氣動柔性五指機(jī)械手運(yùn)動空間與抓取實(shí)驗(yàn)研究

梁 正,武廣斌

(北華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

人手的一系列行為包括強(qiáng)力抓握、精巧操作和交流手勢等,這些活動的實(shí)現(xiàn)主要依靠人手復(fù)雜的生物力學(xué)結(jié)構(gòu)和神經(jīng)控制[1-3].這要求研制的機(jī)械手首先在結(jié)構(gòu)上具有多個自由度,動作上具有一定的柔順性[4].目前研究柔性的機(jī)械手多數(shù)為電機(jī)驅(qū)動、氣液驅(qū)動和功能材料驅(qū)動等[5].氣動柔性驅(qū)動器主要由橡膠和增強(qiáng)型纖維組成,適應(yīng)性和柔順性比較強(qiáng),可用于對柔軟、脆、嫩等物體的安全抓取[6-7].

本文采用氣動單向彎曲關(guān)節(jié)作為機(jī)械手手指關(guān)節(jié)，完成了氣動柔性機(jī)械手樣機(jī)制作、運(yùn)動空間和抓取實(shí)驗(yàn),機(jī)械手可對生活中常見的各種形狀的物體進(jìn)行抓取，具有良好的柔順性和適應(yīng)性，為以后機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)研究奠定了基礎(chǔ).

1 氣動柔性五指機(jī)械手結(jié)構(gòu)與功能

1.1 氣動柔性機(jī)械手手指結(jié)構(gòu)

拇指由雙驅(qū)動單向彎曲關(guān)節(jié)構(gòu)成，其關(guān)節(jié)主要由硅膠管、約束環(huán)、彈簧鋼板和上、下端蓋等組成(圖1).

(a)拇指結(jié)構(gòu)三維模型

(b)拇指實(shí)物圖圖1 拇指結(jié)構(gòu)

關(guān)節(jié)外部為形狀相同的一組緊密排布的約束環(huán),約束環(huán)一側(cè)矩形孔內(nèi)裝有彈簧鋼板，另一側(cè)并列分布兩個獨(dú)立的彈性硅膠管，使用人工肌肉密封件密封硅膠管兩端，固定安裝于上、下端蓋上.通入壓縮氣體后，彎曲關(guān)節(jié)向裝有板彈簧一側(cè)彎曲，拇指關(guān)節(jié)夾持力較大，可協(xié)同其他四指關(guān)節(jié)完成對目標(biāo)物體的抓取.

機(jī)械手其余四指由單驅(qū)單向彎曲關(guān)節(jié)構(gòu)成(圖2).單驅(qū)動單向彎曲關(guān)節(jié)驅(qū)動原理與雙驅(qū)動單向彎曲關(guān)節(jié)相同，結(jié)構(gòu)上采用單氣囊驅(qū)動結(jié)構(gòu)，驅(qū)動力和結(jié)構(gòu)本體較雙驅(qū)動單向彎曲關(guān)節(jié)小.在抓取過程中，四指共同作用，每根手指需要的抓取力較小，且體積不能太大，故采取單驅(qū)動單向彎曲關(guān)節(jié)構(gòu)成.

(a)四指結(jié)構(gòu)三維模型

(b)四指實(shí)物圖圖2 四指結(jié)構(gòu)

1.2 氣動柔性機(jī)械手基本尺寸與結(jié)構(gòu)功能

氣動柔性五指機(jī)械手采用兩種單向彎曲關(guān)節(jié)，共5個柔性關(guān)節(jié)組成(圖3)，即有5個自由度.機(jī)械手整體尺寸為260 mm*180 mm*180 mm(長*寬*高)，約為成年人手的1.5倍.大拇指與手掌平面成空間75°，其余四指均與手掌處于同一平面，相鄰兩手指成15°夾角，中指與大拇指在同一直線上.機(jī)械手手掌、關(guān)節(jié)約束環(huán)、端蓋、指尖材料均由3D打印技術(shù)加工，材料為強(qiáng)度較高的ABS工程塑料，人工肌肉氣囊材料為硅膠管，人工肌肉密封件材料為6061鋁合金，彈性鋼板為SK5碳素工具鋼，其余外形尺寸如表1所示.

(a)機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖

(b)機(jī)械手實(shí)物圖圖3 氣動柔性五指機(jī)械手結(jié)構(gòu)

表1 五指機(jī)械手本體基本參數(shù)

從人體結(jié)構(gòu)仿生學(xué)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)的具有人手結(jié)構(gòu)外形的氣動柔性關(guān)節(jié)手指和機(jī)械手手掌，并具備人手的功能特點(diǎn).通過控制通入人工肌肉壓縮氣體的壓力值，達(dá)到控制機(jī)械手各手指運(yùn)動姿態(tài)，各手指密切配合可對生活中常見的各種形狀物體進(jìn)行抓取，下文通過運(yùn)動空間實(shí)驗(yàn)和抓取實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械手運(yùn)動性能.

2 氣動柔性五指機(jī)械手運(yùn)動空間實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

在柔性機(jī)械手安裝標(biāo)記點(diǎn)，使用3D運(yùn)動捕捉系統(tǒng)記錄各手指空載時的運(yùn)動軌跡，利用軟件MATLAB對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，確定機(jī)械手五指運(yùn)動空間.

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

機(jī)械手運(yùn)動空間實(shí)驗(yàn)原理如圖4所示.

圖4 運(yùn)動學(xué)實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)(圖5)主要由氣源、計(jì)算機(jī)、3D shot視覺傳感器、中央處理器、機(jī)械手本體和標(biāo)記點(diǎn)幾部分組成.柔性機(jī)械手固定于工作臺上，標(biāo)記坐標(biāo)原點(diǎn)后，設(shè)置采樣頻率，分別取5個標(biāo)記點(diǎn)按等間距安置于大拇指和其余四指上，通入壓縮氣體后，手指關(guān)節(jié)開始運(yùn)動，利用3D運(yùn)動捕捉系統(tǒng)(NDI)采集各標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)隨氣壓值變化的運(yùn)動情況.

圖5 運(yùn)動學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

采集數(shù)據(jù)后利用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，可得到手指在不同氣壓下的運(yùn)動軌跡和整體機(jī)械手的運(yùn)動空間，圖6為機(jī)械手大拇指和中運(yùn)動軌跡.從圖中可以看出，各手指在xy平面內(nèi)彎曲變形，隨著通入壓縮氣體氣壓值增大，各手指彎曲幅度逐漸增大，在相同氣壓下，各手指彎曲變形一致性較好.

x/mm(a)大拇指關(guān)節(jié)單獨(dú)運(yùn)動

x/mm(b)中指關(guān)節(jié)單獨(dú)運(yùn)動

x/mm(c)中指與大拇指“捏”動作圖6 機(jī)械手手指運(yùn)動軌跡

柔性機(jī)械手大拇指與中指完成“捏”動作時的運(yùn)動軌跡如圖6(c)所示，兩手指從初始狀態(tài)開始通入壓縮氣體，當(dāng)大拇指關(guān)節(jié)氣壓為0.14 MPa、中指關(guān)節(jié)氣壓值為0.13 MPa時，兩手指關(guān)節(jié)指尖接觸，可完成兩指捏取物體的動作.

氣動柔性五指機(jī)械手運(yùn)動空間為圖7所示，從圖7可以看出,通入壓縮氣體后，大拇指關(guān)節(jié)、中指關(guān)節(jié)和食指關(guān)節(jié)運(yùn)動軌跡有重疊交叉部分，說明大拇指和中指可完成兩指“捏”的動作，大拇指、食指和中指可完成三指“抓”的動作.

x/mm圖7 五指機(jī)械手工作運(yùn)動空間

3 氣動柔性關(guān)節(jié)五指機(jī)械手抓取實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證機(jī)械手的抓取能力進(jìn)行了五指機(jī)械手的抓取實(shí)驗(yàn)，選用了日常生活中常見的物品(表2)進(jìn)行抓取.根據(jù)物體自身外形和質(zhì)量，常用抓取模式分為五指抓取、三指抓取以及兩指捏取.

表2 機(jī)械手抓取物品參數(shù)

3.1 柔性機(jī)械手五指抓取

柔性機(jī)械手五指抓取和握取是抓取體積和重量較大物體的常見方式.以接觸方式可分為點(diǎn)接觸和面接觸，握取大直徑圓柱體(圖8)時多為面接觸，通過大拇指指尖和手指彎曲成的包絡(luò)面握?。蛔ト〔灰?guī)則物體(圖9)時，通過手指指尖接觸物體表面，不同接觸位置外形會出現(xiàn)不同的接觸方式，均能穩(wěn)定抓取物體，體現(xiàn)了機(jī)械手較好的柔順性和自適應(yīng)性.

(a)五指握取奶粉罐(正面)

(b)五指握取奶粉罐(背面)圖8 握取大直徑圓柱體

(a)五指握取筆筒(正面)

(b)五指握取筆筒(背面)

(c)五指握取香蕉圖9 握取不規(guī)則物體

如圖10(a)所示，氣動柔性機(jī)械手五指抓取體積較大球體時，先向大拇指通入壓縮氣體，控制其向掌心彎曲，同時控制其余四指與球體接觸，準(zhǔn)確協(xié)調(diào)五指彎曲，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對類似排球等較大球體的抓取.如蘋果、橙子等體積較小球形物體，從圖10(b)可以看出，通過大拇指、食指、中指和無名指接觸物體并完成抓取動作，而小拇指從物體下方起支撐作用，物體不易脫落，有效完成抓取動作.

(a)五指抓取排球

(b)五指抓取蘋果圖10 五指抓取球體、三角塊

柔性機(jī)械手的抓取重量是衡量機(jī)械手抓取能力的重要指標(biāo)，也對機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有更高的要求.為提高機(jī)械手的抓取重量，需提高通入壓縮氣體氣壓值，增大手指夾持力；指尖部位置有摩擦墊，增大指尖與物體表面的摩擦，實(shí)現(xiàn)對物體的抓取.提取和抓取是人類手拿取物體兩種常見方式，如圖11所示.

(a)提取編織籃

(b)握取大瓶飲料 圖11 五指提取、握取重物

從圖11(a)中可以看出，提取編織籃時，大拇指與其余四指彎曲形成了閉合的包絡(luò)面，可實(shí)現(xiàn)對1.5 kg重物的提取動作.采用五指抓握，將類箱體形狀的大瓶飲料包裹，如圖11(b)所示，機(jī)械手可根據(jù)目標(biāo)物體外形尺寸和質(zhì)量的不同，調(diào)整手指夾持力，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抓取.本次實(shí)驗(yàn)中，五指機(jī)械手抓取重物能力最大可達(dá)2 kg.

3.2 柔性機(jī)械手三指抓取和兩指捏取

柔性機(jī)械手對外形尺寸較小、質(zhì)量較小目標(biāo)物體的抓取方式多為三指抓取和兩指捏取(圖12).從圖12可以看出，機(jī)械手可根據(jù)外形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用不同抓取方式，三指抓取時，見圖12(a)～(b)，大拇指、食指和中指協(xié)調(diào)配合彎曲接觸物體，施力抓取物體.兩指捏取方式可用于抓取直徑和質(zhì)量都較小的圓柱體，控制大拇指彎曲與中指相配合實(shí)現(xiàn)捏取，如圖12(c)～(d)所示.

(a)三指抓取木塊

(b)三指抓取網(wǎng)球

(c)兩指捏取簽字筆

(d)兩指捏取乒乓球圖12 多指抓取、捏取物體

通過柔性關(guān)節(jié)五指機(jī)械手的抓取實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了機(jī)械手具有類似人手的抓取功能，能夠?qū)ι钪谐Ｒ姷母鞣N形狀的物體進(jìn)行抓取，具有良好的柔順性和適應(yīng)性.

4 結(jié) 論

(1)基于多驅(qū)動單向彎曲關(guān)節(jié)，設(shè)計(jì)了一種氣動柔性五指機(jī)械手，并制作了樣機(jī).

(2)利用3D捕捉系統(tǒng)對機(jī)械手進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，處理數(shù)據(jù)得到了其運(yùn)動空間，機(jī)械手各手指較好地完成了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)各自抓取功能.

(3)通過機(jī)械手抓取實(shí)驗(yàn)，分析了3種抓取模式，驗(yàn)證了機(jī)械手具有類似人手的抓取功能，能夠?qū)ι钪谐Ｒ姼鞣N形狀的物體進(jìn)行抓取，具有良好的柔順性和適應(yīng)性.