繩索驅(qū)動(dòng)型擬人機(jī)械手運(yùn)動(dòng)仿真

黃廣偉 陳浩華 趙天嬋 張攀峰

關(guān)鍵詞：繩索驅(qū)動(dòng);擬人機(jī)械手;運(yùn)動(dòng)仿真

0引言

為滿足肢體缺陷的人群對(duì)高仿真性且具有靈巧性的假肢或者替代人手執(zhí)行危險(xiǎn)工作的需求，諸多學(xué)者對(duì)擬人機(jī)械手進(jìn)行了研究。宋釗杰、韓建海等通過(guò)基于仿生學(xué)相關(guān)理論提出了一種氣壓驅(qū)動(dòng)扇形柔性關(guān)節(jié)仿人機(jī)械手;李紅淵研究了一種基于Ar-duino語(yǔ)音控制的五指靈巧手，該研究主要針對(duì)于擁有說(shuō)話能力的肢體缺陷人群，通過(guò)語(yǔ)音控制實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的抓取;美國(guó)麻省理工學(xué)院和猶他大學(xué)聯(lián)合研發(fā)了Utah/MIT擬人手;美國(guó)斯坦福大學(xué)研制了Stanford/PL擬人手;Huagen Wan等對(duì)手的外觀做了細(xì)致紋理修飾，使其更逼真，并構(gòu)建了幾種抓取手勢(shì)。

在諸多復(fù)雜抓取環(huán)境下，擬人手要成功抓取不同尺寸和形狀的物品是較為困難的，為克服該缺陷，本文設(shè)計(jì)了一款在形態(tài)和功能上都與人手相近的繩索驅(qū)動(dòng)型擬人機(jī)械手，并運(yùn)用SolidWorks的Sim-ulaition插件以及ADAMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。從仿真的結(jié)果來(lái)看，各個(gè)手指的指尖均出現(xiàn)速度、加速度跳變的情形，為了使擬人手的指尖從起始端到末端運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，擬人機(jī)械手加減速的控制方法宜采用s型速度曲線控制算法，以有效解決機(jī)械手的速度、加速度跳變問題，優(yōu)化各手指的整體運(yùn)動(dòng)形態(tài)的連貫性以及平滑性。

1擬人機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)人手結(jié)構(gòu)人體工學(xué)的探索，合理簡(jiǎn)化了手部的自由度，人手是一個(gè)多肢節(jié)體系，大致包含手臂、手指、手掌和手腕4大部分。以人手結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合人手部的實(shí)際及理論尺寸，運(yùn)用Solid-Works構(gòu)建了繩索驅(qū)動(dòng)型擬人機(jī)械手的三維模型，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括前臂、手腕、手掌、手指部分（拇指、食指、中指、無(wú)名指、小指）。

2擬人機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)方程建立

2.1運(yùn)用D-H參數(shù)法建立坐標(biāo)系

本文選用了食指為例進(jìn)行分析，利用D-H描述法可得到其等價(jià)的D-H參數(shù)模型如圖2所示。

2.2建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程

食指指節(jié)之間的坐標(biāo)變化可以通過(guò)齊次坐標(biāo)變換求出，兩相鄰指節(jié)坐標(biāo)系間的齊次坐標(biāo)變換矩陣如下式所示：

將表1中的參數(shù)代人式（1）中，則可求出各個(gè)坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)變換矩陣，如式（2）～（5）所示。

3擬人機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)仿真

為了準(zhǔn)確掌握五根手指指尖相對(duì)于掌心的運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)加速度等變化規(guī)律，運(yùn)用AD-AMS軟件對(duì)擬人機(jī)械手進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真。

3.1運(yùn)動(dòng)軌跡

本文運(yùn)用ADAMS軟件在重力的作用下進(jìn)行仿真分析。首先運(yùn)用ADAMS插件Simulation仿真后獲得擬人機(jī)械手動(dòng)畫界面;其次在動(dòng)畫界面中添加各個(gè)手指的指尖運(yùn)動(dòng)軌跡的追蹤器;最后生成五根手指的指尖運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。

3.2運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)加速度

擬人機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)形態(tài)受多種因素影響，為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，現(xiàn)選取各手指的指尖運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)加速度進(jìn)行研究，分析其在沒有繩索牽引約束情況下的指尖運(yùn)動(dòng)特性，為優(yōu)化繩索驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手控制策略提供參考依據(jù)。

運(yùn)用ADAMS插件Simulation生成五根手指指尖相關(guān)參數(shù)的Plot圖解，根據(jù)Plot圖解進(jìn)行運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)加速度分析。可得出在一定時(shí)間內(nèi)，拇指、食指、中指、無(wú)名指、小指相對(duì)于掌心的速度曲線、加速度曲線分別如圖4～8所示。

由圖4中可以看出，在0～0.5 s時(shí)間內(nèi)，拇指指尖速度、加速度在0.05～0.1 s、0.2～0.3 s、0.3～0.4 s內(nèi)有較小幅度跳變，變化較為平滑。而在0.05 s和0.3s時(shí)刻均出現(xiàn)了跳變，速度和加速度雖然連續(xù)，但不平滑。

由圖5中可以看出，食指指尖在0.13s、0.27s、0.28s、0.3s、0.32s時(shí)刻出現(xiàn)速度和加速度的跳變。特別地，在0.27～0.28s短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)2次跳變。

由圖6中可以看出，中指指尖在0.07 s、0.12 s、0.13 s、0.24 s、0.28 s、0.32 s時(shí)刻出現(xiàn)速度和加速度的跳變，0.28 s、0.32 s時(shí)刻跳變程度遠(yuǎn)大于其他時(shí)刻。

由圖7中可以看出，無(wú)名指指尖在0.07 s、0.12s、0.13 s、0.24 s、0.28 s時(shí)刻出現(xiàn)速度和加速度的跳變，且0.07 s、0.12 s時(shí)刻跳變較其他時(shí)刻大。

從圖8中可以看出，小指指尖在0.09 s、0.14 s、0.22 s、0.25 s時(shí)刻出現(xiàn)速度和加速度的跳變，其中0.09 s、0.22 s、0.25 s跳變幅度較其他時(shí)刻大。

綜合分析圖4～8所示的速度、加速度曲線，可以看出，啟停時(shí)刻存在慣性力，勢(shì)必會(huì)對(duì)擬人手本體造成沖擊。此外，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，各手指的指尖均出現(xiàn)速度、加速度跳變的情形，這樣可能會(huì)導(dǎo)致手指的各個(gè)關(guān)節(jié)之間出現(xiàn)沖擊或不可預(yù)料的振動(dòng)，影響擬人手的工作質(zhì)量和工作壽命。基于此，為了使擬人手的指尖從起始端到末端運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，需要重點(diǎn)分析各手指指尖速度和加速度的跳變時(shí)間段和跳變程度，以對(duì)相應(yīng)的過(guò)程進(jìn)行加減速控制，從而達(dá)到各手指運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)的效果。

常用的加減速控制算法有梯形速度曲線控制算法、s型速度曲線控制算法、正弦加減速曲線控制算法。通過(guò)比較，s型速度曲線控制算法能夠在不同階段實(shí)現(xiàn)速度銜接平滑，能有效解決機(jī)械手的速度、加速度跳變問題，優(yōu)化了各手指整體運(yùn)動(dòng)形態(tài)的連貫性以及平滑性。

4結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用SolidWorks構(gòu)建了擬人機(jī)械手的三維模型，使用ADAMS構(gòu)建了虛擬樣機(jī)并生成各手指的速度曲線、加速度曲線圖。通過(guò)對(duì)各手指指尖相對(duì)于掌心的速度曲線、加速度曲線圖對(duì)比分析可以看出，啟停時(shí)刻存在慣性力，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，各個(gè)手指的指尖均出現(xiàn)速度、加速度跳變的情形，為了使擬人手的指尖從起始端到末端運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，擬人機(jī)械手加減速的控制方法宜采用s型速度曲線控制算法，以有效解決機(jī)械手的速度、加速度跳變問題，優(yōu)化各手指整體運(yùn)動(dòng)形態(tài)的連貫性以及平滑性。此研究不僅能縮短物理樣機(jī)的創(chuàng)建周期，還為優(yōu)化物理樣機(jī)設(shè)計(jì)和控制方案提供有價(jià)值的參考依據(jù)。