一種雙連桿混合傳動(dòng)的機(jī)器人手指設(shè)計(jì)

高瑞祺

(首都師范大學(xué)附屬育新學(xué)校，北京 100096)

人類的雙手從行走中解放后變得越來(lái)越靈巧，靈巧的雙手不僅讓人類能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的自然環(huán)境，更賦予了人類改造自然的能力。如同人類一樣，機(jī)械手在機(jī)器人操作中也起著重要作用，作為機(jī)器人重要的執(zhí)行部件，機(jī)器手執(zhí)行抓持指令已發(fā)展為機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，手指設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)械手抓取方式、靈活性、控制難度等都有極大影響。

目前許多科研機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)械手及其手指部件設(shè)計(jì)做了大量研究，并研制出一批具有代表意義的機(jī)械手，如NASA的Robonaut R2機(jī)械手、DLR的DLR HASy機(jī)械手、意大利的iCub機(jī)械手、英國(guó)的Shadow機(jī)械手以及SARAH機(jī)械手等。本文將借鑒現(xiàn)已有的機(jī)械手先進(jìn)設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)一種機(jī)器人手指，采用連桿傳動(dòng)，它對(duì)操作物體有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠?qū)Σ灰?guī)則物體進(jìn)行抓取。

1 機(jī)器人手指設(shè)計(jì)

機(jī)器人手指由指節(jié)和關(guān)節(jié)組成，關(guān)節(jié)通過(guò)指節(jié)進(jìn)行連接。根據(jù)關(guān)節(jié)上有無(wú)驅(qū)動(dòng)源，可將機(jī)器人手指分為直驅(qū)和欠驅(qū)動(dòng)兩種。手指直驅(qū)一般通過(guò)在手指關(guān)節(jié)上設(shè)計(jì)電機(jī)等驅(qū)動(dòng)源來(lái)實(shí)現(xiàn)，直驅(qū)手指具有操控靈活的特點(diǎn)，但其對(duì)控制水平要求較高，同時(shí)對(duì)抓取物體的外形適應(yīng)性較差，為了使各指節(jié)能夠完全與操作物體貼合，需要傳感器的輔助；手指關(guān)節(jié)采用欠驅(qū)動(dòng)時(shí)，在其關(guān)節(jié)上沒(méi)有驅(qū)動(dòng)源，關(guān)節(jié)只起到轉(zhuǎn)軸的作用，由于欠驅(qū)動(dòng)手指驅(qū)動(dòng)源數(shù)少于關(guān)節(jié)數(shù)，故其具有抓取目標(biāo)外形適應(yīng)能力強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也存在自由度較少、操控靈活性較差等問(wèn)題。

參照常見(jiàn)機(jī)器人的操作能力，確定手指設(shè)計(jì)指標(biāo)，如表1所示。

表1 機(jī)器人手指設(shè)計(jì)指標(biāo)

機(jī)械手抓取主要分為包絡(luò)抓取和精確捏取兩種，本文所設(shè)計(jì)手指既可實(shí)現(xiàn)包絡(luò)抓取功能，也可實(shí)現(xiàn)精確捏取功能。包絡(luò)抓取是指機(jī)器人手指各個(gè)關(guān)節(jié)依次與被抓物體接觸，最終所有關(guān)節(jié)均與物體接觸，從而達(dá)到限制物體運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)抓取操作的過(guò)程；精確捏取是在手指靠近物體的過(guò)程中，只有第三指節(jié)，即指尖與被抓物體接觸。

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，指尖力不小于30N，手指長(zhǎng)度依據(jù)人手尺寸確定為140mm，則手指根部關(guān)節(jié)最小輸出力矩為30×0.14=4.2N·m。綜合分析輸出力矩、關(guān)節(jié)角速度需求，同時(shí)考慮手指輕量化，手指驅(qū)動(dòng)源采用電機(jī)加減速器的方式實(shí)現(xiàn)，本文電機(jī)選擇大功率密度的Maxon直流無(wú)刷電機(jī)EC-i 40電機(jī)，電機(jī)后端配置有碼盤，其長(zhǎng)時(shí)間工作力矩為84N·m，減速器選擇Harmonic小體積諧波減速器，減速比為100?？紤]傳動(dòng)效率時(shí)，該傳動(dòng)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間輸出力矩為5.8N·m，滿足設(shè)計(jì)需求。

綜上所示，本文所設(shè)計(jì)手指為利用連桿進(jìn)行傳力的欠驅(qū)動(dòng)單自由度手指，該手指共有三個(gè)指節(jié)，三個(gè)轉(zhuǎn)軸，各指節(jié)之間通過(guò)轉(zhuǎn)軸相連，轉(zhuǎn)軸上設(shè)計(jì)扭簧，手指設(shè)計(jì)有兩套四連桿機(jī)構(gòu)，分別為驅(qū)動(dòng)四連桿和平行四連桿。手指設(shè)計(jì)圖如圖1所示，驅(qū)動(dòng)四連桿由電機(jī)通過(guò)錐齒輪驅(qū)動(dòng)手指運(yùn)動(dòng)，平行四連桿配合扭簧實(shí)現(xiàn)指尖姿態(tài)保持，保證手指精確捏取時(shí)指尖姿態(tài)不變。

圖1 機(jī)器人手指設(shè)計(jì)

手指包絡(luò)抓取過(guò)程如圖2所示，參與抓取的手指各關(guān)節(jié)均與被操作的物體相接觸。

精確捏取過(guò)程如圖3所示，精確捏取在扭簧、驅(qū)動(dòng)連桿以及平行四邊形連桿共同作用實(shí)現(xiàn)。具體步驟如下：首先第一、第二指節(jié)在機(jī)械限位和扭簧共同作用下，構(gòu)成指面共面，形成一個(gè)整體轉(zhuǎn)向物體；其次，第三關(guān)節(jié)指面在平行四邊形連桿和驅(qū)動(dòng)連桿作用下，平行移動(dòng)靠近物體；最后，在兩個(gè)手指相向運(yùn)動(dòng)下達(dá)到力平衡，實(shí)現(xiàn)精確捏取。

圖2 包絡(luò)抓取實(shí)現(xiàn)過(guò)程

圖3 精確捏取實(shí)現(xiàn)過(guò)程

2 手指參數(shù)分析

本文設(shè)計(jì)機(jī)器人手指參數(shù)核心是連桿參數(shù)，手指連桿參數(shù)直接影響手指抓取效果，手指連桿參數(shù)定義如圖4所示。

圖4 手指驅(qū)動(dòng)連桿簡(jiǎn)圖

分析不同桿件受力情況，為使機(jī)器人手指能對(duì)多種尺寸物體形成有效包絡(luò)抓取，需要滿足：b1+c1＞a1+d1、b2+c2＞a2+d2，依據(jù)手指長(zhǎng)度、抓取物體尺寸以及機(jī)械干涉約束，各參數(shù)取值情況如下a1=62mm、b1=30mm,c1=55mm,d1=13.6mm,a2=43mm,b2=22mm,c2=42mm,d2=11mm，手指總長(zhǎng)度為140mm，指尖長(zhǎng)度a3取36mm。

本設(shè)計(jì)機(jī)器人手指為欠驅(qū)動(dòng)手指，只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)源，各手指指節(jié)之間依靠轉(zhuǎn)軸上的扭簧傳遞動(dòng)力。建立圖4所示的慣性坐標(biāo)系，在該坐標(biāo)系內(nèi)，對(duì)手指指尖O3的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。

機(jī)器人手指進(jìn)行抓取操作時(shí)，當(dāng)a1與被抓物體接觸后，該指節(jié)將不再發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，剩余a2、a3指節(jié)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后當(dāng)a2與被抓物體接觸后，a2停止轉(zhuǎn)動(dòng)，a3繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到a3與被抓物體接觸。因此指尖O3的運(yùn)動(dòng)分為三段。

第一階段，a1、a2與被抓物體未接觸，a3與被抓物體接觸時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算方法如式（1）所示。

第二階段，a1與被抓物體接觸，但a2與被抓物體未接觸時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算方法如式（2）所示。

第三階段，a1、a2與被抓物體接觸，但a3與被抓物體未接觸時(shí)，運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算方法如式（3）所示。

3 手指抓握能力仿真分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)手指的抓握能力，在三維設(shè)計(jì)軟件中對(duì)手指的抓握能力進(jìn)行仿真分析。首先根據(jù)手指設(shè)計(jì)參數(shù)建立連桿機(jī)構(gòu)，各桿之間為鉸鏈連接，在基關(guān)節(jié)處安裝加驅(qū)動(dòng)源，在其余兩個(gè)轉(zhuǎn)軸上設(shè)置剛度不同的扭簧，然后使用該手指抓取直徑不同的四種圓柱形物體，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 手指對(duì)于不同直徑目標(biāo)物體的包絡(luò)圖

由仿真分析可知，連桿在驅(qū)動(dòng)源作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)根部指節(jié)與目標(biāo)發(fā)生接觸后，其余指節(jié)可繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到手指三個(gè)指節(jié)均與目標(biāo)接觸。由仿真分析可知該手指對(duì)直徑不同的物體均具有較好的抓取包絡(luò)能力，證明本文所設(shè)計(jì)手指具有合理性。

4 結(jié)論

本文采用雙連桿混合傳動(dòng)設(shè)計(jì)了一種機(jī)器人手指，其具有三個(gè)指節(jié)，各指節(jié)之間為鉸鏈連接，在鉸鏈上設(shè)計(jì)有剛度不同的彈簧，以實(shí)現(xiàn)手指的欠驅(qū)動(dòng)。該手指采用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)源實(shí)現(xiàn)抓握操作，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制靈活及抓握能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)仿真分析，該手指可實(shí)現(xiàn)對(duì)直徑不同物體的有效包絡(luò)，可廣泛應(yīng)用于操作機(jī)器人抓取操作中。