基于電磁動滑輪驅(qū)動與光反饋仿人手研究

郭潤坤

(山西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系，山西長治 046011)

0 前言

機械仿生手維護便捷性、對外部信息感知能力是實際應(yīng)用中較為關(guān)鍵的考量點。根據(jù)人手進化特征，各國研究人員進行了深入研究，并推出各具特色的擬人化仿生手[1-2]。然而，隨著技術(shù)迭代創(chuàng)新與應(yīng)用場景的擴展，機械手在模塊化、低成本化、觸覺感知等方面仍具有較大的研究價值[3-4]。

機械人應(yīng)用場景不斷擴展，機械手操作的環(huán)境愈加復(fù)雜、操作對象愈加多樣化，對機械手本體與環(huán)境的友好適配性、與操作對象安全匹配性提出了更高的要求[5]。但對機械手來說，應(yīng)對形狀多變、尺寸不定的目標(biāo)物，具有較大的挑戰(zhàn)。經(jīng)過多年研究，機械手在負(fù)載能力、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面得到了極大的改進，欠驅(qū)動式柔順擬人化機械手推廣逐漸擴大[6]。

博洛尼亞大學(xué)研究的DEXMART機械手，自由度與人類手部相當(dāng)[7]，但控制系統(tǒng)化和結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。欠驅(qū)動模塊化手指設(shè)計，可以極大提高手指維護的便捷性，實現(xiàn)更好的包絡(luò)抓取[8]。郭語等人[9]采用彈性卷筒式結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種柔性驅(qū)動模塊，具有空載速度快、柔性加載的特點。LI等[10]制作了由3個連桿驅(qū)動的機械手。REIS等[11]提出一種基于彈性肌腱連桿的三指自適應(yīng)機械手，但是由于缺乏感知能力，人機交互性較差。

在觸覺感知方面，基于表面紋理識別原理，Venter等開發(fā)了一種觸覺傳感器，對機器人在抓持操作時物體滑動進行檢測[12]。叢明等人[13]用一種氣壓式觸覺陣列傳感器拾取觸覺特征信息，能夠有效感知抓取分類過程中的觸覺信息變化。

本文作者設(shè)計一種基于電磁動滑輪驅(qū)動的仿人手，通過電磁動滑輪結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)一個驅(qū)動電機對5根手指的獨立驅(qū)動，并且雙級鋼絲繩驅(qū)動結(jié)構(gòu)提升了手指對物體形狀自適應(yīng)能力。通過對彈性光感裝置設(shè)計與特性研究，建立了光強與負(fù)載力和角度的關(guān)系模型，實現(xiàn)對手指關(guān)節(jié)信息反饋。

1 仿人手結(jié)構(gòu)設(shè)計及制作

人類手部結(jié)構(gòu)特征經(jīng)過長期進化，可以運用33種抓取模式來應(yīng)對復(fù)雜抓取環(huán)境和多變目標(biāo)物[14]。采用雙級鋼絲繩環(huán)繞式電磁動滑輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)，提升了仿人手與人交互安全性，同時仿人手更加輕便和緊湊。大拇指結(jié)構(gòu)采用雙自由度設(shè)計，增加其運動靈活性，可以滿足對常規(guī)物品的抓取要求。圖1所示為制作的仿人手樣機。

圖1 仿人手樣機

機械手的設(shè)計目的在于代替人手執(zhí)行復(fù)雜、重復(fù)、危險的任務(wù)，同時需要滿足人機交互的友好特性。仿人手除大拇指外，每個手指具有2個活動關(guān)節(jié)，分別為近指節(jié)和耦合指節(jié)，參數(shù)如表1所示。

表1 仿人手參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

人手在實際操作時，很難獨立控制遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)，主要是隨中指節(jié)一起同步耦合運動。因此，結(jié)合操作實際對手指結(jié)構(gòu)進行了簡化，即將手指原有的遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)和中指節(jié)，簡化成具有固定夾角的耦合指節(jié)，耦合指節(jié)在結(jié)構(gòu)上仍具有遠(yuǎn)指節(jié)和中指節(jié)兩個指面結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)對物體更好的包絡(luò)。

手指采用類似人體肌腱驅(qū)動方式，圖2所示為食指結(jié)構(gòu)。手指結(jié)構(gòu)主要由手指關(guān)節(jié)、彈性光感裝置、關(guān)節(jié)軸承、驅(qū)動鋼絲繩和動滑輪系統(tǒng)組成，其中手指關(guān)節(jié)的復(fù)位力由彈性光感裝置提供，其內(nèi)置的彈簧結(jié)構(gòu)可以提供持久、穩(wěn)定的彈力，有效改善手指關(guān)節(jié)在初始狀態(tài)的松弛問題。

圖2 食指結(jié)構(gòu)

在執(zhí)行抓取操作時，拇指與其他手指配合關(guān)系可以概括成三類：第一類是較為精細(xì)的對夾配合；第二類是粗獷的包絡(luò)式抓??；第三種是拇指與食指間的側(cè)捏配合。為同時具備以上抓取能力，對大拇指進行了特殊設(shè)計，使其具備側(cè)擺和彎曲兩個獨立自由度。圖3所示為大拇指結(jié)構(gòu)，大拇指根部關(guān)節(jié)允許活動角度范圍為0～120°，大拇指的側(cè)擺功能使仿人手能夠在精準(zhǔn)抓取、重載抓取、側(cè)抓取模式間自由切換，提升了仿人手實際應(yīng)用價值。

圖3 大拇指結(jié)構(gòu)

手掌作為手指的載體，其內(nèi)部空間布局對仿人手整體一致性和驅(qū)動控制極為重要。手掌采用3D打印制作，手腕處設(shè)有與其他部件連接的法蘭結(jié)構(gòu)。手掌內(nèi)部集成了電機驅(qū)動裝置及各個手指的動滑輪傳動系統(tǒng)，其中大拇指具有側(cè)擺和彎曲驅(qū)動兩個動滑輪系統(tǒng)。圖4所示為掌內(nèi)空間布局。

圖4 手掌內(nèi)部結(jié)構(gòu)

各手指驅(qū)動十字動滑輪與手掌間設(shè)有電磁制動機構(gòu)，十字動滑輪兩側(cè)有導(dǎo)向翅，有效防止動滑輪傾斜、旋轉(zhuǎn)。電機驅(qū)動和手指驅(qū)動的雙級鋼絲繩在動滑輪上呈十字垂直交錯，運動時互不干擾。電磁動滑輪結(jié)構(gòu)及控制原理如圖5所示。十字動滑輪底部設(shè)計有電磁線圈，手掌內(nèi)部在動滑輪運動方向設(shè)有鐵質(zhì)制動板，電磁線圈底部和制動板頂部有對應(yīng)的凹凸紋理，提升制動效果。初始狀態(tài)時，十字動滑輪底部的電磁線圈與手掌內(nèi)制動板間無磁力作用，兩者懸空不接觸，十字動滑輪可自由運動；當(dāng)給電磁線圈通電時，電磁線圈的磁力克服制動板底部的彈簧力，使制動板與電磁線圈吸合，由于制動板只能上下移動，不能平行移動，此時十字動滑輪與制動板結(jié)合，處于制動狀態(tài)。

圖5 電磁動滑輪控制原理

參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 10000—1988[15]對仿人手結(jié)構(gòu)尺寸和手指功能進行設(shè)計，參數(shù)如表2所示，表中O代表耦合指節(jié)，M代表近指節(jié)，G代表根指節(jié)。

表2 手指參數(shù)

1.2 傳動系統(tǒng)設(shè)計與分析

腱繩欠驅(qū)動結(jié)構(gòu)具備獨特的傳動優(yōu)勢，在保證驅(qū)動安全性下提升手指對物體外形的自適應(yīng)能力，同時驅(qū)動裝置與手指關(guān)節(jié)的分離，降低了手指設(shè)計復(fù)雜度，提升了手指轉(zhuǎn)配和維護的便捷性。

為提升仿生手整機結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性和美觀性，將手指的驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)置在手掌內(nèi)部，手指結(jié)構(gòu)僅作為驅(qū)動鋼絲繩傳動功能，鋼絲繩的兩端分別固定在耦合指節(jié)和近指節(jié)內(nèi)部，中間繞過手掌內(nèi)的十字動滑結(jié)構(gòu)，當(dāng)十字動滑輪平移滑動時與兩個手指形成動滑輪組，可使兩個手指節(jié)根據(jù)外界負(fù)載力的不同進行被動重新力分配，提高了非均勻受力時雙關(guān)節(jié)對物體抓握所需的適應(yīng)性。單根手指傳動系統(tǒng)如圖6所示，驅(qū)動腱繩采用直徑0.8 mm、7×7結(jié)構(gòu)的包塑鋼絲繩，它具有較好光滑度、柔韌度及拉伸載荷，負(fù)載能力可達10 kg。

圖6 手指傳動示意

手掌內(nèi)各個手指的十字動滑輪通過一級鋼絲繩繞行連接，鋼絲繩兩端分別串聯(lián)彈性光感裝置后與手掌結(jié)構(gòu)進行固定。掌內(nèi)一級驅(qū)動鋼絲繩在掌內(nèi)串聯(lián)的彈性光感裝置與手指關(guān)節(jié)內(nèi)置的彈性光感裝置的彈力作用下保持預(yù)張緊狀態(tài)。在掌內(nèi)彈性光感裝置的自由端設(shè)置了行程限位擋板，可以防止在驅(qū)動過程中彈性光感裝置被過度拉伸而損壞。絲桿電機帶動主驅(qū)動滑塊位于手掌中間位置，當(dāng)主驅(qū)動滑塊移動時，由于一級驅(qū)動鋼絲繩兩端分別與手掌進行連接固定，手指的6個十字動滑輪進行收緊滑動。由動滑輪原理可知，繞行在不同動滑輪上的一級驅(qū)動鋼絲繩張力相同，在驅(qū)動過程中，每個十字動滑輪受到一級驅(qū)動鋼絲繩的豎向驅(qū)動拉力相同。以電機驅(qū)動力為F進行受力分析，當(dāng)系統(tǒng)為理想動滑輪系統(tǒng)時，一級鋼絲繩上的張力為1/2F，則十字動滑輪上得到的手指驅(qū)動拉力為F。手掌內(nèi)動滑輪系統(tǒng)繞線及受力分析如圖7所示。

圖7 動滑輪系統(tǒng)傳動分析

結(jié)合手掌與手指傳動系統(tǒng)對仿人手的驅(qū)動過程進行闡述。以圖8為例說明手指驅(qū)動過程，食指和拇指驅(qū)動時，手掌內(nèi)其余三指的十字動滑輪上的電磁線圈通電，在電磁力作用下，掌內(nèi)對應(yīng)的制動板與十字動滑輪接觸，在摩擦力作用下十字動滑輪結(jié)構(gòu)與手掌相對固定，其功能由動滑輪狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殪o滑輪，電機主驅(qū)動滑塊與食指十字動滑輪構(gòu)成動滑輪系統(tǒng)，當(dāng)電機驅(qū)動時，食指在對應(yīng)的十字滑輪驅(qū)動下帶動手指內(nèi)部驅(qū)動鋼絲繩進行驅(qū)動。

圖8 不同手指運動傳動結(jié)構(gòu)示意

2 仿人手反饋系統(tǒng)研究

2.1 彈性光感裝置原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計

光在傳播過程中衰減受光源特性、傳播路徑特點、介質(zhì)特性等影響。通過對影響光強傳播因素進行可控變化，實現(xiàn)對特定影響因素的表征。研究中保持光源和傳播介質(zhì)特性一致，通過傳播路徑變化對光強衰減特性進行研究，從而建立傳播路徑特征與光強的數(shù)學(xué)模型。

根據(jù)手指在運動過程中關(guān)節(jié)柔性彎曲和肌肉伸縮的運動特點，提取與光傳播路徑相關(guān)的特征因素。因此彈性光感裝置結(jié)構(gòu)體需要具備體積小、可任意角度彎曲、可被拉伸和自動回彈的特點，同時集成光源和光強感受器。不銹鋼彈簧具有彈力穩(wěn)定、可伸縮和彎曲變形，且撤去外力后可自動回復(fù)到初始轉(zhuǎn)態(tài)，是彈性光感裝置的主體結(jié)構(gòu)。

彈性光感裝置不僅是手指運動信息反饋的傳感器，同時也是手指驅(qū)動結(jié)構(gòu)的組成部分，用于提供手指彎曲后的復(fù)位力。彈性光感裝置組成結(jié)構(gòu)如圖9所示，主要有不銹鋼彈簧、彈性膠管、光感受器、光源。結(jié)合手指關(guān)節(jié)尺寸和彈簧強度，手部選用直徑為3 mm不銹鋼彈簧，手掌內(nèi)選用直徑為6 mm的不銹鋼彈簧，通過線徑不同區(qū)分彈簧剛度。光敏電阻的阻值與光照強度有直接關(guān)系，且光照越強，電阻越小，可以檢測光線傳播路徑變化導(dǎo)致的光強變化，因此光感受器選用光敏電阻，峰值波長約為520 nm。根據(jù)光敏電阻光譜響應(yīng)曲線，選用綠色發(fā)光二極管，其波長范圍520～525 nm。

圖9 彈性光感裝置不同狀態(tài)示意

當(dāng)彈性光感裝置不受外力時，保持平直狀態(tài)，發(fā)光二極管與光敏電阻面面相對。當(dāng)彈性光感裝置受到垂直于彈簧的中心軸線方向的拉壓力時，彈性光感裝置被拉伸或壓縮，此時發(fā)光二極管至光敏電阻感光面的距離發(fā)生變化，由此引起光線強度變化被檢測以表征軸向變化特征。當(dāng)彈性光感裝置受到彎曲作用力時，發(fā)光二極管與光敏電阻感光面產(chǎn)生角度，光線傳播路徑由直筒式結(jié)構(gòu)變?yōu)閺澢窂剑饩€在傳播過程中在裝置內(nèi)側(cè)的硅膠界面上發(fā)生反射和吸收損耗，由此引起的光線強度變化被檢測以表征裝置彎曲狀態(tài)下的特征。

2.2 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角表征研究

基于設(shè)計的彈性光感裝置實現(xiàn)對手指關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的表征，搭建如圖10所示的測試系統(tǒng)平臺，采用外力使手指克服彈性裝置的回彈力，使關(guān)節(jié)保持在特定轉(zhuǎn)角，對不同角度下對應(yīng)的光敏電阻數(shù)據(jù)進行采集整理。

圖10 手指關(guān)節(jié)測試系統(tǒng)

為使手指彎曲運動時符合人手動作順序，使手指近指關(guān)節(jié)處彈性光感裝置中不銹鋼彈簧剛度小于耦合指節(jié)，以保證在無負(fù)載驅(qū)動時，手指關(guān)節(jié)按照先近指節(jié)后耦合指節(jié)動作順序。手指關(guān)節(jié)在不同角度下獨立測試10次，取平均值整理光強測試模擬值與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的關(guān)系如圖11所示。

圖11 轉(zhuǎn)角ω與光強測試模擬值Mg關(guān)系

對測試數(shù)據(jù)進行擬合處理，得到手指關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角與光強測試模擬值擬合方程如式(1)所示。

(1)

式中：ω為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，(°)；Mg為光強模擬值。

2.3 指面壓力表征研究

針對傳統(tǒng)薄膜式壓力傳感器在應(yīng)用中的不足，通過對手指傳動系統(tǒng)受力進行研究，得到手指關(guān)節(jié)在不同轉(zhuǎn)角時二級鋼絲繩實際有效拉力，通過關(guān)節(jié)傳動特性分析，從而實現(xiàn)對指面壓力的表征。單手指關(guān)節(jié)受力分析如圖12所示。

圖12 手指關(guān)節(jié)受力分析

由圖12分析可知當(dāng)手指在外界負(fù)載力下保持相對靜止時，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩有以下關(guān)系：

Tq=Tt+Tz

(2)

Tz=Fi·Li

(3)

Tq=F/2·ri

(4)

Tt=Fso·ri

(5)

則耦合指節(jié)和近指節(jié)的有效指面力公式如下：

Fo=(F/2-Fso)r1/L0

(6)

Fj=(F/2-Fsj)r2/L1

(7)

式中：F為一級驅(qū)動鋼絲繩張力，N；Fo為耦合關(guān)節(jié)有效指面力，N；Fj為近指關(guān)節(jié)有效指面力；r1為耦合關(guān)節(jié)驅(qū)動半徑，m；r2為近指關(guān)節(jié)驅(qū)動半徑，m；L0為耦合指節(jié)外部相互作用力有效力臂，m；L1為近指節(jié)外部相互作用力有效力臂，m；Tq為關(guān)節(jié)驅(qū)動扭矩，N·m；Tt為關(guān)節(jié)彈性損耗扭矩，N·m；Tz為負(fù)載作用扭矩，N·m。

彈性光感裝置內(nèi)嵌于手指關(guān)節(jié)中，其彈性反作用力隨關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的增大而增大。為得到關(guān)節(jié)在不同轉(zhuǎn)角下對應(yīng)的損耗力，由于各個手指關(guān)節(jié)的驅(qū)動結(jié)構(gòu)類似，以單根手指為例進行說明，通過如圖10所示的關(guān)節(jié)測試系統(tǒng)平臺，對手指的兩個關(guān)節(jié)不同角度下的損耗力分別進行獨立測試。

手指驅(qū)動的二級鋼絲繩與拉力計連接，通過移動拉力計使手指關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動到特定角度并保持穩(wěn)定，此時負(fù)載拉力與彈性光感裝置復(fù)位作用力、關(guān)節(jié)摩擦力等綜合損耗力相互抵消，記錄不同關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角對應(yīng)的負(fù)載拉力。對兩個手指關(guān)節(jié)分別進行10次測試，同時記錄下不同轉(zhuǎn)角位置時拉力計檢測的數(shù)據(jù)，將測試數(shù)據(jù)取平均值處理后如表3所示。

表3 不同關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角驅(qū)動損耗力

對表3中的測試數(shù)據(jù)進行擬合處理，得到不同轉(zhuǎn)角時關(guān)節(jié)損耗力數(shù)學(xué)公式：

Fsj=4.643-4ω2+0.089 14ω+0.088 57

(8)

Fso=2.5-5ω3-3.179-3ω2+0.174ω+1.71-2

(9)

式中：Fsj為近指關(guān)節(jié)損耗力，N；Fso為耦合指節(jié)損耗力，N；ω為關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，(°)。

手掌內(nèi)一級驅(qū)動鋼絲繩兩端串聯(lián)的彈性光感裝置用于檢測驅(qū)動鋼絲繩實時張力。通過在彈性光感裝置下施加不同負(fù)載以模擬拉力，每組負(fù)載下測試10次，整理光強測試值與負(fù)載的關(guān)系如圖13所示。

圖13 直線拉力F與光強測試模擬值Mg關(guān)系

對測試數(shù)據(jù)進行擬合處理，得到一級驅(qū)動鋼絲繩負(fù)載拉力與光強測試模擬值擬合方程：

(10)

3 抓取測試

搭建了如圖14所示的測試平臺對仿人手性能進行測試，測試平臺主要由電源、仿人手樣機、控制系統(tǒng)組成。仿人手樣機固定在一個可垂直升降的移動臺上，以模擬仿人手自主抓取狀態(tài)。

圖14 仿人手抓取測試平臺

通過實驗對仿人手的運動特性進行分析，對每根手指關(guān)節(jié)復(fù)位剛度進行調(diào)整，使手指近指節(jié)優(yōu)先運動以符合人手運動規(guī)律。通過對運動過程中的彈性光強檢測裝置數(shù)據(jù)進行檢測，以表征手指關(guān)節(jié)是否運動結(jié)束。通過對電磁制動裝置的控制使仿人手的5根手指實現(xiàn)不同運動匹配，實驗過程中統(tǒng)一以根指節(jié)采集數(shù)據(jù)為對比基準(zhǔn)，不同手指驅(qū)動個數(shù)時對應(yīng)的數(shù)據(jù)曲線如圖15所示。

圖15 不同手指個數(shù)驅(qū)動時關(guān)節(jié)變化

從圖15(a)可以看出：單根手指驅(qū)動時，手指的動態(tài)響應(yīng)速度最快，約0.2 s內(nèi)根指節(jié)達到限位驅(qū)動轉(zhuǎn)角；當(dāng)食指與中指同時驅(qū)動時，由于雙指同時運動，由動滑輪的傳動系統(tǒng)特點可知此時手指的運行速率降低為絲桿電機驅(qū)動速率的1/2。當(dāng)5根手指全部驅(qū)動時，手掌內(nèi)的5根手指的彎曲十字動滑輪全部處于驅(qū)動狀態(tài)，此時每根手指的理論驅(qū)動速率降低至絲桿電機速率的1/6，由于各個手指間摩擦狀態(tài)不完全相同，手指驅(qū)動過程中每根手指的驅(qū)動速率有一定差異。隨著參與操作任務(wù)手指個數(shù)的增加，手指運動的響應(yīng)速率逐漸下降，但在多手指協(xié)調(diào)抓取任務(wù)中可以通過對同時驅(qū)動手指個數(shù)進行分階段調(diào)配，實現(xiàn)少數(shù)手指與目標(biāo)物的快速接觸進行定位和預(yù)抓取，然后快速驅(qū)動其余手指全接觸實現(xiàn)強力包絡(luò)抓取。

為了評估仿人手關(guān)節(jié)自適應(yīng)能力，將部分手指關(guān)節(jié)用外力限制，對其他手指關(guān)節(jié)的運動情況進行測試。如圖16可以看出：對任意手指的外力限制并不會影響其他手指的運動，且單根手指的兩個關(guān)節(jié)可根據(jù)外力不同進行自適應(yīng)的姿態(tài)匹配，對形狀復(fù)雜物體具有較強的抓取自適應(yīng)能力。

圖16 仿人手自適應(yīng)能力測試

為更好地測試仿人手實際使用性能，對其進行較為全面的測試評估，將生活中一些常見的物品，如銀行卡、指甲鉗、螺絲刀、噴霧劑、薯片、蘋果等作為抓取測試對象。將測試物體放在抓取點，控制仿人手上下移動到預(yù)設(shè)高度，當(dāng)物體被穩(wěn)定地抓住后，仿人手向上移動使物體脫離支撐面并在空中保持45 s，且物體沒有滑落，判定抓取成功，否則判定抓取失敗。圖17所示為仿人手對常見物品的抓取測試。

圖17 抓取測試

4 總結(jié)

設(shè)計一種新穎的仿人手結(jié)構(gòu)，在手掌內(nèi)設(shè)置電磁式動滑輪系統(tǒng)，配合電磁控制機構(gòu)，實現(xiàn)了單一驅(qū)動電機對5根手指6個自由度的獨立驅(qū)動控制，得益于動滑輪驅(qū)動系統(tǒng)，電機驅(qū)動力在手指驅(qū)動中得到最大化應(yīng)用。手指采用鋼絲繩回繞驅(qū)動方式，使每個關(guān)節(jié)具有驅(qū)動的相對獨立性，且雙關(guān)節(jié)間可根據(jù)負(fù)載情況被動進行形態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。通過研制彈性光感裝置并對其光與力的特性進行研究，建立了基于光強反饋的負(fù)載力和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的數(shù)學(xué)模型，改善了傳統(tǒng)薄膜式壓力傳感器的不足，提升數(shù)據(jù)反饋的有效性，為仿人手結(jié)構(gòu)設(shè)計和觸感反饋研究提供借鑒。