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)。