五指仿人機器手的結構設計與實現

□田 園

一、引言

隨著機器人技術的飛速發展及其在各領域的廣泛應用，國家在《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》和《國家高技術研究發展計劃“十一五”發展綱要》中，把“服務機器人”研發作為重點項目。機器手是“機器人”的關鍵部位，在各種護理、排爆、搶險等機器人中，機器手是機器人完成任務必不可缺的一部分。本文針對多指靈巧手的結構進行了深入的分析，采用了微小型步進電機作為驅動裝置，設計并開發出微小型關節減速器作為傳動裝置，采用中空式的鋁合金關節殼體結構，實現了對微小型步進驅動電機和傳動減速器的合理布局，為各關節之間的鏈接和各類傳感器的安放提供了有效的空間，采用CATIA 軟件建立仿人機器手的三維實體模型并進行裝配。在結構設計、樣機開發過程中，總結出一套仿人機器手的設計、加工和控制理論，為機器手的進一步優化奠定了基礎。

二、五指仿人機器手的總體結構設計

在對五指仿人機器手的結構進行優化設計時，我們對手指數目、手指的材料、手指的結構形式、各手指之間的相對位置及姿態、手指關節運動副的形式、各關節運動的驅動方式及傳動方式、各關節的長度及回轉關節的回轉角度范圍、手掌的結構等問題進行優化分析和設計。根據以上主要設計內容，具體設計方案路線如下:

(一)五指仿人機器手材料的選擇。仿人機器手各手指要求實現2 個俯仰自由度，結構比較復雜，對材料剛度與強度要求較高。在綜合考慮仿人機器人結構和傳動方式的基礎上，從五指仿人機器手手指受力情況分析，它們在工作中直接承受靜、動載荷，并且指尖所受載荷時轉矩較大，因此五指仿人機器手手指的材料選用了LY12 硬質鋁合金，這樣既保證了手指關節殼體的剛度和強度，又減輕了手的整體重量。在齒輪材料的選擇上，通過校核計算，最終選擇銅合金材為微小型手指齒輪減速器材料，使其達到較高傳動精度。

(二)五指仿人機器手手指結構設計。通過對人手的各關節長度尺寸的研究，確定該仿人機器手具有11 自由度，整個機器手由5 個手指和一個掌面組成，每個手指有2 個旋轉關節，新型五指仿人機器手可以模仿人手的功能進行簡單操作，完成手指彎曲運動，并通過手指的合作與協調來實現一定的運動和簡單的抓取。新型仿人機器手由大拇指、食指、中指、無名指、小拇指、手掌殼體組成;食指、中指、無名指、小拇指結構相同且具有兩個擺動副，各由一臺伺服電動機驅動，大拇指具有三個擺動副各由一臺伺服電動機驅動。

五指仿人機器手的結構尺寸可以參考人類手指的長度比例，并加以適當的放大或縮小，或根據所設計的機器手尺寸的使用場合來進行適當的調整。具體仿人化手掌結構尺寸如圖1 所示。

圖1 仿人化手掌結構尺寸

三、五指仿人機器手傳動系統和電機的選擇

五指仿人機器手的機械結構是研究仿人機器手控制方面的基礎。本仿人化機器手主要由微小型步進電機、微小型關節減速器和外形殼體3 大部分組成，實現了仿人化的手形結構。

(一)手指關節電機的選擇。步進電機的旋轉角度正比于其脈沖數，在停轉時具有最大的轉矩，并且具有良好的啟停和反轉響應。考慮五指仿人機器手的手指尺寸，以及其對位置精度和負載力矩要求較高，其手指各關節均選用步進電動機(pm10s020)驅動。電機尺寸參數與驅動參數如圖2 和圖3 所示。

圖2 電機尺寸參數圖

圖3 電機驅動參數圖

(二)手指關節傳動結構設計。五指仿人機器手的傳動系統是把步進電機產生的運動和力準確地傳遞到手指關節，帶動關節做俯仰運動。五指仿人機器手的手指關節采用自主設計的微小型關節式齒輪減速器來傳遞步進電機產生的運動和力，不僅減小了手指的尺寸和質量，而且提高了抓取能力和抓取過程中的平穩性。

齒輪減速器由固定板、板間支撐柱、輸出軸、傳動軸、齒輪和電機組成。電機為一臺小型步進電動機。步進電動機固定在中層固定板上，齒輪固定在傳動軸上(齒輪4 除外)，傳動軸與固定板間為滑動摩擦。電機提供的動力經過五級齒輪減速最后由輸出軸輸出。減速達到369:1。手指關節模型圖如圖4 所示。減速器由上、中、下固定板7.12、7.13、7.14，齒輪7.2、7.3、7.5、7.6、7.10、7.15，軸7.1、7.4、7.8、7.11組成，齒輪7.10 安裝在電動機7.9 上，齒輪7.15 安裝在軸7.11 上，齒輪7.6 安裝在軸7.8 上，齒輪7.3 安裝在軸7.4 上，齒輪7.5 空套在軸7.1 上，齒輪7.2 安裝在軸7.1 上;電機工作帶動齒輪7.15→7.16→7.5→7.3→7.2，齒輪7.2 帶動軸7.1 輸出。

圖4 手指關節模型圖

(三)機器手手指外形殼體的設計。機器手外形殼體結構的設計不僅決定了其擬人化程度，同時也決定了各關節的連接形式和機器手的靈巧性。機器手手指殼體采用銑削成型鋁合金薄殼，能夠實現減速器和驅動電機的合理布局，為各類傳感器提供了有效的安放空間。如圖5 所示為微小型減速器、步進電機和手指殼體構成裝配圖。第一電動機8.3安裝在第一減速器8.2 上，第一減速器8.2 固定在中指節8.4 上，通過第一減速器8.2 的輸出軸帶動指頭運動;第二電動機8.6 安裝在第二減速器8.5 上，第二減速器8.5 固定在基指節8.7 上，通過第二減速器8.5 的輸出軸帶動中指節運動。(食指、中指、無名指、小拇指結構相同)，最終手指通過后端螺紋孔連接到手掌上。機器手抓取物體達到抓握穩定后，手指依靠步進電機的自鎖能力保持對物體的抓取力。

圖5 仿人機器手手指裝配圖

為了保證加工與安裝方便仿人機器手與腕部采用法蘭結構連接，把手掌與腕關節分開設計，制成獨立的法蘭腕部結構，既滿足了設計的要求，減輕了手部整體質量，也使其與手臂易于連接。

四、試驗與驗證

課題基于三維造型設計軟件CATIA 建立了仿人機器手的參數化模型，完成對機械系統各零部件和裝配體的建模，并進行了干涉和碰撞檢查。然后將裝配體模型導入Adams軟件進行后續的約束和驅動添加，建立了手指、手掌虛擬樣機仿真模型，通過對手指各關節運動特性的仿真分析，最終通過模擬實驗驗證該結構的性能，使其獲得最優化結構。仿真結果表明五指仿人機器手各項性能指標符合設計要求，且系統反應靈敏穩定、可靠，準備投產。

［1］郭語，孫志峻，黃衛清.超聲電機驅動五指靈巧手的設計與仿真［J］.機械科學與技術，2007，5(10):10 ～36

［2］劉伊威，金明河.DLR/HIT 仿人機器人靈巧手的設計［J］.機械制造，2006，8(11):42 ～45

［3］何永強，朱廣超，張啟先.多指靈巧手雙閉環模糊控制［J］.高技術通訊，2004，4(7):59 ～64