石季平

摘 要 仿生機(jī)械手由于其杰出的性能在工業(yè)、軍事、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，師法自然，從生物世界中優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)而獲取優(yōu)異的性能，促進(jìn)仿生學(xué)的大力發(fā)展。而對(duì)于動(dòng)力來源，液壓驅(qū)動(dòng)容易實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍較大，且在同等功率條件下體積小、重量輕，因此具備慣性小、動(dòng)作靈敏，可實(shí)現(xiàn)頻繁啟動(dòng)和換向的優(yōu)點(diǎn)。本文就結(jié)合這些特點(diǎn)介紹了這一種液壓驅(qū)動(dòng)型仿生機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮到機(jī)械手在實(shí)際應(yīng)用和設(shè)計(jì)當(dāng)中，常需要建立動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行建模仿真，因此也從拉格朗日法出發(fā)，從能量的觀點(diǎn)分析機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)問題，為之后設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化提供參考意見。

關(guān)鍵詞 仿生機(jī)械手， 液壓驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力學(xué)，拉格朗日

中圖分類號(hào) TH12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095-6363（2017）12-0063-02

近些年來，仿生學(xué)因其顯著的應(yīng)用而得到了廣泛的發(fā)展，并促進(jìn)了與之密切相關(guān)的仿生機(jī)械學(xué)的誕生和發(fā)展。機(jī)器人機(jī)構(gòu)在仿生機(jī)械領(lǐng)域中發(fā)展最快[1]，也是應(yīng)用最廣泛的仿生機(jī)構(gòu)。模仿各類動(dòng)物的行走﹑爬行的動(dòng)作，為移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與構(gòu)思提供了美好的前景。在這類仿生機(jī)構(gòu)中，仿生機(jī)械手具備力大無比，靈巧自如，能夠完成人們?nèi)粘Ｉ钪械墓ぷ鞯奶攸c(diǎn)，從而受到了廣泛關(guān)注與研究。

傳統(tǒng)的機(jī)械手臂大多行為呆板，很難做到與人一樣的動(dòng)作，操作起來不夠靈活，而且設(shè)計(jì)很多機(jī)械部件，比較復(fù)雜臃腫。而利用仿生原理制作出的仿生手臂，控制成熟穩(wěn)定[2]，裝有滑覺傳感器，抓取動(dòng)作簡單、自然。2007 年，英國的David設(shè)計(jì)出一款應(yīng)用于臨床康復(fù)的仿生手i-Limb（圖1所示），該假手有5個(gè)手指，每個(gè)手指有兩個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)手指由1個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)置于近指節(jié)內(nèi)。拇指增加了1個(gè)被動(dòng)自由度，用來矯正拇指的外展內(nèi)收以適應(yīng)不同的抓取模式。該假手外殼采用高強(qiáng)度塑料制成，重量輕、可靠性高。i-Limb假手是目前為數(shù)不多的商業(yè)化多自由度假手之一，但價(jià)格昂貴，制作成本較高，不適于工業(yè)用途。

為了使設(shè)計(jì)出的機(jī)械手能夠廣泛應(yīng)用于工業(yè)等領(lǐng)域，同時(shí)解決設(shè)計(jì)復(fù)雜等問題，本文設(shè)計(jì)出的基于液壓的仿生機(jī)械手，采用蜘蛛腿的原理來模擬手部關(guān)節(jié)的彎曲，利用液壓為手臂提供動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)比較靈活的動(dòng)作。同時(shí)，借助拉格朗日法[3]，從能量角度出發(fā)，對(duì)這種復(fù)雜的仿生機(jī)械手系統(tǒng)進(jìn)行模型簡化，建立其動(dòng)力學(xué)方程，進(jìn)而對(duì)其運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行仿真，同時(shí)為優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供參考。

1 液壓驅(qū)動(dòng)型仿生機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

液壓傳動(dòng)機(jī)械手是以液體壓力為主要?jiǎng)恿υ矗ㄟ^液壓裝置來驅(qū)動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，液壓傳動(dòng)能實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，調(diào)速范圍大、工作比較平穩(wěn)、重量較輕、體積較小?？刂蒲b置包括底層的單手指控制和上層的多指協(xié)調(diào)控制，底層采用plc進(jìn)行控制，上層為各種液壓電磁閥來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制的作用，相當(dāng)于本裝置中的大腦中樞，調(diào)節(jié)機(jī)械手的動(dòng)作；手腕處設(shè)有萬向節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)，相比較人的手腕，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍更大，前手臂設(shè)有主副液壓缸和一個(gè)旋轉(zhuǎn)拉桿，實(shí)現(xiàn)對(duì)手掌的控制；機(jī)械手臂伸縮和手指握緊動(dòng)作由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵從油箱中吸油，并將有壓力的油液送入管路推動(dòng)各油缸工作，實(shí)現(xiàn)伸縮和握緊的動(dòng)作；另外，每根手指具有3個(gè)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)由小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，關(guān)節(jié)可以進(jìn)行相應(yīng)方向的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)向相反方向時(shí)，關(guān)節(jié)也會(huì)進(jìn)行

調(diào)整。

該裝置主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、液壓傳動(dòng)裝置、控制裝置、舵機(jī)云臺(tái)和金屬骨架組成；其整體示意圖如圖2所示。前臂2為油缸桿和骨架組成，能實(shí)現(xiàn)伸縮動(dòng)作，肘部3下為前后臂支撐裝置，能實(shí)現(xiàn)上下伸展運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向架為最底部，能實(shí)現(xiàn)水平面的轉(zhuǎn)動(dòng)。手部1動(dòng)作由液壓缸驅(qū)動(dòng)，而液壓缸又由相應(yīng)的電磁閥控制。其中，上升/下降和左移/右移分別由雙線圈兩位電磁閥控制。下降電磁閥通電時(shí)，手部下降；下降電磁閥斷電時(shí)，手部下降停止。只有上升電磁閥通電時(shí)，手部才上升；上升電磁閥斷電時(shí)，手部上升停止。同樣，左移/右移分別由左移電磁閥和右移電磁閥控制。機(jī)械手的放松/夾緊由一個(gè)單線圈控制和手指關(guān)節(jié)處的單片機(jī)共同控制。手指的動(dòng)作由單片機(jī)控制，當(dāng)單片機(jī)給予舵機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，舵機(jī)進(jìn)行相應(yīng)角度的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手指關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而抓取或放下物品。主副油缸桿在每根手指的兩側(cè)，通過液壓電磁閥控制，兩端伸縮長度的不同，帶動(dòng)手指的橫向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)抓取動(dòng)作。旋轉(zhuǎn)拉桿在每個(gè)手指下面，準(zhǔn)確位置在關(guān)節(jié)三下面，具有兩級(jí)伸縮功能，能帶動(dòng)手指橫向合并和垂直面的轉(zhuǎn)動(dòng)。通過主副油缸桿、旋轉(zhuǎn)拉桿、舵機(jī)、伸縮轉(zhuǎn)動(dòng)的前臂和舵機(jī)云臺(tái)，能實(shí)現(xiàn)手指在三維空間的任意移動(dòng)，通過各零件的配合，實(shí)現(xiàn)抓取動(dòng)作。機(jī)械手的下部是個(gè)舵機(jī)云臺(tái)，主要由轉(zhuǎn)向架5和前后臂支撐裝置4組成；前后臂支撐裝置的后支撐臂可以繞轉(zhuǎn)向架轉(zhuǎn)動(dòng)，后支撐臂也可以在舵機(jī)驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，前支撐臂也在舵機(jī)作用下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 仿生機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)分析

機(jī)械手動(dòng)力學(xué)與加速度、負(fù)載、質(zhì)量以及慣量有關(guān)，主要討論驅(qū)動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力矩和臂桿運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系[4]。臂端承受一定的載荷，以規(guī)定的速度和加速度按指定的軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，確定各驅(qū)動(dòng)器為實(shí)現(xiàn)這種要求所需提供的驅(qū)動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力矩的大小便屬于動(dòng)力學(xué)的范疇。動(dòng)力學(xué)分析為實(shí)現(xiàn)所需要的運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)控制提供依據(jù)，也為通過機(jī)械設(shè)計(jì)的途徑來提高機(jī)械手的動(dòng)態(tài)特性提供依據(jù)。

機(jī)械手是一個(gè)非線性的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，動(dòng)力學(xué)問題求解比較困難，通常需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡化。而且針對(duì)不同的應(yīng)用目的，需要獲取不同的變量數(shù)據(jù)，如要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手的動(dòng)態(tài)控制，了解關(guān)節(jié)位置、速度與加速度是必須的；若要模擬機(jī)械手運(yùn)動(dòng)，則需要已知關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩。

本文采用拉格朗日法分析機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)問題，它基于能量進(jìn)行研究，不涉及約束力，直接建立主動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，在機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的分析上有明顯的優(yōu)勢。機(jī)械手系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù)L被定義為系統(tǒng)動(dòng)能K和位能P 之差，即

式中為慣性矩陣，為對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的離心力和哥氏力系數(shù)矩陣，為重力項(xiàng)矢量。

在關(guān)于該系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程建立好之后，通過數(shù)值求解，便可仿真出其運(yùn)動(dòng)路徑，對(duì)于這種仿生機(jī)械手設(shè)計(jì)的改善具有重要意義和幫助。

3 結(jié)論

仿生機(jī)械手是機(jī)械、力學(xué)、材料、仿生等多個(gè)學(xué)科交叉發(fā)展形成的具有深遠(yuǎn)意義的產(chǎn)物，在工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展，針對(duì)它的科學(xué)研究與方案設(shè)計(jì)具有重要價(jià)值。本文首先介紹了仿生機(jī)械手的發(fā)展歷程以及傳統(tǒng)機(jī)械手存在的諸多問題，之后提出液壓驅(qū)動(dòng)對(duì)于機(jī)械手設(shè)計(jì)的改進(jìn)，并介紹了一種基于液壓驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。最后借助拉格朗日方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究，建立起等效模型的動(dòng)力學(xué)方程，這為對(duì)于設(shè)計(jì)方案的仿真與優(yōu)化提供了重要參考。

參考文獻(xiàn)

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