欠驅(qū)動靈巧手機(jī)構(gòu)設(shè)計

唐新星，張楠，張習(xí)燁，2，周鵬飛

(1.長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長春 130012; 2.長城汽車股份有限公司技術(shù)研究院，河北保定 071000)

欠驅(qū)動靈巧手機(jī)構(gòu)設(shè)計

唐新星1，張楠1，張習(xí)燁1，2，周鵬飛1

(1.長春工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林長春 130012; 2.長城汽車股份有限公司技術(shù)研究院，河北保定 071000)

設(shè)計了欠驅(qū)動靈巧手的機(jī)械結(jié)構(gòu)。在分析人手的特點以及現(xiàn)有欠驅(qū)動靈巧手機(jī)構(gòu)設(shè)計上存在的缺點，設(shè)計了靈巧手機(jī)構(gòu)原理模型，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了3關(guān)節(jié)、4自由度的欠驅(qū)動機(jī)械手結(jié)構(gòu)，包含手指基座傳動機(jī)構(gòu)、掌骨關(guān)節(jié)指段、近掌骨關(guān)節(jié)指段、遠(yuǎn)掌骨關(guān)節(jié)指段，在3個電機(jī)驅(qū)動下，各關(guān)節(jié)指段通過腱繩實現(xiàn)運(yùn)動與力的傳遞;對機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)進(jìn)行了分析，并繪出了指間的運(yùn)動空間;利用ADAMS對動力傳動機(jī)構(gòu)、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，手指基座的傳動精度較高，且關(guān)節(jié)在運(yùn)動過程中力矩變化不大。

欠驅(qū)動靈巧手;機(jī)構(gòu)設(shè)計;運(yùn)動學(xué)方程;動力學(xué)仿真

0 前言

機(jī)器人主要應(yīng)用于對人來說比較危險甚至無法到達(dá)的場合，作為人類活動的延續(xù)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、太空探索、海洋開發(fā)、核工業(yè)生產(chǎn)以及國防建設(shè)等領(lǐng)域，得到了廣泛的應(yīng)用。欠驅(qū)動靈巧手與常見的機(jī)器人手相比，擁有驅(qū)動少、質(zhì)量輕、能耗低等優(yōu)點，在節(jié)約能量、降低造價、減輕重量、增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性等方面都較完全驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)越［1］。目前，國內(nèi)外也出現(xiàn)了一些具有代表性的欠驅(qū)動機(jī)械手，例如，巴瑞特手爪BH8-601，不但能夠完成一般的外部包絡(luò)抓取，其手指還可以伸入物體內(nèi)部并向外張開，從而實現(xiàn)內(nèi)部抓取［2］。Southampton機(jī)械手，可幫操控者拿起更脆弱的物品而不必?fù)?dān)心會將物品弄碎或滑落［3］。清華大學(xué)設(shè)計的欠驅(qū)動擬人機(jī)器人手TH-1，電機(jī)、驅(qū)動與控制系統(tǒng)等完全嵌入手掌，在外觀與尺寸上均與人手相似，可完成常見的伸展、握拳和以適當(dāng)?shù)牧Ψ€(wěn)定地抓取不同尺寸物體等擬人動作［4］。但欠驅(qū)動手指通過彈簧和限位元件實現(xiàn)手指的自適應(yīng)抓握，同時也受彈性元件和限位元件的影響，導(dǎo)致機(jī)器人手指的精確控制、軌跡跟蹤有一定難度。因此，本文根據(jù)人手的生理特點，在總結(jié)前人研究工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于腱繩傳動的欠驅(qū)動靈巧手，通過利用欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)和腱繩傳動方案，實現(xiàn)對抓取物的自適應(yīng)性，使欠驅(qū)動五指靈巧手在工作時更像人手，其研究與開發(fā)具有十分重要的理論意義和實用價值。

1 欠驅(qū)動靈巧手機(jī)構(gòu)設(shè)計

1.1 欠驅(qū)動靈巧手機(jī)構(gòu)原理

人手是由骨骼、細(xì)胞組織、神經(jīng)等構(gòu)成，可以認(rèn)為骨骼是剛體，并通過關(guān)節(jié)相連。當(dāng)外物或外力施加在人手上時，肌肉發(fā)生變形，通過肌腱控制將力與力矩傳遞或轉(zhuǎn)變成關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動各段指骨運(yùn)動或者保持某種姿態(tài)。從運(yùn)動方式上來看，人的手指屈曲/前伸和內(nèi)聚/外展兩種動作。遠(yuǎn)掌骨指關(guān)節(jié)和近掌骨指關(guān)節(jié)只能進(jìn)行屈曲或者前伸，機(jī)構(gòu)上屬轉(zhuǎn)動副，只有平面上的轉(zhuǎn)動自由度。掌骨指關(guān)節(jié)不僅可以做屈曲/前伸運(yùn)動，還能做內(nèi)聚/外展運(yùn)動，機(jī)構(gòu)上屬球銷副，在空間中擁有兩個自由度。因此，人的每根手指在立體坐標(biāo)系中包含了3個屈曲/前伸的自由度和1個內(nèi)聚/外展自由度。根據(jù)對人手的運(yùn)動學(xué)分析與運(yùn)動特點研究，靈巧手機(jī)構(gòu)原理模型如圖1所示。根據(jù)原理模型，每根手指均可看作是由兩個轉(zhuǎn)動副連接的三根連桿和一個球銷副組成的連桿機(jī)構(gòu)，每個平面連桿機(jī)構(gòu)球銷副中的兩個轉(zhuǎn)動的軸線相互垂直。

圖1 靈巧手機(jī)構(gòu)原理模型Fig.1Underactuated dexterous hand structure model

1.2 欠驅(qū)動靈巧手機(jī)構(gòu)設(shè)計

在設(shè)計手指時，每根手指采用3個電機(jī)驅(qū)動，以獲取手指4個自由度，單指裝配示意圖如圖2所示。其中，1號電機(jī)驅(qū)動手指掌骨關(guān)節(jié)進(jìn)行屈曲/前伸動作;2號電機(jī)驅(qū)動手指近掌骨關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)掌骨關(guān)節(jié)進(jìn)行屈曲/前伸動作;3號電機(jī)驅(qū)動手指進(jìn)行內(nèi)聚/外伸動作。關(guān)節(jié)的運(yùn)動和力，通過定位銷上纏繞的腱繩傳遞。具體驅(qū)動過程是1號電機(jī)與2號電機(jī)的輸出軸上安裝有直齒圓柱小齒輪Z1，通過與大齒輪Z2的嚙合傳動，將力傳遞給蝸桿Z3，而蝸桿又將動力傳遞給了蝸輪Z4。在蝸輪軸上纏繞有傳遞運(yùn)動的腱繩，而腱繩按照一定的次序纏繞在手指各個指節(jié)的關(guān)節(jié)處，最終將腱繩的運(yùn)動傳遞給了指段上的三個關(guān)節(jié);同時當(dāng)關(guān)節(jié)停止運(yùn)動或電機(jī)關(guān)機(jī)時，由于在機(jī)械結(jié)構(gòu)上采用了蝸輪蝸桿，而蝸輪蝸桿在運(yùn)動上不可逆，使得關(guān)節(jié)停止運(yùn)動或電機(jī)關(guān)機(jī)時，手指關(guān)節(jié)屈曲/前伸的過程中具有自鎖性。而3號電機(jī)的輸出軸端安裝了一根螺桿，傳動螺母與螺桿相配合，在傳動螺母上下兩個端面分別安裝著控制手指側(cè)擺的兩根腱繩。由于螺紋傳動也具有運(yùn)動的不可逆性，使得手指在側(cè)擺時，也擁有了自鎖性。

圖2 單指裝配示意圖Fig.2Assembly schematic diagram of single finger

采用腱繩驅(qū)動手指關(guān)節(jié)，具有較大的靈活性，但研究發(fā)現(xiàn)，不同的腱繩布置能達(dá)到不同的驅(qū)動效果。文獻(xiàn)［5-6］提及了關(guān)節(jié)全驅(qū)動與關(guān)節(jié)順序驅(qū)動兩種腱繩布置方案。其中，前者不能準(zhǔn)確得知各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動量，且不適于控制系統(tǒng)進(jìn)行量化的控制，同時這種方法縮小了手指的運(yùn)動空間，而后者通過在手指關(guān)節(jié)處增加了限位銷，因此手指關(guān)節(jié)按先后順序動作，但與人手的真實動作還有差距。實際中，人手近端關(guān)節(jié)與遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)運(yùn)動時的函數(shù)關(guān)系可近似為1∶1，因此，腱繩布置方法如圖3所示。

圖3 單指腱繩布置方法Fig.3Layout method of single finger rope

圖3a、圖3b中的兩根腱繩由1號電機(jī)驅(qū)動，同時控制遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)與近端關(guān)節(jié)，并且在手指近端指節(jié)內(nèi)部，加入了張緊裝置，因此，可方便地調(diào)節(jié)傳動系統(tǒng)腱繩的張緊力;圖3c中的兩根腱繩由2號電機(jī)驅(qū)動，用來控制掌骨關(guān)節(jié)，除了在掌骨關(guān)節(jié)進(jìn)行纏繞外，同時又在掌骨關(guān)節(jié)上方的張緊裝置上進(jìn)行纏繞，便于隨時調(diào)整腱繩的張緊力;圖3d中的兩根腱繩由3號電機(jī)驅(qū)動，用來控制手指的內(nèi)聚/外展。

腱繩配合定位銷的傳動方式中，不能忽略腱繩在系統(tǒng)中的伸長變化量，會因傳動滯后而增大系統(tǒng)控制誤差。為此，使用張緊螺栓與兩個定位銷配合，組成三角形張緊機(jī)構(gòu)，如4所示。當(dāng)傳動系統(tǒng)需要張緊時，只要擰動張緊螺母，使張緊螺栓在軸向上產(chǎn)生位移，與定位銷產(chǎn)生徑向錯動，形成三角偏心，為腱繩傳動系統(tǒng)施加一個張緊力。

圖4 張緊螺栓裝配示意圖Fig.4Assembly schematic diagram of tense bolt

2 欠驅(qū)動機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)分析

2.1 欠驅(qū)動機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)分析

采用D-H方法建立靈巧手的坐標(biāo)系，其基本原則是為每一個關(guān)節(jié)指定一個參考坐標(biāo)系，z軸為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸線，x軸方向指向zn-1與zn之間的公垂線，對于與z軸相交的相鄰兩關(guān)節(jié)，x軸定義為兩條軸線構(gòu)成的平面的垂線［7］。據(jù)此建立如圖5所示的仿人靈巧手坐標(biāo)系。

圖5 單指坐標(biāo)系Fig.5A single finger coordinate

每個關(guān)節(jié)的變換矩陣Ai定義為(其中下標(biāo)i代表關(guān)節(jié)數(shù)，i=1，2，3，4，cθi代表cosθi，sθi代表sinθi)。

單指的正運(yùn)動學(xué)正解是相鄰關(guān)節(jié)之間的4個變化矩陣的乘積。根據(jù)運(yùn)動學(xué)正解方程，通過MatLab Robotics Toolbox工具箱創(chuàng)建機(jī)器人模型，并繪制出的單指模型，如圖6所示。

圖6 單指關(guān)節(jié)運(yùn)動空間示意圖Fig.6Working space schematic diagrum for singler joints

2.2 欠驅(qū)動機(jī)械手傳動機(jī)構(gòu)的動力學(xué)分析

電機(jī)輸出的扭矩，經(jīng)一組齒輪副和一組蝸輪副的傳遞后，已經(jīng)發(fā)生很大的變化。由圖1可知，傳動系統(tǒng)的傳動比為

傳動比可以根據(jù)公式(2)可以計算出來:

經(jīng)計算，蝸輪軸可提供的扭矩T4=8.82 N ·m。

傳動系統(tǒng)用ADAMS對進(jìn)行仿真驗證，使用ADAMS對傳動系統(tǒng)進(jìn)行建模，如圖7所示。電機(jī)放置在圖7中小齒輪Z1處，設(shè)置仿真時間長度為5 s。

圖7 傳動系統(tǒng)建模Fig.7Transmission system model

通過設(shè)置角度傳感器，仿真后可以測量出Z1與Z4的旋轉(zhuǎn)角度，測量結(jié)果如圖8所示。

由圖8可知，小齒輪在5 s時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)了150°，而蝸輪則旋轉(zhuǎn)了2.506°。根據(jù)獲得的仿真結(jié)果可以計算出，i14=v1/v4=59.85，與之前計算的傳動比基本相同。

圖8 小齒輪與蝸輪5 s內(nèi)旋轉(zhuǎn)角度Fig.8Rotation angle of gear and turbine within 5s

對手指模型在ADAMS環(huán)境下進(jìn)行仿真，并通過在手指關(guān)節(jié)處設(shè)置扭矩傳感器，測量關(guān)節(jié)處隨著角度變化所承受的扭矩，僅以掌骨關(guān)節(jié)為例，結(jié)果如圖9所示，可明顯看出在手指關(guān)節(jié)角度從初始狀態(tài)0°開始變化時，手指關(guān)節(jié)承受力矩在x軸與y軸方向上有突變，z軸方向上變化不大。

圖9 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動扭矩仿真結(jié)果Fig.9Simulation result of joint rotary torque

3 結(jié)束語

本文對欠驅(qū)動機(jī)械手進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，構(gòu)思設(shè)計了一種多自由度欠驅(qū)動手指機(jī)械系統(tǒng)，對其進(jìn)行理論分析。首先，根據(jù)人手遠(yuǎn)掌骨關(guān)節(jié)和近掌骨關(guān)節(jié)在運(yùn)動時的特點，建立了人手運(yùn)動模型簡圖;其次，設(shè)計出欠驅(qū)動五指靈巧手的機(jī)械結(jié)構(gòu)，給出了腱繩纏繞及腱繩張緊的方法;最后，并對機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)建模過程進(jìn)行了推導(dǎo)，使用ADAMS對手指基座的傳動精度設(shè)計、關(guān)節(jié)的動力學(xué)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，在關(guān)節(jié)初始運(yùn)動時承受較大的力矩，但在整個運(yùn)動過程中力矩變化不大。

［1］M.T.Mason J.K.Salisbury.Robot Hands and the Mechanics of Manipulation［M］.Cambridge.USA:MIT Press，1985.

［2］http://www.barrett.com/robot/whatsnew/barr/barrfram.htm.

［3］Kyberd PJ，Chappell PH.The Southampton Hand:an intelligent myoelectric prosthesis［J］.Journal of Rehabilitation Research and Development，1994，31(4): 326-334.

［4］張文增，陳強(qiáng)，孫振國，等.變抓取力的欠驅(qū)動擬人機(jī)器人手［J］.清華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2003，43(8):1143-1147.

［5］張習(xí)燁.欠驅(qū)動五指靈巧手機(jī)構(gòu)設(shè)計及控制系統(tǒng)研究［D］.長春:長春工業(yè)大學(xué)，2014.

［6］唐新星，張習(xí)燁，白冰，等.欠驅(qū)動五指機(jī)械手［P］.中國專利:201320105153.3，2013，6.

［7］李澤相.機(jī)器人操作的數(shù)學(xué)導(dǎo)論［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

Mechanism design of underactuated dexterous hand

TANG Xin-xing1，ZHANG Nan1，ZHANG Xi-ye1，2，ZHOU Peng-fei1
(1.School of Mechatronic Engineering，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China; 2.Technology Institute of Great Wall Motor Company，Baoding 071000，China)

In this paper，mechanism of underactuated dexterous hand is designed.Based on analyzing the characteristics of the hand and shortcomings of existing underactuated dexterous hand，model of underactuated dexterous hand structure is established，the mechanism，with three joints and four degrees of freedom，which includes transmission mechanism of finger pedestal，digital segments of metacarpal joint，digital segments of proximal metacarpal joint，digital segments of distal metacarpal joint，is designed.Driven by three motors，every digital segments of metacarpal joint implement transmission of motion and force by its ropes.The motion space of fingers is drawn according to kinematics analysis，the transmission mechanism and the joint torque are simulated by using ADAMS，the simulation results shows that the mechanism has higher transmission precision and the joint torque hardly changes in the process of movement.

underactuated dexterous hand;mechanism design;kinematics equation;dynamics simulation

TP24

A

1001-196X(2014)06-0009-05

2014-08-01;

2014-08-26

教育部博士點基金資助項目(20110061120033);

吉林省自然科學(xué)基金資助項目(201115153);

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201210190001)

唐新星(1975-)，男，長春工業(yè)大學(xué)講師，博士，主要從事工程機(jī)器人、圖像處理、視覺仿生研究。

實驗研究