基于繩索牽引的混聯(lián)機(jī)構(gòu)仿人機(jī)械手抓握裝置的設(shè)計(jì)與研究*

侯津博，劉靜娜，葉龍飛，胡凱恒，管邦龍，梁 洺，李卓欣

（1.天津理工大學(xué)天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.機(jī)電工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（天津理工大學(xué)），天津 300384；3.天津理工大學(xué)集成電路科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300384）

機(jī)械手[1]是一種模仿人手的某些動(dòng)作功能，按照固定的程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可以代替人手從事繁重危險(xiǎn)的作業(yè)，例如在石油勘探、高空架設(shè)以及裝備制造等諸多領(lǐng)域充當(dāng)重要角色，但其在功能性、靈巧性、精密性和適應(yīng)性上通常難以兼顧。因此，研制一種可以完成高難度、高靈敏度和高精密度作業(yè)的仿人機(jī)械手已經(jīng)成為當(dāng)前研究領(lǐng)域的重點(diǎn)課題。

20世紀(jì)80年代起，許多研究者開(kāi)始了對(duì)繩索驅(qū)動(dòng)型機(jī)構(gòu)的研究，其中對(duì)繩牽引并聯(lián)機(jī)器人的研究最為顯著[2]。這種以輕質(zhì)繩索傳遞動(dòng)力的方式賦予機(jī)構(gòu)一定的被動(dòng)順應(yīng)性，使得設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有質(zhì)量負(fù)載比大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、工作空間跨度大等特點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于航空航天、大型輪船艦艇制造、機(jī)械加工等領(lǐng)域[3]。基于此，國(guó)內(nèi)外一些機(jī)器人研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始了靈巧機(jī)械手的研究[4]。在國(guó)內(nèi)，2009年，清華大學(xué)基于欠驅(qū)動(dòng)原理開(kāi)發(fā)了欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手GCUA Hand[5]，該手共有5根手指，每根手指3個(gè)自由度，由彈簧、繩索和電機(jī)聯(lián)合控制手指屈伸。在抓握物體時(shí)，末端指節(jié)會(huì)逐漸向目標(biāo)物體運(yùn)動(dòng)，且手指的中關(guān)節(jié)可以主動(dòng)彎曲。因此，抓取、握手、彈鋼琴等是GCUA Hand的典型應(yīng)用[6]。在國(guó)外，東京大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種雙指雙關(guān)節(jié)的抓握裝置，指尖位置通過(guò)高速、高精度近似控制實(shí)現(xiàn)精確控制，在物體表面變形之前通過(guò)基于近距離的接觸檢測(cè)來(lái)停止運(yùn)動(dòng)，可以自動(dòng)適應(yīng)目標(biāo)對(duì)象的外形，準(zhǔn)確地抓住各種柔軟的物體。此外，目前開(kāi)發(fā)的機(jī)械手已實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)[7]、采摘[8]、醫(yī)療[9]、演奏樂(lè)器[10]等復(fù)雜動(dòng)作。

本文針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)型機(jī)械手[11]進(jìn)行改進(jìn)，采用串聯(lián)和并聯(lián)[12-13]結(jié)合的形式，在手指外部采用套管固定繩索路徑，實(shí)現(xiàn)外置式驅(qū)動(dòng)，可不受電機(jī)尺寸的限制，并克服了電機(jī)自重對(duì)手指運(yùn)動(dòng)靈活性所造成的影響，減少了非必要的力矩輸出。因此，此類(lèi)機(jī)械手相比于傳統(tǒng)機(jī)械手在操作上更加靈活。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的抓取任務(wù)，設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)沒(méi)有采用十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。參照人手的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了由手指、手掌和手臂三部分組成的機(jī)械手，見(jiàn)第103頁(yè)圖1。以大拇指、食指、無(wú)名指為主要抓取手指，中指和小拇指為輔助手指，從而降低抓握動(dòng)作控制的復(fù)雜性。以舵機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，繩索作為牽引方式，將繩索一端固定在指節(jié)，另一端固定在舵機(jī)的輸出軸上，并將繩索牽引路徑通過(guò)套管固定，每根手指通過(guò)6根繩索實(shí)現(xiàn)彎曲和伸直動(dòng)作。

圖1 機(jī)械手三維模型圖

1.2 手指與手掌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手指部分包括5根手指，其三維模型圖見(jiàn)第103頁(yè)圖2。每根手指有3個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)以單自由度轉(zhuǎn)動(dòng)連接兩段指節(jié)，且轉(zhuǎn)動(dòng)軸線均平行。大拇指由兩段指節(jié)和一個(gè)指跟關(guān)節(jié)構(gòu)成，指跟關(guān)節(jié)與另外兩個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線相互垂直，以單自由度轉(zhuǎn)動(dòng)副連接于手掌。這種設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)大拇指兩個(gè)方向的彎曲和伸直，使機(jī)械手更加靈活，便于抓握物體。手掌部分用于對(duì)5根手指進(jìn)行合理布局，手臂部分用于放置舵機(jī)。

圖2 手指三維模型圖

整只機(jī)械手中，每個(gè)手指的關(guān)節(jié)為順聯(lián)方式分布，而每個(gè)指節(jié)由兩根繩索的組合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)其彎曲和伸直，見(jiàn)圖3，因此該機(jī)械手裝置為混聯(lián)結(jié)構(gòu)。

圖3 手指繩索牽引原理圖

為保證指節(jié)運(yùn)動(dòng)精度，在手指和手掌內(nèi)部固定有可供繩索伸縮的路徑。另外，為保證手指的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性，當(dāng)一根手指上某個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，牽引其他關(guān)節(jié)的繩索也需要進(jìn)行放線或收線，具體運(yùn)動(dòng)參數(shù)由SolidWorks軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真后得到。

2 控制程序及電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)的選擇與程序設(shè)計(jì)

選擇Arduino開(kāi)發(fā)板[14]作為舵機(jī)控制器，該控制器具有多個(gè)I/O接口，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的抓握力與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角之間的反饋控制。舵機(jī)與其所控制的指節(jié)對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。整體電路接線圖見(jiàn)圖4。

表1 舵機(jī)與指節(jié)對(duì)應(yīng)關(guān)系表

圖4 電路接線圖

利用Arduino自帶的Servo函數(shù)對(duì)舵機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比和進(jìn)行延時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)在指定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)指定角度，進(jìn)一步使用判斷語(yǔ)句后可實(shí)現(xiàn)多個(gè)舵機(jī)內(nèi)的伺服電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)齒輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)舵盤(pán)牽引繩索。

2.2 壓力傳感器反饋控制

在機(jī)械手食指和大拇指每個(gè)指節(jié)抓握側(cè)表面安裝FSR402薄膜壓力傳感器，其反饋信號(hào)可用于判斷抓握力是否滿足抓握需求[15]。為進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，壓力傳感器兩端并聯(lián)了一個(gè)6.8 kΩ的電阻，能夠壓縮壓力傳感器量程，避免系統(tǒng)輸出的運(yùn)動(dòng)參數(shù)出現(xiàn)大幅振蕩。仿人機(jī)械手抓握裝置的閉環(huán)控制流程見(jiàn)圖5。

圖5 壓力傳感器反饋控制流程圖

3 實(shí)物搭建與實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)

1）運(yùn)用SolidWorks軟件進(jìn)行三維建模，然后通過(guò)該軟件的Motion運(yùn)動(dòng)仿真模塊在手指的每個(gè)關(guān)節(jié)處設(shè)置驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，控制每節(jié)手指的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，從而模擬機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)情況以及各個(gè)部分在每一時(shí)刻的空間位置以及狀態(tài)。通過(guò)測(cè)量工具得到手指末端位置的位移、速度、加速度，以此來(lái)驗(yàn)證方案的可行性。仿人機(jī)械手的模擬抓握見(jiàn)圖6。

圖6 機(jī)械手模擬抓握

2）抓握不同圓柱體各指節(jié)轉(zhuǎn)過(guò)角度的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2，此結(jié)果對(duì)于實(shí)物的搭建以及驗(yàn)證機(jī)械手的可行性起到重要作用。

表2 抓握不同圓柱體各指節(jié)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度

3）經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得出了仿真結(jié)果，進(jìn)行握拳動(dòng)作的食指近端指節(jié)角位移、角速度、角加速度曲線見(jiàn)圖7。其中，運(yùn)動(dòng)頻率為0.3 Hz，角位移運(yùn)動(dòng)范圍為-180°～-90°。

圖7 食指近端指節(jié)仿真曲線

設(shè)指節(jié)長(zhǎng)度為l，指節(jié)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為α。由動(dòng)能定理進(jìn)行推導(dǎo)，公式為

得到線速度v的表達(dá)式為

進(jìn)而根據(jù)式（2）求得角速度ω的表達(dá)式為

因此角加速度和角速度成反比，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)方案合理。另外，在角位移曲線單增時(shí)控制手指彎曲的舵機(jī)進(jìn)行收線，單減時(shí)進(jìn)行放線，控制手指伸直的舵機(jī)則反之，從而實(shí)現(xiàn)抓握。

綜上所述，該機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)抓握動(dòng)作，且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)無(wú)干涉，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 實(shí)物搭建

根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)了一種長(zhǎng)265 mm、寬111 mm、厚30 mm的機(jī)械手，其手指設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與人手指基本一致，單根手指總長(zhǎng)137 mm，具體尺寸見(jiàn)表3。

表3 機(jī)械手手指尺寸 （mm）

機(jī)械手的材料主要為亞克力板、繩索、套管等，實(shí)物見(jiàn)圖8。

圖8 機(jī)械手實(shí)物模型圖

3.3 實(shí)物實(shí)驗(yàn)

1）根據(jù)仿真條件確定所需圓柱體參數(shù)，見(jiàn)表4。

表4 圓柱體參數(shù)

2）對(duì)3種圓柱體進(jìn)行抓握實(shí)驗(yàn)，均能夠成功抓握，見(jiàn)圖9。取直徑為100 mm圓柱體增加其重量，測(cè)得該機(jī)械手的極限抓握重量為2.25 kg。

圖9 抓握實(shí)驗(yàn)圖

3）對(duì)無(wú)名指的遠(yuǎn)端指節(jié)進(jìn)行壓力傳感檢測(cè)，設(shè)定抓取直徑為80 mm的圓柱體，初始返回信號(hào)值為0，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度為20（°）/s，過(guò)程參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 壓力傳感器檢測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在機(jī)械手抓握過(guò)程中，當(dāng)壓力傳感器未檢測(cè)到壓力時(shí)，返回信號(hào)為0，且舵機(jī)持續(xù)輸出；當(dāng)檢測(cè)到壓力時(shí)，返回信號(hào)出現(xiàn)一個(gè)階躍，若此值達(dá)到設(shè)定值，則保持該值，同時(shí)舵機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)并保持穩(wěn)定，否則機(jī)械手將繼續(xù)執(zhí)行抓握動(dòng)作。

綜上所述，該機(jī)械手動(dòng)作協(xié)調(diào)，靈敏度較高，且抓握功能可靠，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

該仿人機(jī)械手為繩索牽引混聯(lián)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且可以在不影響其他關(guān)節(jié)的情況下控制單個(gè)指節(jié)的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)閉環(huán)控制系統(tǒng)采集壓力信號(hào)對(duì)抓握裝置的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行反饋控制，大大提高了手指的靈活性和功能性。但該設(shè)計(jì)并不涉及控制算法，仿真中只進(jìn)行了簡(jiǎn)單的力位控制用于觀察其自適應(yīng)能力，未來(lái)進(jìn)行控制研發(fā)時(shí)可更進(jìn)一步發(fā)掘其自適應(yīng)抓取能力，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)械智能。

近年來(lái)，越來(lái)越多的仿人機(jī)械手被投入人們的日常生活與工作中。仿人機(jī)械手作為靈巧的工具，既可以像人手一樣對(duì)不規(guī)則的物體進(jìn)行抓握，又可以在生產(chǎn)線上進(jìn)行單一的流水線生產(chǎn)，還可以作為人身體的一部分為人類(lèi)提供幫助。相信有朝一日機(jī)械手會(huì)為人類(lèi)的發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)。