氣動柔性仿人機械手的設計與實驗研究

1氣動柔性機械手近年來，許多科學家在八個輕量機械方面進行了大量研究，并開發(fā)了幾個柔性模型機械。其中許多機械手采用微型電機，槍被安裝在手和手臂上，通過肌腱、齒輪和連桿的傳輸實現(xiàn)手指關節(jié)的距離。2007年，蘇格蘭羅恩i-lib開發(fā)了一個基于不同關節(jié)的柔性機械。這個機器的手由電機驅動。每個手指都可以單獨控制，可以做出不同的握力操作。除了使用微型機械手，許多科學家還將機械手的驅動方法轉變?yōu)樾录夹g材料，如形狀記憶金、聚合物和功能液體驅動。1984年，日本科學家yogohi采用形狀記憶金的柔性工具包通過控制的形狀記憶金變形來完成機械手的動作。2011年，日本科學家shi名譽構建（日本）。應用電機驅動的機械手,易于實現(xiàn)對機械手的控制,但是柔性較差.而采用功能材料制成的機械手法向壓力較低.為了提高機械手的柔順性和夾持能力,選擇壓縮氣體或者液體作為機械手驅動方式.常用形式有液壓缸、氣壓缸及氣動人工肌肉等.英國Shadow公司應用McKibben型氣動人工肌肉構成柔性關節(jié),且應用于Shadow靈巧手的制作中.德國卡爾斯魯厄大學提出了一種仿人手流體控制機械手,驅動系統(tǒng)與手結合成一體,機械手的設計結構緊湊,質量較輕.國內(nèi)浙江工業(yè)大學在氣動柔性驅動器FPA關節(jié)的基礎上研制了氣動柔性機械手.該柔性機械手的手指由4個關節(jié)組成,裝有多個傳感器,具有力位感知功能.北華大學結合自制柔性關節(jié)研制了氣動柔性機械手.該機械手采用雙拇指對稱結構,具有較高的柔性,適合抓取復雜形狀物體,缺點是手指剛度較低.人手具有很強的靈活性和適應性,多數(shù)已研制的柔性五指機械手都不能與之相比.為此,本文根據(jù)仿生學原理,采用自主研發(fā)的單向彎曲關節(jié)和多向彎曲關節(jié)研制了氣動柔性五指機械手,并根據(jù)齊次坐標變換方程建立了機械手運動學模型,設計了機械手氣動實驗平臺,通過實驗驗證了該機械手的靈活性,對不同形狀的物體進行了抓取.并采用測力儀測量了機械手的抓取能力.2機械手的結構與運動功能仿人柔性五指機械手由手掌和5根柔性手指構成,每根手指由3個柔性關節(jié)組成,見圖1.手掌采用鋁合金材料模仿人類手掌外形銑削完成,手指關節(jié)處連接盤采用尼龍材料快速成型,機械手的總質量為1kg.為了便于研究大拇指初始位姿對抓取能力的影響,手掌基盤上設置了大拇指位姿調整盤.位姿調整盤可以調整大拇指相對于手掌的初始位置,使其可以繞手掌法向軸線回轉和沿手掌平行于其余四指的方向移動.其余四指固定安裝在手掌前端呈弧形均勻分布.機械手手指由自主研制的單向彎曲關節(jié)和多向彎曲關節(jié)組成.其中大拇指基關節(jié)和近關節(jié)采用多向彎曲關節(jié),遠關節(jié)采用單向彎曲關節(jié).其余四指的設計與大拇指不同,基關節(jié)采用多向彎曲關節(jié),近、遠關節(jié)采用單向彎曲關節(jié),見圖2.通入壓縮氣體后,組成機械手的柔性關節(jié)在氣壓的作用下發(fā)生彎曲變形,驅動手指完成正屈、側擺和反彎等動作,在五根手指的協(xié)同配合下完成對物體抓取.單向彎曲關節(jié)和多向彎曲關節(jié)的結構與運動功能如圖3所示.無軸多鉸鏈的單向彎曲關節(jié)由約束環(huán)、橡膠管和板彈簧組成,通入壓縮氣體后關節(jié)內(nèi)部橡膠管內(nèi)腔受壓膨脹.由于外部約束環(huán)的限制關節(jié)外徑不變,關節(jié)端蓋受到氣體產(chǎn)生的軸向壓力,在板彈簧的約束下轉變?yōu)榇龠M關節(jié)發(fā)生彎曲變形的純彎矩使得關節(jié)端蓋發(fā)生偏轉,帶動整個關節(jié)沿板彈簧一側發(fā)生彎曲變形.多向彎曲柔性關節(jié)由4個氣動軸向膨脹型人工肌肉并聯(lián)組成,該人工肌肉由彈簧和橡膠管組成,屬于氣動復合彈性體,人工肌肉充氣后具有大變形、非線性等特征.當向人工肌肉內(nèi)腔通入壓縮空氣后,彈性橡膠管內(nèi)腔容積增大,由于外部螺旋彈簧的束縛,其徑向膨脹受到限制;氣體在肌肉端蓋處會產(chǎn)生軸向推力,帶動橡膠管和彈簧同時軸向伸長.通過電磁換向閥控制多向彎曲關節(jié)內(nèi)4條人工肌肉的工作狀態(tài),調節(jié)關節(jié)的彎曲方向;應用比例閥控制關節(jié)內(nèi)部壓強和彎曲程度實現(xiàn)空間上多個方向的彎曲和軸向伸長.3柔性浚通手運動學分析機械手通過手指上各個關節(jié)及各個手指的相互配合,才能完成靈巧操作和靈活抓取.機械手運動學分析主要研究機械手上各個關鍵點(柔性關節(jié)兩端中心位置)在手掌坐標系中的位置,機械手5個指尖達到的工作空間.在進行軌跡規(guī)劃時,只關心手指上各個關鍵位置點相對于手掌坐標系的空間描述.同時規(guī)定柔性五指機械手手指繞x軸逆時針旋轉為正屈,繞x軸順時針旋轉為反彎;繞y軸逆時針旋轉為內(nèi)擺,繞y軸順時針旋轉為外擺.對柔性五指機械手進行運動學分析時主要研究手指相對于手掌的位姿關系,其中每根手指指根固定在手掌上,手指上的柔性關節(jié)由連接盤連接,連接盤為剛性體不參與變形,手指在柔性關節(jié)驅動下可以相對運動.手掌坐標系作為基坐標系,如圖4所示.手掌坐標系x0y0z0固定在手掌根部,坐標系原點o0為5根手指延長線在手掌上的交點.為了研究手指上各個關鍵位置點相對于手掌坐標系的位置,在手指的每個關鍵點上建立一個坐標系,如圖5所示.手指上的各個關鍵點坐標系用xijyijzij表示,i=1,2,3,4,5分別表示大拇指、食指、中指、無名指和小拇指;j=1,2,3,4,5,6,7表示手指上柔性關節(jié)和連接盤上的端面中心點編號順序,大拇指與其余四指所取的關鍵點的位置相同.根據(jù)手指上各柔性彎曲關節(jié)的變形規(guī)律及連接盤的幾何結構,得到手指上相鄰的2個關鍵點的齊次坐標變換矩陣.根據(jù)齊次坐標變換矩陣,將手指上各個關鍵點位置由指根坐標系轉換到手掌坐標系,建立仿人柔性五指機械手的運動學模型.3.1單向彎曲關節(jié)正屈時端面的轉動仿人柔性五指機械手采用模塊設計,食指、中指、無名指和小拇指結構相同,能實現(xiàn)相同的運動功能.由于各坐標系原點與關鍵點重合,手指上各個關鍵點jPij在本地坐標系xijyijzij的向量表示,即為jPij=[0001]T,手指上任意關鍵點jPij在指根坐標系中的描述,可以通過坐標變換得到,即式中,j-1jTi表示第i個手指上的關鍵點從j坐標系向j-1坐標系轉化時的齊次坐標變換矩陣.其中,單向彎曲關節(jié)正屈時,上端面中心點向下端面轉化的齊次坐標變換矩陣為式中,θij為單向彎曲關節(jié)正屈時端面的轉動角度;aij,bij分別是單向彎曲關節(jié)正屈時上端面中心點位置在到下端面坐標系的數(shù)值,s、c為sin、cos的簡寫.根據(jù)單向彎曲關節(jié)的變形,可知非線性、變參數(shù)aij,bij分別為式中,L是單向彎曲關節(jié)的有效長度,D是單向彎曲關節(jié)的直徑.同理可以得到多向主動彎曲關節(jié)正屈時上端面中心點向下端面轉化的齊次坐標變換矩陣.由手指在手掌坐標系中的分布,可以得到食指等其余四指上各個關鍵點在手掌坐標系中的描述為式中,0iT為各個手指坐標系向手掌坐標系轉化的齊次坐標變換矩陣,且式中,Φi為各個手指軸線與手掌坐標系y軸之間的夾角,xi和yi分別為各個手指坐標系原點在手掌坐標系中的坐標值.為了增強大拇指的靈活性,及實現(xiàn)抓取時力的封閉,大拇指與其余四指不在同一平面內(nèi),因此大拇指上各個關鍵點在手掌坐標系中的描述為式中,11P1j為大拇指上各個關鍵點轉化到拇指指根坐標系中的位置,01T·01R為大拇指指根坐標系向手掌坐標系轉化的齊次坐標變換矩陣,其中式中,φ為大拇指與手掌平面之間的夾角.3.2xy面的投影由式(4)和式(6)可得機械手各手指的關鍵點坐標,調整氣動柔性關節(jié)的壓力,可計算出θij,從而得到機械手各個手指的運動軌跡,將其組合可以得到柔性五指機械手的工作空間,如圖6所示.通過手指間的相互配合機械手可以完成各類動作和完成對不同尺寸物體的抓取.大拇指可以實現(xiàn)向兩側側擺、正屈、反彎.其余四指可以實現(xiàn)正屈、反彎、內(nèi)擺和外擺.柔性五指機械手工作空間在xy面的投影如圖7所示.柔性五指機械手每個手指的工作空間出現(xiàn)重疊區(qū)域.該重疊區(qū)域表明柔性五指機械手手指可以相互配合完成動作的可能性.如其余四指的工作空間交叉,說明鄰近兩指間可以完成對細小物體的夾取.大拇指與其余四指的工作空間交叉,說明大拇指可以與其余四指相互捏合.當前大拇指工作狀態(tài)為大拇指相對于掌心平面呈45°、與中指呈0°,此時僅靠基關節(jié)和近關節(jié)的2根肌肉分別通氣很難實現(xiàn)大拇指與小拇指捏合.但可以通過位姿調整盤調節(jié)大拇指相對于手掌的位置,或者通過向大拇指的基關節(jié)和近關節(jié)的3根肌肉通氣,控制關節(jié)和手指的大幅度運動,實現(xiàn)大拇指與小拇指捏合.柔性五指機械手最典型的抓取位姿是手指正屈,五指同時正屈時柔性五指機械手的抓握動作如圖8所示.通過柔性五指機械手每個手指間相互配合可以模仿人手的靈活動作,如圖9所示.如圖10所示,調節(jié)柔性五指機械手手指各關節(jié)的氣壓,可以實現(xiàn)人手的基本抓取功能,如握、捏、抓、夾和托等.對于不同形狀的物體,根據(jù)物體外形和尺寸,柔性五指機械手可以選擇不同抓取模式,如對大球體、圓柱體進行握取,小球體和小圓柱物體進行兩指夾取,對于箱體和盤體可以采取抓取和托置.通過對柔性五指機械手的運動仿真可知,機械手運動靈活可以模仿人手的復雜動作和完成對不同形狀物體的抓取.4電磁閥控制機械手動作柔性五指機械手氣動實驗平臺如圖11所示,主要由五指機械手、氣動換向電磁閥組、精密減壓閥組、直流電源和氣泵組成.該平臺通過電磁閥控制機械手的動作模式,利用減壓閥調整機械手動作的過程和程度.4.1模型模擬五根指紋和指數(shù)化后的靈活運動設計柔性五指機械手運動姿態(tài)實驗中,大拇指位姿調整盤相對于掌心平面呈45°,與中指呈0°或45°.圖12為五根手指相互配合實現(xiàn)的各種靈活運動.設計的機械手大拇指具有較高的靈活性,可以配合其余四指實現(xiàn)較復雜的運動;柔性五指機械手整體動作柔順、工作空間范圍大,靈活性類似于人手.4.2機械手法的應用機械手與人手比例為1.5:1,通過調整其余四指的位姿與大拇指相互配合可以對不同形狀物體成功進行抓取,如球體、柱體、方體和異形物體等.實驗中被抓取的10種目標物體的具體參數(shù)如表1所示.對于球體有兩種方式,手指的握取(圖13(a))和指端的抓取(圖13(b)).在抓取時,首先控制大拇指基關節(jié)向掌內(nèi)運動,利用手指端部的夾持能力對球體進行抓取.握取與抓取的不同點在于除了利用指端外,還使用了手指基關節(jié)端部,同時調整大拇指位姿,五指同時正屈在球體表面形成力封閉,實現(xiàn)機械手對球體的握取.對于較小的球體,機械手可以使用兩指抓取(圖13(c))或者三指抓取(圖13(d)).對于小球體,可以使用兩指抓取,該類動作可以歸結為機械手對小物體的捏取,可以實現(xiàn)大拇指和食指捏拿鑰匙和紙張等細小物體.對于易碎物體,為了提高抓取的穩(wěn)定性可以采用三指捏取.從圖13(d)中可以看到,機械手在進行三指抓取時,需要調整大拇指指端與其余二指的位置實現(xiàn)有效抓取,在對小球握取時,其余二指正向彎曲,大拇指與二指配合固定球體.對于小直徑柱體,可以使用四指卷握便捷抓取,見圖13(e).對于細桿類物體,可以采用其余四指夾取,見圖13(f).機械手對于小圓柱體的卷握比人手更靈活,說明該機械手在某些特殊應用中具有一定優(yōu)勢.機械手常采用握取方式對大型柱體進行抓取,見圖13(g).機械手在抓取時手掌與物體接觸,手指完全包裹物體,機械手指和手掌形成封閉空間.機械手可以抓取、移動礦泉水瓶和罐裝飲料瓶,表明機械手具有一定抓取重物的能力,夾持物質量可達0.5kg.機械手在抓住小型較重的罐狀物體時,可以采用四指抓握和小拇指托置的動作,見圖13(h),以便提高抓取重物的能力.對于盤形體,可以使用五指抓取和大拇指配合其余四指進行托置,如圖13(i)、(j)所示.大拇指與其余四指配合,可以穩(wěn)固地進行抓取和托放.對于箱體類物體取放,根據(jù)箱體的大小和質量選擇三指和多指抓取,如圖13(k)、(l)所示.體積較小和質量較輕的箱體適合于三指配合抓取;對于體積較大和質量較大的箱體,可以使用大拇指與中指和無名指配合抓取,食指和小拇指在箱體兩側內(nèi)擺固定夾緊箱體.由圖13可見,機械手可以形成不同位姿靈活平穩(wěn)地對目標進行抓取.大拇指指端到中指指端的最大距離為320mm,相對中指的最大擺動角度為60?,最大抓取物體質量為1kg.根據(jù)抓取的需要,機械手完成抓取的時間可以控制在0.3s~0.5s;機械手法向壓力可通過改變通入的氣體壓力控制.實驗中捏取物體的最小直徑為10mm;握取圓柱物體的尺寸在30mm~120mm.實驗結果表明,該柔性五指機械手可以實現(xiàn)類似人手的抓取功能,能夠對不同形狀的物體進行抓取,具有良好的適應性和可控性.4.3柔性嘴唇檢測柔性手指在抓取物體時產(chǎn)生的夾持力與手指與物體接觸時產(chǎn)生的法向壓力成正比,通過對法向壓力的單獨測量可以進行手指夾持力分析.手指夾持力測試裝置主要由測力儀、氣源和關節(jié)固定裝置等組成,如圖14所示.利用手指夾持力測試裝置分別完成了柔性手指指端和關節(jié)的夾持力測試實驗,包括在不同關節(jié)通氣組合方式下手指的基關節(jié)、近關節(jié)和遠關節(jié)處的法向壓力.利用壓力測試裝置,采用小端面測頭測量了柔性手指在不同關節(jié)通氣時關節(jié)處的法向壓力與通入氣壓的關系,見圖15、16.可知,手指各關節(jié)法向壓力與通入氣體壓強呈線性關系,隨著遠離手指根部手指關節(jié)數(shù)目和手指長度的增加,手指夾持重物的能力大幅減弱.通過調整不同關節(jié)通氣方式可以提高手指的法向壓力.柔性手指在自由狀態(tài)下通氣時機械手指近指關節(jié)頂端處最大法向壓力約為4N,指端產(chǎn)生最大的法向壓力約為3.5N.5仿真實驗和驗