本科畢業(yè)設計外文翻譯題目機械手的機械和控制系統(tǒng)姓名學號專業(yè)機械設計制造及其自動化指導教師職稱中國武漢二九年二月華中農(nóng)業(yè)大學本科畢業(yè)設計外文翻譯1機械手的機械和控制系統(tǒng)文章來源:DirkOsswald,HeinzWrn.DepartmentofComputerScience,InstituteforProcessControlandRobotics(IPR).,Engler-Bunte-Ring8-Building40.28.摘要:最近，全球內(nèi)帶有多指夾子或手的機械人系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展起來了，多種方法應用其上，有擬人化的和非擬人化的。不僅調(diào)查了這些系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu),而且還包括其必要的控制系統(tǒng)。如同人手一樣，這些機械人系統(tǒng)可以用它們的手去抓不同的物體，而不用改換夾子。這些機械手具備特殊的運動能力（比如小質(zhì)量和小慣性），這使被抓物體在機械手的工作范圍內(nèi)做更復雜、更精確的操作變得可能。這些復雜的操作被抓物體繞任意角度和軸旋轉(zhuǎn)。本文概述了這種機械手的一般設計方法，同時給出了此類機械手的一個示例，如卡爾斯魯厄靈巧手。本文末介紹了一些新的構(gòu)想，如利用液體驅(qū)動器為類人型機器人設計一個全新的機械手。關鍵詞：多指機械手；機器人手；精操作；機械系統(tǒng)；控制系統(tǒng)1.引言2001年6月在德國卡爾斯魯厄開展的“人形機器人”特別研究，是為了開發(fā)在正常環(huán)境（如廚房或客廳）下能夠和人類合作和互動的機器人系統(tǒng)。設計這些機器人系統(tǒng)是為了能夠在非專業(yè)、非工業(yè)的條件下（如身處多物之中），幫我們抓取不同尺寸、形狀和重量的物體。同時，它們必須能夠很好的操縱被抓物體。這種極強的靈活性只能通過一個適應性極強的機械人手抓系統(tǒng)來獲得，即所謂的多指機械手或機器人手。上文提到的研究項目，就是要制造一個人形機器人，此機器人將裝備這種機器人手系統(tǒng)。這個新手將由兩個機構(gòu)合作制造，它們是卡爾斯魯厄大學的IPR（過程控制和機器人技術研究院）和c（計算機應用科學研究院）。這兩個組織都有制造此種系統(tǒng)的相關經(jīng)驗，但是稍有不同的觀點。IPR制造的卡爾斯魯厄靈巧手（如圖1所示），是一個四指相互獨立的手爪，我們將在此文中詳細介紹。IAI制造的手（如圖17所示）是作為殘疾人的假肢。圖1.IPR的卡爾斯魯厄靈巧手圖2.IAI開發(fā)的流體手2.機器人手的一般結(jié)構(gòu)華中農(nóng)業(yè)大學本科畢業(yè)設計外文翻譯2一個機器人手可以分成兩大主要子系統(tǒng)：機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。機械系統(tǒng)又可分為結(jié)構(gòu)設計、驅(qū)動系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)，我們將在第三部分作進一步介紹。在第四部分介紹的控制系統(tǒng)至少由控制硬件和控制軟件組成。我們將對這兩大子系統(tǒng)的問題作一番基本介紹，然后用卡爾斯魯厄靈巧手演示一下。3.機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)將描述這個手看起來如何以及由什么元件組成。它決定結(jié)構(gòu)設計、手指的數(shù)量及使用的材料。此外，還確定驅(qū)動器（如電動機）、傳感器（如位置編碼器）的位置。3.1結(jié)構(gòu)設計結(jié)構(gòu)設計將對機械手的靈活度起很大的作用，即它能抓取何種類型的物體以及能對被抓物體進行何種操作。設計一個機器人手的時候，必須確定三個基本要素：手指的數(shù)量、手指的關節(jié)數(shù)量以及手指的尺寸和安置位置。為了能夠在機械手的工作范圍內(nèi)安全的抓取和操作物件，至少需要三根手指。為了能夠?qū)Ρ蛔ノ矬w的操作獲得6個自由度（3個平移和3個旋轉(zhuǎn)自由度），每個手指必須具備3個獨立的關節(jié)。這種方法在第一代卡爾斯魯厄靈巧手上被采用過。但是，為了能夠重抓一個物件而無需將它先釋放再拾取的話，至少需要4根手指。要確定手指的尺寸和安置位置，可以采用兩種方法：擬人化和非擬人化。然后將取決與被操作的物體以及選擇何種期望的操作類型。擬人化的安置方式很容易從人手到機器人手轉(zhuǎn)移抓取意圖。但是每個手指不同的尺寸和不對稱的安置位置將增加加工費用，并且是其控制系統(tǒng)變得更加復雜，因為每個手指都必須分別加以控制。對于相同手指的對稱布置，常采用非擬人化方法。因為只需加工和構(gòu)建單一的“手指模塊”，因此可減少加工費用，同時也可是控制系統(tǒng)簡化。3.2驅(qū)動系統(tǒng)指關節(jié)的驅(qū)動器對手的靈活度也有很大的影響，因為它決定潛在的力量、精度及關節(jié)運動的速度。機械運動的兩個方面需加以考慮：運動來源和運動方向。在這方面，文獻里描述了有幾種不同的方法，如文獻3中說可由液壓缸或氣壓缸產(chǎn)生運動，或者，正如大部分情況一樣使用電動機。在多數(shù)情況下，運動驅(qū)動器（如電機）太大而不能直接與相應的指關節(jié)結(jié)合在一起，因此，這個運動必須由驅(qū)動器（一般位于機器臂最后的連接點處）轉(zhuǎn)移過來。有幾種不同的方法可實現(xiàn)這種運動方式，如使用鍵、傳動帶以及活動軸。使用這種間接驅(qū)動指關節(jié)的方法，或多或少地降低了整個系統(tǒng)的強度和精度，同時也使控制系統(tǒng)復雜化，因為每根手指的不同關節(jié)常常是機械地連在一起，但是在控制系統(tǒng)的軟件里卻要將它們分別獨立控制。由于具有這些缺點，因此小型化的運動驅(qū)動器與指關節(jié)的直接融合就顯得相當必要。3.3傳感系統(tǒng)機器手的傳感系統(tǒng)可將反饋信息從硬件傳給控制軟件。對手指或被抓物體建立一個閉環(huán)控制是很必要的。在機器手中使用了3種類型的傳感器：1.手爪狀態(tài)傳感器確定指關節(jié)和指尖的位置以及手指上的作用力情況。知道了指尖的精確位置將使精確控制變得可能。另外，知道手指作用在被抓物體上的力，就可以華中農(nóng)業(yè)大學本科畢業(yè)設計外文翻譯3抓取易碎物件而不會打破它。2.抓取狀態(tài)傳感器提供手指與被抓物體之間的接觸狀態(tài)信息。這種觸覺信息可在抓取過程中及時確定與物體第一次接觸的位置點，同時也可避免不正確的抓取，如抓到物體的邊緣和尖端。另外還能察覺到已抓物體是否滑落，從而避免物體因跌落而損壞。3.物體狀態(tài)或姿態(tài)傳感器用于確定手指內(nèi)物體的形狀、位置和方向。如果在抓取物體之前并不清楚這些信息的情況下，這種傳感器是非常必要的。如果此傳感器還能作用于已抓物體上的話，它也能控制物體的姿態(tài)（位置和方向），從而監(jiān)測是否滑落。根據(jù)不同的驅(qū)動系統(tǒng)，有關指關節(jié)位置的幾何信息可以在運動驅(qū)動器或直接在關節(jié)處出測量。例如，如在電動機和指關節(jié)之間有一剛性聯(lián)軸器，那么就可以用電機軸上的一個角度編碼器（在齒輪前或齒輪后）來測量關節(jié)的位置。但是如果此聯(lián)軸器剛度不夠或著要獲得很高的精度的話，就不能用這種方法。3.4卡爾斯魯厄靈巧手的機械系統(tǒng)為了能夠獲得如重抓等更加復雜的操作，卡爾斯魯厄靈巧手（KDH）由4根手指組成，且每根手指由3個相互獨立的關節(jié)組成。設計該手是為了能夠在工業(yè)環(huán)境中應用（圖3所示）和操縱箱、缸及螺釘螺帽等物體。因此，我們選用四個相同手指，將它們作對稱、非擬人化配置，且每個手指都能旋轉(zhuǎn)90（圖4所示）。鑒于從第一代卡爾斯魯厄靈巧手設計中得到的經(jīng)驗，比如因傳動帶而導致的機械問題以及較大摩擦因數(shù)導致的控制問題，卡爾斯魯厄靈巧手采用了一些不同的設計決策。每根手指的關節(jié)2和關節(jié)3之間的直流電機被整合到手指前部肢體中（圖5所示）。這種布置可使用很硬的球軸齒輪將運動傳遞到手指的關節(jié)處。處在電機軸上的角度編碼器（在齒輪前）此時可作為一個精度很高的位置狀態(tài)傳感器。圖3.工業(yè)機器人上的KDH圖4.KDH的頂視圖為了感知作用在物體上的手指力量，我們發(fā)明了一個六維力扭矩傳感器（圖6所示）。這個傳感器可當作手指末端肢體使用，且配有一個球形指尖。它可以抓取較輕的物體，同時也能抓取3-5kg相