姚興田 王旭光 張 磊 李紅兵 戴麗娟 陸 觀

(1.南通大學機械工程學院， 南通 226019； 2.上海交通大學儀器科學與工程系， 上海 200240)

0 引言

多年來國內(nèi)外學者對機器人手爪進行了深入研究和設計。MARTIN等[1]設計的仿人靈巧手擁有20個自由度。PALLI等[2]的設計可實現(xiàn)仿人抓取動作。哈爾濱工業(yè)大學與德國宇航局合作研發(fā)了四指HIT/DLR-I[3]和五指HIT/DLR-Ⅱ[4]機器人手爪。HIT/DLR-Ⅱ機器人手爪將所有的電機、減速器、傳動系統(tǒng)、驅(qū)動電路和傳感器集成到手掌大小的系統(tǒng)中，每根手指都有4個關節(jié)及3個自由度，達到高度仿人手的效果。但這些仿人手爪存在指端夾緊力弱的問題，因此研究者開發(fā)了與人相似的肌肉驅(qū)動，或稱腱傳動，來增強夾緊力。如英國公司Shadow Robot研發(fā)的仿人手爪Shadow hands[5]采用與人相似的肌肉驅(qū)動，使用鋼絲繩驅(qū)動手指，鋼絲繩通過手腕引出連接在外部執(zhí)行機構(gòu)上。劉菲等[6]設計的四指靈巧手采用腱傳動，能以節(jié)省空間的方式驅(qū)動手指。XIONG等[7]設計的高度仿人靈巧手采用滑輪組與腱傳動的方式，增加了驅(qū)動力。XIA等[8]設計的仿人靈巧手采用與文獻[7]類似的滑輪組與腱傳動方式，并測試了驅(qū)動力，獲得了較強的抓取力。然而，仿人靈巧手存在結(jié)構(gòu)復雜、實現(xiàn)困難、造價高等問題，難以推廣應用。腱傳動雖能更好地模擬人手功能[9]，使指端作用力有所增強，但由于腱大多采用鋼絲繩，在剛性連接下，時間長容易松動，需要定期更換，其拆裝過程繁瑣。因此需要設法對腱傳動進行改進。

另一類機器人手爪從簡化結(jié)構(gòu)、注重實用的角度出發(fā)，不追求過于仿人外形。如Robotiq公司研制的連桿驅(qū)動的三指手爪，其結(jié)構(gòu)緊湊、簡單，獨特的連桿驅(qū)動結(jié)構(gòu)使其在抓取物體時具有較強的適應能力[10-11]，簡單而有效的設計具有很高的參考價值。其缺點是仿人化程度降低，限制了手爪的仿人行為，高度的欠驅(qū)動雖提高了適應外形的能力，但也限制了控制的獨立性和精準度。文獻[12-13]設計了一種變約束連桿機構(gòu)，其特點接近Robotiq手爪。SAINUL等[14]采用腱傳動設計三指手爪，簡化了結(jié)構(gòu)，但指端作用力未進行驗證。張磊等[15]設計了一種三指機器人手爪，每根手指具有3個關節(jié)，指根關節(jié)與指中節(jié)關節(jié)采用鋼絲繩耦合傳動實現(xiàn)欠驅(qū)動，指尖由電機單獨驅(qū)動，因此使控制的獨立性有所提高，抓取適應性也有所增強。然而指尖驅(qū)動電機過小，使抓取力偏弱。文獻[16]設計的三指手爪雖結(jié)構(gòu)簡化，但未以實驗驗證抓取特性。

傳統(tǒng)的手爪多為剛性連接，存在對定位偏差敏感、易損壞目標物等缺點，與人手操作目標物表現(xiàn)的柔性接觸差距較大。因此近些年柔性或軟體機器人手爪悄然興起。文獻[17-18]設計的柔性手爪較好地避免了對農(nóng)作物的損壞。LEE等[19]采用3D打印聚合物復合材料設計了一種軟體三指手爪，該手爪使用腱傳動和欠驅(qū)動的方式驅(qū)動手指，可以較好地適應目標物的外形。VENKATESA等[20]基于類似前者的思想設計了軟體三指手爪，該手爪適應目標物外形的性能較好，但未進行抓取力測試實驗。LI 等[21]設計了帶有硬骨架的柔性手爪，其手指表面貼上軟體材料，采用腱傳動和欠驅(qū)動方式，該手爪不僅仿人抓取效果較好，也有較強的抓取力。ZHOU等[22]針對軟體手爪抓取力偏弱的問題，采用氣動驅(qū)動設計了軟體手爪，抓取力雖得以加強，但氣動驅(qū)動存在控制不準確的問題。KIM等[23]設計的帶軟接觸面的手爪采用連桿傳動方式，在驅(qū)動力增強的同時，能夠?qū)⒛笞タ刂频帽容^準確。

本文基于連桿機構(gòu)、腱傳動以及彈性機構(gòu)，設計一種剛?cè)岵娜嵝匀笝C器人手爪，手爪每根手指的指尖、指中節(jié)采用滑塊搖桿機構(gòu)實現(xiàn)，手指尖、指根運動由驅(qū)動源通過彈簧帶動，以期實現(xiàn)柔性，由剛性元件提供更大的夾緊力，以達到剛?cè)岵男Ч?/p>

1 手指設計原理與結(jié)構(gòu)

五指機器人手爪雖仿人程度高，但設計制造困難、成本高。另一方面，在工業(yè)領域，因結(jié)構(gòu)化程度高，物件形狀單一，一些機械手常采用兩根手指完成夾取[24]。但對一些形狀不規(guī)則的物體，兩指難以使物體獲得力平衡，即便能夠夾取，可靠性較差。MARKENSCOFF等[25]驗證了考慮摩擦時三指是二維力封閉的充分條件，很多鳥類也是采用三指抓取結(jié)構(gòu)。

1.1 手指設計原理

從簡化結(jié)構(gòu)的角度，設計的機器人手爪由3根手指組成，手指基本構(gòu)造與運動原理如圖1所示。其中桿件1為指尖、桿件2為指中節(jié)、桿件3為指根。指尖與指中節(jié)可由指根上的滑塊帶動，桿件1、桿件2、桿件3與滑塊構(gòu)成滑塊搖桿機構(gòu)，如圖1a所示。因此滑塊可驅(qū)動指尖、指中節(jié)同時運動形成手指夾取或包絡運動。桿件3作為指根可以繞關節(jié)2單獨來回擺動，如圖1b所示，指根采用腱傳動方式，指根舵機通過腱傳動帶動指根收縮動作。

為使手指具有柔性，給桿件2處和腱傳動增加了彈簧，即拉簧2與相關鋼絲繩扮演了“腱”，如圖2所示。指根后部裝有拉簧可使指根回位。主動輪順時針轉(zhuǎn)動，通過腱帶動從動輪逆時針轉(zhuǎn)動，桿件3進行收縮動作。主動輪反轉(zhuǎn)，拉簧3拉動桿件3，桿件3恢復到初始狀態(tài)。彈簧的設計保證了手指接觸的柔性。

1.2 手指結(jié)構(gòu)

提出的三指機器人手爪采用模塊化設計，3根手指相同，此處以單個手指為例。

根據(jù)圖2中指尖柔性的實現(xiàn)原理，在指中節(jié)上設有滑槽，在指中節(jié)中布置拉簧。指尖在無外力作用下處于收縮狀態(tài)；指尖受接觸外力時，將使指尖軸在滑槽范圍內(nèi)往左滑動使指尖張開，如圖3所示。為避免拉簧1過硬而減小柔性效果，指尖運動相關的拉簧1設計得較軟，主要起到使指尖柔和接觸目標物的作用，不提供較大的夾緊力。即當指尖接觸目標物使得指尖張開時，拉簧1拉開，因拉簧1較軟，指尖凸塊易滑至滑槽最遠端，指中節(jié)才對指尖剛性拉動，提供較大的驅(qū)動力。類似人類接觸目標物時，由皮肉先軟接觸目標物，但夾緊還是主要靠骨頭的道理，達到剛?cè)岵男Ч?/p>

為增大指中節(jié)與被抓物體的接觸面積，在指中節(jié)上設有擴展板，擴展板也有微小的轉(zhuǎn)動角，使其能夠更好適應物體外形。其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。指尖上裝有指尖帽，指尖帽為可拆卸軟質(zhì)材料，可以通過改變指尖帽的形狀使其更好適應被抓物體表面。在指根內(nèi)安裝絲杠電機，絲杠上安裝滑塊，其作用相當于滑塊搖桿機構(gòu)中的滑塊，絲桿電機為其提供動力。

為實現(xiàn)圖2所示的指根腱傳動和彈簧柔性驅(qū)動，有關結(jié)構(gòu)設計如圖4所示。設計手指基座，其中舵機通過鋼絲繩及拉簧2驅(qū)動指根運動，鋼絲繩與拉簧2相當于腱。采用鋼絲繩繞在傳動輪上能夠更好地傳遞旋轉(zhuǎn)運動，采用拉簧作為驅(qū)動結(jié)構(gòu)的一部分，既能夠作為吸能和緩沖結(jié)構(gòu)，亦可以防止舵機堵轉(zhuǎn)燒毀。指根與基座采用拉簧3為指根提供回復力。舵機正向旋轉(zhuǎn)帶動指根收縮，手指進行收攏抓取動作，舵機反向旋轉(zhuǎn)由拉簧3提供反向力，指根回復至初始位置。可以通過改變安裝距離來改變拉簧3預緊力。有關手指完整三維圖如圖5所示。手指尖與指中節(jié)都有平的表面可方便粘貼觸覺傳感器。

手指收縮和釋放動作：指根舵機驅(qū)動指根，指根收縮；絲杠電機根據(jù)被抓物體形狀驅(qū)動指中節(jié)和指尖，手指彎曲；調(diào)節(jié)指根及指中節(jié)、指尖位姿直至與被抓物體形成包絡，圖6為手指收縮動作。松開物體時，指根舵機反轉(zhuǎn)，指根依靠拉簧恢復至初始位置，同時絲杠電機驅(qū)動指中節(jié)和指尖至初始位置，手指伸展。

2 手爪結(jié)構(gòu)和抓取力

2.1 手爪結(jié)構(gòu)

3根手指基座與底座呈10°角交錯安裝，一側(cè)1根，另一側(cè)2根，同側(cè)2根同向安裝，異側(cè)相向安裝，基座上安裝手掌，手爪三維圖及實物圖如圖7所示。各手指參數(shù)見表1。同時，可以在手掌、指中節(jié)擴展板、指間帽上安裝觸覺傳感器用于檢測接觸力，或者粘貼橡膠墊以增加摩擦力。

表1 手指參數(shù)

2.2 指端作用力

如圖1所示，當滑塊由絲杠電機驅(qū)動時，它將沿桿件3(指根)向下移動，并拉動桿件2(指中節(jié))。然后，桿件1(指尖)由桿件2驅(qū)動圍繞關節(jié)1旋轉(zhuǎn)。在這一運動中，3個桿件可以形成包絡抓取。

在靜態(tài)平衡水平條件下進行力學分析，如圖8所示。首先以滑塊為受力對象，絲杠螺母驅(qū)動力Fd、桿件3支撐力N和桿件2拉力Fp1滿足靜態(tài)平衡。因此

Fp1cosα=Fd

(1)

關節(jié)1力矩平衡為

(2)

式中Fc——目標物作用于指端的力，其實質(zhì)是手指作用于目標物夾緊力的反作用力

Fp2——桿件2提供的拉力

α——桿件2與桿件3的夾角

θ——桿件1與桿件2的夾角

a——桿件1長度

為簡單起見，桿件1和桿件2的鉸鏈假定在桿件1的中心。Fp1和Fp2大小相等方向相反。因此，可得

(3)

為了得到電機力矩與輸出Fc的關系，對絲杠進行力學分析。圖9a顯示螺母由絲杠驅(qū)動力Fd推動或者拉動。圖9b顯示了絲杠的力平衡，其中Fm是電機力矩傳遞的推力，Nn是螺母阻力，Nm是電機(或其他支承部件)支撐力。Nn實際上產(chǎn)生的反作用力為螺母提供推力。通過分析可得

Fm=Nnsinγ

(4)

式中γ——絲杠導程角

因

Fd=Nncosγ

(5)

(6)

因

Fmr=Tm

(7)

式中r——絲杠半徑

Tm——步進電機扭矩

由式(6)、(7)可得

(8)

(9)

由于r(絲杠半徑)和γ(絲杠導程角)通常很小，因此Fc比較大。

小型步進電機只能提供較小的力矩。在本機器人手爪中，Tm最大只有0.17 N·m，r為2 mm，γ為5°左右，θ通常在5°～40°之間，α通常在5°～35°之間。初始接觸時，θ和α均較小，一般在10°左右，所以初始Fc約85.62 N，設物體與指尖摩擦因數(shù)為 0.5(指尖貼像膠墊)，其最大可產(chǎn)生42.81 N的摩擦力。如果按拇指接觸摩擦力為物體重量的一半，手爪可抓起的最大重量為85.62 N，即8.73 kg。由圖8可知，當手指靠近物體時，θ和α變大，抓緊力增大，這優(yōu)于腱傳動不能隨抓緊而增大夾緊力。由此理論分析可知，即便電機提供的力矩很小，理論上仍可以在指端產(chǎn)生很大的作用力。

2.3 指根作用力

為計算指根舵機能提供給末端的作用力，將指尖、指中節(jié)看作剛性桿件，手指受力如圖10所示。其中L1為拉簧3拉點到指根關節(jié)距離；L2為指尖抓取位置到指根關節(jié)的距離；F3為拉簧3給指根的牽拉力。F2為由舵機傳到拉簧2的牽拉力。M1為舵機扭矩，可知

(10)

從動輪與指根固連，則關于指根的力矩滿足

FcL2+F3L1sinβ=F2R2

(11)

所以

(12)

式中R1——主動輪半徑

R2——從動輪半徑

β——拉簧3與指根的夾角

有關參數(shù)為：M1=25 kg·cm(2.45 N·m)、R1=10 mm、R2=16 mm、L1=18 mm、β= 4.8°～ 20.4°、F3=8.8～15 N、L2=80.3～134.3 mm，因此得Fc=22.24～45.62 N。在手爪完全張開時舵機給其提供的末端作用力F′c(即Fc的反作用力)最小，當手爪收縮時，因L2與β均減小，F(xiàn)′c將變大，因此按式(12)F′c理論上最大可達45.62 N。設物體與指尖摩擦因數(shù)為0.5，其可產(chǎn)生22.81 N的摩擦力。如果按拇指接觸摩擦力為物體重量的一半，舵機可支持的目標物抓起重量最大可達45.62 N，即4.66 kg。相比之前電機絲杠所能支持的目標物重量略小，因此本手爪最大目標物的抓取重量主要取決于驅(qū)動指根的舵機力矩，說明本文指尖指中節(jié)由滑塊搖桿機構(gòu)實現(xiàn)明顯比傳統(tǒng)方式易滿足所需作用力。事實上為避免力大而損壞零部件，經(jīng)測力計測定，一般讓舵機提供的扭矩遠小于其最大值2.45 N·m，因此手指末端F′c一般限制只產(chǎn)生10 N以內(nèi)正壓力，遠小于理論值45.62 N，所以舵機的功率足夠。在指端正壓力10 N下，即便讓指端摩擦力承受一半的物體重量，抓取質(zhì)量仍可達1.0 kg。

3 彈簧選取和絲杠設計

拉力彈簧的彈性系數(shù)一般受鋼絲材質(zhì)、線徑、彈簧直徑、圈數(shù)等因素影響，計算式為

(13)

式中GR——線材剛性模數(shù)

d——線徑，即彈簧絲本身的直徑

Dm——中徑

Nc——有效圈數(shù)，即總?cè)?shù)減去2

提供指尖緩沖的拉簧1較軟，不主要承受夾緊物體所需要的拉力，情況比較簡單。

3.1 拉簧3選取

指根處共需要2個拉簧，一個用以驅(qū)動手指收縮記為拉簧2，另一個為手指張開提供恢復力記為拉簧3。為使手指張開只需提供一定的恢復力即可，所以先選定提供恢復力的彈簧。通過實驗改變手爪的位姿可知，拉簧3至少需滿足手指重心與指根旋轉(zhuǎn)中心處于同一水平線時能將其平衡，其受力圖如圖11所示。圖中G為整個手指重力，L3為手指重心到指根旋轉(zhuǎn)重心的距離，δ為拉簧3與桿件3(指根)的夾角。達到平衡時，有關系式

F3sinδL1=GL3

(14)

(15)

根據(jù)設計的手指重力G等參數(shù)估算，在圖11所示位置時，F(xiàn)3約為4.4 N。為充分利用空間，該回位彈簧選擇2根，還可減小單個彈簧的尺寸。對于每根彈簧作用力為2.2 N。彈簧的軟與硬主要取決于線徑，在選擇常規(guī)65Mn碳素彈簧鋼絲材質(zhì)GR=79 000 N/mm2的情況下，需要計算所需的線徑。設計Dm為5 mm，Nc為20。指根回位的最小拉伸長度(即復位的預拉伸量)x約為3 mm，根據(jù)彈簧拉伸彈力式(13)與常見彈性力式F=kx(x為彈簧變形量)計算得拉簧3的線徑d3為0.65 mm。

3.2 拉簧2選取

關于指根驅(qū)動彈簧，即拉簧2，首先至少需滿足克服空載時手指的重量以及彈簧3預緊力。手指重心與指根旋轉(zhuǎn)中心處于同一水平線時，拉簧2所需拉力最大，其受力如圖12所示，其中R2為從動輪半徑。在空載情況下達到平衡時滿足

F2R2=F3sinδL1+GL3

(16)

因此F2=(F3L1sinδ+GL3)/R2

(17)

根據(jù)設計的各參數(shù)值，由式(17)估算F2=6.83 N，選擇65Mn碳素彈簧鋼絲，GR=79 000 N/mm2，設計預拉伸量2 mm以內(nèi)，Dm為5 mm，Nc為8，則拉簧2線徑根據(jù)式(13)得d2=0.767 mm。

拉簧2需要克服彈簧3的拉力，驅(qū)動指根旋轉(zhuǎn)使手指端夾緊目標物。根據(jù)式(10)，其應滿足指根舵機最大扭矩時所承受的拉力。但實際考慮安全系數(shù)(否則易產(chǎn)生損壞)，指尖接觸正壓力F′c一般限制在10 N以下，因此經(jīng)式(11)估算，F(xiàn)2最大輸出力允許約80 N，拉簧2拉伸長度最大允許約7 mm(受空間所限)，選取Dm為5 mm，Nc為8，GR=79 000 N/mm2，根據(jù)式(13)，得d2=1.03 mm。該值是已考慮安全系數(shù)下得到，通常并不會頻繁達到所限作用力的最大值，出于柔性考慮，拉簧2在基本滿足最大力的條件下不宜太硬，因此拉簧2線徑最終選擇1 mm，Dm為5.2 mm。

最終制作的拉簧2與拉簧3在指根處的布局如圖13所示，圖13對應圖5的指根與基座布局。

3.3 彈簧提供的指端作用力

由選取彈簧以及式(13)可得拉簧3彈性系數(shù)k3=0.705 N/mm，拉簧2彈性系數(shù)k2=9.875 N/mm。

根據(jù)式(11)以及力與彈性系數(shù)關系式F=kx，可得指尖末端所受作用力為

(18)

當手爪收緊時，將在指末端產(chǎn)生最大作用力。根據(jù)之前配置的參數(shù)，R2=16 mm，L1=18 mm，取x2=7 mm，x3=15 mm,β=4.8°，L2=80.3 mm，得Fc=13.57 N。即有關彈簧能滿足所限制的最大10 N的要求。

3.4 絲杠設計

本文的滑塊搖桿機構(gòu)，驅(qū)動源為滑塊，由帶絲杠的電機驅(qū)動。由于手指尺寸不能太大，滑塊行程受限，設計時需要考慮絲杠應盡量短，以及滑塊、絲杠與指尖、指中節(jié)等部件的結(jié)構(gòu)關系。

如圖14所示，L5為滑塊運動距離；L4為滑塊遠端極限位置與關節(jié)1的距離，一般取可安裝最小距離；c為指中節(jié)長度；b為指中節(jié)與指尖聯(lián)接處到指尖旋轉(zhuǎn)關節(jié)的距離；φmax為指尖與指根的最大夾角；φmin為最小夾角。由圖14所示的結(jié)構(gòu)關系可得

(19)

(20)

根據(jù)被抓物的尺寸以及手爪所需運動范圍，取c為46 mm，b為25 mm，φmax-φmin=90°，得到

(21)

因此可以得到L4和L5的關系，其中L4選定為電機絲杠可安裝的最小距離約為14 mm，選擇絲杠滑塊運動距離L5為22 mm，圖15為電機絲杠尺寸圖與安裝圖。

4 抓取實驗

4.1 日常物品抓取實驗

設計制作的手爪可以完成3種典型抓取，分別是精細抓取、平行夾取、包絡抓取，如圖16所示。其中精細抓取只有指尖夾緊目標物；平行夾取除指尖還有指中節(jié)夾緊目標物；包絡抓取則指尖、指中節(jié)、手掌都接觸目標物。包絡抓取的過程一般為：手掌先接觸目標物，然后手指開始彎曲，指根再接觸目標物，然后指中節(jié)和指尖緊貼目標物，抓取力達到閾值時抓起目標物。由于目標物和手爪緊密接觸，接觸面積也較大，所以抓取穩(wěn)定。

除了對形狀規(guī)則的物體進行抓取實驗，還對生活中一些常見的物體進行抓取，如圖17所示，表明本文設計手爪的抓取功能較實用。

4.2 抓取目標物質(zhì)量測試

為了測試本文設計的機器人手爪抓取力，與鋼絲繩耦合欠驅(qū)動式機器人手爪[15]進行抓取目標物質(zhì)量的比較。精細抓取的目標物為方形杯子，包絡抓取的目標物為圓柱形杯子。采用往杯子里加沙子的方法，逐漸加大目標物質(zhì)量，如圖18所示。兩個手爪手指尖均貼有摩擦因數(shù)為0.5的橡膠。得到精細抓取方形杯子質(zhì)量對比如表2所示，包絡抓取圓柱形杯子質(zhì)量對比如表3所示。表中“是”表示某質(zhì)量手爪能夠抓取，“否”表示某質(zhì)量手爪不能夠抓取。從表2、3可以發(fā)現(xiàn)，精細抓取方形杯子時，本小組前期設計的鋼絲繩耦合欠驅(qū)動式機器人手爪抓取的方杯質(zhì)量加到300 g即發(fā)生滑落；而本文手爪直至630 g才發(fā)生滑落，最大能抓起620 g左右的質(zhì)量。采用包絡抓取時鋼絲繩耦合欠驅(qū)動式機器人手爪在杯子超過530 g便已不能抓取，而本文的手爪最大能夠抓起1 710 g左右，直至1 750 g才不能抓取。該質(zhì)量甚至超過了第3部分末尾所估算的理論最大1 kg的抓取質(zhì)量，這是因為包絡抓取有更多接觸點參與，還包括接觸面大、承受力更大的手掌參與，這與人手在有手掌參與的情況下，抓取能力更強是一致的。由此可以判定本文設計的手爪相比于鋼絲繩耦合欠驅(qū)動式機器人手爪抓取能力有明顯的提高，較大的抓取力保證了本文手爪的實用性。

表2 2種手爪精細抓取的杯子質(zhì)量比較

表3 2種手爪包絡抓取的杯子質(zhì)量比較

4.3 手指末端接觸柔性測試

設計的機器人手指旨在與目標物柔性接觸，手指端正壓力Fc與控制指根舵機運動角之間的關系如圖19所示。由圖19可知，第一階段是拉簧1變形，其主要承擔緩沖和輕微接觸力。當圖3中的指尖軸到達左邊極限位置后，指中節(jié)與指尖是剛性接觸，拉簧2主要傳遞驅(qū)動力，所需彈簧力加大，即圖19中第1個拐點之后。該階段斜率升高，剛性有所增強，但仍然能夠在舵機發(fā)生較多角位移時才發(fā)生力的較大變化，顯示一定柔性。初步證明了本文設計的手爪具有良好的柔性。

為了進一步驗證本文設計手爪的柔性，選取易變形或損壞的典型目標物如桔子、香蕉以及雞蛋進行抓取損傷測試，在能抓持的情況下測試有無損傷、表面凹陷或出現(xiàn)裂紋情況。對于較小的采用精細抓取，對于較大的采用包絡抓取，如圖20所示；香蕉僅采取精細抓取，如圖21所示，雞蛋也僅采用精細抓取模式，如圖22所示；表4～6分別顯示某個桔子、香蕉、雞蛋被單次抓起表面是否損傷、是否凹陷或出現(xiàn)裂紋的測試結(jié)果。表7為每種目標物20次被抓起時表面發(fā)生狀況的最終綜合結(jié)果。其中某目標物若能夠采取精細抓取與包絡抓取兩種模式，則兩種抓取模式都測試5次。若某個目標物只能采用一種抓取模式，則只測試5次，所以完成20次測試每個品種有的需要4個不同目標物。

表7 抓取目標物損傷測試綜合統(tǒng)計結(jié)果

從前述測試可知，本文設計的手爪對這些目標物并無損傷，對表面較軟且質(zhì)量較大的水果才有輕微凹陷現(xiàn)象，雞蛋沒有產(chǎn)生壓裂現(xiàn)象，說明該手爪的柔性抓取性能良好。

表5 抓取香蕉損傷測試結(jié)果

表6 抓取雞蛋損傷測試結(jié)果

5 結(jié)論

(1)設計了一種基于滑塊搖桿機構(gòu)的柔性三指機器人手爪，手爪每根手指的指尖、指中節(jié)由滑塊搖桿機構(gòu)帶動，結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)。通過理論分析可知，即使驅(qū)動指尖的電機力矩很小，指端仍可以產(chǎn)生較大的作用力,超過了指根驅(qū)動舵機通過腱傳動提供給指端的作用力。因此，該結(jié)構(gòu)驅(qū)動能力得以增強，其結(jié)構(gòu)也更為簡單。手爪指根采用腱傳動方式，保證了足夠的指根驅(qū)動力。

(2)為避免手指與目標物的剛性接觸，手指尖、指根的運動均通過彈簧來實現(xiàn)手爪的柔性。指尖驅(qū)動彈簧設計得比較軟，主要夾緊力仍由剛性元件提供；指根腱傳動采用較硬的彈簧來傳遞舵機扭力，保證了足夠的作用力。

(3)通過多組實驗證明本文設計的手爪能夠完成常見的精細抓取、平行夾取和包絡抓取動作；能抓取較多日常物品；通過抓取質(zhì)量測試實驗證明，設計的手爪的抓取力比本課題組以往設計有了很大的提高，最大抓取質(zhì)量達1.71 kg(手指的橡膠與杯子間摩擦因數(shù)0.5)；通過測試指端正壓力與舵機旋轉(zhuǎn)角的關系以及抓取典型目標物的損傷，證明本文設計的手爪具有良好的柔性。