新型欠驅動仿生靈巧手設計及實時操作控制*

蔡 宇， 段盛青， 魏曉晨， 郭兆陽， 楊尚軒

(1.南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京 211100；2.南京航空航天大學 航空宇航學院，江蘇 南京 211100；3.南京航空航天大學 材料學院，江蘇 南京 211100)

0 引 言

近幾十年來，仿生學極大地推動了機器人技術的研究與發展，對仿生靈巧手的研究最初源于對利用電機假肢來彌補肢體缺損的期望。人手的靈活性很大程度上得益于人類數百萬年進化所形成的生物力學特征。人手骨骼的復雜形狀，多樣的旋轉自由度及其他生物學特征共同組成了一個經過千百年驗證的控制系統。此外，仿生靈巧手在神經義肢和肢體再生等新興領域上也有許多潛在優勢，人工肌肉的成功培養[1]，可生物降解的人造韌帶的發明，可打印的生物相容性材料[2]等前沿技術都需要一個適合移植細胞生長的支架，而仿生靈巧手也由于與人手的高度匹配，具有未來充當手部骨骼支架的潛力。

根據驅動器放置的位置不同，仿生靈巧手分為驅動內置式和驅動外置式．驅動內置式靈巧手將控制器，驅動器以及傳動機構集成在手掌內部，比如北京航空航天大學研制的BH—985靈巧手[3]，哈爾濱工業大學的HIT/DLR Hand II靈巧手[4]。這種類型的靈巧手具有外觀擬人程度高，模塊化程度高等特點，但由于將多種結構集成于手掌中，使得其手指尺寸和重量難以減小，從而限制了靈巧手本身的靈活性。

驅動外置式靈巧手則將傳動機構以其其他的電氣模塊外置于前臂處通過剛性連桿或者柔性繩索來進行遠距離的傳動。比如例如美 國R 手[5，6],美國斯坦福大學研制的Stanford/JPL多指靈巧手[7，8]以及日本Gifu靈巧手[9，10]。與驅動內置的靈巧手相比，這一類型的靈巧手有效縮減了手指和手掌的重量和尺寸，并且外置的電機可以使靈巧手負載增大。

欠驅動靈巧手大多通過剛性連桿或者柔性繩索來進行遠距離的傳動。然而它們在引入這些機械結構簡化靈巧手的同時，存在其抓握動作不協調，手指運動軌跡與人手差距較大等問題。為此，本文設計了一種保留人手大部分生物力學特征的靈巧手。并針對欠驅動運動精度不高的特點，提出了類肌腱的仿生結構使得各手指準確到達期望位置，減小腱驅動遲滯造成的不利影響。通過運動學分析得到指尖一點的工作空間范圍。最后通過多指靈巧抓取以及遙操作實驗，驗證所提控制系統的穩定性、可靠性。

1 仿生靈巧手硬件結構

1.1 靈巧手骨架的仿生設計

人手指關節與相鄰兩手骨共同的接觸面決定了手骨的可能運動方向，因此手指關節不同形狀造成了各手指自由度的不同。手指彎曲過程中，在指屈肌腱的帶動下，指骨在遠端指間關節與近端指間關節處產生了運動傾角，基于端指間關節與近端指間關節造成的運動特性，本設計將其簡化為機械鉸鏈結構圖1。

圖1 靈巧手骨骼設計示意

拇指在實現人手抓取功能中起著很大的作用。位于拇指底部的大多角骨(圖中標記)的獨特形狀使得其與相鄰兩骨接觸時產生了額外的自由度。然而在設計拇指結構時，傳統靈巧手大多只考慮了拇指處的彎曲運動而忽略了拇指處的側向位移。

本設計曾考慮使用萬向接頭來仿生拇指處的運動，雖然萬向接頭可以很好表達其運動特性，但是其旋轉方向的不易控制并且只能依靠外力被動地彎曲來旋轉方向。因此本設計決定將拇指處的多自由度運動分解為彎曲方向運動和側向位移運動。其彎曲方向運動沿用像其他手指一樣的機械鉸鏈結構，在拇指腕掌關節處設置一個與手掌平面夾角為60°的鉸鏈來仿生人手多角骨的作用。兩個鉸鏈軸向的運動疊加可以表達出大拇指在二維平面內任意方向上的運動。

1.2 類肌腱的仿生結構設計

肌腱對肌肉的調整作用是人手重要的生物力學特征。在手指運動過程中，指屈肌腱不斷調整肌肉收縮所造成的力矩，從而使手部動作變得流暢。本文設計利用激光切割后的乳膠板來仿生指伸肌腱對肌肉收縮力的穩定機制。

2 靈巧手靜態構型分析

靈巧手手指的回彈效果依靠乳膠材料的彈力特性。因此，類肌腱所補償的阻力直接影響靈巧手的運動特性以及抓握物體時的穩定性。通過對靈巧手的靜態構型分析，來確定腱繩提供的拉力與手指各關節轉角之間的數學關系。從而為類肌腱乳膠材料的長度以及材質的選取提供理論依據。根據靈巧手的欠驅動原理，手指的靜態構型受到腱繩的拉力以及乳膠韌帶的彈力，因此可得各關節處的驅動力矩為

τ1=Fr1，τ2=Fr2

(1)

式中F為腱繩的拉力，r1,r2為靈巧手關節處鉸鏈的轉動半徑。

在手指關節1處的指節繞著關節1旋轉的過程中，當關節2的驅動轉矩大于乳膠韌帶的起始轉矩，即τ2=Fr2>k2θo2，則關節2將和關節3作耦合運動，此時腱繩張力在各關節上的分布為

M1=Fr1-k1(θ1+θ0)+k2(θ2+θ02)+k3(θ3+θ03),

M2=Fr2-k2(θ2+θ(k02)+k3(θ3+θ03)

(2)

因為手指處于靜態構型各關節處的力矩平衡，即Mi=0，由此可得腱繩張力與關節轉角之間關系為

(3)

當關節3處的驅動轉矩大于乳膠韌帶的起始轉矩，即τ3=Fr3>k3θo3，則關節3將和關節1,關節2一起耦合運動，同理可得

(4)

由此可知，在手指彎曲過程中，腱繩所受的拉力與手指θ各關節轉角之間的關系滿足一定線性關系，從而為乳膠韌帶的初始長度以及材質的選取提供理論依據。

3 靈巧手運動學分析

本文假定各指關節可以單獨運動，對靈巧手進行運動學分析以獲得最大工作空間。選取其中一根手指的建立正運動學模型。同理可分析得到其余幾根手指的正運動模型。

1)各手指坐標系的建立

本文依據D-H原則對手指建立正規的笛卡爾坐標系。其中選取一根手指并建立的D-H坐標系如圖2所示。

圖2 D-H坐標系

2)各手指關節的D-H參數如表1所示。

表1 各手指關節的D-H參數

3)各坐標系間的D-H轉換矩陣

根據相關數據以及D-H法則，可建立起相鄰的兩個坐標系之間的轉換關系

i-1Ti=Rot(zi-1,θi)Trans(zi-1,di)Trans(xi,li)·

Rot(xi,αi)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中Si=sinθi,Ci=cosθi,Sijk=sin(θi+θj+θk),Cijk=cos(θi+θj+θk)。

根據轉換矩陣可得手指末端一點相對于手掌基坐標系的位置坐標方程。下面為手指的遠指關節以及手指末端相對于基坐標系的位置坐標方程，設掌骨關節O1的二維坐標為(x1,y1)，手指尖一點為(xi,yi)則

(9)

以中指為例，中指各指段的長度為l1=19.32 mm,l2=31,82 mm,l3=37.98 mm，各關節處的轉角范圍為0°≤θ1≤65°，0°≤θ2≤90°，0°≤θ3≤90°將手指尖端一點在MATLAB下進行仿真，可得到手指尖一點的工作空間，如圖3所示。

圖3 手指尖一點的工作空間

4 實驗驗證

平臺如圖4所示，由操作人員，數據手套和仿生靈巧手組成。操作人員佩裝有彎曲傳感器的數據手套，將手部所有指關節點的運動姿態參數，并通過映射算法建立人手的運動姿態和機械手的姿態之間的對應關系并生成靈巧手的控制指令。

本文設計了濾波器性能評價實驗和抓握實驗兩個實驗來測試靈巧手的性能。

圖4 手指平伸時的ADC讀數變化

4.1 濾波器性能評價實驗

操作人員佩戴數據手套并保持手指彎曲度不變化。測量數據，觀察彎曲傳感器數據的靜態特性。圖5(a)為5個手指平伸時多次測量所得靜態曲線。

圖5 手指靜態手伸和動態彎曲伸張時的ADC讀數變化

操作人員佩戴數據手套并多次彎曲手指，通過多次重復彎曲伸張傳感器測量ADC讀數可知，該傳感器的重復特性良好，數值變化區間為1 600～2 600，而動態曲線峰值間差值小于50，能夠滿足人手的伸握的精確度。對于數據處理主要針對靜態情況下的一些輕微抖動，可采用五點中值濾波，結果如圖5(b)。

本文以一組靜態數據為例來測試濾波器性能，實驗曲線如圖6(a)所示，其中，由圖6(a)可知，該濾波器能較好消除噪聲。

而對于動態特性曲線，實驗曲線如圖6(b)所示，由圖6(a)可知，濾波數據和原始數據之間不存在明顯的延遲，也能較好濾除噪聲。

圖6 靜態、動態去噪效果

4.2 抓握實驗驗證

本文利用靈巧手來抓取日常物品來測試其抓握能力，從托舉，捏舉以及握舉3個角度來測試機械手在不同動作下的抓握能力，如圖7所示。其中托舉實驗來測試靈巧手是否能夠通過手指與手掌協同作用來自然托舉物體。捏舉實驗來測試多指的實時協調性。抓握實驗表明，該靈巧手可以以近似人手的方式自然抓取日常生活中的物品。

圖7 抓握實驗驗證

5 結束語

針對欠驅動仿生靈巧手的機構特征，設計了層次清晰，實時性高的控制系統：

1)參照人手基本骨骼，設計保留人手大部分生物力學特征的靈巧手控制模型；

2)設計了數據傳輸模塊以確保控制的同步性和數據傳輸的實時性；

3)針對欠驅動運動精度不高的特點，提出了類肌腱的仿生結構使得各手指準確到達期望位置，減小腱驅動遲滯造成的不利影響。