仿人機(jī)械手設(shè)計(jì)與硬度感知研究

張 穎， 趙長(zhǎng)盛， 苑文博， 郝麗娜

(東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110819)

為提高機(jī)器人的擬人化程度，更好地幫助人類完成工作，開發(fā)具有適應(yīng)性、實(shí)用性和智能性的仿人機(jī)械手系統(tǒng)已經(jīng)成為目前仿人機(jī)器人領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一.

近年來(lái)，多種不同驅(qū)動(dòng)方式的機(jī)械手不斷涌現(xiàn)，可以分為驅(qū)動(dòng)外置式和驅(qū)動(dòng)內(nèi)置式兩類.驅(qū)動(dòng)內(nèi)置式機(jī)械手將驅(qū)動(dòng)器、控制器和傳感器系統(tǒng)置于靈巧手內(nèi)部.1998年，第一個(gè)完全內(nèi)置式多指靈巧手DLR-I[1]采用腱驅(qū)動(dòng)形式，共有4個(gè)手指，12個(gè)自由度.該機(jī)械手獨(dú)立于機(jī)械臂系統(tǒng)，屬于局部自主系統(tǒng).但內(nèi)置式機(jī)械手整體尺寸較大，靈活性較低，維護(hù)難度大.驅(qū)動(dòng)外置式機(jī)械手多將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)置于機(jī)器人前臂，通過(guò)繩索或形狀記憶合金等傳遞驅(qū)動(dòng)力/力矩，驅(qū)動(dòng)各手指完成抓取任務(wù).如著名的Bridgwater等[2]和Kochan等[3]，將驅(qū)動(dòng)器及控制器集成于機(jī)器人的前臂中，實(shí)現(xiàn)手指關(guān)節(jié)的單獨(dú)控制，完成抓取操作.驅(qū)動(dòng)外置式機(jī)械手可以極大減小本體尺寸，靈活性較高.

在實(shí)際應(yīng)用中，研究者更多地關(guān)注機(jī)械手穩(wěn)定自適應(yīng)抓取能力.人手可以通過(guò)復(fù)雜的觸覺感知系統(tǒng)識(shí)別物體硬度，進(jìn)而采取合適的抓取力[4-6].然而，大多數(shù)機(jī)械手只具備基本的壓力傳感.例如日本Gifu大學(xué)研發(fā)的Gifu hand III[7]指尖位置集成了800多個(gè)傳感陣列點(diǎn)，可以很好地模擬人手觸覺，完成對(duì)物體的接觸識(shí)別；德國(guó)航天航空中心在DLR hand[8]指端集成了6維力傳感器，從而完成接觸力反饋.然而，它們結(jié)構(gòu)復(fù)雜，集成困難，且難以區(qū)分物體軟硬程度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)不同硬度物體的自適應(yīng)抓取.

驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部集成的電流采樣模塊可以獲得機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的電流信息，通過(guò)對(duì)電流波動(dòng)情況的分析，能夠一定程度上解析機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況，是實(shí)現(xiàn)無(wú)外部傳感器檢測(cè)的有效途徑，降低了裝配難度和加工成本.電流反饋已被應(yīng)用于機(jī)器人的碰撞檢測(cè)和拖動(dòng)示教等方面.上海交通大學(xué)的王寧研究團(tuán)隊(duì)基于關(guān)節(jié)電流變化實(shí)現(xiàn)了輕型機(jī)械臂無(wú)外置傳感器的碰撞檢測(cè)功能[9].Indri 等提出一種基于電機(jī)電流的機(jī)器人故障檢測(cè)與安全保護(hù)方法.該方法將機(jī)器人各關(guān)節(jié)電流轉(zhuǎn)化為力矩值，通過(guò)比較該值與機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型所計(jì)算的力矩值，進(jìn)行碰撞檢測(cè)[10].Capurso等提出了一種基于電流反饋的冗余機(jī)器人動(dòng)覺示教方法，無(wú)需昂貴的力/扭矩傳感器[11].此外，Kim等通過(guò)電流傳感器感知路況，同時(shí)結(jié)合模糊PID控制算法，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的滑脫現(xiàn)象進(jìn)行估計(jì)與補(bǔ)償控制[12].

綜合上述機(jī)械手研究現(xiàn)狀的分析，為滿足仿人機(jī)械手向著簡(jiǎn)潔化、平民化、輕量化和自適應(yīng)方向發(fā)展的需求，本文設(shè)計(jì)了一款基于欠驅(qū)動(dòng)原理的多自由度仿人機(jī)械手.該機(jī)械手手指和手掌采用基于3D打印技術(shù)的模塊化設(shè)計(jì)，控制單元模塊集成在機(jī)械手外的控制箱內(nèi).針對(duì)現(xiàn)有仿人機(jī)械手難以識(shí)別物體硬度的問題，本文提出采用電機(jī)電流反饋方式識(shí)別被抓物體硬度，實(shí)現(xiàn)了仿人機(jī)械手對(duì)軟硬不同物體的智能分揀操作.該機(jī)械手具有自由度多、集成度高、運(yùn)動(dòng)靈活、智能識(shí)別等優(yōu)點(diǎn).

1 仿人機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的仿人機(jī)械手采用模塊化設(shè)計(jì)，其中食指、中指、無(wú)名指和小指設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相同，每根手指具有3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，分別為近指節(jié)、中指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié).拇指具有2個(gè)彎曲自由度和1個(gè)側(cè)擺自由度，由2個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)，更接近人手的功能.鋼絲繩一端固定在指尖，另一端繞過(guò)指節(jié)內(nèi)部的導(dǎo)向輪與微型絲杠電機(jī)上的滑塊相連，實(shí)現(xiàn)手指關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng).本文采用微型絲杠電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，取代電機(jī)配合減速器的驅(qū)動(dòng)方式，在減少結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和裝配難度的同時(shí)降低了手的質(zhì)量.仿人機(jī)械手結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 仿人機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

仿人機(jī)械手通過(guò)3D打印技術(shù)加工完成[13-14]，整體結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕.手指各關(guān)節(jié)尺寸參照國(guó)標(biāo)GB 10000—88中關(guān)于成年男子手相關(guān)尺寸的規(guī)定，具體尺寸和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角范圍如表1所示.

表1 仿人機(jī)械手手指尺寸及彎曲角度

本文所設(shè)計(jì)的欠驅(qū)動(dòng)仿人機(jī)械手具有斷電自鎖的位姿保持能力，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物體的穩(wěn)定抓取和提拉操作，主要操作性能參數(shù)如表2所示.表2對(duì)比分析了與本文機(jī)械手結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式最為近似的DLR/HIT II靈巧手[15]性能參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)，本文所設(shè)計(jì)的仿人機(jī)械手質(zhì)量更輕，指尖輸出力更大.

表2 仿人機(jī)械手性能參數(shù)

2 仿人機(jī)械手運(yùn)動(dòng)空間分析

通過(guò)對(duì)手指進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，計(jì)算仿人機(jī)械手運(yùn)動(dòng)空間.

2.1 手指正運(yùn)動(dòng)學(xué)

單根手指的運(yùn)動(dòng)可以看作是由3個(gè)連桿串聯(lián)組成的開環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈，采用D-H方法建立手指運(yùn)動(dòng)的連桿坐標(biāo)系，如圖2a所示.其中手指基坐標(biāo)系x0y0z0建立在近指節(jié)根部，其余坐標(biāo)系隨關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng).

圖2 手指及手掌坐標(biāo)系示意圖(右手)

根據(jù)單根手指的D-H關(guān)節(jié)參數(shù)定義：L1，L2和L3分別代表近指節(jié)長(zhǎng)度、中指節(jié)長(zhǎng)度和遠(yuǎn)指節(jié)長(zhǎng)度；θi(i=1,2,3)表示連桿的轉(zhuǎn)角，相鄰兩桿沿公共軸線方向的距離為0，兩關(guān)節(jié)軸線之間的夾角為0.由此可得傳遞矩陣：

.(1)

其中：c1=cosθ1；c12=cos(θ1+θ2)；c123=cos(θ1+θ2+θ3)；s1=sinθ1,s12=sin(θ1+θ2),s123=sin(θ1+θ2+θ3),且0°≤θ1≤90°，0°≤θ2≤80°，0°≤θ3≤40°.

各手指基坐標(biāo)系在手掌坐標(biāo)系中的位置分別為：拇指[36,0,0]T，食指[27,50,0]T，中指[9,50,0]T，無(wú)名指[-9,50,0]T，小拇指[-30,50,0]T.如圖2b所示，四指指尖相對(duì)于手掌坐標(biāo)系的位置分別為

(2)

其中：下標(biāo)w=[食指，中指，無(wú)名指，拇指]；xw和yw分別表示四指的基坐標(biāo)系在手掌坐標(biāo)系中的x坐標(biāo)和y坐標(biāo).同理可得拇指指尖相對(duì)于手掌坐標(biāo)系的位置：

(3)

2.2 手指可達(dá)范圍

根據(jù)上述建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系以及仿人機(jī)械手結(jié)構(gòu)尺寸，通過(guò)MATLAB仿真，可以得到四指的運(yùn)動(dòng)空間如圖3所示，由于除拇指以外的四指僅具有彎曲功能，所以，它們的最大運(yùn)動(dòng)空間為平面空間.

圖3 四指運(yùn)動(dòng)空間

拇指指尖的最大三維運(yùn)動(dòng)空間如圖4所示.

圖4 拇指運(yùn)動(dòng)空間

3 反饋電流解析

本節(jié)搭建了仿人機(jī)械手控制系統(tǒng)，介紹了仿人機(jī)械手指端觸覺信息的獲取與解析方法，提出了基于電流傳感器反饋的未知物體硬度識(shí)別策略.

3.1 仿人機(jī)械手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)械手的靈巧抓取與智能化硬度識(shí)別功能，其控制系統(tǒng)硬件與控制系統(tǒng)原理圖如圖5所示.控制系統(tǒng)硬件分為執(zhí)行層、感知層、控制層和驅(qū)動(dòng)層.執(zhí)行層包括仿人機(jī)械手手指；感知層包含6個(gè)電流傳感器(ACS712)；控制層由Arduino Mega 2560控制器和上位機(jī)組成；驅(qū)動(dòng)層包含電源、L298N驅(qū)動(dòng)模塊、微型絲杠電機(jī)和鋼絲繩.由圖5b可知，Arduino控制器根據(jù)上位機(jī)指令輸出PWM信號(hào)，通過(guò)L298N驅(qū)動(dòng)模塊控制手指電機(jī).當(dāng)電機(jī)正極PWM占空比為正，負(fù)極PWM為0時(shí)，手指彎曲；電機(jī)負(fù)極PWM占空比為正，正極PWM為0時(shí)，手指伸直復(fù)位；電機(jī)正極和負(fù)極PWM均為0時(shí)，手指姿勢(shì)自鎖.手指運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的電流信息通過(guò)和電機(jī)串聯(lián)的電流傳感器檢測(cè)，并將電流變化反饋給Arduino，從而傳輸?shù)缴衔粰C(jī).

圖5 仿人機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件

3.2 反饋電流與物體硬度關(guān)系

為探究仿人機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電流傳感器的輸出特性，基于上述仿人機(jī)械手控制系統(tǒng)，選取硬度不同的物品進(jìn)行抓取實(shí)驗(yàn)，圖6僅表示了對(duì)其中幾種實(shí)驗(yàn)物品的抓取.

圖6 仿人機(jī)械手抓握實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同手指在抓取相同硬度物體時(shí)，電流變化趨勢(shì)相同.因此，本文只針對(duì)中指反饋電流進(jìn)行研究，且以Arduino模擬口返回上位機(jī)的數(shù)據(jù)(0～1 023)表征電機(jī)實(shí)際電流.根據(jù)電機(jī)的額定驅(qū)動(dòng)電壓和實(shí)現(xiàn)手指平穩(wěn)運(yùn)行原則，設(shè)定電機(jī)正向驅(qū)動(dòng)PWM占空比為60，電流傳感器反饋的最大值介于565～570之間.圖7為仿人機(jī)械手分別抓取海綿、紙盒、保溫杯、新鮮蘋果、新鮮橘子、毛絨玩具過(guò)程中的中指電流變化曲線.仿人機(jī)械手抓取不同物體時(shí)，電流呈現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)：以圖7a為例，電機(jī)開始上電時(shí)刻，電流突增，在手指空載彎曲過(guò)程中，電流穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，波動(dòng)較??；當(dāng)電流再次出現(xiàn)明顯增加時(shí)，表明手指開始與物體接觸；隨后電流不斷增加，直到手指因阻力作用無(wú)法繼續(xù)彎曲，電流達(dá)到最大；斷電后，電流下降.

由圖7可知，仿人機(jī)械手在抓取硬度不同的物體時(shí)，電流從初始接觸物體到因被抓取物體阻礙作用完全無(wú)法運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，電流變化斜率不同，以下簡(jiǎn)稱為接觸電流斜率.因此，接觸電流斜率變化可以作為物體軟硬程度的識(shí)別依據(jù)，替代指尖傳感器，降低仿人機(jī)械手的生產(chǎn)成本和裝配難度.

圖7 中指電流變化圖

對(duì)圖7所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行如下處理，計(jì)算接觸電流斜率，解析仿人機(jī)械手指端的觸覺信息：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中設(shè)置的采樣頻率為100 Hz，由于初始上電時(shí)刻，電流不平穩(wěn)，取上電后的第100個(gè)采樣時(shí)刻的電流數(shù)據(jù)，記為(X1,Y1)；在中指未接觸物體之前，電流變化平穩(wěn)，有較小波動(dòng)，取與X1時(shí)刻相隔200個(gè)采樣時(shí)刻的數(shù)據(jù)，記為(X200,Y200)；取該時(shí)間段內(nèi)對(duì)應(yīng)的電流最大值，記為(Xm,Ym)；取X200采樣時(shí)刻之后第一次電流值大于Ym的點(diǎn)，記為(Xmax,Ymax),該點(diǎn)對(duì)應(yīng)手指開始接觸被抓物體的時(shí)刻；取所有采樣電流值中前5個(gè)最大值的平均值，記為Yave；取(Xmax,Ymax)點(diǎn)之后電流第一次大于Yave的數(shù)據(jù)點(diǎn)，記為(Xn,Yn)，則該點(diǎn)對(duì)應(yīng)時(shí)刻被定義為手指完全無(wú)法彎曲時(shí)刻.定義接觸電流斜率為

(4)

表3給出了仿人機(jī)械手抓取上述不同硬度物體時(shí)，中指接觸電流斜率變化情況.根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，仿人機(jī)械手接觸較硬物體時(shí)，如蘋果、保溫杯、紙盒等，接觸電流斜率較大；仿人機(jī)械手接觸較軟物體時(shí)，如毛絨玩具、海綿等，接觸電流斜率較小.接觸電流斜率越大，表示被抓物體的硬度越大，反之越小.

4 仿人機(jī)械手自主識(shí)別硬度研究

基于3.2節(jié)所得的接觸電流斜率與被抓物體硬度的關(guān)系，研究仿人機(jī)械手抓取操作過(guò)程中的自主硬度識(shí)別功能.

表3 抓取不同硬度物體中指接觸電流斜率

4.1 物體硬度自主識(shí)別功能

基于接觸電流斜率與物體硬度的關(guān)系，設(shè)計(jì)了如圖8所示的仿人機(jī)械手對(duì)被抓物體硬度的自主識(shí)別控制流程.

圖8 物體硬度識(shí)別控制流程圖

首先，控制電機(jī)正極PWM占空比值為60，負(fù)極PWM占空比值為0，手指彎曲，并將電流傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)返回上位機(jī)存儲(chǔ).由圖7采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，手指在完全無(wú)法彎曲的過(guò)程中，電流值最大在565到570之間，因此設(shè)定閾值為565，當(dāng)檢測(cè)到的電流值大于565時(shí)，表明手指接近無(wú)法繼續(xù)彎曲狀態(tài)，保持5s后，電機(jī)正負(fù)極的PWM值設(shè)為0，仿人機(jī)械手保持抓握狀態(tài).上位機(jī)根據(jù)采集的中指電流傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算接觸電流斜率，并顯示結(jié)果.待硬度結(jié)果顯示后，控制電機(jī)正極PWM占空比為0，負(fù)極PWM占空比為60，仿人機(jī)械手釋放被抓物體，手指復(fù)位.

基于仿人機(jī)械手自主硬度識(shí)別功能，進(jìn)行若干組抓取實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證該識(shí)別策略的準(zhǔn)確性.實(shí)驗(yàn)中，對(duì)相同物體重復(fù)抓取5次，計(jì)算每次的接觸電流斜率，并計(jì)算結(jié)果方差.表4為仿人機(jī)械手硬度感知結(jié)果.可以發(fā)現(xiàn)，仿人機(jī)械手智能識(shí)別的手機(jī)和木塊的接觸電流斜率與紙盒、保溫杯等的接觸電流斜率相仿；而毛線球、氣球和橡皮泥的接觸電流斜率則明顯較小，識(shí)別結(jié)果有效.通過(guò)方差分析，相同物體的接觸電流斜率變化較小，證明該硬度識(shí)別策略具有可靠性.為集成簡(jiǎn)便，未采用彎曲傳感器，所以無(wú)法高精度捕捉手指與物體的接觸時(shí)刻信息，故只能感知硬度差別大的物體，無(wú)法進(jìn)行更加精細(xì)的等級(jí)劃分，將在后續(xù)研究中改進(jìn).

4.2 仿人機(jī)械手分揀實(shí)驗(yàn)

為實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)械手的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，基于實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的氣動(dòng)肌肉變剛度軟體手臂平臺(tái)[16]，將仿人機(jī)械手安裝在軟體手臂末端，作為執(zhí)行器，完成軟爛的橘子和新鮮橘子的分揀實(shí)驗(yàn).

根據(jù)表3和表4所列結(jié)果，將橘子的硬度分為軟和硬兩個(gè)等級(jí).當(dāng)中指接觸電流斜率k≤0.6時(shí)，表明被抓取橘子已軟爛；當(dāng)k>0.6時(shí)，表明被抓取橘子新鮮.用H表征橘子硬度，分別用H1和H2表示兩個(gè)等級(jí).定義橘子硬度與接觸電流斜率對(duì)應(yīng)關(guān)系如式(5)所示：

(5)

基于式(5)，仿人機(jī)械手能夠識(shí)別橘子硬度，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟爛和新鮮橘子的智能分類.

仿人機(jī)械手自動(dòng)分揀系統(tǒng)主要包括仿人機(jī)械手、變剛度軟體手臂、操作臺(tái)、仿人機(jī)械手抓取控制硬件系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)新鮮和軟爛橘子的分揀操作任務(wù).圖9為仿人機(jī)械手完成橘子分揀任務(wù)過(guò)程實(shí)驗(yàn)圖.

圖9 仿人機(jī)械手完成水果分揀任務(wù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

表4 物體硬度識(shí)別結(jié)果

智能分揀功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠仿人機(jī)械手對(duì)物體硬度的識(shí)別能力，其具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：將若干新鮮和軟爛橘子放置在平臺(tái)上，將軟體手臂設(shè)置在初始位置，隨后啟動(dòng)仿人機(jī)械手抓取動(dòng)作，同時(shí)完成仿人機(jī)械手對(duì)所抓橘子硬度的判斷，從而區(qū)分新鮮橘子和軟爛橘子.若識(shí)別為新鮮橘子，觸發(fā)手臂向新鮮橘子安放平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，待到達(dá)指定位置后，仿人機(jī)械手釋放物體，最后手臂運(yùn)動(dòng)到初始位置，再進(jìn)行對(duì)下一個(gè)目標(biāo)橘子的分揀工作.若識(shí)別為軟爛橘子，仿人機(jī)械手原地釋放物體.

5 結(jié) 語(yǔ)

本文采用微型絲杠電機(jī)為驅(qū)動(dòng)元件，基于3D打印技術(shù)制作了仿人機(jī)械手樣機(jī).該機(jī)械手具有多自由度、外觀仿人、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，為仿人機(jī)械手向?qū)嵱没?、?jiǎn)潔化、輕便化方向發(fā)展提供了設(shè)計(jì)思路和方法.搭建了仿人機(jī)械手控制系統(tǒng)，研究了電流反饋信息與物體硬度的關(guān)系，提出了仿人機(jī)械手對(duì)物體硬度的智能識(shí)別策略.最終實(shí)現(xiàn)了仿人機(jī)械手作為軟體手臂末端執(zhí)行器分揀水果實(shí)際應(yīng)用.目前該仿人機(jī)械手僅能區(qū)分硬度差異大的物體，將繼續(xù)改進(jìn)電流反饋信息解析方法，并依此設(shè)計(jì)自適應(yīng)抓取控制算法.