基于全驅(qū)動單元的欠驅(qū)動多點(diǎn)手設(shè)計(jì)與控制

機(jī)器人作為最終的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，長期以來一直是機(jī)器人技術(shù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。機(jī)器人常用的靈活手分為全驅(qū)動程序和單調(diào)器控制手。由于每個關(guān)節(jié)的電機(jī)都需要驅(qū)動，整個驅(qū)動程序手通常需要使用外殼。在傳動形式上，電機(jī)可以放在手掌和手臂上，以實(shí)現(xiàn)手指的小型和廣泛量化，如stanford、ubv手、lrii手、robot技術(shù)手等。此外，空氣動力學(xué)的出現(xiàn)使這位靈活的手接近人們的靈活，就像陰影環(huán)境手。整個動態(tài)機(jī)器人手在模仿和靈活性方面幾乎沒有優(yōu)勢，但缺點(diǎn)也很明顯。例如，許多驅(qū)動單元、高成本、高成本，難以實(shí)施科學(xué)應(yīng)用，通常只能用于科學(xué)研究。近幾年來,以低成本、易操作為原則的科研理念逐漸從歐洲興起,而欠驅(qū)動多指手以其結(jié)構(gòu)相對簡單、驅(qū)動單元少、控制簡單和制造成本低廉等諸多優(yōu)點(diǎn),成為實(shí)用化研究的熱點(diǎn).欠驅(qū)動多指手的傳動形式主要有連桿傳動和腱傳動.SARAH手、Belgrade/USC手等為應(yīng)用連桿機(jī)構(gòu)的典型代表.連桿機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)力抓取物體,但在擬人性上略有不足,受機(jī)械機(jī)構(gòu)的限制,手指小型化和擬人化實(shí)現(xiàn)較為困難.以腱傳動的欠驅(qū)動多指手,由于添加了柔性元素,使得腱的數(shù)量減少,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加簡單,可維護(hù)、可操作性更強(qiáng),擬人化的發(fā)展空間更大,如RTRII手、Cyber手,等等.本文正是基于上述設(shè)計(jì)原則,在仿人多指靈巧手的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動機(jī)理中應(yīng)用欠驅(qū)動原理,設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、控制簡單、成本低廉的仿人單腱式彈性欠驅(qū)動多指手.并且,此欠驅(qū)動多指手具有被動柔順特性,即在抓取物體時,具有自動適應(yīng)不同形狀物體的能力.這一特性使得欠驅(qū)動多指手具有強(qiáng)大的包絡(luò)抓取能力.1指紋的安裝和設(shè)計(jì)本文提出的新型欠驅(qū)動手指的設(shè)計(jì)方案如圖1所示.手指有3個轉(zhuǎn)動自由度,通過一根固定于指尖的腱實(shí)現(xiàn)驅(qū)動.拉動腱,在轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)處扭轉(zhuǎn)彈簧的作用下實(shí)現(xiàn)各關(guān)節(jié)的耦合運(yùn)動,因此此機(jī)構(gòu)是彈性欠驅(qū)動機(jī)構(gòu).這種通過腱驅(qū)動的欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)對物體形狀具有充分的自適應(yīng)性,能與物體實(shí)現(xiàn)柔性接觸.由于欠驅(qū)動多指手以包絡(luò)抓取為主要抓取模式,基關(guān)節(jié)無需設(shè)置側(cè)擺自由度,使得可以并行布置食指、中指、無名指和小指(由于小指在包絡(luò)抓取中作用較小,其他四指就能完成抓取任務(wù),因此在樣機(jī)中沒有小指,只為其預(yù)留了安裝空間),減輕了分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度.所有手指均安裝在手掌上,整個手共有12個自由度,自由度分布見圖2.已有的大多數(shù)仿人多指手,拇指部分的設(shè)計(jì)是在基關(guān)節(jié)處設(shè)置獨(dú)立驅(qū)動的轉(zhuǎn)動自由度,將拇指轉(zhuǎn)動到與其他手指相對的位置,基關(guān)節(jié)以上的拇指結(jié)構(gòu)和各手指結(jié)構(gòu)相同.這種設(shè)計(jì)使拇指的運(yùn)動不具有擬人性.因而本方案設(shè)計(jì)的拇指基關(guān)節(jié)與中指關(guān)節(jié)軸線成45°夾角,使拇指運(yùn)動能模擬人手拇指各關(guān)節(jié)連續(xù)運(yùn)動的效果.這種設(shè)計(jì)在仿人靈巧手的設(shè)計(jì)中是一個非常有價值的嘗試.2多臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1含規(guī)則無實(shí)體的含共同指節(jié)的特殊裝置由于食指、中指和無名指3個手指的結(jié)構(gòu)相同,因而以食指的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例來表述.食指的結(jié)構(gòu)如圖3所示,圖3(a)為食指的二維結(jié)構(gòu)圖,圖3(b)為食指的三維結(jié)構(gòu)圖.從結(jié)構(gòu)圖中可以看出,一根腱固定于指尖處,手指指節(jié)上和各關(guān)節(jié)上布置尺寸相同的滑輪,各關(guān)節(jié)處安裝有扭轉(zhuǎn)彈簧,整個手指通過一根腱和滑輪實(shí)現(xiàn)運(yùn)動和動力的傳遞.整個手指有根指節(jié)、近指節(jié)、中指節(jié)和末指節(jié)4個指節(jié)組成,可動指節(jié)只有近指節(jié)、中指節(jié)和末指節(jié),根指節(jié)固定于手掌上,這樣設(shè)計(jì)使每根手指都是一個獨(dú)立的單元,極大地方便了多指手的組裝和維護(hù).為減少零件的種類和數(shù)量,增加可維護(hù)性,減小零部件裝配的難度,整個設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想.除每個手指是獨(dú)立的單元外,每個手指的近指節(jié)和中指節(jié)結(jié)構(gòu)一致,可稱為指節(jié)單元,如圖4.為滿足手指端部的不同需要,在指節(jié)單元的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了末指節(jié)和根指節(jié),見圖3.所有手指的根指節(jié)結(jié)構(gòu)和尺寸完全一致,末指節(jié)長度等于各手指指節(jié)長度.欠驅(qū)動手指的抓取過程:手指中的腱固定于手指末端,由于腱在手指間按照一定規(guī)律布置,驅(qū)動單元拉動腱時,由耦合作用使各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動,手指彎曲,先于物體接觸的指節(jié)停止轉(zhuǎn)動,其他指節(jié)繼續(xù)轉(zhuǎn)動,直至對物體形成力封閉構(gòu)形,從而抓住物體,圖5為欠驅(qū)動手的抓取過程.釋放腱時,彈簧提供恢復(fù)力,使手指張開.2.2指紋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拇指在人手中的作用至關(guān)重要,人手能實(shí)現(xiàn)的功能大部分有拇指的參與,如精確抓取、捏拿、包絡(luò)抓取等抓取和各種操作任務(wù),都離不開拇指的參與,因此拇指的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動形態(tài),安裝位置,尺寸大小的設(shè)計(jì)是非常重要的.拇指的自由度布置與其他三指不同,需要單獨(dú)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).本欠驅(qū)動多指手的拇指設(shè)計(jì),擬通過單腱控制掌骨關(guān)節(jié)和其他關(guān)節(jié)一起耦合運(yùn)動,模擬人手的基本運(yùn)動形態(tài).拇指1關(guān)節(jié)與2關(guān)節(jié)軸線成45°夾角,2關(guān)節(jié)和3關(guān)節(jié)軸線平行.為了簡化設(shè)計(jì),拇指2、3指節(jié)可選用其他三指的2、3指節(jié),本設(shè)計(jì)中應(yīng)用食指的2、3指節(jié).圖6為拇指的三維結(jié)構(gòu)圖,近指節(jié)上使用錐形滑輪來改變腱的傳動方向.拇指的工作原理與其它手指相同,關(guān)節(jié)彈簧剛度的選擇要求類似與其他手指.2.3到公所的整體驅(qū)動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)手指固定于手掌安裝板上,通過安裝板布置的滑輪導(dǎo)向,將腱導(dǎo)向到手臂中驅(qū)動機(jī)構(gòu),如圖7(a)所示.食指、中指和無名指并排布置,為小指預(yù)留了安裝空間.為了增加多指手與物體接觸的摩擦力,在手指和手指表面貼裝一層橡膠墊,如圖7(b)所示.3含彈簧剛度的患者由欠驅(qū)動手指機(jī)構(gòu)特征可知,手指在不同的關(guān)節(jié)彈簧剛度等因素下,其運(yùn)動特征是不同的,不同的運(yùn)動特征對多指手的抓持效果和穩(wěn)定性會有不同的影響.如圖8所示,為了使多指手具有穩(wěn)定抓取物體的抓取工作空間,需要分析手指在與物體接觸前的運(yùn)動特征.靜態(tài)構(gòu)形分析即是在手指維持穩(wěn)定構(gòu)形的條件下,分析腱張力在手指關(guān)節(jié)處驅(qū)動力的分布情況,并分析腱張力與各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系.在動態(tài)分析較為復(fù)雜的情況下,靜態(tài)構(gòu)形分析能近似表示手指的工作空間,實(shí)現(xiàn)較為簡單,同時為彈簧參數(shù)的選取提供了一個較為簡便的方法.根據(jù)手指欠驅(qū)動機(jī)構(gòu)特征,手指的某一靜態(tài)構(gòu)形是受到關(guān)節(jié)彈簧剛度和腱張力的影響,因而靜態(tài)構(gòu)形的力分析應(yīng)根據(jù)關(guān)節(jié)彈簧剛度選取的不同而不同.另外,由結(jié)構(gòu)特征可知,作用在各關(guān)節(jié)處的主動轉(zhuǎn)矩均相同,即τi=TR.如果關(guān)節(jié)3的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩小于彈簧的初始轉(zhuǎn)矩,即TR≤k3θ0,則關(guān)節(jié)3無法轉(zhuǎn)動,可將關(guān)節(jié)3視為剛性連接.如果關(guān)節(jié)2的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩也小于彈簧的初始轉(zhuǎn)矩,即TR≤k2θ0,則關(guān)節(jié)2同樣也無法轉(zhuǎn)動,可視為剛性連接.此時,只有1關(guān)節(jié)能夠轉(zhuǎn)動,即TR≥k1θ0.腱張力在關(guān)節(jié)上的分布關(guān)系式為:另外的幾種運(yùn)動情況,如下:如果TR≤k3θ0,TR>k2θ0,則關(guān)節(jié)3視為剛性連接,關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2進(jìn)行耦合運(yùn)動,腱張力在關(guān)節(jié)上的分布關(guān)系式為:式中Mi為作用于關(guān)節(jié)i的轉(zhuǎn)矩.如果TR>k3θ0,則關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3一起轉(zhuǎn)動,關(guān)系式為:欠驅(qū)動手多以包絡(luò)抓取為主要抓取模式.包絡(luò)抓取的理想工作過程是,手指指節(jié)1先于物體接觸,指節(jié)2再與物體接觸,指節(jié)3最后與物體接觸,即分析中的第一種假設(shè)情況.根據(jù)本欠驅(qū)動手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可以得到最大的抓取范圍,如圖9.雖然這種最優(yōu)的工作模式,使得手指的工作范圍最大,對物體的自適應(yīng)能力最佳,但是和人手相比,手指的運(yùn)動顯得十分僵硬,仿人性能較差.另外,適當(dāng)減小關(guān)節(jié)彈簧剛度,可以增加手指的負(fù)載能力.但是對于彈簧減小的程度,我們無法準(zhǔn)確判斷,因?yàn)楹侠淼墓ぷ鲄^(qū)域V并不唯一,理論上有無窮多個.因此,只能通過仿真和實(shí)驗(yàn)來獲得較為合適的彈簧剛度.這里假設(shè)各關(guān)節(jié)彈簧選取的剛度恰好能使手指關(guān)節(jié)同時運(yùn)動,即第3種情況.手指在維持靜態(tài)構(gòu)形時,各關(guān)節(jié)處力矩是平衡的,即Mi=0,整理后可得腱張力與各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的關(guān)系式:圖10中所示為兩組不同彈簧剛度下,食指與拇指的工作空間仿真.顯然第一組的工作空間優(yōu)于第二組的工作空間.4建立靜力學(xué)模型欠驅(qū)動手在抓取物體時,會在接觸點(diǎn)處產(chǎn)生力和力矩,為了維持平衡狀態(tài),需要分析在靜態(tài)下欠驅(qū)動手的抓握力,即靜力學(xué)分析.本設(shè)計(jì)的欠驅(qū)動多指手多以包絡(luò)抓取為主要抓取形式,因此本節(jié)對多指手包絡(luò)抓取進(jìn)行靜力學(xué)分析.圖11為欠驅(qū)動手指的包絡(luò)抓取機(jī)構(gòu)靜力學(xué)模型.實(shí)際抓取過程中,手指指節(jié)的運(yùn)動特性和靜力分配與手指關(guān)節(jié)長度和連桿尺寸有著密不可分的關(guān)系.通過分析手指的準(zhǔn)靜力模型,可以得到輸入轉(zhuǎn)矩和施加到物體上的力之間的關(guān)系.而虛功原理是分析力學(xué)中解決靜力學(xué)問題的基本原理,它闡明了力學(xué)系統(tǒng)保持靜平衡的必要充分條件,并提供了解決各類力學(xué)系統(tǒng)靜力學(xué)問題的統(tǒng)一觀點(diǎn)和方法.式中:τT—手指各關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩向量;ω—相應(yīng)角速度向量;FT—接觸力向量,各力的方向垂直于指節(jié),忽略摩擦力;ν—沿接觸力方向投影的指節(jié)速度向量.進(jìn)一步:將上述公式表示為雅可比矩陣和角速度的積形式,即:將以上各式整理后可得輸出力與輸入扭矩的關(guān)系:為了保證上式有解,雅克比矩陣J必須可逆,即:即接觸點(diǎn)處接觸力的作用線不應(yīng)與轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)軸線重合.而這種重合情況,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免.可得各指節(jié)出力的方程為:上述方程對于兩點(diǎn)接觸或一點(diǎn)接觸同樣適用.5易產(chǎn)生彈射現(xiàn)象的原因Lionel在欠驅(qū)動機(jī)器人手一書中,提出了一種影響各種欠驅(qū)動手指抓取穩(wěn)定的現(xiàn)象,即脫?，F(xiàn)象,又稱彈射現(xiàn)象.當(dāng)欠驅(qū)動手指抓取物體時,指節(jié)的接觸力有一個或更多為零時,即相應(yīng)的指節(jié)沒有與物體接觸,那么,此時在抓取過程中可能發(fā)生接觸力為正的指節(jié)沿物體表面滑移(假設(shè)接觸光滑).滑移過程將持續(xù)到使手指達(dá)到一種穩(wěn)定的抓取構(gòu)形,或者達(dá)到關(guān)節(jié)的極限位置,或者使手指脫離于物體的接觸,即彈射現(xiàn)象.在假設(shè)接觸光滑的情況下,彈射現(xiàn)象是連續(xù)出現(xiàn)的,運(yùn)動較為平穩(wěn),此時手指對物體的抓取也有可能會出現(xiàn)穩(wěn)定構(gòu)形,但是這種構(gòu)形不是手指面形成的,而是手指背面形成的,在手指伸展時,就會出現(xiàn)彈射物體的效果.因而彈射現(xiàn)象是欠驅(qū)動手設(shè)計(jì)時需要盡力避免的.由靜力學(xué)分析可知,在結(jié)構(gòu)和接觸位置確定的情況下,指節(jié)接觸力是隨腱張力的變化而變化的,對腱張力求導(dǎo)可得下式:從而可知,在結(jié)構(gòu)和接觸位置已知的條件下,指節(jié)1和3隨著腱張力的增大而增大,而指節(jié)2的接觸力隨著腱張力的增大而減小,使得指節(jié)2與物體脫離接觸,形成局部的彈射現(xiàn)象,如圖12.由于指節(jié)結(jié)構(gòu)的限位作用,使手指在彈射現(xiàn)象發(fā)生后,關(guān)節(jié)2不會產(chǎn)生反向的較大轉(zhuǎn)動.在一定條件下限制了彈射現(xiàn)象的惡化,使得手指的抓取構(gòu)形重構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定的抓取形態(tài).雖然手指的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制了手指的彈射現(xiàn)象,但仍然希望能夠消除或者盡量減小產(chǎn)生彈射現(xiàn)象的可能.根據(jù)上述彈射現(xiàn)象的分析可知,在腱張力達(dá)到一定數(shù)值,此彈性欠驅(qū)動手指在關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3處產(chǎn)生彈射現(xiàn)象是不可避免的,只能通過增加指節(jié)3與物體接觸表面的粗糙度,增加摩擦力,從而盡量減小彈射現(xiàn)象出現(xiàn)的可能.在多指手表面附著橡膠表層是很好的解決方案,同時達(dá)到了人手肌肉組織緩沖和增加與被抓取物體接觸面積的作用,對穩(wěn)定抓取物體非常有利.6多次實(shí)際樣品的抓實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)通過選取不同形狀的物體進(jìn)行抓取實(shí)驗(yàn),來驗(yàn)證欠驅(qū)動手包絡(luò)抓取的能力.圖13為用泡沫制作的不同大小形狀的物體,對這些物體的抓取實(shí)驗(yàn),檢驗(yàn)了多指手的自適應(yīng)抓取能力.圖14為選取實(shí)物:水杯、方形水瓶、工具刀、螺絲刀、茶桶、膠槍、體積較大的膠帶等進(jìn)行的抓取實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多指手的抓取能力.7指節(jié)接觸靜力學(xué)本文提出了一種通過腱、滑輪傳動的欠驅(qū)動手指的設(shè)計(jì)方案,該方案具有結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動單元少的特點(diǎn).我們對欠驅(qū)動多指手進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并對拇指進(jìn)行了獨(dú)特設(shè)計(jì),使其能夠模擬人手拇指的基本運(yùn)動效果.根據(jù)手指的靜態(tài)構(gòu)形分析,討論了手指關(guān)節(jié)彈簧選擇的原則和方法.對多指手包絡(luò)抓取的指節(jié)接觸靜力學(xué)進(jìn)行了計(jì)算,并根據(jù)求得的靜力學(xué)公式,分析了多指手在抓取時可能存在的彈射現(xiàn)象.應(yīng)用多指手的樣機(jī),對不同物體進(jìn)行了抓取實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了多指手對不同物體的抓取自適應(yīng)能力和較強(qiáng)的抓取能力.以上工作為彈性欠驅(qū)動多指手的深入研