1、主從式機(jī)械手的研制楷and婷生物科學(xué)與工程學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)方向摘要：主從式操作機(jī)，亦或是外骨骼是目前日本、美國等多國競(jìng)相研究的一種新 型操縱技術(shù)，本次設(shè)計(jì)研制了一款仿人手形態(tài)的主從式機(jī)械手，其具有和人手大 部相同的功能且具有初步感知能力，并展望了其發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：主從操作主動(dòng)端控制電路從動(dòng)端，了 、刖言主從式操作方式的設(shè)計(jì)思路為：設(shè)計(jì)一個(gè)主動(dòng)機(jī)器人作為操作端來使用，操 作人員按照自己的意圖控制主動(dòng)機(jī)器人的末端執(zhí)行器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，那么主動(dòng)機(jī)器人 各關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)中生成的信號(hào)值就是作為發(fā)往從動(dòng)端機(jī)器人各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)指令值。 主從式機(jī)器人分為單向式與雙向式，在雙向式操作系統(tǒng)中，從動(dòng)機(jī)器人在操作中 的

2、有關(guān)力度等信息可以反饋給操作人員，以便其加以調(diào)整力量大小。在人體外部安裝的主動(dòng)操作機(jī)又被稱為鎧裝式操作機(jī)或者人工外骨骼，在主 動(dòng)操作機(jī)中，根據(jù)給予各關(guān)節(jié)的指令值，對(duì)每一個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行位置伺服驅(qū)動(dòng)，可以 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距主從操作、人體力量的放大或是危險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)等等，這便是主從操作機(jī) 乃至外骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)思想。目前外骨骼技術(shù)在各國均有所發(fā)展，如美國雷神 公司所開發(fā)的第二代軍用外骨骼系統(tǒng)SarcosXOS2,可以使使用者能力大幅強(qiáng)化， 如完成上千次俯臥撐，輕而易舉的舉起200磅的物體，單手劈開3英寸厚的木板 等。以及日本筑波大學(xué)Cybernics實(shí)驗(yàn)室所研發(fā)的世界上第一款商業(yè)外骨骼機(jī)器 人Hybrid Ass

3、istive，這種裝置能幫助殘疾人以4 km/h的速度行走，毫不費(fèi)力 地爬樓梯等。2在外骨骼設(shè)計(jì)中，無可避免要考慮到人體中最復(fù)雜的部位-手部的設(shè)計(jì)。目 前多數(shù)的機(jī)械手部無法實(shí)現(xiàn)像人的手指那樣主動(dòng)地實(shí)施控制，其適應(yīng)的作業(yè)種類 十分有限。美國雷神公司開發(fā)的外骨骼則是采用幾款不同形態(tài)的可替換的剛性手 爪來解決該問題。本次設(shè)計(jì)旨在研究出一種使用簡(jiǎn)便方法加以控制、可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程雙向式的主 從操縱機(jī)械手。該機(jī)械手包括有從手指到上臂的全部結(jié)構(gòu)，可以完成由操控者所 佩戴的主動(dòng)端所作出的一切動(dòng)作，并將對(duì)于目標(biāo)對(duì)象的力覺反饋給控制人員。以 下將整機(jī)分為主動(dòng)端、控制電路與從動(dòng)端三個(gè)模塊并分別加以分析解說。2.主動(dòng)端主

4、動(dòng)端是套在操縱者身體上的操作端，可以將其分解為固定器與角度傳感器組兩部分。主動(dòng)端的整體結(jié)構(gòu)圖如下所示:圖2.1主動(dòng)端整體結(jié)構(gòu)圖主動(dòng)端中各部分結(jié)構(gòu)尺寸嚴(yán)格按照操作者手部尺寸設(shè)計(jì)，以防自由度受到阻 礙。主動(dòng)端由固定器與傳感器組兩部分組成。2.1固定器固定器起到固定傳感器組和方便操縱者佩戴的作用。在該機(jī)械手的主動(dòng)端 中共有腕關(guān)節(jié)固定器和肘關(guān)節(jié)固定器兩組固定器。其中，如圖二與圖三所示，腕 關(guān)節(jié)固定器由手腕、手掌與拇指三部分固定器連接，肘關(guān)節(jié)固定器由前臂與上臂 固定器組成，人體手掌與手臂的各關(guān)節(jié)所對(duì)應(yīng)的可活動(dòng)部位均在固定器上以傳感 器加以連接。為了節(jié)省安裝空間，再加上由于人手的大多數(shù)功能僅需拇指、食指與

5、中指三 支手指協(xié)作便可實(shí)現(xiàn)，其中食指與中指起抓握作用，拇指起抓握時(shí)的定位作用， 故該機(jī)械手的主動(dòng)端僅僅設(shè)立了拇指、食指與中指三支手指固定器，每支固定器 包括兩根指節(jié)，各指節(jié)之間采用角度傳感器進(jìn)行活動(dòng)連接，可保證在不影響操縱 者手指活動(dòng)的同時(shí)采集其手指活動(dòng)在傳感器上所產(chǎn)生的信號(hào)。由于固定器上安裝有大多數(shù)傳感器，且其還要承受操縱者手部活動(dòng)的負(fù)荷， 故從制作材質(zhì)的加工難易程度、輕便度與堅(jiān)固度加以考慮，采用川崎重工業(yè)株式 會(huì)社所生產(chǎn)的A5052型0.5mm硬鋁板材作為制作材料。圖2.2腕關(guān)節(jié)固定器人體手部活動(dòng)過程中，從設(shè)計(jì)加工方面考慮，舍棄了手掌背屈角度，確定掌 屈角度50 ；舍去手掌的橈側(cè)、尺側(cè)屈曲

6、角度；確定橈側(cè)外展角度為60、掌 側(cè)外展角度為90。食指與中指各指節(jié)的設(shè)計(jì)屈曲角度為：第一節(jié)指骨屈曲 90 ；第二節(jié)指骨屈曲80 ；第三節(jié)指骨屈曲80，并合并第一、二節(jié)指骨為 第一指節(jié)，第三節(jié)指骨為第二指節(jié)。2.2傳感器組在該機(jī)械手的主動(dòng)端所安裝的傳感器所檢測(cè)到的幾乎全部為角位移量，故其 可以選用的傳感器有編碼器、電位器與關(guān)節(jié)角傳感器等幾種。編碼器可以輸出表示位移符號(hào)與增量的編碼脈沖信號(hào)，在機(jī)器人設(shè)計(jì)中最常 用的是光學(xué)編碼器。最近的36mm旋轉(zhuǎn)編碼器總分辨率可達(dá)1296000pulse/reo, 但其耐沖擊性太差，尺寸過大，無法在安裝空間狹小的主從式機(jī)械手的主動(dòng)端加 以安裝。電位器則一般由環(huán)形

7、電阻片與電刷組成，通過電刷接觸電阻片而讀取電信 號(hào)，電刷與驅(qū)動(dòng)器連成一體，將其角位移信號(hào)轉(zhuǎn)換成電阻的變化，目前以導(dǎo)電塑 料為主流，使用壽命很長，且由于碳黑顆粒大小為0.01um數(shù)量級(jí)，故分辨率極 高。其尺寸較小，很適合作為主動(dòng)端的傳感器，但也存在轉(zhuǎn)動(dòng)阻力較大、安裝困 難的問題。關(guān)節(jié)角傳感器則是安裝于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)部位，可用于測(cè)量關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度。其通 過將導(dǎo)電橡膠的彎曲程度轉(zhuǎn)換為電阻的變化而檢測(cè)出關(guān)節(jié)的彎曲程度，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，即使旋轉(zhuǎn)中心角固定得不準(zhǔn)確也不影響測(cè)量，可以說是在接觸傳感器中最有 前景的一種。但是由于其精度尚待改進(jìn)且自制困難，本次設(shè)計(jì)中暫不予以考慮。本次設(shè)計(jì)中所采用的為阻值10k的塑料非線性

8、電位器，其一般被大量用于隨 身聽的音量調(diào)節(jié)裝置中，相比于同類產(chǎn)品，體積更小，使用壽命更長。如圖所示， 電位器安裝于單面覆銅電路板上，再安裝于固定器上。圖2.3傳感器安裝圖圖2.4標(biāo)示出了在主動(dòng)端上共安裝有從A到J編號(hào)的共10個(gè)傳感器，其安 裝位置如圖所示，均為操縱者手部相應(yīng)關(guān)節(jié)所對(duì)應(yīng)位置。另外在拇指、食指與中 指指節(jié)尖端均安裝有緊貼操縱者指尖皮膚的壓電陶瓷片，以作為從動(dòng)端對(duì)所抓握 物體所產(chǎn)生的力覺反饋裝置。傳感器的20根引出線統(tǒng)一以絕緣膠布包裹待用， 以便接入控制電路。圖2.4傳感器組安裝部位示意圖3 .從動(dòng)端從動(dòng)端的作用是借助控制電路，將主動(dòng)端各傳感器旋轉(zhuǎn)所獲取的電阻值信號(hào) 轉(zhuǎn)變?yōu)樗欧姍C(jī)相

9、同的轉(zhuǎn)動(dòng)角度量。從動(dòng)端由電機(jī)組與傳感器組這兩部分所組 成。3.1電機(jī)組從動(dòng)端可以采用的電機(jī)類型為：步進(jìn)電機(jī)、DC電機(jī)、舵機(jī)?，F(xiàn)比較其性能 如下表所示：表3-1電機(jī)比較表步進(jìn)電機(jī)DC電機(jī)舵機(jī)速度控制與脈沖頻率成 正比，但會(huì)有微 小波動(dòng)反饋控制，平滑類似步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩控制復(fù)雜，電流一定 也會(huì)有微小的 位置變化轉(zhuǎn)矩與電流成正 比類似步進(jìn)電機(jī)效率低，體積越小效 率越低高高定位性高低高價(jià)格較高低較低如上所述，步進(jìn)電機(jī)較為低效，不適合在需要瞬時(shí)產(chǎn)生大轉(zhuǎn)矩的場(chǎng)合應(yīng)用； 而DC電機(jī)定位性較差，且進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)一般希望使用較少導(dǎo)線數(shù)量，要想實(shí)現(xiàn)定 位控制，DC電機(jī)還要安裝編碼器或電位器作為位置傳感器，電源端子與信號(hào)線

10、 共5根；步進(jìn)電機(jī)為4-10根；舵機(jī)僅僅需要3根。故綜上所述，該設(shè)計(jì)采用舵 機(jī)作為從動(dòng)端的電機(jī)。圖3.1各款舵機(jī)在從動(dòng)端中，不同部位的關(guān)節(jié)采用不同種類的模擬舵機(jī)。其中，指節(jié)驅(qū)動(dòng)舵 機(jī)性能參數(shù)為：重量8.3g、扭力1.5kg cm、轉(zhuǎn)速0.12sec/60 ；腕關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng) 舵機(jī)性能參數(shù)為：futaba 3003型、重量36g、扭力3.5kg cm、轉(zhuǎn)速0.16sec/60； 肘關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)性能參數(shù)為：MG995型、重量55g、扭力9.0kg - cm、轉(zhuǎn)速 0.16sec/60。各款舵機(jī)各有三條引出線，其中紅色導(dǎo)線為電源線，黑色導(dǎo)線為 地線，白色導(dǎo)線為PWM控制信號(hào)線，通過由控制電路所傳出的具有不

11、同占空比的 方波來實(shí)現(xiàn)其定位要求。圖3.2機(jī)械手指從動(dòng)端機(jī)械手指每根具有2個(gè)自由度，以2臺(tái)模擬舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，其大小類似于 操縱者手部，以期實(shí)現(xiàn)較高度的小型化與密集化。其手指肚安裝有以導(dǎo)電海綿改 造的壓覺傳感器，通過舵機(jī)與主動(dòng)端實(shí)現(xiàn)位置控制，通過接觸傳感器實(shí)現(xiàn)力反饋。用于搭建機(jī)械手指的舵機(jī)需要加以改造：卸下后蓋，在其上與轉(zhuǎn)動(dòng)軸同軸線 的位置鉆一直徑1.5mm的小孔，安裝上一支帶墊圈的螺絲，以便作為第二臺(tái)舵機(jī) 安裝支架的第二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸，以分散轉(zhuǎn)動(dòng)軸的作用力，提高支架的牢固度。圖3.3舵機(jī)支架改造安裝圖將各機(jī)械手指用螺栓固定于手掌面板上，即可完成從動(dòng)端的手掌制作。其余 腕、肘部件制作與之相似，故不再贅述。

12、3.2傳感器組集中式傳感器具有功能單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，是最適合在機(jī)器人設(shè)計(jì)中應(yīng) 用的傳感器，包括接觸傳感器、壓覺傳感器、滑覺傳感器等。其中，壓覺傳感器可用于檢測(cè)傳感器表面上受到的作用力，可用于判斷機(jī)器人是否接觸目標(biāo)或環(huán) 境，用于尋找物體或感知碰撞，可由導(dǎo)電海綿、觸電、絕緣體構(gòu)成。手指外殼（絕孫）圖3.4壓覺傳感器結(jié)構(gòu)若導(dǎo)電海綿被擠壓，導(dǎo)電粉末的密度發(fā)生改變，其電阻降低，通過與振蕩電 路連接，改變振蕩電路的頻率，使輸出端緊貼人體皮膚的壓電陶瓷震動(dòng)強(qiáng)度發(fā)生 改變，從而提醒操縱者手指力度的改變。3孩傳感器電路組制作三組，分別安裝 于三根機(jī)械手指的指肚空間中。圖3.5力覺傳感器電路圖4控制電路在該主

13、從機(jī)械手的設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用的是舵機(jī)。舵機(jī)主要由以下幾個(gè)部 分組成：舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)、控制電路板等。舵機(jī) 的工作原理為：控制電路板接受來自信號(hào)線的控制信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶 動(dòng)一系列齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計(jì)是相 連的，舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)將輸出一個(gè)電壓信號(hào)到控 制電路板進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度， 直到達(dá)到目標(biāo)后停止。舵機(jī)的輸入線共有三條，中間一條是紅色的電源線，一條是黑色的地線，這 兩根線給舵機(jī)提供最基本的能源保證。設(shè)計(jì)中采用6.0V電源。最后一根線是控 制信號(hào)線，F(xiàn)ut

14、aba的一般為白色，JR的一般為桔黃色。舵機(jī)的控制信號(hào)為周期是20ms的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，其中脈沖寬度從 0.5ms-2.5ms，相對(duì)應(yīng)舵盤的位置為0-180度，呈線性變化。也就是說，給它提 供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣 改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng) 的位置上。舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期20ms，寬度1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)， 有一個(gè)比較器，將外加信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)相比較，判斷出方向和大小，從而產(chǎn)生電 機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)。圖4.1控制電路圖在該設(shè)計(jì)中采用的控制電路圖如上圖所示。該系統(tǒng)包括方波發(fā)生器，而伺服 放大器

15、和伺服機(jī)構(gòu)兩個(gè)部分均位于舵機(jī)內(nèi)部。該電路是一款改進(jìn)型間接反饋式多 諧振蕩電路，在間接反饋式多諧振蕩電路的基礎(chǔ)上增加了二極管VD與R并聯(lián)， 其振蕩公式為：t=0.693RAC，t=0.693RBC，T=t+t，占空比二t(t)/T。121212圖4.2控制電路盒在控制電路的制作中，為了盡可能的減小所需空間，故絕大多數(shù)元件采用貼 片元件，機(jī)械手的10個(gè)關(guān)節(jié)的控制電路設(shè)計(jì)在一張單面覆銅板上，安裝于一 6X14 的有機(jī)玻璃盒中，盒側(cè)面安有與各關(guān)節(jié)相連的插座，采用6.0V電壓供電。5 .未來展望該款主從式機(jī)械手雖然能夠初步達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，但還存在一系列問題，如主 動(dòng)端強(qiáng)度不足、操縱者活動(dòng)空間受限、僅可以實(shí)現(xiàn)短距離有線操縱等。故為了給 改進(jìn)留下空間，已將機(jī)械手設(shè)計(jì)成控制電路與驅(qū)動(dòng)電機(jī)可分離的模式，以便在改 進(jìn)過程中繼續(xù)使用結(jié)構(gòu)未加改變的從動(dòng)端。在未來的改進(jìn)中，可選用響應(yīng)時(shí)