基于FluidicMuscle氣動人工肌肉的仿生機械手的設計

于鴻宇，李月峰，于嘉豪，劉洋洋

（哈爾濱理工大學，山東 榮成 264300）

0 引言

對于機械手的發展，機械手的靈活性、精確性、可控性以及柔順性決定機器人的性能[1]。傳統的機械手由于自由度少的原因，且控制方法和傳感器發展不是很成熟，故靈活度和柔順性并不是很好。因此，通過多自由度和智能算法的機械手是一個發展趨勢。另一方面，在火災、危險工業區和深海探測等危險場合，人們需要設計良好的機械手代替人工，故對機械手的要求和功能的使用越來越嚴格，因此設計智能多功能機械手是該領域的熱點。另一方面，具有多關節和多自由度的機械手應用的領域較為豐富，其中最有代表性的是仿人機械手[2]。它的工作原理是模仿人類手指的運動規律來進行物體的抓取和運動。仿人機械手在醫療、服務和娛樂等企業應用較為廣泛[3]。因為該機械手的結構與人類的手相似，因此能靈活、有效的進行人類從事的相關活動。

1 仿人機械手運動學研究

1.1 仿人機械手結構設計

對于人手結構組成，可以設計氣動肌腱驅動的機械手，其中機械手含有5個手指和一個手掌，由氣動人工肌肉進行控制運動，并且每個肌腱控制一個手指運動，即一根肌肉的一端連接到鋼絲繩，支架固定在鉸接端的滑輪上，然后再連接到另一根肌肉，以便使滑輪可以驅動關節通過拉伸和伸展來實現運動。另一方面，每個手指關節處有滑輪，通過牽引線繞在關節處來驅動機械手的伸縮。每個手指所設計的自由度為3，整體的設計尺寸按照成年男性人手的近似平均尺寸設計，使用三維軟件Pro/E建立模型，其整體設計如圖1所示。

圖1 機械手整體結構

整體的結構設計，使用增材技術[4]（3D打印）進行加工，因為機械手的大部分零件非標準件且形狀不規則，故只有3D打印加工可以對機械手進行加工和制造。另一方面，材料選擇PLA材料[5]進行打印，因為該材料的應用較廣，并且價格便宜。而連接的部分可使用相應尺寸的螺栓組裝。

1.2 機械手正運動學分析

對設計的機械手進行運動學分析是基礎[6]。本文主要分析各個手指的關節角度和最后運動坐標的關系。首先對手指建立坐標系，再根據坐標的關系來進行正運動學的分析[7-8]。機械手的正運動學是根據角度的變換來得出末端手指的運動狀態。因此，本文以一個手指為例進行分析。手指的坐標系如圖2所示。

圖2 手指D-H坐標圖

正運動學的求解是根據手指各個關節的角度θ1，θ2和θ3求解手指末端的位置坐標和姿態。機械手的相關參數如表1所示，ai為手指關節i的扭轉角度；li為手指關節的長度；ai為在關節軸i上的連桿偏距；θi為與連桿i的角度，其中，i=1，2，3。

表1 手指連桿參數

運用D-H參數法得出D-H變換矩陣為：

將建立的矩陣進行D-H變換得出相對于基坐標變換 的矩陣為：

其中，對于矩陣中的c代表cos，s代表sin，并且，由公式（6）可以得出最后的手指運動的坐標為：

由公式即可計算出手指運動的最后的坐標和姿態。

1.3 機械手逆運動學

機械手的逆運動學[9]是根據已知的手指最后坐標來計算出機械手各個關節的運動角度，本質上是正運動學求解的逆過程。根據上述所建立的坐標進行分析，公式為：

公式中的T為變換的矩陣，為手指尖相連接的桿相對于X軸正方向的方位角度，根據矩陣可以得出：

通過計算可得出正弦和余弦的關系：

最后得出的角度為：

2 氣動回路設計

2.1 氣動人工肌肉的選擇

本文使用Fluidic Muscle。通過測試選取的壓力范圍在0-0.6Mpa，長度為150mm，直徑為5mm。在Festo公司官網所提供的產品可知，肌腱分為兩個連接方式，其中一個是帶壓配接口（DMPS），另一個是帶螺紋接口（MAS）。對于仿人機械手所需要的是壓配式接口。該人工肌腱的結構圖可見圖3所示，其中，1代表螺母材料是鍍鋅鋼，2代表是法蘭材料是透明陽極氧化精制鋁合金，3代表是套管材料是透明陽極氧化精制鋁合金。4代表膜片。

圖3 人工肌腱結構圖

本文選取VPPE型號的調壓閥。它的價格較為便宜，并且它有一個屏幕可以看見氣壓參數。調壓閥所選擇的三位比例閥，氣壓范圍在0-10Mpa，這和氣動人工肌腱的壓力控制范圍相似。并且輸入的壓力范圍在6-11Mpa，標準額定流量在1250l/min，此外，設定點輸入為模擬量電壓信號的范圍在0-10V。

2.2 氣動回路設計

根據機械手的結構可知，每個手指需要一個氣動人工肌腱來控制，而且每個肌腱的控制壓力需要氣動調壓閥來進行控制，并且每個肌腱配置一個氣壓閥。因此，本論文采用氣動調壓閥、氣動肌腱和氣泵來進行設計氣動回路，氣動回路圖如圖4所示。

圖4 氣動回路原理圖

氣動回路的工作原理是需要通過氣泵將氣體運輸到氣動比例閥中，對其進行氣壓的控制，達到運動所需要的氣壓即可。然后通過電氣比例閥將氣壓運輸到氣動人工肌腱來進行肌腱的壓縮。其中，彈簧的作用是和氣動肌腱的運動達到平衡。當肌腱運動后，尼龍線會讓機械手的關節進行運動，從而達到運動目的。

3 機械手控制原理

控制的主要思想是將數字信號和模擬信號進行轉換。為了將控制的信號輸入到調壓閥中，需要對控制的數據進行A/D轉換，對于嵌入式板有8個輸入和輸出物理通道，因此將所需要控制機械手角度的數據輸入到嵌入式板中，然后將信號轉換為電壓信號來控制氣動調壓閥的輸出壓力，從而控制氣動人工肌肉的伸縮程度，從而達到運動的目的。

A/D轉換就是要將模擬量V（如V=5V）轉換成數字量D（如D=255）。模/數（A/D）轉換的形式較多，如計數比較型、逐次逼近型、雙積分型等等。在集成電路器件中普遍采用逐次逼近型。在啟動信號控制下，首先置數選擇邏輯電路，給逐次逼近寄存器最高位置“1”，經D/A轉換成模擬量后與輸入模擬量進行比較，電壓比較器給出比較結果。如果輸入量大于或等于經D/A變換后輸出的量，則比較器為1，否則為0，置數選擇邏輯電路根據比較器輸出的結果，修改逐次逼近寄存器中的內容，使其經D/A變換后的模擬量逐次逼近輸入模擬量。這樣經過若干次修改后的數字量，便是A/D轉換結果的量。

4 結論

仿生機器人一直具有較大的研究意義，不論從改善現有機器的結構功能或提高生產力等方面。本文所設計的基于氣動人工肌肉的仿生機械手，在設計過程中從零件繪制，使機械手在結構上盡可能的接近人手；到控制原理推敲，使控制過程能夠平穩可靠；再到數據采集，盡可能精確的進行采集和數據處理，以保證控制的準確性，同時保證了具有較好的靈活性和柔順性。采用可控的氣動人工肌肉進行驅動，該設計可避免復雜的電氣驅動。對于機械手的設計和制造，使用STL材料和3D打印技術有利于減輕機械手的重量和成本。結構方面使用拉伸方式來進行驅動，減少運動的復雜性，并且避免了大量的摩擦力和非線性特性。