王俊強，管聲啟，李振浩，于資江，王靜國，劉文慧

(1.西安工程大學機電工程學院，陜西 西安 710048；2.紹興市柯橋區(qū)西紡紡織產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院，浙江 紹興 312030)

0 引言

黃酒是世界三大釀造酒之一，其生產(chǎn)釀造技術獨樹一幟，其中以浙江紹興黃酒為典型代表[1]。近年來，黃酒產(chǎn)業(yè)隨著經(jīng)濟的增長在不斷擴大，但是由于黃酒生產(chǎn)中人力資源消耗大，機械自動化水平低等，導致企業(yè)勞動強度大、無法適應全自動化生產(chǎn)，使得黃酒行業(yè)的發(fā)展受到了約束[2-3]。因此，需要開展“機器換人”技術革新，推進行業(yè)向標準化、智能化方向轉變[4]。

目前大多數(shù)末端執(zhí)行器多為單自由度，其抓取方式多使用夾鉗式，只能實現(xiàn)特定抓取動作，很難實現(xiàn)對力的精確控制。由于傳統(tǒng)黃酒的釀造存儲多以陶壇為主，陶壇的尺寸各異，且在軸心方向上不對稱，用傳統(tǒng)的機械手無法實現(xiàn)穩(wěn)定的抓取。

而人手經(jīng)過長期進化，能夠實現(xiàn)多種抓取動作。加拿大公司研制的SARAH機械手[5]、意大利研發(fā)的Smart機械手[6]和RTRⅡ[7]機械手雖具有人手的多自由度，但由于尺寸和控制等因素難以應用實際；斯坦福大學研發(fā)的Stanford/JPL機械手[8]，采用繩輪機構，通過傳感器進行檢測與控制。國內(nèi)的仿生學末端執(zhí)行器也取得一定的進展[9]，上海交通大學研究的假肢手SJU-5，能夠實現(xiàn)對日常物品的抓取[10]；哈爾濱工業(yè)大學研制的HIT-DLR機械手采用5個模塊化的手指[11]；清華大學研制的TH型機械手，采用欠驅動原理，具有良好的抓取性能[12]。雖然仿生型末端執(zhí)行器的性能逐步完善，但依舊存在結構復雜，控制難度大，穩(wěn)定效果不佳等問題，且由于酒壇體積和形狀的限制，難以滿足其抓取需求。

本文采用仿生學設計原理，以人手抓取操作為基礎，設計一種欠驅動仿生型末端執(zhí)行器實現(xiàn)對酒壇的抓取操作。

1 仿生機械手結構設計

1.1 整體結構

機械手整體采用三指三指節(jié)九自由度的結構形式，主要包含手指和基座2個模塊，如圖1所示。每根手指模擬人手構型采用近指節(jié)、中指節(jié)、遠指節(jié)等三指節(jié)結構設計，內(nèi)部采用特殊繩輪布局的腱傳動驅動方式，并且采用獨立電機驅動控制方式?？紤]到抓取對象的外形尺寸的特殊性，3根手指采用模塊化的設計思想，采用空間交錯抓取方式，3個手指呈三角形分布方式，單根手指獨立分布，其他2個手指基于抓取對象的質(zhì)心位置并列對稱分布兩側，使得各手指中心有足夠大的抓取空間，能夠滿足抓取對象不同尺寸的抓取要求。該種布局及抓取方式可以針對不同的抓取對象，具有自適應性強、抓取范圍廣等特點。

圖1 機械手整體結構

機械手在抓取過程中，3個手指的協(xié)調(diào)運動是由電機和腱繩通過滑輪以及指腹上的觸覺傳感器共同完成的。這一動作的完成是通過運動控制模塊統(tǒng)一協(xié)調(diào)分配，而其各個手指又分別由各自對應的電機進行驅動控制，所以運動控制模塊在對每個電機控制信號的輸入過程中需進行精密的監(jiān)測和計算，以此來保障整個抓取運動的平穩(wěn)性。該仿生型機械手的設計綜合考慮抓取系統(tǒng)的穩(wěn)定性和力的平衡因素，在后續(xù)的仿真實驗部分對驅動手指運動的電機參數(shù)設定上保持了統(tǒng)一性，同時在指節(jié)間控制運動的彈簧參數(shù)設定上進行了差別擬合設定法，這樣既有利于保障3個手指在完成抓取動作時的一致性，又使得在完成抓取動作時機械手整體上力的平衡性與穩(wěn)定性。因此，該機械手在抓取時能夠滿足欠驅動機械手仿生型原理和自適應抓取設計要求，符合人手抓取機理及實際生產(chǎn)抓取需要。

1.2 工作機理

三指三指節(jié)機械手采用模塊化設計，每根手指內(nèi)部均采用相同的繩輪布局。各指節(jié)間采用連接軸進行連接固定，并通過多種不同尺寸的滑輪組限定腱繩的纏繞路徑，一方面保證各指節(jié)間力傳遞的一致性，另一方面提高手指抓取效率，同時在抓取過程中配合各指節(jié)間的扭簧，既可以避免機械手在受力之后狀態(tài)突變保障抓取的穩(wěn)定性，又可以使得機械手抓取完成后電機反轉，在扭簧的作用力下回彈至初始狀態(tài)。

機械手內(nèi)部采用繩輪結合的傳動方式，繩輪在對目標實施抓取時，主要應用的是包絡抓取的方法原理。由于腱繩在長期使用過程中會出現(xiàn)松弛現(xiàn)象，影響機械手抓取的精確性，通過對現(xiàn)有繩輪傳動的多種方式進行分析，采用如圖2所示的繞線方式進行設計。其腱繩的具體繞法如下：將腱繩的一端通過緊定螺釘固定連接在遠指節(jié)的指尖位置處，另一端繞過張緊輪，從遠指節(jié)與中指節(jié)中間連接的大滑輪1下方繞過，到達中指節(jié)上的導向輪組1的上方；從中指節(jié)與近指節(jié)連接處的大滑輪2下方繞過，經(jīng)由近指節(jié)上方的導向輪組2的上方，繞過近指節(jié)與基座連接處的大滑輪3，最終將腱繩固定纏繞在驅動電機的繞線輪上。

圖2 機械手工作機理

在整個手指工作的過程中，當驅動電機開始旋轉時，其上的繞線輪也相應的跟著旋轉，腱繩開始張緊并收縮。各指節(jié)間裝有回彈裝置彈簧，若不考慮腱繩與各個滑輪之間摩擦力的存在，可以認為在同一根腱繩上的力是處處相等的。隨著電機不斷纏繞著腱繩，在機械手沒有接觸到酒壇之前，電機旋轉的角度與手指各關節(jié)的轉動角度值、各指節(jié)連接處的滑輪尺寸大小以及指節(jié)連接處扭簧剛度在腱繩上的力有關，并按照一定的運動規(guī)律開始運動，直至機械手指完全接觸到酒壇表面，最后到達其工作極限位置，電機工作停止，機械手完成包絡抓取任務。當完成抓取工作后，電機開始反轉并釋放纏繞在繞線輪上的腱繩，隨著腱繩的松弛，在扭簧回彈力和機械手上物理極限位置的共同作用下，手指的各指節(jié)逐漸恢復到初始抓取位置處，等待下一次的抓取任務。

1.3 抓取方式

欠驅動仿生機械手采用仿生學原理，采用三指三指節(jié)結構設計，繩輪結合的傳動方式，模擬人手構造完成對酒壇的抓取搬運工作，如圖3所示。三根手指的布局依據(jù)酒壇的特殊構造，依據(jù)質(zhì)心點進行對稱分布，能夠像人手一樣針對多種類型的抓取對象以及不同尺寸和質(zhì)量的物品實現(xiàn)自適應穩(wěn)定抓取操作。同時，該機械手可以根據(jù)不同的抓取任務進行遷移，配合不同工況和任務的機械臂配套使用，可根據(jù)抓取對象設置單指抓取、兩指抓取和三指抓取等3種不同的機械手工作狀態(tài)，同時可以根據(jù)抓取對象的尺寸大小選擇指尖捏取和包絡抓取2種不同的工作模式。在一定程度上，能夠滿足多類型自適應抓取方式。

圖3 機械手抓取方式

2 運動學分析

2.1 正運動學分析

為確定機械手各指節(jié)運動的位置參數(shù)，需要求解機械手在空間中的位姿，這就需要建立指尖和關節(jié)運動之間對應的關系，而應用最廣泛的方法則是D-H參數(shù)法。

本文所設計的機械手采用模塊化設計思想，三根手指結構原理相同，并依據(jù)人手構造原理及運動特性，采用D-H參數(shù)法對單根手指各指節(jié)建立坐標系，如圖4所示，oxyz為初始狀態(tài)的全局坐標系，x1y1z1、x2y2z2和x3y3z3為基于手指關節(jié)運動變化的動態(tài)的參考坐標系。

圖4 機械手單根手指坐標系

以全局坐標原點為起點，按照各指節(jié)順序，定義指節(jié)長度為li，指節(jié)間的轉角為θi，指節(jié)間的扭角為αi，2個指節(jié)間的距離為di。根據(jù)所建立的坐標系，列出其對應的D-H參數(shù)表，如表1所示。

表1 機械手單根手指D-H參數(shù)

欠驅動仿生機械手指尖位置關系相對于全局坐標系的位姿矩陣T為

T=A1×A2×A3

(1)

A1、A2、A3分別為近指節(jié)、中指節(jié)、遠指節(jié)等相鄰兩坐標系之間的齊次變換矩陣。其對應的各齊次變換矩陣分別為：

(2)

(3)

(4)

由式(1)、式(2)、式(3)和式(4)可得

(5)

其中，si=sinθi；ci=cosθi；sij=sin(θi+θj)；cij=cos(θi+θj)；i、j=1，2，3。

所以，指尖位置矢量為

(6)

機械手指尖位置在全局坐標系中的坐標為:

x=l3c1c23+l2c1c2+l1c1

(7)

y=l3s1c23+l2s1c2+l1s1

(8)

z=l3s23+l2s2

(9)

機械手完成抓取動作時，若各指節(jié)轉角θi已知，則可求解任意狀態(tài)下機械手指尖位置坐標點，為后續(xù)的抓取工作提供理論依據(jù)，實現(xiàn)精確控制。

2.2 逆運動學分析

欠驅動仿生機械手的逆運動學即是正運動學的逆，是在已知機械手指尖的運動情況和空間坐標的情況下，求解機械手各指節(jié)的轉角θi，以此來驗證機械手運動學問題，實現(xiàn)機械手的運動參數(shù)從操作空間到關節(jié)空間的映射。

由式(7)和式(8)求得

(10)

由式(7)和式(9)求得

(11)

化簡后得

As2+Bc2=C

(12)

所以，可得

(13)

同理，由式(9)得

Ds3+Ec3=F

(14)

其中，D=l3c2；E=l3s2；F=z-l2s2。

同上可得

(15)

至此，機械手的3個指節(jié)轉動角度均已求解出來，逆運動學的分析計算對控制機械手達到期望的位姿提供了理論依據(jù)。同時，也從側面證明了機械手正運動學計算過程的正確性。

3 運動仿真

對欠驅動仿生機械手完成整體設計和正逆運動學理論計算后，利用MATLAB軟件中的Robotics Toolbox工具箱，對機械手進行仿真模型的建立并驗證其抓取運動空間以及相關運動參數(shù)，通過相關參數(shù)的可視化圖形驗證機械手設計的可行性。

由于機械手采用模塊化設計，每根手指的運動控制情況相同，現(xiàn)對其中任意1根手指進行進行分析，基于前面所建立的D-H模型，使用Robotics Toolbox使用Link()函數(shù)建立其對應的連桿模型，如圖5所示。并依據(jù)各指節(jié)的變量關系及變化范圍，利用蒙特卡洛算法求解機械手單根手指的抓取運動空間，運用fkine()函數(shù)生成空間點集云圖[13-14]， 如圖6所示。由于各手指根部的基座與平臺固定，故單根手指的運動空間點集云圖為二維平面圖，并在XOZ平面內(nèi)的空間投影圖，如圖7所示。根據(jù)手指模型在空間內(nèi)的點集云圖對應的坐標參數(shù)，與運動學理論計算結果一一對應，驗證了前面運動學分析的合理性。

圖5 機械手指連桿模型

圖6 機械手指運動空間

圖7 機械手指運動空間XOZ平面投影

完成機械手空間運動仿真驗證后，采用jtraj()函數(shù)對機械手各指節(jié)在抓取運動過程中的角度、角速度和角加速度的變化過程進行插值計算。仿真結果如圖8～圖10所示。由仿真結果曲線可知，機械手在完成抓取動作的過程中，動作連續(xù)，運行平穩(wěn)。3個指節(jié)的角度變化持續(xù)穩(wěn)定，各指節(jié)的角速度、角加速度的始末值為0，運動變化曲線連續(xù)且光滑，未出現(xiàn)突變等情況。說明該機械手在完成抓取運動的過程中運行穩(wěn)定，受到振動變化影響小，能夠穩(wěn)定可靠的完成抓取任務。

圖8 各指節(jié)角度變化曲線

圖9 各指節(jié)角速度變化曲線

圖10 各指節(jié)角加速度變化曲線

4 結束語

本文針對壇裝酒生產(chǎn)企業(yè)過度依靠人工完成工作的問題，提出了一種配合機械臂使用的九自由度仿生型欠驅動機械手。其設計合理，能夠滿足任務抓取要求，為后續(xù)實驗樣機的制作提供了有效的理論依據(jù)。