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        基于欠驅(qū)動原理的多指靈巧手結(jié)構(gòu)設(shè)計及實驗研究*

        2021-01-22 02:59:54宋振東王玉娟何元一
        機電工程 2021年1期
        關(guān)鍵詞:多指鋼絲繩傳動

        宋振東,李 剛,武 桐,王玉娟,何元一

        (1.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院,廣東 深圳 518055;2.沈陽新松機器人自動化股份有限公司 中央研究院, 遼寧 沈陽 110169;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳) 實驗與創(chuàng)新實踐教育中心,廣東 深圳 518055)

        0 引 言

        多指靈巧手是一種具有多個手指、能夠完成各種復(fù)雜抓取動作的機械手裝置,在工業(yè)、國防、醫(yī)療康復(fù)等領(lǐng)域均具有十分廣泛的應(yīng)用前景。

        世界上最早的靈巧手是美國科學(xué)家TOMOVIC和BONI于1962年研制的Belgrade靈巧手,采用彈簧片進(jìn)行驅(qū)動,主要目的是替換士兵的傷殘手。Belgrade只能完成一些簡單的夾持操作[1]。真正意義上的多指靈巧手是1974年由日本科學(xué)家研制,被稱為Okada[2]。Okada具有3根手指和1個手掌。Okada采用電機作為驅(qū)動,利用鋼絲進(jìn)行傳動。Okada手指細(xì)長,其所能承擔(dān)的負(fù)載較小,且無法感知目標(biāo)物體的位姿,也不能自動控制夾持力。此后,國外科學(xué)家相繼研發(fā)了多種多指靈巧手,如美國麻省理工研發(fā)的Utah/MIT四指靈巧手[3,4]、美國斯坦福大學(xué)研發(fā)的Stanford/JPL三指靈巧手[5]等。這個階段的多指靈巧手在結(jié)構(gòu)方面有了巨大突破,具有多個自由度,也搭配了一些簡單的傳感器,但仍然不能動態(tài)感知抓取的目標(biāo)物體的位姿變化,在抓取力的控制上也比較粗糙。

        隨著電子技術(shù)及傳感技術(shù)的不斷發(fā)展,多指靈巧手隨后進(jìn)入到了一個新階段,如德國宇航中心研發(fā)的DLR四指靈巧手[6]、美國國家航空宇航局研發(fā)的Robonaut2五指靈巧手[7]、日本歧阜大學(xué)研發(fā)的Gifu系列多指靈巧手[8]、英國SHADOW公司研發(fā)的Shadow五指靈巧手[9]等。這個階段的多指靈巧手均具有多個自由度,并搭配了多種傳感器,可以完成許多復(fù)雜的抓取任務(wù)。其中,DLR是電機驅(qū)動的代表,SHADOW是氣動人工肌肉驅(qū)動的代表,Robonaut2是腱傳動驅(qū)動的代表。SHADOW一般用于實驗研究,只有DLR及Robonaut2具有真正的擬人特性用于應(yīng)用。由于這個時期的靈巧手機械結(jié)構(gòu)及傳感器技術(shù)比較成熟,問題主要集中在重量上[10]。

        我國對于多指靈巧手的相關(guān)研究起步較晚,且成果主要集中在高校及科研機構(gòu)。最早的國產(chǎn)多指靈巧手是由北京航空航天大學(xué)1993年研制的,這是一種三指靈巧手,稱BUAA-Ⅰ。北航后續(xù)相繼研發(fā)了BUAA-Ⅱ、BUAA-Ⅲ[11]。相比初代BUAA靈巧手,BUAA-Ⅱ、BUAA-Ⅲ具有更多的手指及自由度,功能也更加完善。另一具有代表性的國產(chǎn)多指靈巧手為哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的HIT Hand系列靈巧手,該系列靈巧手具有多個自由度,可以完成多種目標(biāo)物體的抓取[12-14]。這些靈巧手由于具有多個自由度,導(dǎo)致驅(qū)動源數(shù)量較多、機體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量較大;且由于安裝了多種昂貴的傳感器,導(dǎo)致成本居高不下,很難推廣和應(yīng)用,絕大多數(shù)還停留在實驗室階段[15]。

        目前,大多數(shù)已經(jīng)研制的靈巧手由于具有多個自由度,導(dǎo)致靈巧手結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,具有多個驅(qū)動源,然而復(fù)雜系統(tǒng)在增加靈巧性的同時,也增加了控制系統(tǒng)的難度。在抓取物體的過程中,靈巧手需要感知目標(biāo)物體與執(zhí)行器之間的作用力,而這種觸覺傳感器價格十分昂貴,直接影響多指靈巧手的應(yīng)用和推廣。另外,在抓取目標(biāo)物體的過程中,由于驅(qū)動手指的驅(qū)動電機不具備反向自鎖功能,絕大多數(shù)靈巧手處于一種動態(tài)監(jiān)測抓持力的循環(huán)中,系統(tǒng)中的電機持續(xù)運轉(zhuǎn),嚴(yán)重縮短了電機的使用壽命,提高了靈巧手維護(hù)和保養(yǎng)的成本等。

        針對以上問題,綜合分析現(xiàn)有多指靈巧手結(jié)構(gòu),基于自適應(yīng)抓取原理,本文提出一種具有欠驅(qū)動特性和自鎖特性的雙關(guān)節(jié)靈巧手手指結(jié)構(gòu)方案。

        1 多指靈巧手手指結(jié)構(gòu)設(shè)計

        目前,絕大多數(shù)靈巧手手指采用多驅(qū)動源、多自由度的設(shè)計方案,使得手指結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量較大。由于自由度較多,手指各關(guān)節(jié)無法實現(xiàn)反向自鎖,在執(zhí)行抓取任務(wù)時,關(guān)節(jié)電機需要處于使能狀態(tài),長時間運行導(dǎo)致電機發(fā)熱明顯。

        本文提出一種具有欠驅(qū)動特性和自鎖特性的的雙關(guān)節(jié)靈巧手手指結(jié)構(gòu)方案。該方案采用具有反向自鎖功能及大傳動比的蝸輪蝸桿機構(gòu)作為手指的主要傳動機構(gòu),搭配有刷伺服電機、齒輪傳動組及繩傳動組,實現(xiàn)雙關(guān)節(jié)手指的各項功能。

        手指結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

        圖1 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計

        圖1中,驅(qū)動電機通過轉(zhuǎn)動輸出軸,帶動軸端齒輪G1轉(zhuǎn)動,齒輪G1與齒輪G2嚙合,因此齒輪G2隨之轉(zhuǎn)動;齒輪G2同時與齒輪G3、G4嚙合;齒輪G3驅(qū)動蝸輪蝸桿傳動組W1,G4驅(qū)動蝸輪蝸桿傳動組W2,兩傳動組速比相同,為i4。

        由于W1中蝸輪與指節(jié)固連,其旋轉(zhuǎn)角速度ω1為:

        ω1=ω0i1i2i4

        (1)

        式中:ω0—齒輪G1轉(zhuǎn)速;i1—齒輪G1與齒輪G2傳動比;i2—齒輪G2與齒輪G3傳動比;i3—齒輪G2與齒輪G4傳動比。

        由于W2中蝸輪通過轉(zhuǎn)動帶動鋼絲繩運動,從而實現(xiàn)對末端關(guān)節(jié)的驅(qū)動,其傳動比為i5。因此,末端關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角速度ω2為:

        ω2=ω0i1i3i4i5

        (2)

        式中:i4—蝸桿傳動組W1及W2傳動比;i5—鋼絲繩傳動比。

        因此,手指指根關(guān)節(jié)與末端關(guān)節(jié)的運動耦合關(guān)系為:

        ω1/ω2=i2/(i3i5)

        (3)

        在手指結(jié)構(gòu)中,i2=0.52,i3=0.62,i5=1.11,因此ω1/ω2=1/1.326。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計原理,本文設(shè)計的靈巧手手指指根關(guān)節(jié)運動范圍為0°~140°,末端關(guān)節(jié)運動范圍為0°~45°。

        為了能夠使靈巧手對不規(guī)則形狀的目標(biāo)物體進(jìn)行自適應(yīng)抓取,本文對靈巧手手指結(jié)構(gòu)進(jìn)行了欠驅(qū)動設(shè)計。在抓取過程中,手指的指根部分首先接觸物體,此時驅(qū)動電機輸出扭矩上升,繼續(xù)驅(qū)動指根關(guān)節(jié)及末端關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。由于齒輪與齒輪軸是采用螺紋進(jìn)行固定的,蝶形彈簧對齒輪施加推力,使齒輪中心內(nèi)螺紋與齒輪軸表面外螺紋之間產(chǎn)生足夠的摩擦力。當(dāng)扭矩達(dá)到碟形彈簧的預(yù)壓扭矩后,齒輪中心內(nèi)螺紋與齒輪軸表面的外螺紋之間的壓力降為零,齒輪將會脫出,則電機會繼續(xù)帶動末端指節(jié)進(jìn)行轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)手指欠驅(qū)動設(shè)計。這種情況可以確保靈巧手對不規(guī)則形狀進(jìn)行適應(yīng)性抓取。

        手指末端關(guān)節(jié)采用腱傳動方式,通過位于指根處的末端驅(qū)動蝸輪帶動鋼絲繩運動,鋼絲繩帶動末端關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。筆者在指節(jié)內(nèi)部設(shè)計鋼絲繩張緊機構(gòu),保證鋼絲繩具有足夠的剛度。對于靈巧手手指末端,常用的傳動結(jié)構(gòu)還有齒輪傳動、帶傳動、連桿傳動等方式。然而,齒輪傳動在狹小空間內(nèi)布局困難,設(shè)計復(fù)雜;帶傳動剛度太差,不利于運動精度的實現(xiàn);連桿傳動的缺點在于不能準(zhǔn)確地控制其傳動比,難于實現(xiàn)精確控制。相比之下,采用鋼絲繩傳動的方式,具有空間小、剛度大、傳動比恒定的特點,易于實現(xiàn)精確控制。

        腱傳動方案中,鋼絲繩采用7×7規(guī)格的鋼絲繩,鋼絲繩直徑0.5 mm。對于需要更大復(fù)雜的多指靈巧手,可以采用直徑更大的鋼絲作為傳動鋼絲。

        由于鋼絲直徑變大,導(dǎo)致鋼絲具有更大剛度,此時需要張緊機構(gòu)具有更大的張緊力,為此,本文提出了具有較大張緊力的腱傳動結(jié)構(gòu)方案。

        低載版及高載版腱傳動機構(gòu)如圖2所示。

        圖2 腱傳動結(jié)構(gòu)方案

        高載版腱傳動機構(gòu)中,主動端通過鎖緊在鋼絲繩上的金屬卡扣,卡在主動輪(蝸輪)卡槽內(nèi)。被動端鋼絲繩穿過安裝孔,通過鎖緊螺絲及銅柱壓緊。該結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)鋼絲繩的快速安裝且固定可靠。張緊機構(gòu)為連桿結(jié)構(gòu),利用曲柄滑塊原理,可調(diào)節(jié)鋼絲繩支撐角的大小,從而實現(xiàn)鋼絲繩的連續(xù)張緊。

        由于本文設(shè)計的靈巧手指主要采用了蝸輪蝸桿傳動、齒輪傳動及腱傳動,由該手指組成的多指靈巧手傳動效率主要受以上3種傳動機構(gòu)的效率影響。

        其中,齒輪傳動為兩級圓柱齒輪傳動,其效率η1約為:

        η1=0.95×0.95=0.902 5

        (4)

        腱傳動的效率η2約為0.96。對于蝸輪蝸桿傳動,蝸桿切向力Ft1為:

        Ft1=2 000T/d1

        (5)

        式中:T—周向扭矩;d1—渦桿分度圓直徑。

        渦輪切向力Ft2為:

        (6)

        蝸輪蝸桿的傳動效率η3為:

        (7)

        根據(jù)以上計算結(jié)果,手指的傳動效率η為:

        η=η1η2η3=0.295

        (8)

        系統(tǒng)總傳動比i為:

        i=i1i2i3i4=2.17×1.615×50×0.9=157.7

        (9)

        式中:i1—齒輪組1傳動比;i2—齒輪組2傳動比;i3—渦輪蝸桿傳動比;i4—鋼絲傳動比。

        因此,手指末端輸出扭矩T為:

        T=T1iη

        (10)

        式中:T1—電機輸出扭矩。

        2 多指靈巧手構(gòu)型設(shè)計

        2.1 二指靈巧手結(jié)構(gòu)設(shè)計

        二指靈巧手由兩個相對布置的模塊化手指及手腕組成,兩個手指獨立驅(qū)動。與全驅(qū)動的靈巧手結(jié)構(gòu)不同,本文設(shè)計的靈巧手指由于進(jìn)行了欠驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)計,手指具有欠驅(qū)動的運動特性,不但可以對不同形狀的目標(biāo)物體進(jìn)行自適應(yīng)抓取,而且具有更好的魯棒性,手指結(jié)構(gòu)及運動被干擾的程度大大降低。

        二指靈巧手結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

        圖3 二指靈巧手結(jié)構(gòu)模型

        圖3中,全手共具有4個關(guān)節(jié),其中2個主動關(guān)節(jié)1、2,2個被動關(guān)節(jié)1、2。對于手指而言,主動關(guān)節(jié)與被動關(guān)節(jié)通過耦合機構(gòu),可以按照一定的角度關(guān)系進(jìn)行運動。

        2.2 三指靈巧手結(jié)構(gòu)設(shè)計

        2.2.1 靈巧手主體結(jié)構(gòu)設(shè)計

        在滿足抓取和細(xì)微前提下,手指數(shù)目應(yīng)盡可能取最小值。而三指靈巧手則可以完成大多數(shù)的抓取任務(wù)。該三指靈巧手的結(jié)構(gòu)采用一種特殊構(gòu)型,即一個固定手指、兩個旋轉(zhuǎn)手指。旋轉(zhuǎn)手指可同步轉(zhuǎn)動180°,從而實現(xiàn)多種抓取動作。

        三指靈巧手全手由3根手指及手腕構(gòu)成,共具有4個自由度。手指采用本文的靈巧手手指方案,并對腱張緊機構(gòu)和安裝機構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

        三指靈巧手結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

        圖4 三指靈巧手結(jié)構(gòu)模型

        2.2.2 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計

        相對于二指靈巧手,三指靈巧手增加了手腕結(jié)構(gòu),由伺服電機進(jìn)行驅(qū)動。為保證兩個手指轉(zhuǎn)動的同步性,筆者采用了一組耦合齒輪作為同步傳動機構(gòu)。

        三指靈巧手傳動機構(gòu)如圖5所示。

        圖5 三指靈巧手傳動結(jié)構(gòu)

        圖5中,當(dāng)手指處于不同的運動狀態(tài)及姿態(tài)時,手腕電機的負(fù)載會產(chǎn)生較大的變化。為了確定手腕運動的響應(yīng)速度和運動精度,筆者對手腕關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行計算。

        各軸慣量轉(zhuǎn)換至電機軸的當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量J為:

        (11)

        式中:Ji′(i=2,3,…,8)—第i軸對電機軸的當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量。

        (12)

        式中:Ji(i=2,3,…,8)—第i軸轉(zhuǎn)動慣量;ωi(i=1,2,…,8)—第i軸轉(zhuǎn)速。

        同理,可對手指進(jìn)行轉(zhuǎn)動慣量計算,得到手指當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量為J′。

        2.3 五指靈巧手結(jié)構(gòu)設(shè)計

        五指靈巧手結(jié)構(gòu)與人類手部結(jié)構(gòu)相似,其手指結(jié)構(gòu)應(yīng)具有3個關(guān)節(jié)及3段手指。除手腕結(jié)構(gòu)外,五指靈巧手增加了手掌結(jié)構(gòu)。

        2.3.1 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計

        手指整體采用模塊化設(shè)計,根部關(guān)節(jié)為主動關(guān)節(jié),其余關(guān)節(jié)通過交叉連桿機構(gòu)實現(xiàn)耦合運動,其機構(gòu)簡圖及手指仿生設(shè)計如圖6所示。

        圖6 手指機構(gòu)簡圖

        筆者根據(jù)圖6對手指進(jìn)行仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計。其中,指尖段指節(jié)長度27.3 mm,直徑15.2 mm,中間段指節(jié)長度30 mm,直徑17.7 mm,指根段長度50 mm,直徑19.6 mm;指根部關(guān)節(jié)通過無刷電機帶動梯形絲杠旋轉(zhuǎn),梯形絲杠螺母帶動傳動連桿運動,傳動連桿為手指運動提供輸入扭矩T;根據(jù)手指各部位幾何關(guān)系,筆者建立手指各關(guān)節(jié)及指節(jié)長度的數(shù)學(xué)模型,對手指進(jìn)行運動分析。

        根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型,筆者得到手指彎曲過程中,指尖速度、電機驅(qū)動力隨時間變化規(guī)律,如圖7所示。

        圖7 指尖速度及電機驅(qū)動力隨時間變化曲線

        2.3.2 拇指及五指靈巧手結(jié)構(gòu)設(shè)計

        拇指結(jié)構(gòu)采用一級交叉連桿機構(gòu),實現(xiàn)末端指節(jié)的運動耦合;旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)采用蝸輪蝸桿的傳動方式,拇指指尖段指節(jié)長度39.6 mm,直徑24.6 mm,指根段指節(jié)長度48.5 mm,直徑29.6 mm,拇指可抬起最大角度52.6°。

        五指靈巧手具有6個自由度,采用伺服電機驅(qū)動,手指采用模塊化設(shè)計,通過交叉連桿機構(gòu)實現(xiàn)運動耦合,如圖8所示。

        圖8 拇指及五指靈巧手結(jié)構(gòu)模型

        根據(jù)五指靈巧手結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系,各手指關(guān)節(jié)運動范圍如表1所示。

        表1 各手指關(guān)節(jié)運動范圍

        3 多指靈巧手傳感器設(shè)計

        筆者在指尖安放觸覺傳感器,并在手指內(nèi)部安置力矩傳感器,以此來判斷多指靈巧手的夾持狀態(tài);同時,在指根關(guān)節(jié)處布置絕對位置傳感器,以實現(xiàn)精確位置控制。

        根據(jù)所設(shè)計的多指靈巧手結(jié)構(gòu),筆者設(shè)計了與其配合使用的高靈敏度、低成本一維雙向力傳感器及觸覺傳感器。

        3.1 一維雙向力傳感器

        基于應(yīng)變原理,筆者以本文設(shè)計的張緊機構(gòu)的懸臂梁為彈性體,采用半橋貼片的方法,通過應(yīng)變的變化,間接測量指尖輸出力矩。

        橋電路輸出電壓e為:

        (13)

        式中:ε—應(yīng)變;E—供電電壓;K—應(yīng)變系數(shù)。

        由于是間接測力機構(gòu),需首先對機構(gòu)進(jìn)行受力分析。

        傳感器結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系如圖9所示。

        圖9 傳感器結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系

        當(dāng)末端指節(jié)受力時鋼絲繩拉力增加,鋼絲繩按壓張緊機構(gòu),彈性體發(fā)生變形產(chǎn)生應(yīng)變。

        筆者根據(jù)幾何關(guān)系,對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計算:

        (14)

        (15)

        (16)

        (17)

        (18)

        D=11+2×12cosθ

        (19)

        (20)

        式(14~20)中,各變量為具有幾何意義的變量,均在圖9中進(jìn)行標(biāo)注。

        指尖受載時鋼絲繩上的拉力變化ΔF為:

        (21)

        式中:T—鋼絲繩扭矩。

        緊邊鋼絲繩拉力F1及松邊鋼絲拉力F2分別為:

        F1=F0+ΔF

        (22)

        式中:F0—鋼絲繩預(yù)緊力。

        F2=F0-ΔF

        (23)

        作用在傳感器上的合力∑F為:

        (24)

        傳感器應(yīng)變ε為:

        (25)

        傳感器輸出信號e與指尖扭矩T和張緊寬度D的關(guān)系為:

        e=ρTD

        (26)

        式中:ρ—力矩傳感器常數(shù);T—指尖扭矩;D—張緊寬度。

        根據(jù)設(shè)計參數(shù),當(dāng)∑F=12 N時,應(yīng)變ε為:

        ε=1.9×10-3

        (27)

        筆者對彈性體進(jìn)行有限元分析,驗證計算的準(zhǔn)確性。彈性體應(yīng)變云圖如圖10所示。

        圖10 彈性體應(yīng)變云圖

        由此可知,在測量處應(yīng)變約為1.65×10-3,仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果雖然存在一定的偏差,但誤差較小,在可接受范圍內(nèi)。因此,可以說明傳感器的理論設(shè)計是正確的。

        3.2 觸覺傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

        觸覺傳感器由彈性元件和金屬箔應(yīng)變片組成,彈性體結(jié)構(gòu)上包含3個彈性臂,如圖11所示。

        圖11 觸覺傳感器彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計

        筆者在應(yīng)力集中處貼應(yīng)變片,對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真。當(dāng)指尖抓取目標(biāo)物體時,3個應(yīng)變片會采集彈性臂相應(yīng)的應(yīng)變數(shù)值。如果被抓物體發(fā)生滑移,3個應(yīng)變片采集到的數(shù)據(jù)會產(chǎn)生不規(guī)則變化,則此時能夠判斷物體未抓牢,通過調(diào)整抓取力的大小,即可完成抓取任務(wù)。

        觸覺傳感器通過力矩變化來判斷物體是否滑移,對于能夠產(chǎn)生力矩變化的物體,有兩種情況發(fā)生:(1)被抓物體位姿變化引起的力矩變化,此時目標(biāo)物體未發(fā)生滑移。在這種情況發(fā)生下,目標(biāo)物體因為受力點的位置不變,力發(fā)生了改變。假設(shè)物體之前受力為F,變化后的力為F1,變化角度為β,則F1=F(β),3個應(yīng)變片的變化規(guī)律具有一致性;(2)被抓物體發(fā)生滑移引起的力矩變化,這種情況下,應(yīng)變片信號呈現(xiàn)出不一致性。

        筆者在指尖相同位置分別加載力20 N、30 N、40 N、50 N,模擬目標(biāo)物體未發(fā)生滑移情況,對彈性體進(jìn)行應(yīng)變仿真分析。

        未產(chǎn)生滑移時彈性體應(yīng)變云圖如圖12所示。

        圖12 未產(chǎn)生滑移時彈性體應(yīng)變云圖

        通過仿真結(jié)果可知,其對應(yīng)最大應(yīng)變分別為:2.648 e-004,3.972e-004,5.296e-004,6.620e-004。分析其結(jié)果可知:

        (28)

        由仿真結(jié)果和以上計算即可驗證情況(1)。當(dāng)應(yīng)變片采集到的信號表現(xiàn)出非一致性時,此時可以判斷目標(biāo)物體產(chǎn)生了滑移。

        在之間不同位置施加25 N載荷,模擬目標(biāo)物體產(chǎn)生滑移的情況,進(jìn)行應(yīng)變仿真分析。

        產(chǎn)生滑移時彈性體應(yīng)變云圖如圖13所示。

        圖13 產(chǎn)生滑移時彈性體應(yīng)變云圖

        由仿真結(jié)果可知,發(fā)生滑移狀態(tài)時,各應(yīng)變片信號呈現(xiàn)非規(guī)律性變化。因此,在抓取操作時,當(dāng)出現(xiàn)該情況,說明物體未抓牢,需要增加抓取力。

        4 實驗及結(jié)果分析

        4.1 腱傳動穩(wěn)定性實驗

        多指靈巧手腱傳動穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在其承載能力上,其穩(wěn)定性主要由卡扣與鋼絲繩的結(jié)合強度、鋼絲繩端鎖緊強度決定。工作時,腱傳動機構(gòu)承受單向的間歇負(fù)載或者長時間靜載。

        因此,筆者對腱傳動機構(gòu)分別在靜載和間歇負(fù)載兩種情況下進(jìn)行測試??弁ㄟ^永久變形的方式與鋼絲繩結(jié)合,鋼絲末端完全鎖死。實驗時,分別對5臺腱傳動機構(gòu)樣機進(jìn)行加載,鎖緊繩頭處用記號筆標(biāo)記,記為初始位置,對末端加載2.5 kg負(fù)載,保持靜置17 h,17 h后卸載,記錄繩頭移動量。重新加載,反復(fù)進(jìn)行20組實驗。

        其中,前8組繩頭移動量實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

        表2 繩頭移動量

        由表2可知,在40組實驗中,只有2次實驗繩頭發(fā)生了移動,這是由于在反復(fù)加載過程中,操作人員操作產(chǎn)生振動,導(dǎo)致固定螺釘松動,經(jīng)實驗人員再次緊固并涂抹螺紋緊固膠后,這種現(xiàn)象再未出現(xiàn)。

        實驗結(jié)果表明,在該負(fù)載下鎖緊結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定、可靠、安全的。動載荷與靜載荷對腱傳動機構(gòu)的影響是不同的,因此筆者對5臺腱傳動機構(gòu)樣機進(jìn)行循環(huán)載荷實驗。

        動載荷變化范圍為25 N~36 N,循環(huán)加載100次。前8組實驗記錄如表3所示。

        根據(jù)表3可以發(fā)現(xiàn),繩頭處標(biāo)記均未發(fā)生竄動,并且鋼絲繩與傳動輪結(jié)合處未出現(xiàn)斷裂或者磨損??梢?,該裝置具有足夠的穩(wěn)定性及安全性。

        表3 繩頭移動量

        通過以上實驗可以證明,腱傳動結(jié)構(gòu)在一定的負(fù)載范圍內(nèi)具有較好的穩(wěn)定性和可靠性。

        4.2 一維力矩傳感器實驗

        一維力矩傳感器作為一個重要的測量部件,其信號與末端負(fù)載的規(guī)律性非常重要。理論上,由力矩傳感器的設(shè)計可知,橋電路輸出電壓e與末端負(fù)載T、支撐距離有關(guān)D具有一定的相關(guān)性。當(dāng)支撐距離D不變時,輸出電壓e與末端負(fù)載T成線性關(guān)系。

        以下通過實驗來驗證這一規(guī)律。在支撐距離為1 mm、1.5 mm、2 mm的情況下,在輸出末端依次施加1 N~30 N負(fù)載(力臂不變),間隔1 N,對相同支撐距離、相同負(fù)載情況下的輸出電壓重復(fù)進(jìn)行實驗5次,然后求得5次輸出電壓均值,繪制輸出電壓-負(fù)載曲線。

        輸出電壓-負(fù)載曲線如圖14所示。

        圖14 一維力傳感器實驗

        由圖14可知,在D保持不變的情況下,輸出電壓e與負(fù)載T基本呈線性相關(guān)。

        4.3 傳動效率實驗

        給5組機械手指分別施加0.01 N·m,0.015 N·m,0.02 N·m,0.025 N·m,0.03 N·m的輸入扭矩,記錄每臺樣機的輸出扭矩,并對同一輸入扭矩下測得的5組輸出扭矩進(jìn)行求均值操作。

        實際輸出效率η為:

        (29)

        式中:T—輸出扭矩;T0—輸入扭矩;i—總傳動比。

        實驗記錄如表4所示。

        表4 實驗記錄

        表4中,平均傳動效率約為32.63%,與理論計算較為接近,從而驗證了理論計算的正確性。

        4.4 運動精度實驗

        靈巧手手指末端的重復(fù)定位精度,主要受末端編碼器精度、響應(yīng)速度、運動規(guī)劃等影響。筆者設(shè)置末端編碼器線數(shù)為4 096,電機編碼器線數(shù)為2 048,二者的運動關(guān)系為1 ∶80,電機到末端的減速比157.7 ∶1。

        電機轉(zhuǎn)速和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速的關(guān)系如表5所示。

        表5 電機轉(zhuǎn)速與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速關(guān)系

        在電機空載下,以表5速度開始停機到完全停止,記錄關(guān)節(jié)走過的角度。

        關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角如表6所示。

        表6 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角

        通過選取數(shù)據(jù)擬合,得到關(guān)系式如下:

        F(x)=-1.221 5x3×10-10+1.471 2x2× 10-6-1.601 5x×10-3+0.484 1

        (30)

        式中:x—電機轉(zhuǎn)速。

        根據(jù)以上數(shù)據(jù),為保證夾爪有0.1°的控制精度,筆者對運動進(jìn)行控制規(guī)劃,控制規(guī)劃曲線如圖15所示。

        圖15 控制規(guī)劃曲線 t1—加速階段,電機以最大加速度達(dá)到設(shè)定速度所需時間;t2—定速階段,電機以設(shè)定速度持續(xù)運動時間;t3—減速階段,接近目標(biāo)點電機以恒定加速度開始減速運動時間;t4—低速階段,電機以最低速度向目標(biāo)靠攏運動時間;t5—停止階段,電機從收到停止指令到完全停止耗費時間;ω0—設(shè)定速度

        進(jìn)入低速運行階段,電機500 r/min速度對應(yīng)關(guān)節(jié)速度0.017 1 °/ms,如控制周期為5 ms,則相當(dāng)于0.086 °/周期,即滿足最小0.1°的精度要求,筆者對3根手指樣機分別進(jìn)行重復(fù)定位精度實驗。

        運動精度實驗結(jié)果如圖16所示。

        圖16 運動精度實驗

        筆者對3組實驗結(jié)果進(jìn)行計算,指尖的實際平均位置偏差為-0.26 mm,等效為±0.13 mm;力臂長度為110 mm,換算成指根角度偏差為:

        (31)

        實驗結(jié)果表明,本文采用的控制規(guī)劃方法是正確的。

        4.5 穩(wěn)定抓取實驗

        為驗證該三指靈巧手的穩(wěn)定性,本文進(jìn)行了穩(wěn)定抓取實驗。實驗中分別對長方體、球體、不規(guī)則圓柱體等進(jìn)行了穩(wěn)固抓取,每種目標(biāo)物體抓取10次。

        穩(wěn)定抓取實驗如圖17所示。

        圖17 穩(wěn)定抓取實驗

        在30組實驗中,只有2次抓取不規(guī)則圓柱體失敗,這是因為不規(guī)則圓柱體物體采用空塑料瓶作為目標(biāo),自重較輕,在抓取時,靈巧手觸碰目標(biāo),導(dǎo)致不規(guī)則圓柱體倒下,抓取失??;之后實驗在不規(guī)則圓柱體中充滿純凈水用以增加重量,其余抓取均成功。

        實驗結(jié)果表明,機械手分別以平行方式抓取長方體木塊,以對心方式抓取球體,以握持和包絡(luò)方式抓取不規(guī)則圓柱體,抓取穩(wěn)定。

        5 結(jié)束語

        本文提出了一種多指靈巧手手指結(jié)構(gòu)設(shè)計方案;通過設(shè)計具有不同承載能力的腱傳動機構(gòu)及張緊機構(gòu),實現(xiàn)了靈巧手手指的快速設(shè)計;提出了二指、三指及五指靈巧手的構(gòu)型設(shè)計方案,實現(xiàn)了多靈巧手系列化設(shè)計;專用的高靈敏度、低成本一維力傳感器及觸覺傳感器,在保證抓取效果的同時,降低了傳感器成本。

        相關(guān)實驗結(jié)果表明,本文設(shè)計的腱傳動機構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性,手指結(jié)構(gòu)具有較好的運動性能;傳感器具有較高的靈敏度和較好的一致性,三指靈巧手可以完成不同形狀物體的抓取任務(wù)。

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