張可科，熊蔡華，賀 磊，熊大柱

（華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引 言

理想的假手應(yīng)在形狀和功能上與真手一樣，它不僅能替代人手的感覺和運動功能，而且還要像人手一樣具有優(yōu)美的外形，但目前的技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這個理想的要求[1]。

隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，一些研究者試圖研制出更加精巧的靈巧手，研究的方法和手段主要包含4 個方面：①人手基本生理結(jié)構(gòu)的研究；②手爪模擬人手的結(jié)構(gòu)和功能；③手爪感知系統(tǒng)的研究；④手爪控制方法的研究。目前該研究已取得了一些重要的成果，相繼有一批著名的多關(guān)節(jié)多指靈巧手問世。作為殘疾人假肢使用的假手，如加拿大的TBM 手[2]，英國的I-limb 手[3]等，其結(jié)構(gòu)簡單，體積重量與人手相近，具有裝飾功能。目前已投入使用的商用假手多數(shù)只有1～3 個自由度。國內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)和德國宇航中心最新研制了集成度和擬人化程度高的五指仿人手，該手具有很強(qiáng)的操作能力，但質(zhì)量有1.5 kg[4]，不適用于假肢場合。為了實時、有效地控制機(jī)器人多指手，機(jī)器人多指手自由度不宜過多[5]。最近有研究稱假肢手的最佳驅(qū)動數(shù)為3 個[6]。為了減少驅(qū)動數(shù)，一些假肢手嘗試用一個電機(jī)驅(qū)動同時驅(qū)動拇指的彎曲和側(cè)擺，例如MANUS 手[7]，但是傳動機(jī)構(gòu)過于復(fù)雜。

傳統(tǒng)驅(qū)動方式控制電路復(fù)雜、體積大，影響控制的可靠性，軟件設(shè)計工作量也大[8-9]。Shigeo Hirose 于1978 年首先提出了繩索式欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)，奠定了欠驅(qū)動研究的基礎(chǔ)。欠驅(qū)動的基本原理是系統(tǒng)的驅(qū)動數(shù)少于自由度數(shù)。本研究將假手引入欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)，欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢是給控制系統(tǒng)帶來了方便，實現(xiàn)單個電機(jī)驅(qū)動多個自由度，實現(xiàn)對各種物體的包絡(luò)自適應(yīng)抓取。采用欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計原理后，外圍電路簡單，可靠性高，減少了電路板的尺寸。

基于上述思想，本研究對欠驅(qū)動假肢手進(jìn)行相關(guān)硬件電路的設(shè)計和軟件的編寫，并對假手中使用的壓力傳感器進(jìn)行標(biāo)定，在此基礎(chǔ)上，對生活中不同物體進(jìn)行包絡(luò)抓取和捏取實驗。

1 多自由度假手系統(tǒng)介紹

1.1 假手整體概述

為了完全仿人手，假肢手的設(shè)計要求為：體積小、重量輕、外形擬人；假肢手采用欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)，能完成各種日常的抓握操作。

本研究所研制的欠驅(qū)動耦合假手如圖1 所示。它共有5 根手指，拇指2 個關(guān)節(jié)，其他手指各3 個關(guān)節(jié)，還包括拇指的側(cè)擺運動，共15 個活動關(guān)節(jié)，總重量約為550 g；和人手相比，其尺寸、重量和成年人人手相近。

圖1 欠驅(qū)動耦合假手

整個手掌15 個自由度僅用3 個電機(jī)驅(qū)動，機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括：手指欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)、兩手指間差動機(jī)構(gòu)、大拇指側(cè)擺機(jī)構(gòu)。食指與中指由一個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，無名指與小指由另一個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，通過移動滑輪差動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)一個電機(jī)驅(qū)動兩個手指。拇指通過將槽輪結(jié)構(gòu)和曲柄連桿結(jié)構(gòu)耦合，實現(xiàn)了僅用一個電機(jī)驅(qū)動拇指的側(cè)擺和彎曲兩個方向的運動。

本研究選用的步進(jìn)電機(jī)具有自鎖功能，以螺桿作為電機(jī)輸出軸，在電機(jī)外部通過一個外部驅(qū)動螺母和螺桿相嚙合從而實現(xiàn)直線運動。這樣做的優(yōu)點是大大簡化了設(shè)計，使得系統(tǒng)能夠在不安裝外部機(jī)械聯(lián)動裝置的情況下直接使用直線步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行精密的線性運動。傳感器和電機(jī)都安裝在手掌內(nèi)部，減少鋼絲繩路徑布置的難度。

1.2 假手手指機(jī)構(gòu)方案選擇

手指機(jī)構(gòu)方案有兩種：繩索滑輪驅(qū)動式和連桿驅(qū)動式。繩索滑輪驅(qū)動式特點：結(jié)構(gòu)緊湊，關(guān)節(jié)力臂恒定，手指輸出力較?。贿B桿驅(qū)動式特點：結(jié)構(gòu)不緊湊，關(guān)節(jié)力臂不恒定，手指易出現(xiàn)奇異形位，手指輸出力較大[10]。最后假肢手選用繩索驅(qū)動方案。因為這種手指機(jī)構(gòu)在抓握物體時，手指能夠自動調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)角度，完成對物體的包絡(luò)，增加抓握的穩(wěn)定性。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

假手控制系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)是：手指能夠?qū)崿F(xiàn)多種抓取模式；控制各手指電機(jī)運動，完成閉環(huán)力控制；對其硬件要求是體積小、功耗低的嵌入式控制系統(tǒng)。

仿人手的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。系統(tǒng)以微處理器DSP TMS320 F2812 為核心，實時地對傳感器信號進(jìn)行處理，完成各手指動作的協(xié)調(diào)運動及運動控制算法。

圖2 假手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 硬件實現(xiàn)

仿人手控制系統(tǒng)完成了手指的位置和壓力信號采集，以及整個手掌的抓握控制。大拇指使用有刷直流伺服電機(jī)，實現(xiàn)拇指的側(cè)捏與彎曲運動；其余手指使用直線步進(jìn)電機(jī)，實現(xiàn)手指的抓握運動。DSP 的事件管理器（EV）產(chǎn)生3 路獨立脈沖信號給3 個電機(jī)驅(qū)動器，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）接收壓力傳感器的模擬信號；通用輸入/輸出（GPIO）接收8 個霍爾傳感器的開關(guān)信號。事件管理器A（EVA）的定時器1 用于啟動A/D；EVA 的定時器2 用于產(chǎn)生脈沖信號給拇指伺服電機(jī)；事件管理器B（EVB）的定時器3、4 用于產(chǎn)生脈沖信號給手指的步進(jìn)電機(jī)。

2.1.1 電平轉(zhuǎn)換電路

由于DSP 的輸入/輸出引腳電平都是3.3 V，而霍爾輸入及電機(jī)脈沖信號和方向信號需要5 V，本研究需要設(shè)計3.3 V 和5 V 的電壓轉(zhuǎn)換電路[11]。

把8 路霍爾傳感器的5 V 電平轉(zhuǎn)化為DSP 可以接收的3.3 V 電平的電路，如圖3（a）所示。因為霍爾元件是漏極開路的，該電路需要上拉電阻。轉(zhuǎn)換芯片SN74AHC541 同時起到降壓和緩沖的作用。

圖3 電壓轉(zhuǎn)換電路

3.3 V-5 V 電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3（b）所示。芯片左端為DSP 輸出信號為3.3 V，經(jīng)過SN74HCT541 轉(zhuǎn)化為5 V后，輸出給3 個電機(jī)的脈沖輸入端和方向控制端，其中步進(jìn)電機(jī)還具有使能端。

2.1.2 傳感器選擇及其處理電路

假手中用到8 個數(shù)字霍爾傳感器，其中6 個用來判斷手指彎曲的極限位置，2 個用來判斷拇指處于側(cè)捏還是抓握狀態(tài)。數(shù)字霍爾用在驅(qū)動傳動機(jī)構(gòu)中，用來限定電機(jī)螺桿上螺母的運動范圍，使其在電機(jī)導(dǎo)螺桿的兩個極限位置之間運動，以免損傷螺桿螺紋或其他零件。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊，適合于假手這種狹小空間的應(yīng)用場合。

假手在抓取物體時，不只是通過機(jī)械位移夾取物體，在夾取物體時力反饋也很重要。假手的力反饋由壓力傳感器（FSR#400，Interlink Electronics）來實現(xiàn)[12]。傳感器厚度薄、直徑小，數(shù)據(jù)處理比較簡單，適合于假肢手的場合。

力傳感器采集被抓取物體的信息，并將物體的信息傳遞給控制系統(tǒng)，以此來優(yōu)化電機(jī)控制策略。整個機(jī)械手共使用了3 個壓力傳感器。電機(jī)螺母通過帶動滑塊上的滑輪可以使手指彎曲，通過測量螺母和滑塊之間的壓力可以間接測量出電機(jī)的驅(qū)動力。

FSR 信號處理電路如圖4 所示。為了避免對被采集的模擬信號產(chǎn)生干擾，調(diào)理電路的輸入阻抗需要非常大。電壓跟隨器用于緩沖壓力傳感器的輸入信號；RC 濾波器用于濾除高頻毛刺干擾；二極管起鉗位作用，防止模擬信號超出0～3.3 V 范圍。

圖4 FSR 信號調(diào)理電路

經(jīng)過信號處理電路后，DSP 接收到的是電壓值，所以為了得到壓力的大小，研究者必須做FSR 的標(biāo)定實驗。本研究在FSR 的受力表面上分別加各種型號的砝碼。通過Matlab 擬合得到一條對數(shù)曲線，如圖5 所示。

曲線方程為：Vout=1.4976 ×ln(FFSR+1)

圖5 FSR 輸出電壓隨壓力的變化曲線

2.2 軟件實現(xiàn)

電機(jī)控制方式包括位置控制、速度控制和力矩控制3 種，由于包絡(luò)抓取最后電機(jī)的位置不確定，本研究采用速度控制的方式來控制電機(jī)。軟件實現(xiàn)主要涉及EV、ADC 和GPIO 模塊[13-14]的應(yīng)用。

本研究選用通用定時器中斷事件的方法來啟動ADC 模塊的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)初始化完成后，定時器T1 開始計數(shù)，等到周期中斷時啟動ADC 轉(zhuǎn)換，進(jìn)入ADC 中斷；在ADC 中斷程序中，DSP 將ADC 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量信息經(jīng)過一些預(yù)處理得到實時的電機(jī)端驅(qū)動力狀態(tài)信息。ADC 采樣時執(zhí)行過采樣算法，程序中對每個通道采樣3 次，3 次采樣平均值比單次采樣精度高。同時，本研究實現(xiàn)了運動控制算法，控制電機(jī)速度隨所測壓力值的增大而減小，最后通過壓力值的變化情況判定假手是否實現(xiàn)穩(wěn)定抓握，穩(wěn)定則電機(jī)停止運轉(zhuǎn)。

程序流程圖如圖6 所示。

圖6 控制軟件流程圖

3 假手的抓握實驗

根據(jù)前文所述的假手控制系統(tǒng)的設(shè)計，筆者研制出了假手樣機(jī)，并進(jìn)行了以下實驗：①抓取效果測試；②驗證力反饋的必要性。

3.1 抓取效果測試

本研究通過基于電機(jī)輸出力的反饋信號，對假手進(jìn)行了柔順控制，進(jìn)行了大量的抓取物體試驗。假手抓握和捏取實物實驗如圖7 所示。該假手分別對大球、方筆筒、圓筒杯子進(jìn)行包絡(luò)抓取，對小球進(jìn)行捏取。

試驗結(jié)果表明：對于不同形狀、不同材質(zhì)的物體，不管是抓握還是手指捏取，該假手都能達(dá)到滿意的抓握效果。

3.2 驗證力反饋必要性

圖7 假手抓握和捏取實物實驗

圖8 假手無力反饋時抓握杯子

實驗中，本研究對相同物體分別采用了有力反饋和無力反饋的兩種控制模式。無力反饋時圓筒杯子抓握情況如圖8 所示。通過和有力反饋圓筒杯子抓握情況（如圖7（c）所示）對比，假手在包絡(luò)杯子后，由于沒有力反饋信息，電機(jī)仍然拉動手指繼續(xù)彎曲，手指用力過大，導(dǎo)致杯子滑向一側(cè)，難以實現(xiàn)穩(wěn)定抓取。

4 結(jié)束語

本研究介紹了欠驅(qū)動假手的機(jī)械結(jié)構(gòu)，然后在該基礎(chǔ)上提出了結(jié)構(gòu)簡單、開發(fā)周期短、具有力反饋的控制系統(tǒng)，完成了控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計，最后，進(jìn)行了抓握效果測試和驗證力反饋必要性的實驗。實驗結(jié)果說明該欠驅(qū)動假手能夠?qū)崿F(xiàn)包絡(luò)自適應(yīng)抓取，基于傳感器反饋的控制策略使得假手能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定抓取。

下一階段需要在實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，優(yōu)化控制策略，使機(jī)械手能夠盡可能多地復(fù)現(xiàn)人手常用的各種模式，并能對這些模式給出力學(xué)性能方面的評價。

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