機(jī)器人靈活手的力學(xué)原理分析

□郝東暉 趙 杰 熊禧強(qiáng)

一、引言

機(jī)器人發(fā)展由20世紀(jì)60年代開(kāi)始，最初應(yīng)用于工業(yè)加工的僅僅是一個(gè)機(jī)械臂，然后在添加一定程序的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)單重復(fù)的工作，外形模仿人類手臂由此開(kāi)始[1]。20世紀(jì)80年代隨著傳感器的應(yīng)用，使得機(jī)器人機(jī)械手擁有觸覺(jué)，能夠在工作過(guò)程中不斷地修正自己的狀態(tài)，精確度大大提高[2]。

直到21世紀(jì)，智能機(jī)器人開(kāi)始取得發(fā)展，結(jié)合前人在外形與感官兩個(gè)方面的研究成果，此時(shí)的機(jī)器人越來(lái)越“似人”，具有著比第二代機(jī)器人更加完善的對(duì)周?chē)h(huán)境的感知能力，超強(qiáng)的邏輯思維、判斷和決策能力[3]。機(jī)械手開(kāi)始模仿人手的形狀，從仿生學(xué)的角度使其能夠完成更多更為復(fù)雜的工作。機(jī)械手能夠完成更加精確復(fù)雜的工作，這與機(jī)械手結(jié)構(gòu)的一步步精細(xì)化完善有很大的關(guān)系，它所涉及的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)、力與力之間的傳遞關(guān)系比普通機(jī)器人更為復(fù)雜[4]。

本文從機(jī)器人靈活手在實(shí)現(xiàn)抓持過(guò)程中的抓持約束力、接觸點(diǎn)處的摩擦力與摩擦方式兩個(gè)角度分析了機(jī)器人靈活手的基本力學(xué)性能，并應(yīng)用于機(jī)器人綜合技能競(jìng)賽中，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手穩(wěn)定抓持、快速抓持，完成一系列動(dòng)作，為機(jī)器人靈活手抓持過(guò)程的點(diǎn)摩擦與抓持力度的分析提供了一定指導(dǎo)。

二、機(jī)器人靈活手基本力學(xué)原理

(一)什么是機(jī)器人靈活手。

圖1 四指靈活手示意圖

靈活手，即多指機(jī)械手，基于三個(gè)手指以上，多于九個(gè)自由度，設(shè)計(jì)原理是以模仿人手的關(guān)節(jié)，手指形狀為外形基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)抓持受力進(jìn)行分析，從而設(shè)計(jì)出的酷似人手的機(jī)械手指型機(jī)器人末端執(zhí)行器。一個(gè)四指靈活手示意圖如圖1所示，可將人手的關(guān)節(jié)以微型電機(jī)代替實(shí)現(xiàn)多個(gè)靈活度。圖2所示為五指靈活手的實(shí)體圖，其外形已經(jīng)酷似人手，如加以人工皮貼在手指與手掌，從而實(shí)現(xiàn)仿真機(jī)械手的外表和功能。

圖2 五指機(jī)械手

機(jī)器人實(shí)現(xiàn)操作是由機(jī)械臂與末端執(zhí)行器兩個(gè)部分來(lái)完成，機(jī)械臂進(jìn)行大致的定位功能，然后由不同的末端執(zhí)行器來(lái)實(shí)現(xiàn)。其主要有吸盤(pán)型、有焊接型等，為了完成不同功能設(shè)計(jì)了不同的樣式，而這些具有具體功能的末端執(zhí)行器，僅僅只能單一地完成某個(gè)功能。

對(duì)于人類完成的技能大部分都是以手為主要操作的執(zhí)行器，故功能更為強(qiáng)大的靈活手就可以展現(xiàn)它能夠完成多項(xiàng)功能的特別優(yōu)勢(shì)而取代單一末端操作器，完成各種常見(jiàn)操作的同時(shí)又能穩(wěn)定地抓持形狀各異的物體。其涵蓋抓持力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)相結(jié)合的部分是其獲得發(fā)展的一個(gè)重要的突破點(diǎn)，通過(guò)分析有無(wú)摩擦點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行分類，構(gòu)建與之對(duì)應(yīng)的力平衡方程，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人靈巧手的穩(wěn)、準(zhǔn)的抓放功能。

(二)靈活手抓持功能的約束力。最簡(jiǎn)單的抓持功能，是靠?jī)蓚€(gè)手指和一個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)，就是通常所說(shuō)的“夾”。隨著智能化機(jī)器人的發(fā)展，更多手指數(shù)、更多自由度逐漸成為眾多機(jī)器人追求的目標(biāo)。以NASA研發(fā)的Robonaut手為例，其是有5個(gè)手指，12個(gè)自由度的合理分配成的，其中拇指、食指以及中指各自都有三個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)操作；而無(wú)名指、小指各有一個(gè)自由度實(shí)現(xiàn)抓持，手掌也有一個(gè)自由度[4]。

而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)主要是靠電動(dòng)機(jī)，由于柔繩系統(tǒng)與人工肌肉過(guò)于龐大，需要借助手臂來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的安裝，顯然不是最優(yōu)方案。若想將其置于內(nèi)部，限于手比較小，可采用尺寸小、力矩大的微型電動(dòng)機(jī)來(lái)完成，例如瑞士Maxon公司生產(chǎn)的直徑為6mm，額定功率有1.2W的電動(dòng)機(jī)。

一般來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)抓持最穩(wěn)妥的方式是過(guò)約束。此時(shí)兩者之間的抓持力而作用在物體表面產(chǎn)生的最大靜摩擦力大于或等于物體重力，以保持物體可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的抓持。

(三)接觸點(diǎn)處的摩擦方式與摩擦力。手指與物體有三種基本的接觸方式——點(diǎn)接觸、線接觸和面接觸。而產(chǎn)生接觸約束的又與接觸方式和接觸面的摩擦方式有關(guān)。例如假若手指與物體為點(diǎn)接觸并且兩者的表面均光滑則約束力會(huì)沿接觸點(diǎn)的法線方向，其力矩為零。

Gf=w

(1)

JTf=τ

(2)

其中G——抓持矩陣，J——雅克比矩陣

實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抓持，就需要一方面能夠平衡外力，另一方面在各個(gè)接觸面上滿足摩擦約束，且通常情況下滿足這兩種條件的抓持力并不是唯一的。所以，將二力平衡轉(zhuǎn)化為多力平衡就能夠很好地解決這個(gè)問(wèn)題，從多個(gè)方向即靈活手多個(gè)手指來(lái)固定有效的抗外力影響。并且多個(gè)點(diǎn)的摩擦力會(huì)使整體產(chǎn)生更大的摩擦約束，從而使得抓持更加穩(wěn)定，在機(jī)器人綜合技能競(jìng)賽中靈活手的功能取得了較好的反響。

三、結(jié)語(yǔ)

機(jī)器人靈活手是機(jī)器人整個(gè)硬件體系中重要的組成部分，其所涉及的力學(xué)原理與應(yīng)用是最難解決的問(wèn)題。機(jī)器人靈活手的發(fā)展離不開(kāi)以力學(xué)原理為基礎(chǔ)的指導(dǎo)，未來(lái)智能機(jī)器人將會(huì)繼續(xù)發(fā)展得越來(lái)越好，靈活手也會(huì)有越來(lái)越多的功能。一方面智能的機(jī)器人可以為人類生產(chǎn)生活、各類行業(yè)提供大的便利，另一方面智能機(jī)器人技術(shù)的成熟是一個(gè)國(guó)家尖端科技水平以及綜合實(shí)力強(qiáng)盛的表現(xiàn)。靈活手作為機(jī)器人發(fā)展水平最直接的表現(xiàn)，它的發(fā)展能夠使得機(jī)器人代替人類完成更多危險(xiǎn)、復(fù)雜的工作，最大限度地保證人的安全。參加機(jī)器人綜合技能競(jìng)賽，深刻體會(huì)到作為力學(xué)專業(yè)的“火苗”，應(yīng)當(dāng)把國(guó)家重任為己任，努力擴(kuò)充自己的力學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)體系，從多個(gè)角度應(yīng)用力學(xué)來(lái)解決難題，使得多個(gè)行業(yè)技術(shù)獲得發(fā)展。