(shù)見表5。

表5 壓力傳感器檢測數(shù)據(jù)

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析，在機械手抓握過程中，當壓力傳感器未檢測到壓力時，返回信號為0，且舵機持續(xù)輸出；當檢測到壓力時，返回信號出現(xiàn)一個階躍，若此值達到設(shè)定值，則保持該值，同時舵機停止轉(zhuǎn)動并保持穩(wěn)定，否則機械手將繼續(xù)執(zhí)行抓握動作。

綜上所述，該機械手動作協(xié)調(diào)，靈敏度較高，且抓握功能可靠，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)束語

該仿人機械手為繩索牽引混聯(lián)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，且可以在不影響其他關(guān)節(jié)的情況下控制單個指節(jié)的運動，同時通過閉環(huán)控制系統(tǒng)采集壓力信號對抓握裝置的運動進行反饋控制，大大提高了手指的靈活性和功能性。但該設(shè)計并不涉及控制算法，仿真中只進行了簡單的力位控制用于觀察其自適應(yīng)能力，未來進行控制研發(fā)時可更進一步發(fā)掘其自適應(yīng)抓取能力，進一步實現(xiàn)機械智能。

近年來，越來越多的仿人機械手被投入人們的日常生活與工作中。仿人機械手作為靈巧的工具，既可以像人手一樣對不規(guī)則的物體進行抓握，又可以在生產(chǎn)線上進行單一的流水線生產(chǎn)，還可以作為人身體的一部分為人類提供幫助。相信有朝一日機械手會為人類的發(fā)展作出巨大貢獻。