面向酒壇抓取的仿生機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

王俊強(qiáng)，管聲啟，李振浩，于資江，王靜國，劉文慧

(1.西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.紹興市柯橋區(qū)西紡紡織產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院，浙江 紹興 312030)

0 引言

黃酒是世界三大釀造酒之一，其生產(chǎn)釀造技術(shù)獨(dú)樹一幟，其中以浙江紹興黃酒為典型代表[1]。近年來，黃酒產(chǎn)業(yè)隨著經(jīng)濟(jì)的增長在不斷擴(kuò)大，但是由于黃酒生產(chǎn)中人力資源消耗大，機(jī)械自動化水平低等，導(dǎo)致企業(yè)勞動強(qiáng)度大、無法適應(yīng)全自動化生產(chǎn)，使得黃酒行業(yè)的發(fā)展受到了約束[2-3]。因此，需要開展“機(jī)器換人”技術(shù)革新，推進(jìn)行業(yè)向標(biāo)準(zhǔn)化、智能化方向轉(zhuǎn)變[4]。

目前大多數(shù)末端執(zhí)行器多為單自由度，其抓取方式多使用夾鉗式，只能實(shí)現(xiàn)特定抓取動作，很難實(shí)現(xiàn)對力的精確控制。由于傳統(tǒng)黃酒的釀造存儲多以陶壇為主，陶壇的尺寸各異，且在軸心方向上不對稱，用傳統(tǒng)的機(jī)械手無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的抓取。

而人手經(jīng)過長期進(jìn)化，能夠?qū)崿F(xiàn)多種抓取動作。加拿大公司研制的SARAH機(jī)械手[5]、意大利研發(fā)的Smart機(jī)械手[6]和RTRⅡ[7]機(jī)械手雖具有人手的多自由度，但由于尺寸和控制等因素難以應(yīng)用實(shí)際；斯坦福大學(xué)研發(fā)的Stanford/JPL機(jī)械手[8]，采用繩輪機(jī)構(gòu)，通過傳感器進(jìn)行檢測與控制。國內(nèi)的仿生學(xué)末端執(zhí)行器也取得一定的進(jìn)展[9]，上海交通大學(xué)研究的假肢手SJU-5，能夠?qū)崿F(xiàn)對日常物品的抓取[10]；哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的HIT-DLR機(jī)械手采用5個模塊化的手指[11]；清華大學(xué)研制的TH型機(jī)械手，采用欠驅(qū)動原理，具有良好的抓取性能[12]。雖然仿生型末端執(zhí)行器的性能逐步完善，但依舊存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度大，穩(wěn)定效果不佳等問題，且由于酒壇體積和形狀的限制，難以滿足其抓取需求。

本文采用仿生學(xué)設(shè)計原理，以人手抓取操作為基礎(chǔ)，設(shè)計一種欠驅(qū)動仿生型末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)對酒壇的抓取操作。

1 仿生機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)

機(jī)械手整體采用三指三指節(jié)九自由度的結(jié)構(gòu)形式，主要包含手指和基座2個模塊，如圖1所示。每根手指模擬人手構(gòu)型采用近指節(jié)、中指節(jié)、遠(yuǎn)指節(jié)等三指節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)部采用特殊繩輪布局的腱傳動驅(qū)動方式，并且采用獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動控制方式?？紤]到抓取對象的外形尺寸的特殊性，3根手指采用模塊化的設(shè)計思想，采用空間交錯抓取方式，3個手指呈三角形分布方式，單根手指獨(dú)立分布，其他2個手指基于抓取對象的質(zhì)心位置并列對稱分布兩側(cè)，使得各手指中心有足夠大的抓取空間，能夠滿足抓取對象不同尺寸的抓取要求。該種布局及抓取方式可以針對不同的抓取對象，具有自適應(yīng)性強(qiáng)、抓取范圍廣等特點(diǎn)。

圖1 機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)

機(jī)械手在抓取過程中，3個手指的協(xié)調(diào)運(yùn)動是由電機(jī)和腱繩通過滑輪以及指腹上的觸覺傳感器共同完成的。這一動作的完成是通過運(yùn)動控制模塊統(tǒng)一協(xié)調(diào)分配，而其各個手指又分別由各自對應(yīng)的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動控制，所以運(yùn)動控制模塊在對每個電機(jī)控制信號的輸入過程中需進(jìn)行精密的監(jiān)測和計算，以此來保障整個抓取運(yùn)動的平穩(wěn)性。該仿生型機(jī)械手的設(shè)計綜合考慮抓取系統(tǒng)的穩(wěn)定性和力的平衡因素，在后續(xù)的仿真實(shí)驗(yàn)部分對驅(qū)動手指運(yùn)動的電機(jī)參數(shù)設(shè)定上保持了統(tǒng)一性，同時在指節(jié)間控制運(yùn)動的彈簧參數(shù)設(shè)定上進(jìn)行了差別擬合設(shè)定法，這樣既有利于保障3個手指在完成抓取動作時的一致性，又使得在完成抓取動作時機(jī)械手整體上力的平衡性與穩(wěn)定性。因此，該機(jī)械手在抓取時能夠滿足欠驅(qū)動機(jī)械手仿生型原理和自適應(yīng)抓取設(shè)計要求，符合人手抓取機(jī)理及實(shí)際生產(chǎn)抓取需要。

1.2 工作機(jī)理

三指三指節(jié)機(jī)械手采用模塊化設(shè)計，每根手指內(nèi)部均采用相同的繩輪布局。各指節(jié)間采用連接軸進(jìn)行連接固定，并通過多種不同尺寸的滑輪組限定腱繩的纏繞路徑，一方面保證各指節(jié)間力傳遞的一致性，另一方面提高手指抓取效率，同時在抓取過程中配合各指節(jié)間的扭簧，既可以避免機(jī)械手在受力之后狀態(tài)突變保障抓取的穩(wěn)定性，又可以使得機(jī)械手抓取完成后電機(jī)反轉(zhuǎn)，在扭簧的作用力下回彈至初始狀態(tài)。

機(jī)械手內(nèi)部采用繩輪結(jié)合的傳動方式，繩輪在對目標(biāo)實(shí)施抓取時，主要應(yīng)用的是包絡(luò)抓取的方法原理。由于腱繩在長期使用過程中會出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，影響機(jī)械手抓取的精確性，通過對現(xiàn)有繩輪傳動的多種方式進(jìn)行分析，采用如圖2所示的繞線方式進(jìn)行設(shè)計。其腱繩的具體繞法如下：將腱繩的一端通過緊定螺釘固定連接在遠(yuǎn)指節(jié)的指尖位置處，另一端繞過張緊輪，從遠(yuǎn)指節(jié)與中指節(jié)中間連接的大滑輪1下方繞過，到達(dá)中指節(jié)上的導(dǎo)向輪組1的上方；從中指節(jié)與近指節(jié)連接處的大滑輪2下方繞過，經(jīng)由近指節(jié)上方的導(dǎo)向輪組2的上方，繞過近指節(jié)與基座連接處的大滑輪3，最終將腱繩固定纏繞在驅(qū)動電機(jī)的繞線輪上。

圖2 機(jī)械手工作機(jī)理

在整個手指工作的過程中，當(dāng)驅(qū)動電機(jī)開始旋轉(zhuǎn)時，其上的繞線輪也相應(yīng)的跟著旋轉(zhuǎn)，腱繩開始張緊并收縮。各指節(jié)間裝有回彈裝置彈簧，若不考慮腱繩與各個滑輪之間摩擦力的存在，可以認(rèn)為在同一根腱繩上的力是處處相等的。隨著電機(jī)不斷纏繞著腱繩，在機(jī)械手沒有接觸到酒壇之前，電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度與手指各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度值、各指節(jié)連接處的滑輪尺寸大小以及指節(jié)連接處扭簧剛度在腱繩上的力有關(guān)，并按照一定的運(yùn)動規(guī)律開始運(yùn)動，直至機(jī)械手指完全接觸到酒壇表面，最后到達(dá)其工作極限位置，電機(jī)工作停止，機(jī)械手完成包絡(luò)抓取任務(wù)。當(dāng)完成抓取工作后，電機(jī)開始反轉(zhuǎn)并釋放纏繞在繞線輪上的腱繩，隨著腱繩的松弛，在扭簧回彈力和機(jī)械手上物理極限位置的共同作用下，手指的各指節(jié)逐漸恢復(fù)到初始抓取位置處，等待下一次的抓取任務(wù)。

1.3 抓取方式

欠驅(qū)動仿生機(jī)械手采用仿生學(xué)原理，采用三指三指節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計，繩輪結(jié)合的傳動方式，模擬人手構(gòu)造完成對酒壇的抓取搬運(yùn)工作，如圖3所示。三根手指的布局依據(jù)酒壇的特殊構(gòu)造，依據(jù)質(zhì)心點(diǎn)進(jìn)行對稱分布，能夠像人手一樣針對多種類型的抓取對象以及不同尺寸和質(zhì)量的物品實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)穩(wěn)定抓取操作。同時，該機(jī)械手可以根據(jù)不同的抓取任務(wù)進(jìn)行遷移，配合不同工況和任務(wù)的機(jī)械臂配套使用，可根據(jù)抓取對象設(shè)置單指抓取、兩指抓取和三指抓取等3種不同的機(jī)械手工作狀態(tài)，同時可以根據(jù)抓取對象的尺寸大小選擇指尖捏取和包絡(luò)抓取2種不同的工作模式。在一定程度上，能夠滿足多類型自適應(yīng)抓取方式。

圖3 機(jī)械手抓取方式

2 運(yùn)動學(xué)分析

2.1 正運(yùn)動學(xué)分析

為確定機(jī)械手各指節(jié)運(yùn)動的位置參數(shù)，需要求解機(jī)械手在空間中的位姿，這就需要建立指尖和關(guān)節(jié)運(yùn)動之間對應(yīng)的關(guān)系，而應(yīng)用最廣泛的方法則是D-H參數(shù)法。

本文所設(shè)計的機(jī)械手采用模塊化設(shè)計思想，三根手指結(jié)構(gòu)原理相同，并依據(jù)人手構(gòu)造原理及運(yùn)動特性，采用D-H參數(shù)法對單根手指各指節(jié)建立坐標(biāo)系，如圖4所示，oxyz為初始狀態(tài)的全局坐標(biāo)系，x1y1z1、x2y2z2和x3y3z3為基于手指關(guān)節(jié)運(yùn)動變化的動態(tài)的參考坐標(biāo)系。

圖4 機(jī)械手單根手指坐標(biāo)系

以全局坐標(biāo)原點(diǎn)為起點(diǎn)，按照各指節(jié)順序，定義指節(jié)長度為li，指節(jié)間的轉(zhuǎn)角為θi，指節(jié)間的扭角為αi，2個指節(jié)間的距離為di。根據(jù)所建立的坐標(biāo)系，列出其對應(yīng)的D-H參數(shù)表，如表1所示。

表1 機(jī)械手單根手指D-H參數(shù)

欠驅(qū)動仿生機(jī)械手指尖位置關(guān)系相對于全局坐標(biāo)系的位姿矩陣T為

T=A1×A2×A3

(1)

A1、A2、A3分別為近指節(jié)、中指節(jié)、遠(yuǎn)指節(jié)等相鄰兩坐標(biāo)系之間的齊次變換矩陣。其對應(yīng)的各齊次變換矩陣分別為：

(2)

(3)

(4)

由式(1)、式(2)、式(3)和式(4)可得

(5)

其中，si=sinθi；ci=cosθi；sij=sin(θi+θj)；cij=cos(θi+θj)；i、j=1，2，3。

所以，指尖位置矢量為

(6)

機(jī)械手指尖位置在全局坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為:

x=l3c1c23+l2c1c2+l1c1

(7)

y=l3s1c23+l2s1c2+l1s1

(8)

z=l3s23+l2s2

(9)

機(jī)械手完成抓取動作時，若各指節(jié)轉(zhuǎn)角θi已知，則可求解任意狀態(tài)下機(jī)械手指尖位置坐標(biāo)點(diǎn)，為后續(xù)的抓取工作提供理論依據(jù)，實(shí)現(xiàn)精確控制。

2.2 逆運(yùn)動學(xué)分析

欠驅(qū)動仿生機(jī)械手的逆運(yùn)動學(xué)即是正運(yùn)動學(xué)的逆，是在已知機(jī)械手指尖的運(yùn)動情況和空間坐標(biāo)的情況下，求解機(jī)械手各指節(jié)的轉(zhuǎn)角θi，以此來驗(yàn)證機(jī)械手運(yùn)動學(xué)問題，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)動參數(shù)從操作空間到關(guān)節(jié)空間的映射。

由式(7)和式(8)求得

(10)

由式(7)和式(9)求得

(11)

化簡后得

As2+Bc2=C

(12)

所以，可得

(13)

同理，由式(9)得

Ds3+Ec3=F

(14)

其中，D=l3c2；E=l3s2；F=z-l2s2。

同上可得

(15)

至此，機(jī)械手的3個指節(jié)轉(zhuǎn)動角度均已求解出來，逆運(yùn)動學(xué)的分析計算對控制機(jī)械手達(dá)到期望的位姿提供了理論依據(jù)。同時，也從側(cè)面證明了機(jī)械手正運(yùn)動學(xué)計算過程的正確性。

3 運(yùn)動仿真

對欠驅(qū)動仿生機(jī)械手完成整體設(shè)計和正逆運(yùn)動學(xué)理論計算后，利用MATLAB軟件中的Robotics Toolbox工具箱，對機(jī)械手進(jìn)行仿真模型的建立并驗(yàn)證其抓取運(yùn)動空間以及相關(guān)運(yùn)動參數(shù)，通過相關(guān)參數(shù)的可視化圖形驗(yàn)證機(jī)械手設(shè)計的可行性。

由于機(jī)械手采用模塊化設(shè)計，每根手指的運(yùn)動控制情況相同，現(xiàn)對其中任意1根手指進(jìn)行進(jìn)行分析，基于前面所建立的D-H模型，使用Robotics Toolbox使用Link()函數(shù)建立其對應(yīng)的連桿模型，如圖5所示。并依據(jù)各指節(jié)的變量關(guān)系及變化范圍，利用蒙特卡洛算法求解機(jī)械手單根手指的抓取運(yùn)動空間，運(yùn)用fkine()函數(shù)生成空間點(diǎn)集云圖[13-14]， 如圖6所示。由于各手指根部的基座與平臺固定，故單根手指的運(yùn)動空間點(diǎn)集云圖為二維平面圖，并在XOZ平面內(nèi)的空間投影圖，如圖7所示。根據(jù)手指模型在空間內(nèi)的點(diǎn)集云圖對應(yīng)的坐標(biāo)參數(shù)，與運(yùn)動學(xué)理論計算結(jié)果一一對應(yīng)，驗(yàn)證了前面運(yùn)動學(xué)分析的合理性。

圖5 機(jī)械手指連桿模型

圖6 機(jī)械手指運(yùn)動空間

圖7 機(jī)械手指運(yùn)動空間XOZ平面投影

完成機(jī)械手空間運(yùn)動仿真驗(yàn)證后，采用jtraj()函數(shù)對機(jī)械手各指節(jié)在抓取運(yùn)動過程中的角度、角速度和角加速度的變化過程進(jìn)行插值計算。仿真結(jié)果如圖8～圖10所示。由仿真結(jié)果曲線可知，機(jī)械手在完成抓取動作的過程中，動作連續(xù)，運(yùn)行平穩(wěn)。3個指節(jié)的角度變化持續(xù)穩(wěn)定，各指節(jié)的角速度、角加速度的始末值為0，運(yùn)動變化曲線連續(xù)且光滑，未出現(xiàn)突變等情況。說明該機(jī)械手在完成抓取運(yùn)動的過程中運(yùn)行穩(wěn)定，受到振動變化影響小，能夠穩(wěn)定可靠的完成抓取任務(wù)。

圖8 各指節(jié)角度變化曲線

圖9 各指節(jié)角速度變化曲線

圖10 各指節(jié)角加速度變化曲線

4 結(jié)束語

本文針對壇裝酒生產(chǎn)企業(yè)過度依靠人工完成工作的問題，提出了一種配合機(jī)械臂使用的九自由度仿生型欠驅(qū)動機(jī)械手。其設(shè)計合理，能夠滿足任務(wù)抓取要求，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的制作提供了有效的理論依據(jù)。