新型混合驅(qū)動(dòng)智能仿人手設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)兼容；螺旋驅(qū)動(dòng)；多模態(tài)；紋理識(shí)別

0 引言

仿人機(jī)器人技術(shù)迭代逐漸加速，在眾多領(lǐng)域已展現(xiàn)出重要的實(shí)用價(jià)值。隨著人形機(jī)器人技術(shù)的落地，對(duì)機(jī)器人在動(dòng)態(tài)化場(chǎng)景中的多元化操作提出了更高的挑戰(zhàn)[1-3]。在多場(chǎng)景、多變化的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，機(jī)械手需要具備更加智能和快速的應(yīng)變能力 [4-5]。

機(jī)械手作為機(jī)器人不可或缺的組成部分，是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互和執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵組件。根據(jù)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)不同，機(jī)械手可分為欠驅(qū)動(dòng)和全驅(qū)動(dòng)兩種類(lèi)型。欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作難度低，適用于抓取精度不高的場(chǎng)景[6]；全驅(qū)動(dòng)機(jī)械手關(guān)節(jié)獨(dú)立可控、靈活度高，適用于精細(xì)操控場(chǎng)景，也是擬人化方向的研究熱點(diǎn)[7]。京東數(shù)科研發(fā)的人工智能（Artificial Intelli?gence， AI）仿生手，具有15個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)協(xié)同控制與精細(xì)操作。北京因時(shí)科技生產(chǎn)的仿生手，具有6個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和12個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)。

高集成及多模態(tài)感知能力提升是機(jī)械手邁向商用領(lǐng)域的關(guān)鍵一步。有效的復(fù)雜操作要求多傳感器數(shù)據(jù)融合，以準(zhǔn)確地反饋?zhàn)陨砑岸嘧儓?chǎng)景實(shí)時(shí)狀態(tài)[8]。完善的多模態(tài)感知系統(tǒng)是有效獲得外界信息的重要途徑。當(dāng)前，多手指關(guān)節(jié)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制及精簡(jiǎn)高效的傳感系統(tǒng)仍是非常值得深入研究的課題 [9]。

付敏等[10]設(shè)計(jì)了一種變結(jié)構(gòu)氣動(dòng)軟體機(jī)械手，通過(guò)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)工作空間的調(diào)整，并對(duì)腔體氣壓與彎曲角度進(jìn)行了研究。唐超權(quán)等[11]基于液體壓強(qiáng)傳導(dǎo)原理設(shè)計(jì)了一種具有壓敏元件和溫度敏感元件的仿生手指，并對(duì)仿生手指的觸覺(jué)感知能力進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手對(duì)物體的智能識(shí)別。李康等[12]設(shè)計(jì)了一種多功能氣動(dòng)柔性機(jī)械手，通過(guò)手指關(guān)節(jié)位置可變結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了多種抓取模式，并對(duì)機(jī)械手的抓取性能進(jìn)行了測(cè)試。李文軍等[13]基于電磁絲桿傳動(dòng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種6自由度仿生手，并對(duì)柔性氣囊觸感檢測(cè)進(jìn)行了研究，但手指不具備側(cè)擺功能，抓取空間受到限制。鄭浩賢等[14]設(shè)計(jì)了一種腱繩驅(qū)動(dòng)靈巧手，利用氣囊的膨脹實(shí)現(xiàn)手指?jìng)?cè)擺動(dòng)作，但手指關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

針對(duì)當(dāng)前機(jī)械手驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)對(duì)多變場(chǎng)景適應(yīng)性差、多模態(tài)感知聯(lián)動(dòng)性不足等問(wèn)題，本文通過(guò)對(duì)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)兼容設(shè)計(jì)，在不增加手指尺寸的情況下，實(shí)現(xiàn)了手指精細(xì)操作和包絡(luò)抓取兼容設(shè)計(jì)，對(duì)不同場(chǎng)景的操作適應(yīng)性和操作便捷性得到有效提升。通過(guò)對(duì)多種傳感器布局優(yōu)化及傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手在多模態(tài)感知模式下的全流程智能抓取。

1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的仿人手采用氣壓和電動(dòng)機(jī)兩種驅(qū)動(dòng)源，充分利用不同驅(qū)動(dòng)器特點(diǎn)，分別實(shí)現(xiàn)手指?jìng)?cè)擺驅(qū)動(dòng)、全/欠兼容驅(qū)動(dòng)，提升了仿人手在實(shí)際場(chǎng)景中的應(yīng)用能力。結(jié)合手掌空間結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)器特性，除大拇指外的其余4指均采用扁囊實(shí)現(xiàn)手指的側(cè)擺驅(qū)動(dòng)。大拇指和食指的手功能占比約為60%，遵循仿生原理對(duì)仿人手的食指和大拇指關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全驅(qū)動(dòng)和欠驅(qū)動(dòng)兼容設(shè)計(jì)。通過(guò)關(guān)節(jié)內(nèi)置微型電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，同時(shí)，在手指根部配置大轉(zhuǎn)矩微型減速電動(dòng)機(jī)以實(shí)現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)模式下的強(qiáng)力抓取。為提升仿人手智能程度，控制系統(tǒng)集成了溫度傳感器、壓力傳感器、彎曲傳感器、氣壓傳感器和振動(dòng)傳感器。多傳感器的數(shù)據(jù)融合，使抓取過(guò)程更加擬人化和智能化。仿人手整機(jī)具有20個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)、16個(gè)驅(qū)動(dòng)器和14個(gè)傳感器。實(shí)物樣機(jī)如圖1所示。

參考GB/T 16252—2023標(biāo)準(zhǔn)中成年人手部尺寸參數(shù)[15]，采用3D打印成型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了手部高復(fù)雜度、高集成度及輕量化設(shè)計(jì)。將微型電動(dòng)機(jī)內(nèi)嵌在手指節(jié)中，實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)集成化自驅(qū)動(dòng)；手指欠驅(qū)動(dòng)和側(cè)擺驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)集成在手掌中；通過(guò)異形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)仿人手整體系統(tǒng)的高度集成。仿人手參數(shù)如表1所示。

1. 1 全/欠兼容驅(qū)動(dòng)手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

食指在人手功能的占比約為20%。根據(jù)功能占比對(duì)手指進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)，對(duì)食指采用多關(guān)節(jié)全驅(qū)動(dòng)和欠驅(qū)動(dòng)兼容結(jié)構(gòu)方案。欠驅(qū)動(dòng)模式下，通過(guò)欠驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)繞行在各個(gè)手指關(guān)節(jié)內(nèi)的欠驅(qū)動(dòng)腱繩，實(shí)現(xiàn)手指3個(gè)關(guān)節(jié)的自適應(yīng)彎曲運(yùn)動(dòng)；全驅(qū)動(dòng)模式下，通過(guò)手指節(jié)內(nèi)嵌的微型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)腱繩，實(shí)現(xiàn)3個(gè)手指關(guān)節(jié)的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。欠驅(qū)動(dòng)和全驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)腱繩相互獨(dú)立，采用關(guān)節(jié)內(nèi)置扭簧實(shí)現(xiàn)手指復(fù)位動(dòng)作。手指結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過(guò)欠驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和全驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的隨機(jī)組合，可實(shí)現(xiàn)多種工作狀態(tài)，提升手指的抓取能力。

大拇指在人手功能的占比約為40%，常規(guī)抓、握、捏等動(dòng)作均需大拇指配合完成。大拇指與其余4指的配合抓取通?？梢苑譃?種：①精細(xì)化和球形抓取，拇指與食指和中指相對(duì)；②圓柱形物體抓取，拇指與其余手指完成封閉抓?。虎蹅?cè)抓取，拇指與其他手指相交，實(shí)現(xiàn)側(cè)捏抓取。對(duì)大拇指采用類(lèi)食指驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其具有多關(guān)節(jié)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)和欠驅(qū)動(dòng)功能，通過(guò)微型蝸輪減速電動(dòng)機(jī)直連驅(qū)動(dòng)方式，可實(shí)現(xiàn)大拇指?jìng)?cè)擺動(dòng)作，且可在任意位置自鎖。大拇指驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

大拇指自主旋轉(zhuǎn)自鎖結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)與其余4指結(jié)構(gòu)的不同空間構(gòu)型。大拇指相對(duì)手掌的全局運(yùn)動(dòng)位置如圖4所示。大拇指旋轉(zhuǎn)角度范圍為0～144°，遠(yuǎn)超人手拇指平均旋轉(zhuǎn)角度90. 2°，可使仿人手在精度、力量和橫向握持之間自由切換，且靈活度更高、操作空間更大。大拇指的旋轉(zhuǎn)軸與手腕軸為平行設(shè)計(jì)，當(dāng)大拇指結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)到不同角度時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)驅(qū)動(dòng)腱繩張力進(jìn)行補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的抓取動(dòng)作。

1. 2 錐形螺旋驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì)

實(shí)際應(yīng)用中，抓取較大物體時(shí)，手指屈曲角度小，但所需抓取力通常較大；抓取較小物體時(shí)，手指屈曲角度大，但所需抓力通常較小。采用微型減速電動(dòng)機(jī)+錐形驅(qū)動(dòng)軸的結(jié)構(gòu)方案，利用驅(qū)動(dòng)軸有效半徑的變化，可在狹小空間下實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)距離及變驅(qū)動(dòng)力。驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，錐形螺旋軸上腱繩旋轉(zhuǎn)半徑從小到大逐漸變化。因電動(dòng)機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)半徑與輸出轉(zhuǎn)矩成反比，可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩由大到小的自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而更好地匹配實(shí)際抓取過(guò)程中驅(qū)動(dòng)力先大后小的需求。該驅(qū)動(dòng)方式采用軸向拉力驅(qū)動(dòng)，具有一定的自鎖能力并且布置相對(duì)靈活。初始時(shí)，鋼絲繩固定在錐形螺旋驅(qū)動(dòng)軸根部，與進(jìn)線口共面分布。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)繩附著在螺旋線槽中，簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)繩受力為平面狀態(tài)，此時(shí)受力分析如圖5所示。

式中，F(xiàn)L 為驅(qū)動(dòng)繩的拉力，N；Td 為電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，N·m；θ 為驅(qū)動(dòng)繩在轉(zhuǎn)折點(diǎn)與豎向線的夾角，（°）；Ri 為驅(qū)動(dòng)繩在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的螺旋軸半徑，m。

不同驅(qū)動(dòng)方案的特征參數(shù)對(duì)比如表2所示。表2中，驅(qū)動(dòng)空間為傳動(dòng)裝置可活動(dòng)的區(qū)間；驅(qū)動(dòng)軸為帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)繩移動(dòng)的傳動(dòng)裝置；驅(qū)動(dòng)腱繩直徑按照0. 5 mm 計(jì)算；驅(qū)動(dòng)空間內(nèi)允許纏繞的距離遠(yuǎn)大于100 mm且具有自鎖功能。

1. 3 扁囊側(cè)擺驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手指?jìng)?cè)擺功能使機(jī)械手具有更多空間姿態(tài)以應(yīng)對(duì)多樣化的抓取需求，提升了仿人手的功能性和實(shí)用性。扁囊體積小、驅(qū)動(dòng)靈活，適用空間狹小、驅(qū)動(dòng)力小的側(cè)擺位置。初始時(shí)，手指在側(cè)擺復(fù)位彈簧拉緊力作用下，保持與彈簧同軸共線。當(dāng)扁囊充入氣體時(shí)，由于單側(cè)結(jié)構(gòu)限位，其徑向膨脹產(chǎn)生的推力使手指旋轉(zhuǎn)側(cè)擺；手指復(fù)位時(shí)，控制電磁閥使扁囊放氣，在彈簧拉力作用下，手指恢復(fù)至初始狀態(tài)。4根手指相對(duì)手掌中心分別向外側(cè)擺，側(cè)擺張角α 為17°。手指?jìng)?cè)擺驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1. 4 彈性指尖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

仿人手紋理識(shí)別是獲取目標(biāo)物表面特征的重要能力。當(dāng)手指從物體表面滑過(guò)，表面凹凸特征可引起手指起伏振動(dòng)，通過(guò)彈性振動(dòng)指尖結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)手指對(duì)不同紋理結(jié)構(gòu)的識(shí)別。食指和大拇指指尖已具備溫度和壓力傳感器，考慮中指的物理結(jié)構(gòu)和功能作用，將指尖振動(dòng)檢測(cè)傳感器設(shè)置在中指的遠(yuǎn)指節(jié)中。彈性振動(dòng)檢測(cè)指尖結(jié)構(gòu)如圖7所示。

當(dāng)彈性伸縮觸點(diǎn)與物體表面接觸并進(jìn)行預(yù)壓縮，以一定速度在物體表面滑動(dòng)時(shí)，由于指尖探測(cè)頭和凹凸紋理的分離與接觸產(chǎn)生碰撞振動(dòng)，并由振動(dòng)傳感器獲取，結(jié)合時(shí)間頻域可得出不同疏密紋理特征的振動(dòng)信號(hào)，用于反饋表面結(jié)構(gòu)特征。振動(dòng)傳感器型號(hào)為SW-18010P，通過(guò)內(nèi)部彈簧末端共振與金屬外壁接觸形成開(kāi)關(guān)狀態(tài)，具有超高靈敏度，能夠感知輕微振動(dòng)，觸發(fā)力度僅為（1±0. 7） g。將振動(dòng)傳感器安裝在滑動(dòng)塊中，側(cè)邊導(dǎo)向柱和尾端彈簧結(jié)構(gòu)使滑動(dòng)塊具有一定伸縮距離，檢測(cè)探頭前部接觸位置為滾珠結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)順滑接觸。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2. 1 基于熱力分布的傳感器布局優(yōu)化

通常未對(duì)在指尖放置的溫度和壓力傳感器位置進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)。由于欠驅(qū)動(dòng)模式的隨機(jī)性，在實(shí)際抓取不同類(lèi)型物品時(shí)，手指?jìng)鞲衅鳈z測(cè)點(diǎn)位與物體實(shí)際受力點(diǎn)難以準(zhǔn)確重合。

為提升手指?jìng)鞲衅髋c物體接觸的有效性，采用熱成像方式對(duì)手指抓取不同物體時(shí)的接觸點(diǎn)位進(jìn)行采集，對(duì)機(jī)械手傳感器布局位置進(jìn)行優(yōu)化。圖8（a）所示為熱力采集平臺(tái)。熱成像儀型號(hào)為Fluke TiX580，熱力圖像通過(guò)軟件處理可精確分辨0. 01 ℃溫度差異分布。手指溫度分布如圖8（b）所示。抓取對(duì)象包括圓柱形、方形、球形物體。手指采用欠驅(qū)動(dòng)模式并通過(guò)人手握持仿人手樣機(jī)進(jìn)行隨機(jī)擺動(dòng)抓取方式，根據(jù)仿人手與物體接觸狀態(tài)和位置的隨機(jī)性，試驗(yàn)前將物體在水浴中加熱，每次抓取2 min，每個(gè)物品進(jìn)行25次抓取，對(duì)抓取后溫度分布圖進(jìn)行處理，提取接觸點(diǎn)位。

圖9為手指區(qū)域劃分圖。將手指按照間距為3 mm的方格進(jìn)行劃分，根據(jù)抓取后溫度峰值區(qū)域提取并統(tǒng)計(jì)隨機(jī)姿勢(shì)抓取不同物體時(shí)溫度最高點(diǎn)位分布。不同物體對(duì)應(yīng)的接觸點(diǎn)位次數(shù)分布如圖10所示。

由圖10可知，在隨機(jī)狀態(tài)下抓取不同物體時(shí)，8和14 號(hào)區(qū)域位置接觸概率最大， 總接觸占比為30. 7%；8、9、13、14這4個(gè)區(qū)域的接觸概率總占比為54. 7%。根據(jù)圖10，對(duì)溫度和壓力檢測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行布局優(yōu)化，傳感器檢測(cè)點(diǎn)位為手指長(zhǎng)度的3/5 位置處，布置如圖11所示。

2. 2 彎曲傳感器應(yīng)用研究

利用根指節(jié)微型電動(dòng)機(jī)分別驅(qū)動(dòng)食指和大拇指，實(shí)現(xiàn)整根手指的開(kāi)合動(dòng)作；通過(guò)彎曲傳感器對(duì)不同彎曲狀態(tài)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體外形尺寸及關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角檢測(cè)。圖12所示為指尖距離計(jì)算模型。

式中，Lm 為大拇指屈曲關(guān)節(jié)總長(zhǎng)；γ 為大拇指旋轉(zhuǎn)角度；β 為食指旋轉(zhuǎn)角度；Lsg 為食指近指節(jié)旋轉(zhuǎn)軸到所建坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離；Ls 為食指屈曲關(guān)節(jié)總長(zhǎng)；Lmg為大拇指近指節(jié)旋轉(zhuǎn)軸到所建坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離。

彎曲傳感器橫跨3個(gè)手指關(guān)節(jié)，任意關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)均可引起彎曲傳感器電阻的變化。采用單關(guān)節(jié)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)模式分別記錄不同關(guān)節(jié)在不同轉(zhuǎn)角時(shí)對(duì)應(yīng)的傳感器讀數(shù)，通過(guò)多次測(cè)試可得到彎曲傳感器讀數(shù)與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，如圖13所示。分別擬合傳感器讀數(shù)與各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，可實(shí)現(xiàn)單個(gè)彎曲傳感器對(duì)3個(gè)手指關(guān)節(jié)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)角反饋。

對(duì)單個(gè)彎曲傳感器多段順序彎曲時(shí)電阻變化量進(jìn)行研究，可實(shí)現(xiàn)多關(guān)節(jié)順序運(yùn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)角檢測(cè)。手指關(guān)節(jié)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)并按照先近指節(jié)彎曲、再中指節(jié)彎曲、最后遠(yuǎn)指節(jié)彎曲的動(dòng)作順序。近指節(jié)獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可參考圖13中數(shù)據(jù)。當(dāng)近指節(jié)彎曲后中指節(jié)再?gòu)澢?、近指?jié)和中指節(jié)均彎曲后遠(yuǎn)指節(jié)再?gòu)澢鷷r(shí)，傳感器數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)如圖14所示。通過(guò)數(shù)據(jù)擬合，可得到全驅(qū)動(dòng)模式下關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角與傳感器讀數(shù)間的關(guān)系。

根據(jù)指尖測(cè)距原理對(duì)不同尺寸的物體進(jìn)行尺寸識(shí)別，可驗(yàn)證指尖尺寸識(shí)別算法在實(shí)際應(yīng)用中的準(zhǔn)確性。分別選取大小不同的球形、圓柱形、方形物體，每個(gè)物體進(jìn)行20次指尖檢測(cè)。圖15所示為外形尺寸為80 mm的圓球、圓柱和方形的測(cè)試結(jié)果。圖16所示為直徑為40 mm圓柱與外徑為45 mm的球形和方形物體的測(cè)試結(jié)果。從圖16可以看出，機(jī)械手對(duì)物體尺寸預(yù)測(cè)具有較高的精準(zhǔn)度。

采用欠驅(qū)動(dòng)模式，對(duì)傳感器讀數(shù)與手指包絡(luò)物體直徑對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行研究，并將數(shù)據(jù)在Matlab軟件中進(jìn)行擬合，得到圖17所示的曲線。

2. 3 扁囊驅(qū)動(dòng)應(yīng)用研究

扁囊充氣后逐漸膨脹，在外部結(jié)構(gòu)限制下徑向尺寸變大，對(duì)手指根部產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)推力。圖18所示為手指關(guān)節(jié)側(cè)擺受力分析，扁囊與根指節(jié)通過(guò)弧形側(cè)壁接觸以增加接觸面積，可提升側(cè)擺推動(dòng)力。

式中，K 為彈性系數(shù)，N/m；Ltc1 為根指節(jié)旋轉(zhuǎn)后彈簧總長(zhǎng)度，m；hc 為彈簧未受力時(shí)的長(zhǎng)度，m。

扁囊的單層壁厚為0. 5 mm；根指節(jié)旋轉(zhuǎn)半徑Lz為17. 6 mm；氣泵最大輸出壓力為0. 1 MPa；扁囊充氣時(shí)逐漸由扁平狀態(tài)變?yōu)闄E圓狀態(tài)，最終變?yōu)閳A柱狀態(tài)。充氣開(kāi)始后，默認(rèn)扁囊與根指節(jié)驅(qū)動(dòng)裝置接觸面為半弧形，則扁囊推力Fq 計(jì)算式為

式中，F(xiàn)q 為扁囊與產(chǎn)生的推力，N；P 為扁囊中的壓強(qiáng)值，Pa；L 為扁囊充氣后與根指節(jié)接觸的弧長(zhǎng)，m；H 為扁囊與根指節(jié)接觸的有效長(zhǎng)度，m。

指尖的側(cè)擺夾取力與扁囊驅(qū)動(dòng)力互為轉(zhuǎn)矩關(guān)系。根據(jù)手指長(zhǎng)度與旋轉(zhuǎn)軸距離驅(qū)動(dòng)位置關(guān)系，可計(jì)算得出指尖夾取力，即

式中，F(xiàn)z 為指尖側(cè)擺夾取力，N；Lq 為扁囊驅(qū)動(dòng)半徑，m；Rs為指尖到轉(zhuǎn)動(dòng)中心的距離，m。

通過(guò)對(duì)手指?jìng)?cè)擺力的研究，可實(shí)現(xiàn)對(duì)側(cè)擺夾取力控制及目標(biāo)物重力預(yù)估。手指?jìng)?cè)擺力推動(dòng)物體在桌面滑動(dòng)，通常兩干燥物體間的摩擦因數(shù)為0. 1～0. 6，在此取摩擦因數(shù)為0. 5，則物體預(yù)估重力計(jì)算式為

通過(guò)試驗(yàn)獲取充氣時(shí)間與側(cè)擺轉(zhuǎn)角的關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)對(duì)手指張合角度的控制，實(shí)現(xiàn)更大的操作空間，提升機(jī)械手的抓取能力及擬人程度。充氣時(shí)間與關(guān)節(jié)側(cè)擺轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)在Matlab中的擬合曲線如圖19所示。

式中，α 為手指?jìng)?cè)擺角度，（°）；t 為充氣時(shí)間，s。

2. 4 紋理識(shí)別技術(shù)研究

搭建圖20所示的測(cè)試平臺(tái)，對(duì)彈性指尖的紋理識(shí)別技術(shù)展開(kāi)研究。測(cè)試平臺(tái)包括手指結(jié)構(gòu)、水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、不同紋理結(jié)構(gòu)測(cè)試板及控制系統(tǒng)。

測(cè)試樣板的凹凸紋理結(jié)構(gòu)高度為0. 8 mm，間隙范圍為1～6 mm，凸起結(jié)構(gòu)為錐形圓弧結(jié)構(gòu)。測(cè)試時(shí)，首先，將手指結(jié)構(gòu)向下移動(dòng)，確保指尖彈性探頭與測(cè)試板接觸；然后，勻速水平移動(dòng)手指。通過(guò)多次測(cè)試，得出的不同紋理板的測(cè)試圖譜分別如圖21～圖26所示。從數(shù)據(jù)中可以看出，檢測(cè)噪點(diǎn)量隨著凹凸紋理密度的提升而增加。經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，振動(dòng)傳感器可準(zhǔn)確表征不同凹凸紋理結(jié)構(gòu)特征。

3 試驗(yàn)研究

仿人手驅(qū)動(dòng)及傳感系統(tǒng)分布如圖27所示。6個(gè)微型電動(dòng)機(jī)分別實(shí)現(xiàn)6根手指的欠驅(qū)動(dòng)及大拇指?jìng)?cè)擺驅(qū)動(dòng)；6個(gè)關(guān)節(jié)內(nèi)置微型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分別實(shí)現(xiàn)大拇指和食指3個(gè)屈曲關(guān)節(jié)的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)；食指和大拇指指尖分別集成了溫度傳感器和壓力傳感器；每個(gè)手指內(nèi)側(cè)均有彎曲傳感器；中指指尖設(shè)有振動(dòng)傳感器；手掌中設(shè)有4個(gè)扁囊，每個(gè)扁囊配有1個(gè)氣壓傳感器，控制系統(tǒng)采用Arduino Mega2560板卡。

為對(duì)仿人手的實(shí)際性能進(jìn)行測(cè)試，搭建了圖28所示的試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，對(duì)仿人手的擬人特性、智能化抓取操作進(jìn)行驗(yàn)證。

通過(guò)電動(dòng)機(jī)和扁囊配合驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)仿人手靈巧操作。其擬人能力測(cè)試結(jié)果如表3所示。

仿人手的智能控制系統(tǒng)可獲取目標(biāo)物尺寸、溫度、重力參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)抓取力自主計(jì)算的智能抓取操作。通過(guò)食指和大拇指捏取，可獲取物體外形尺寸和表面溫度；通過(guò)手指?jìng)?cè)擺推力，可預(yù)估物體重力并計(jì)算合適抓取力；基于壓力反饋，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抓取操作。智能化抓取流程如圖29所示。

對(duì)基于溫度感知的智能抓取進(jìn)行測(cè)試，模擬人手抓取盛放有熱水的水杯的過(guò)程。抓取過(guò)程中的數(shù)據(jù)變化曲線如圖30所示。由圖30可知，當(dāng)手指逐漸彎曲接近水杯時(shí)，指尖溫度傳感器隔空感知溫度，并進(jìn)入自主判斷程序；當(dāng)檢測(cè)溫度超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)會(huì)發(fā)起警示，然后松開(kāi)手指，實(shí)現(xiàn)智能化操作。這種智能抓取操作在智能假肢領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

通過(guò)抓取試驗(yàn)，對(duì)仿人手的實(shí)際操控能力進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試可知，仿人手可實(shí)現(xiàn)雙指捏取鉛筆、雙指?jìng)?cè)捏卡片、抓握并按壓噴劑瓶、握取指甲鉗等精細(xì)類(lèi)抓取及操作。在包絡(luò)抓取時(shí)，各個(gè)手指對(duì)目標(biāo)物的形狀具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力，使得抓取更加穩(wěn)定。不同物品對(duì)應(yīng)的抓取測(cè)試如圖31所示。

采用側(cè)捏、包絡(luò)、雙指抓取等方式對(duì)不同屬性物體進(jìn)行抓取測(cè)試的數(shù)據(jù)如表4所示。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種全驅(qū)動(dòng)和欠驅(qū)動(dòng)兼容的手指結(jié)構(gòu)。通過(guò)微型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)和扁囊結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了手指關(guān)節(jié)的多種驅(qū)動(dòng)模式。仿人手主體結(jié)構(gòu)采用聚乳酸材料進(jìn)行打印制作；通過(guò)錐形螺旋驅(qū)動(dòng)軸設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了小尺寸下無(wú)限驅(qū)動(dòng)位移及驅(qū)動(dòng)力的自動(dòng)調(diào)節(jié)；通過(guò)溫度傳感器、壓力傳感器、彎曲傳感器、氣壓傳感器、振動(dòng)傳感器的高集成優(yōu)化布局設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)采集，提升了仿人手與外界環(huán)境交互的智能性。通過(guò)精細(xì)抓取和包絡(luò)抓取，對(duì)機(jī)械手的操控性能進(jìn)行了測(cè)試，可完整實(shí)現(xiàn)對(duì)人手的動(dòng)作模仿及自主智能化復(fù)雜抓取操作，為仿人手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)控制提供了借鑒。