一種雙連桿混合傳動的機器人手指設計

高瑞祺

(首都師范大學附屬育新學校，北京 100096)

人類的雙手從行走中解放后變得越來越靈巧，靈巧的雙手不僅讓人類能夠適應復雜多變的自然環境，更賦予了人類改造自然的能力。如同人類一樣，機械手在機器人操作中也起著重要作用，作為機器人重要的執行部件，機器手執行抓持指令已發展為機器人領域的一個重要分支，手指設計對機械手抓取方式、靈活性、控制難度等都有極大影響。

目前許多科研機構對機械手及其手指部件設計做了大量研究，并研制出一批具有代表意義的機械手，如NASA的Robonaut R2機械手、DLR的DLR HASy機械手、意大利的iCub機械手、英國的Shadow機械手以及SARAH機械手等。本文將借鑒現已有的機械手先進設計理念，設計一種機器人手指，采用連桿傳動，它對操作物體有較強的適應性，能夠對不規則物體進行抓取。

1 機器人手指設計

機器人手指由指節和關節組成，關節通過指節進行連接。根據關節上有無驅動源，可將機器人手指分為直驅和欠驅動兩種。手指直驅一般通過在手指關節上設計電機等驅動源來實現，直驅手指具有操控靈活的特點，但其對控制水平要求較高，同時對抓取物體的外形適應性較差，為了使各指節能夠完全與操作物體貼合，需要傳感器的輔助；手指關節采用欠驅動時，在其關節上沒有驅動源，關節只起到轉軸的作用，由于欠驅動手指驅動源數少于關節數，故其具有抓取目標外形適應能力強、控制簡單等優點，同時也存在自由度較少、操控靈活性較差等問題。

參照常見機器人的操作能力，確定手指設計指標，如表1所示。

表1 機器人手指設計指標

機械手抓取主要分為包絡抓取和精確捏取兩種，本文所設計手指既可實現包絡抓取功能，也可實現精確捏取功能。包絡抓取是指機器人手指各個關節依次與被抓物體接觸，最終所有關節均與物體接觸，從而達到限制物體運動而實現抓取操作的過程；精確捏取是在手指靠近物體的過程中，只有第三指節，即指尖與被抓物體接觸。

根據設計需求，指尖力不小于30N，手指長度依據人手尺寸確定為140mm，則手指根部關節最小輸出力矩為30×0.14=4.2N·m。綜合分析輸出力矩、關節角速度需求，同時考慮手指輕量化，手指驅動源采用電機加減速器的方式實現，本文電機選擇大功率密度的Maxon直流無刷電機EC-i 40電機，電機后端配置有碼盤，其長時間工作力矩為84N·m，減速器選擇Harmonic小體積諧波減速器，減速比為100。考慮傳動效率時，該傳動系統長時間輸出力矩為5.8N·m，滿足設計需求。

綜上所示，本文所設計手指為利用連桿進行傳力的欠驅動單自由度手指，該手指共有三個指節，三個轉軸，各指節之間通過轉軸相連，轉軸上設計扭簧，手指設計有兩套四連桿機構，分別為驅動四連桿和平行四連桿。手指設計圖如圖1所示，驅動四連桿由電機通過錐齒輪驅動手指運動，平行四連桿配合扭簧實現指尖姿態保持，保證手指精確捏取時指尖姿態不變。

圖1 機器人手指設計

手指包絡抓取過程如圖2所示，參與抓取的手指各關節均與被操作的物體相接觸。

精確捏取過程如圖3所示，精確捏取在扭簧、驅動連桿以及平行四邊形連桿共同作用實現。具體步驟如下：首先第一、第二指節在機械限位和扭簧共同作用下，構成指面共面，形成一個整體轉向物體；其次，第三關節指面在平行四邊形連桿和驅動連桿作用下，平行移動靠近物體；最后，在兩個手指相向運動下達到力平衡，實現精確捏取。

圖2 包絡抓取實現過程

圖3 精確捏取實現過程

2 手指參數分析

本文設計機器人手指參數核心是連桿參數，手指連桿參數直接影響手指抓取效果，手指連桿參數定義如圖4所示。

圖4 手指驅動連桿簡圖

分析不同桿件受力情況，為使機器人手指能對多種尺寸物體形成有效包絡抓取，需要滿足：b1+c1＞a1+d1、b2+c2＞a2+d2，依據手指長度、抓取物體尺寸以及機械干涉約束，各參數取值情況如下a1=62mm、b1=30mm,c1=55mm,d1=13.6mm,a2=43mm,b2=22mm,c2=42mm,d2=11mm，手指總長度為140mm，指尖長度a3取36mm。

本設計機器人手指為欠驅動手指，只有一個驅動源，各手指指節之間依靠轉軸上的扭簧傳遞動力。建立圖4所示的慣性坐標系，在該坐標系內，對手指指尖O3的運動進行分析。

機器人手指進行抓取操作時，當a1與被抓物體接觸后，該指節將不再發生轉動，剩余a2、a3指節繼續轉動，轉動一定角度后當a2與被抓物體接觸后，a2停止轉動，a3繼續轉動，直到a3與被抓物體接觸。因此指尖O3的運動分為三段。

第一階段，a1、a2與被抓物體未接觸，a3與被抓物體接觸時，運動軌跡計算方法如式（1）所示。

第二階段，a1與被抓物體接觸，但a2與被抓物體未接觸時，運動軌跡計算方法如式（2）所示。

第三階段，a1、a2與被抓物體接觸，但a3與被抓物體未接觸時，運動軌跡計算方法如式（3）所示。

3 手指抓握能力仿真分析

為驗證所設計手指的抓握能力，在三維設計軟件中對手指的抓握能力進行仿真分析。首先根據手指設計參數建立連桿機構，各桿之間為鉸鏈連接，在基關節處安裝加驅動源，在其余兩個轉軸上設置剛度不同的扭簧，然后使用該手指抓取直徑不同的四種圓柱形物體，仿真結果如圖5所示。

圖5 手指對于不同直徑目標物體的包絡圖

由仿真分析可知，連桿在驅動源作用下發生轉動，當根部指節與目標發生接觸后，其余指節可繼續轉動，直到手指三個指節均與目標接觸。由仿真分析可知該手指對直徑不同的物體均具有較好的抓取包絡能力，證明本文所設計手指具有合理性。

4 結論

本文采用雙連桿混合傳動設計了一種機器人手指，其具有三個指節，各指節之間為鉸鏈連接，在鉸鏈上設計有剛度不同的彈簧，以實現手指的欠驅動。該手指采用一個電機驅動源實現抓握操作，具有結構簡單、控制靈活及抓握能力強等優點，經仿真分析，該手指可實現對直徑不同物體的有效包絡，可廣泛應用于操作機器人抓取操作中。