唐新星，張楠，張習(xí)燁，2，周鵬飛

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

欠驅(qū)動(dòng)靈巧手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

唐新星1，張楠1，張習(xí)燁1，2，周鵬飛1

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

設(shè)計(jì)了欠驅(qū)動(dòng)靈巧手的機(jī)械結(jié)構(gòu)。在分析人手的特點(diǎn)以及現(xiàn)有欠驅(qū)動(dòng)靈巧手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了靈巧手機(jī)構(gòu)原理模型，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了3關(guān)節(jié)、4自由度的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手結(jié)構(gòu)，包含手指基座傳動(dòng)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(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下，各關(guān)節(jié)指段通過(guò)腱繩實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)與力的傳遞;對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了分析，并繪出了指間的運(yùn)動(dòng)空間;利用ADAMS對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)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(dòng)精度較高，且關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中力矩變化不大。

欠驅(qū)動(dòng)靈巧手;機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì);運(yùn)動(dòng)學(xué)方程;動(dòng)力學(xué)仿真

0 前言

機(jī)器人主要應(yīng)用于對(duì)人來(lái)說(shuō)比較危險(xiǎn)甚至無(wú)法到達(dá)的場(chǎng)合，作為人類活動(dòng)的延續(xù)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、太空探索、海洋開(kāi)發(fā)、核工業(yè)生產(chǎn)以及國(guó)防建設(shè)等領(lǐng)域，得到了廣泛的應(yīng)用。欠驅(qū)動(dòng)靈巧手與常見(jiàn)的機(jī)器人手相比，擁有驅(qū)動(dòng)少、質(zhì)量輕、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，在節(jié)約能量、降低造價(jià)、減輕重量、增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性等方面都較完全驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)越［1］。目前，國(guó)內(nèi)外也出現(xiàn)了一些具有代表性的欠驅(qū)動(dòng)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(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部抓?。?］。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(huì)將物品弄碎或滑落［3］。清華大學(xué)設(shè)計(jì)的欠驅(qū)動(dòng)擬人機(jī)器人手TH-1，電機(jī)、驅(qū)動(dòng)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(jiàn)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(dòng)作［4］。但欠驅(qū)動(dòng)手指通過(guò)彈簧和限位元件實(shí)現(xiàn)手指的自適應(yīng)抓握，同時(shí)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(diǎn)，在總結(jié)前人研究工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于腱繩傳動(dòng)的欠驅(qū)動(dòng)靈巧手，通過(guò)利用欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和腱繩傳動(dòng)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)抓取物的自適應(yīng)性，使欠驅(qū)動(dòng)五指靈巧手在工作時(shí)更像人手，其研究與開(kāi)發(fā)具有十分重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

1 欠驅(qū)動(dòng)靈巧手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 欠驅(qū)動(dòng)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(guò)關(guān)節(jié)相連。當(dāng)外物或外力施加在人手上時(shí)，肌肉發(fā)生變形，通過(guò)肌腱控制將力與力矩傳遞或轉(zhuǎn)變成關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)各段指骨運(yùn)動(dòng)或者保持某種姿態(tài)。從運(yùn)動(dòng)方式上來(lái)看，人的手指屈曲/前伸和內(nèi)聚/外展兩種動(dòng)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(dòng)副，只有平面上的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。掌骨指關(guān)節(jié)不僅可以做屈曲/前伸運(yùn)動(dòng)，還能做內(nèi)聚/外展運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)上屬球銷副，在空間中擁有兩個(gè)自由度。因此，人的每根手指在立體坐標(biāo)系中包含了3個(gè)屈曲/前伸的自由度和1個(gè)內(nèi)聚/外展自由度。根據(jù)對(duì)人手的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)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(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副連接的三根連桿和一個(gè)球銷副組成的連桿機(jī)構(gòu)，每個(gè)平面連桿機(jī)構(gòu)球銷副中的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)靈巧手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)手指時(shí)，每根手指采用3個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以獲取手指4個(gè)自由度，單指裝配示意圖如圖2所示。其中，1號(hào)電機(jī)驅(qū)動(dòng)手指掌骨關(guān)節(jié)進(jìn)行屈曲/前伸動(dòng)作;2號(hào)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)作;3號(hào)電機(jī)驅(qū)動(dòng)手指進(jìn)行內(nèi)聚/外伸動(dòng)作。關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)和力，通過(guò)定位銷上纏繞的腱繩傳遞。具體驅(qū)動(dòng)過(guò)程是1號(hào)電機(jī)與2號(hào)電機(jī)的輸出軸上安裝有直齒圓柱小齒輪Z1，通過(guò)與大齒輪Z2的嚙合傳動(dòng)，將力傳遞給蝸桿Z3，而蝸桿又將動(dòng)力傳遞給了蝸輪Z4。在蝸輪軸上纏繞有傳遞運(yùn)動(dòng)的腱繩，而腱繩按照一定的次序纏繞在手指各個(gè)指節(jié)的關(guān)節(jié)處，最終將腱繩的運(yùn)動(dòng)傳遞給了指段上的三個(gè)關(guān)節(jié);同時(shí)當(dāng)關(guān)節(jié)停止運(yùn)動(dòng)或電機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)，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(dòng)上不可逆，使得關(guān)節(jié)停止運(yùn)動(dòng)或電機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)，手指關(guān)節(jié)屈曲/前伸的過(guò)程中具有自鎖性。而3號(hào)電機(jī)的輸出軸端安裝了一根螺桿，傳動(dòng)螺母與螺桿相配合，在傳動(dòng)螺母上下兩個(gè)端面分別安裝著控制手指?jìng)?cè)擺的兩根腱繩。由于螺紋傳動(dòng)也具有運(yùn)動(dòng)的不可逆性，使得手指在側(cè)擺時(shí)，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(dòng)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(dòng)效果。文獻(xiàn)［5-6］提及了關(guān)節(jié)全驅(qū)動(dòng)與關(guān)節(jié)順序驅(qū)動(dòng)兩種腱繩布置方案。其中，前者不能準(zhǔn)確得知各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)量，且不適于控制系統(tǒng)進(jìn)行量化的控制，同時(shí)這種方法縮小了手指的運(yùn)動(dòng)空間，而后者通過(guò)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(dòng)作，但與人手的真實(shí)動(dòng)作還有差距。實(shí)際中，人手近端關(guān)節(jié)與遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)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(hào)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)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(dòng)系統(tǒng)腱繩的張緊力;圖3c中的兩根腱繩由2號(hào)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用來(lái)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(shí)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(shí)調(diào)整腱繩的張緊力;圖3d中的兩根腱繩由3號(hào)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，用來(lái)控制手指的內(nèi)聚/外展。

腱繩配合定位銷的傳動(dòng)方式中，不能忽略腱繩在系統(tǒng)中的伸長(zhǎng)變化量，會(huì)因傳動(dòng)滯后而增大系統(tǒng)控制誤差。為此，使用張緊螺栓與兩個(gè)定位銷配合，組成三角形張緊機(jī)構(gòu)，如4所示。當(dāng)傳動(dòng)系統(tǒng)需要張緊時(shí)，只要擰動(dòng)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(cuò)動(dòng)，形成三角偏心，為腱繩傳動(dòng)系統(tǒng)施加一個(gè)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(dòng)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析

2.1 欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)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(gè)關(guān)節(jié)指定一個(gè)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(duì)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(gè)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(dòng)學(xué)正解是相鄰關(guān)節(jié)之間的4個(gè)變化矩陣的乘積。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解方程，通過(guò)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(dòng)空間示意圖Fig.6Working space schematic diagrum for singler joints

2.2 欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比為

傳動(dòng)比可以根據(jù)公式(2)可以計(jì)算出來(lái):

經(jīng)計(jì)算，蝸輪軸可提供的扭矩T4=8.82 N ·m。

傳動(dòng)系統(tǒng)用ADAMS對(duì)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，使用ADAMS對(duì)傳動(dòng)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(shí)間長(zhǎng)度為5 s。

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

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

由圖8可知，小齒輪在5 s時(shí)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(jì)算出，i14=v1/v4=59.85，與之前計(jì)算的傳動(dòng)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(duì)手指模型在ADAMS環(huán)境下進(jìn)行仿真，并通過(guò)在手指關(guān)節(jié)處設(shè)置扭矩傳感器，測(cè)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(kāi)始變化時(shí)，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(dòng)扭矩仿真結(jié)果Fig.9Simulation result of joint rotary torque

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，構(gòu)思設(shè)計(jì)了一種多自由度欠驅(qū)動(dòng)手指機(jī)械系統(tǒng)，對(duì)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(dòng)時(shí)的特點(diǎn)，建立了人手運(yùn)動(dòng)模型簡(jiǎn)圖;其次，設(shè)計(jì)出欠驅(qū)動(dòng)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(duì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)建模過(guò)程進(jìn)行了推導(dǎo)，使用ADAMS對(duì)手指基座的傳動(dòng)精度設(shè)計(jì)、關(guān)節(jié)的動(dòng)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(dòng)時(shí)承受較大的力矩，但在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)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(guó)，等.變抓取力的欠驅(qū)動(dòng)擬人機(jī)器人手［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，43(8):1143-1147.

［5］張習(xí)燁.欠驅(qū)動(dòng)五指靈巧手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制系統(tǒng)研究［D］.長(zhǎng)春:長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)，2014.

［6］唐新星，張習(xí)燁，白冰，等.欠驅(qū)動(dòng)五指機(jī)械手［P］.中國(guó)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(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20110061120033);

吉林省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(201115153);

國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201210190001)

唐新星(1975-)，男，長(zhǎng)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(jué)仿生研究。

實(shí)驗(yàn)研究