（机械电子工程专业论文）三指灵巧手手指及其抓取运动规划的研究.pdf

哈尔滨i 科人学硕士学位论文 摘要 随着机器人技术的发展及其在各个领域的广泛应用，作为机器人与环境 相互作用的最后执行者，多指灵巧手的工作能力被提到了新的高度。本文对 多指灵巧手的研究文献进行分析和综述，对多指灵巧手的结构优化设计及轨 迹规划问题进行了研究。 从仿生学的角度出发，采用拟人法对多指灵巧手的结构型式进行了优化 分析，得出了包括一个手掌，三个手指，九个回转关节的灵巧手结构。引进 优化设汁方法，以工作空间等为优化目标，对灵巧手结构参数进行了优化， 最后对灵巧手进行了具体结构设计。 分析并建立了运动学模型，得出运动学j 下逆解方程，并对抓持状态下各 手指的运动姿态进行了仿真。同时完成了在静平衡状态下手指和外界环境之 f 白j 作用力的分析。 比较了在关节空间和笛卡尔空间中规划的优缺点，分析了整个手指的运 动特性，提出从起始点到临近点阶段在关节空间中进行规划，临近点到接触 点阶段在笛卡尔空间进行规划的方法。 针对控制系统硬件电路及抓取过程策略，在p c 机上采用v is u a c + + 编 制了显控系统。担负着整个控制系统的协调任务，完成了各个手指的轨迹计 算、协调三手指的运动、对整个系统出现的错误信息进行处理、并且显示错 误信息、实现人机对话。 关键词：多指灵巧手；结构优化设计；轨迹规划 哈尔滨i ：程大学硕士学位论文 i ir t l l t l i i 皇i i i j i i i 萱i j i j i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 暑i i i i i i i i i i i i i 宣 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr o b o tt e c h n o l o g ya n dw i d ea p p l i c a t i o ni n s om a n yf i e ld s 。a st h ei m p l e m e n t a t i o np a r to ft h ei n t e r a c t i o no fr o b o t a n di t se n v i r o n m e n t ，t h ew o r k a b i l i t yo fm u l t i f i n g e r e dd e x t e r o u sh a n d h a sh i g h e rr e q u i r e m e n t s t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e st h ep r e s e n ts t u d y 1 i t e r a t u r eo fm u l t i f i n g e r e dd e x t e r o u sh a n d ，m i a n l ys t u d y st h eo p t i m a l s t r u c t u r a ld e s ig na n dt r a c kp r o g r a m m i n g f r o mt h ep o i n to fv i e wo fb i o n i c s ，t h i sd i s s e r t a t i o n o p t i m a l l y a n a l y s e st h es t r u c t u r a lf o r m so fm u t i f i n g e r e dd e x t e r o u sh a n db yt h e p e r s o n i f i c a t i o n ，a n d d r a wac o n c l u s i o nt h a taf o r mi n c l u d e sa p a l m ，t h r e ef i n g e r sa n dn i n er o t a t i o nj i o n t s i n t r u d u c e so p t i m a ld e s i g n m e t h o d ，c h o o s i n gt h eo p t i m a lg o a l ss c u ha sw o r ks p a c e ，o p t i m a l l yd e s i g n s t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h i sh a n d a n df i n i s h e sm a t e r i a is t r u c t u r e d e s i g n a n a l y s e sa n de s t a b l i s ht h ek i n e m a t i cm o d e l 。o b t a i n st h ef o r w o r d a n d i n v e r s ek i n e m a t i c e q u a t i o n ，a n ds i m u l a t et h em o t i o no f g r a s p i n g f i n i s h e st h ea n a l y s eo ff o r c eb e t w e e nf i n g e r sa n de n v i r o n m e n t i nt h es t a t eo fs t a t i c s c o m p a r e i n g t h et r a c kp r o g r a m m i n gi nj o i n tc o o r d i n a t ew i t ht h a ti n c a r t e s i a nc o o r d i n a t e sa n da n a l y z i n gt h ew h o l em o t o r i a ic h a r a c t e r i s t i c o ft h e f i n g e r s ，t h i sd i s s e r t a t i o n s h o w e sm e t h o do f l m a k i n g t r a c k p r o g r a m m i n gi nj o i n tc o o r d i n a t ef o r mt h es t a r tt ot h en e a ra n dd oi n c a r t e s i a nc o o r d i n a t e sf r o mt h en e a rt ot h et o u c h t h i sd i s s e r t a t i o nf i n i s h e st h ed i s p l a ya n dc o n t r o l s y s t e minp c u s i n gv is u a c 十+ l a n g u a g e t h es o f t w a r ef i l lt h er o l eo fh a r m o n i z et h e w h o l ec o n t r o l s y s t e m ，i n c l u d i n gm a k i n gt r a c kp r o g r a m m i n go ft h r e e f i n g e r s ，h a r m o n i z i n gt h em o t i o no ft h r e ef i n g e r s ，d e a l i n gw i t ha 1 1t h e 哈尔滨i 程大学硕十学位论文 e r r o r si nt h ew h o l es y s t e m ，d i s p a y i n gt h ee r r o r sa n dr e a l i z i n g m a n m a c h in ec o i m u d i c a t i o n k e yw o r d s ：m u l t i f i n g e r e dd e x t e r o u sh a n d ；o p t i m a ls t r u c t u r a ld e s i g n t r a c k p r o g r a m m in g 哈尔滨【一程火学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源 本课题属于“2 工程”重点学科建设项目( 多机器人协调作业系统) 中 的子项目，其研究目标为：建立具有力感知功能的多指灵巧手系统。 1 2 课题的研究目的和意义 自从1 9 6 0 年第一台机器人问世以来，机器人技术有了迅猛的发展，在国 防、科研、生产等领域都有了广泛的应用，代替人们从事一些复杂的、危险 的、或者非人可达的工作，从而减轻了人们的劳动强度，提高了效率，扩大 了人类活动的空间。但是就目前国内外的工业机器人而售，大都是针对专门 的任务而殴计的，使用的也是央钳式或平行移动式的单自由度未端执行器。 这种末端执行器的结构简单，控制方便，对于实现负荷的大范围运动作业十 分有效，但却存在以下几个方面的缺点川： 1 它对物体的夹持和定位是通过施加较大的压力所产生的摩擦力来实现 的，不存在抓取的几何封闭和力封闭，因此难于达到很高的抓取精度，稳定 性和可靠性差。 2 它限制了机器人系统的精细作业水平。传统的机器人通过臂调整末端 位置，通过手腕调整末端姿态。由于臂的尺寸较大，因此通过整个臂部的运 动很难实现物体的精确位姿调整和操作，且动态响应较差。 3 它缺少精确的力控制，只能完成央持力要求不高的作业。 4 不能适应物体外形的变化。 多指灵巧手的研制有助于解决上述问题。因为作为末端执行器的灵巧手 相当于安装在机器人臂上的可独立实现精细操作运动的一组机器人，通过机 器人臂实现粗定位，利用灵巧手实现精确定位。若采用适当的抓取方式和抓 取规划算法，从理论上可以抓取任意形状的物体并且对物体施加任意的运动 哈尔滨工秽大学硕士学位论文 和力。这对提高机器人智能化作业水平有着重要的意义。本课题通过对灵巧 手手指结构的优化设计及对控制系统的研究，想解决以下几个问题： 1 能适应被操作对象外形的变化、尽可能抓取不同形状的物体： 2 能控制操作力，以便对不同材质的对象进行操作； 3 能对被抓物体进行微小的位姿调整； 4 通过上位机控制完成抓取运动规划，能够使灵巧手平稳的运动并能实 现对物体的稳定抓取。 1 3 国内外该领域的研究现状 对灵巧手的研究，国内外已开展好多年，在灵巧手的结构设计、运动学、 动力学及控制系统等方面都作了较深入的研究。 1 3 1 国外发展现状 1 9 6 2 年美国就有一种类似多指 灵巧手的手爪制造出来”】。但是真正 的灵巧手是1 9 7 4 年日本的 o k a d a 手口l ，如图1 1 所示。该手具 有三个手指，有一个手掌，拇指有三 个自由度，另两个手指各有四个自由 图l - lo k a d a 多指灵巧手 度。各自出度都是由电机驱动，并由钢丝和滑轮完成运动和动力的传递，属 于n 驱动方式。该手的抓取重量为0 5 k g ，自重0 2 4 k g 。这种手的灵巧性比 较好，但由于拇指只有三个自由度，还不是最灵巧的手。此外，在结构上， 各个手指细长而单薄，难以实现较大的抓取力和操作力。 德国宇航中心研制的d l r 手被公认为迄今为止世界上最复杂、智能化和 集成化最高的仿人机器人多指灵巧手”】。如图1 2 所示，该手是一种仿人手， 它是由四个完全相同手指组成，每个手指有四个关节。整个手共由1 0 0 0 个机 械零件以及1 5 0 0 个电子元件和11 2 个传感器组成。其中，末端的两个关节同 2 哈尔滨i ：利人学硕十学位论文 人手类似，存在着机械耦合，使用一个驱动器进行驱动。基关节使用两个驱 动器，实现两个方向的运动。d 1 r 手采用电驱动方 式，使用微型直线驱动器作为驱动元件，n + l 驱 动方式。该直线驱动器将旋转电机、旋转直线转 换结构和减速机构融为一体。所以它可将所有的 驱动器集成在手指或手掌中，减小了手指的尺寸， 同时使腱的传动距离缩短，提高了动态响应。d l r 手在每个手指上集成有2 8 个传感器，包括类似人 工皮肤的触觉传感器、关节力矩传感器、位置传 感器、速度传感器和温度传感器等a 图1 2d l r 多指灵巧手 具代表性的多指灵巧手是1 9 8 5 年美国麻省理 工学院和犹他大学联合研制的u t a h m i t 灵巧手5 聃】，如图1 3 所示。这是一 种仿人手，其大小、形状、功能都与人手相似。u t a h m i t 手采用了模块化的 结构设计，四个手指( 拇指、食指、中指和无名指) 完全相同，每个手指 图1 3u t a h m i t 多指灵巧手 哈尔滨 群大学硕十学位论文 有四个自由度，各手指都连接到手掌并且相对于手掌运动。手指的每个关节 都由腱( 绳索) 、滑轮进行远距离带动，属于2 n 驱动方式，驱动元件采用的是 一排气动伺服缸，能在指尖上产生3 1 n 的抓取力。1 6 个位置传感器装在每个 关节上，3 2 个胜拉紧传感器装在腕后面。目| j 浚手多用于实验室的各种研究， 它的主要问题是关节自由度太多，控制太复杂，难以实现实时的在线控制， 还未得到实际应用。 美国斯坦福大学研制的s t a n f o r d j p l 手( s a li s b u r y 手) 也是一种非常具 有代表性的非仿人多指灵巧手i ”。如图1 4 所示，该手没有手掌，共三个手 指，每指三个关节，拇指相对另两指布置。 每个手指由四个直流力矩电机驱动，通过 四条绳索张力的调节来控制三个关节力 矩的大小，属于n + l 驱动。关节1 、2 有 9 0 。的运动范围，末端关节3 有1 3 5 。的 运动范围。这种手每个手指的自由度只有 三个，在抓取物体时，抓取点( 指尖位置) 旦确定后，其抓取姿态就唯一确定。因 此，实际上手指没有冗余关节，也就没有图l - 4 s t a n f o r d j p l 多指灵巧手 抓取的柔性，无法像人手一样进行灵巧、稳定的抓取和操作。 此外，加拿大多伦多大学机器人和自动化实验室研制的p u m a r a l 手，如 图1 5 所示。这种灵巧手有四个手指，一个手掌，四个手指配置在一个直径 图1 5p u m a r a l 多指灵巧手的手掌布局和手指结构 4 哈尔滨i ：科人学硕十学位论文 约为1 3 0 r a m 的圆上，“这种布局几乎可以抓取任何形状的物体”【8 j 。手指i 、2 和4 有四个自由度，手指3 只有三个自由度( 不能旋转) ，各手指长度相同， 通过齿轮、柔性轴、螺杆和电磁离合器来传递运动和动力。柔性轴、齿轮和 螺杆将电机的旋转运动转换成关节的运动，电磁离合器分别控制每个关节。 所有螺杆通过柔性轴和电磁离合器连接到唯一的步进电机上。由于这种手指 采用一个电机驱动所有关节，实现抓取运动的速度非常慢，无灵巧性，而且 难以实现划物体的微细操作，所以只能在实验室用于一些试验研究。 1 3 2 国内发展现状 在国内，对灵巧手的研究是从2 0 世纪8 0 年代后期开始的，其中以北京 航空航天大学研制的b h 系列为代表，从1 9 8 7 年以来，北航已先后研制出b i t 一1 、 b h 一2 、b h 一3 型多指灵巧手，如图1 6 所示，该型手是一种仿s t a n f o r d j p l 手， 三指九自由度，每个手指出四个电机驱动，属于n + l 驱动方式。近几年，北 航丌始研究b h 4 型灵巧手i ，如图1 7 所示，该手为四指十六自由度，采用 模块化设计，分为手指、手掌和机械接口三个模块，改变手掌设计可以获得 拟人或非拟人手，机械接口用于确定手与臂的连接，改变机械接口可以使灵 巧手适应不同的机械臂。传动元件全部由齿轮副组成，电机完全置于手指中。 传动路线短，结构简单、紧凑。 图1 6b h 一1 型多指灵巧手 图1 7b h 一4 型多指灵巧手 哈尔滨工业大学于2 0 0 1 年研制成功具有多种感知功能的多指灵巧手 哈尔滨群人号：硕十。￥：何论文 e i t l 型0 】。如图1 8 所示，该手与人手相似，是一种仿d l r 手，共有四个 手指，每个手指三个自由度四个关节，末端两个关节具有机械耦合，通过一 个直线电机实现驱动。该灵巧手具有位置、温度、多维指尖力和关节力矩等 9 6 个传感器，共有机械零件6 0 0 多个，表面贴 装电子元件1 6 0 0 多个，实现了基于多传感器 的手指阻抗控制及基于数据手套的远程遥控 作业。可以通过数据手套中手指的动作，利用 计算机网络通讯，对灵巧手进行远距离控制操 作。 此外，北京科技大学也研制了一科t 多指灵 巧手，这是一种非仿人手，共三个手指，第1 和第3 指分别有五个自由度，第2 指有四个自 图i 8h i t l 型灵巧手 由度。这种手自由度过多，增加了控制的难度，外形上显得比较笨拙，结构 上需要大大地加以改进。 目f i 已经制造出来的这些多指灵巧手在结构方面都存在许多不完善的地 方。因此，有必要对多指灵巧手结构进行深入的分析，并引进合理的优化设 计方法，设计出结构更为合理的多指灵巧手，为多指灵巧手的实用化和其他 方面的研究提供最理想的结构。 1 4 本文主要研究内容 针对目前多指灵巧手研究中存在的问题，并考虑现有的研究条件，本文 着重进行以下研究工作： 1 多指手结构设计的研究对多指手的结构型式进行综合分析，选用 合理的优化方法对灵巧手结构参数进行优化，从仿人手的角度，以人手结构 形式及比例参数为依据，进行多指灵巧手的具体结构设计，使其有较好的机 械特性，保证力传递的精度。并用3 d sm a x 4 0 软件进行了多指灵巧手的三维 诰犁。 哈尔滨一样人学硕十学位论文 2 多指灵巧手的运动学和静力学分析对所设计的三指灵巧手分析并 建立了运动学模型，得出正、反向运动学方程，并对抓持状态下各手指的运 动姿态进行了仿真。通过静力学研究计算出在静平衡状态下各关节的力矩， 为深入研究机械手的控制提供了理论依据。 3 灵巧手手指运动控制及轨迹规划研究针对具体的研究对象，分别在 关节空问和笛卡尔空间研究轨迹规划问题，使灵巧手能实现对物体进行精确、 稳定的抓取。 4 灵巧手上位机控制系统 本课题控制采用分布式控制系统，上位机控 制系统担负着整个控制系统的协调和控制任务。它主要完成各个手指的轨迹 计算、仂- 调三手指的运动、对整个系统出现的错误信息进行处理、并且疆示 错误信息、实现人机对话。 7 哈尔演i ：稗人学硕+ 学位论文 2 1 引言 第2 章多指灵巧手的结构优化设计 灵巧手的设计是机构、传感、控制三大系统的综合设计，从系统观点来 看，各子系统的设计应首先使系统具有最佳的整体效果，同时使其它子系统 的设计变得相对简单，最后才考虑予系统内部的设计。这应该是我们设计灵 巧手必须遵循的准则。 灵巧手的机构设计从设计方法上来看，有拟人法、理论法和综合法。拟 人法可使灵巧手吸收人手的某些优点；而理论计算法在灵巧手无法参考人手 的结构和尺寸时是必须的。本文采取的是把拟人法和理论法融为一体的综合 法，分别解决灵巧手结构的优化分析和参数优化设计。 2 2 多指灵巧手的结构优化分析 灵巧手的研究目的主要是为了克服目前一般工业机器人末端夹持器的局 限性，扩大高性能机器人的应用范围，使机器人能真正灵巧地进行精细复杂 的操作作业，其次获得对被操作物体的识别和高度适应能力：如能抓取和识 别不同形状、不同大小、不同质地的物体，以提高机器人与周围环境直接交 互的能力。为了达到这一目的，在多指灵巧手、智能手爪等研究领域中，一 般仿人形地将机械手设计成多关节多自由度形式，尽可能地模仿人手的功能。 人手可称得二是世界上最灵巧的“机构”，至今任没有能完全取代人手的 机械手。人手是经过生物界长期的优胜劣汰而得出的“优化机构”，它无论是 在操作性还是灵巧性上都是最优的。人体上肢机构的自由度为2 7 个，而其三 分之二都集中在手指部位( 1 4 个关节，2 0 个自出度) 。人手可以操作任意形 状的物体，并可进行各种复杂精细的操作。因而，灵巧手结构的设计应尽可 能从仿生学的角度出发，通过设计出仿人形的多指灵巧手来代替人手完成各 种精细复杂的操作。 哈尔滨【榉大学硕十学位论文 多指灵巧手结构的优化分析和选择，主要包括以下几方面的内容1 ： 1 手指关节运动副的型式： 2 手指数目： 3 手指的结构形式； 4 手掌的结构； 5 各关节运动的驱动方式及传动方式； 6 手指的截面结构形式； 7 手指的材料； 8 传感器的选用及布置。 2 2 1 手指关节运动副的型式 首先，看一f 人手各关节，如图2 目分类为： 1 单轴关节滑车关节和车轴关 节两种： 2 双轴关节椭圆管节和鞍状关 节两种5 鞍状 3 三轴关节球窝关节； 手部关节包括腕掌关节、指掌关节 和指问关节三部分。从人体解剖生理 学也可以知道，人手食指、中指、无 名指及小指的结构大致是一样的。指 1 所示。人手的关节形式按运动轴数 椭厕关节 掌关节属于球窝关节，可作屈伸、收展、图2 1 人手关节面的各种形状 环绕等多种动作，而近端指关节和远端指关节属于滑车关节，只可进行屈伸 动作。拇指的腕掌关节为鞍状关节，可作屈伸、收展和内外翻转等动作，而 掌指关节和指关节是属于滑车关节，只能作屈伸运动，其中腕掌关节的内外 翻转动作与另两指关节的属伸运动配合，能够完成复杂的空间运动，常称为 拇指的对掌运动。若从工程的观点，把人手视作一个机构，则可认为它是一 哈尔滨l ：稃大学硕十学位沦文 种由许多连杆构件组成的空间开式运动链，手掌简化成为一个构件，它与五 个手指均用能作两个相对转动的级副相连，各手指指骨问均用转动副彼此 相连接。 多指灵巧手的机构与其他任何机构一样，由若干构件组成，构件之间则 通过运动副彼此相连，以产生确定的相对运动。运动副相当于人手的关节。 表2 1 常见运动副形式 运动副名称约束条件数自由度数级别 转动副 5lv 移动副 51v 螺旋副 51v 圆柱副 42i v 球面低副 33i i i 常见的运动副如表2 1 所示”。由于多指灵巧手各运动副中的运动变量都要 借助于各个驱动器来实现，而无论是转动的或移动的驱动器又均为一个自由 度，所以在多指灵巧手中所采用的运动副形式，实际上只有转动副、移动副 和螺旋副。移动副和螺旋副能够获得直线运动，在具有相同数目运动副的手 指中，包含移动副和螺旋副的手指，其灵巧性明显比只含转动副的手指要差， 如图2 2 所示，从目前所获得的资料来看，手指的运动副全部采用转动副。 从仿人手的角度，建议采用转动副，可用多个转动副替代球窝关节、鞍状关 节。 o 喻尔滨群大学硕士学位沦文 a )b )c ) 削2 2 包含移动副、螺旋副的手指a ) 、b ) 和只含转动副的手指c ) 灵巧性的比较 因此，本文所研究多指灵巧手所有关节均采用转动副形式。 2 2 2 手指数目 对灵巧手而言，手指的数目是决定其抓耿稳定性和灵巧性的重要因素。 从仿生学的角度来看，人手能够抓取各种不形状、不同材质的物体，其根本 原因在于人手能采取各种各样的抓取姿态去适应特殊的任务要求。概括人手 的抓取行为，可分为指端接触抓取、手掌接触抓耿、手指侧面接触抓取、三 个虚拟指的抓取和混合抓取，如表2 2 所示。其中前三者为人手抓取的基本 类型： 1 指端接触抓取将大拇指作为“虚拟指l ”，另外四指作为“虚拟指2 ” 的相对面抓取。它具有良好的抓取灵活性，抓取精度较高，但在抓取稳定性 及抓取力l ：受到一定限制。 2 手掌接触抓取定义手掌为“虚拟指l ”，除大拇指外的四指为“虚拟 指2 ”的相对面抓取。它以牺牲抓取灵活性以换取抓取的稳定性，手掌及各 指的大而积接触被抓物使手抓充分发挥出抓取力，同时提供足够的摩擦力。 大拇指可以用以增加抓力，因此这种抓取方法保证了最大的抓取力和抓取稳 定性。 3 侧接触抓取大拇指为“虚拟指1 ”，食指朝大拇指的侧 ：f | j 为“虚拟指 哈尔滨r 摧人学硕士学位论文 2 ”接触面的抓取，其抓取灵活性和稳定性介于指端接触抓取和手掌接触抓取 之间。 上述三种基本抓取形式可以实现其它几种典型的抓取，因而可知大部分 的抓取任务可以用两个虚拟指来完成，而对于一些诸如高精度的圆球、圆盘 等抓取，可以引入第三个虚拟指来提高其稳定性。因此，有三个虚拟指的手 爪其抓取是绝对可靠的。 表2 2 人手对物体的抓取方式 r 掌 彩 犍 羁譬 接触f 抓【睨球升拳抓取圆柱体斜对下掌抓墩j l f j 幸抓墩列杜体 乐 遵移氛 于指 内侧 端部岍揖捏延伸抓取端都抓取五指，1 ：1 i ：捏央托 接触 浔 固 惑 、 t 指夹指尖捏两指捏r 4 ,三指捏球两指捏圆柱四指捏圆柱 手指 港一 秽 侧面 接触 恻捏倒夹 虚拟 ， 趣锚指影 钩握指尖接触平贴 混合 险筏：餐 内侧接触拇指的圆丰t 抓取强力抓取定向抓取挺笔 多指灵巧手的手指数目应在可以实现抓取和细微操作的前提下，尽可能 取小值。由表2 2 知所有的抓取方式都可以不用五指，而只用三指( 大拇指、 食指、中指) 就能实现。因而说明，结构简单，易于控制，又能满足功能要 哈尔滨_ 程大学硕士学位论文 求的多指灵巧手应是三指灵巧手。 2 2 3 手指的结构形式 对于单个手指，希望它有使指端达到空问任一点的功能，这样4 能适应 物体外形的变化，出于空间点是三维矢量，所以手指的自由度至少应是三个， 少于三个日、j 就不能满足要求。相反如果手指自由度多于三个，则存在冗余自 由度，冗余自由度的优点是在满足指端到达空问指定点的前提下，可以调整 术杆的姿念，从而保证手指与物体的接触处于最佳状态。但是我们也可以看 到，冗余自由度增多，结构过于复杂控制也更难，所以不可取。 对于= 三自由度手指，按照关节轴线之问是否平行、相交垂直和交错垂直 三种情况，共有2 7 种不同的关节配置。由于轴线相交垂直使得传动布置较为 困难，去掉这些情况还有八种组合】，如图2 3 所示。 l i1 1 iv 图2 3 由3 个转动副构成的手指结构 在图2 3 中，i 和i 、和i i 、v 矛l l l i i 、和i v 手指结构相同。但是， i v 和的手指结构指端只能作平面运动，不能满足手指结构的功能要求，这 样只剩下t v i i 、和v 三种结构类型。从手指机构的正逆解和手指结构的操 作空f 刚等方 嘧的分析和研究，以及本文所研究对象的具体要求，采用第i 呻 f16fll上万 fil9ll_ctfl努fi工一三上一t16if彦f上一t上一t上万 fl工一t上万fti工万 |上t上一三 哈尔滨j i _ = 程大学硕士学位论文 手指结构较为合理。 弋 、7 ! 翌 图2 4 具有手掌和不具有手掌的灵巧手 如图2 4 所示，目前已经研究出来的多指灵巧手可以分为具有手掌( 以 d l r 手为代表) 和不具有手掌( 以j p l 手为代表) 两类。没有手掌的灵巧手， 其抓取和操作的灵巧性都比较好，对抓取尺寸比较小的物体并对其进行微细 操作有利；而具有手掌的灵巧手，当手掌及各指的大面积接触被抓物体能使 手爪充分发挥出抓取力，同时提供足够的摩擦力，从而大大提高其抓取稳定 性。 就一般性和通用性而言，手指抓取应先以稳定性为前提，而且n j 以通过 优化设计来弥补灵活性的不足，故本文研究对象选择有手掌的结构形式。 2 2 5 关节驱动方式和传动方式 灵巧手研究的最终目的是控制它完成精确稳定的操作任务，因而在本节 将要解决以下三个问题： 1 b l 动源的选择驱动源的选择要从操作力、反应速度、灵巧手大小和 重量的极限、安全性、使用方便性、寿命以及造价和成本综合考虑，主要有 三种形式：电驱动方式、气压驱动方式、液压驱动方式。 ( 1 ) 电驱动方式能获得中等程度的操作力，若采用性能良好的伺服电机 能获得接近液压式的反应速度，成本适中，控制比较方便，易于实现精确运 4 喻尔滨i ：样人。7 硕十学何沦文 动。驱动负载较小，过载时会发热而发生故障。 ( 2 ) 气压驱动方式过载安全性大，污染小。对人体危害小，成本低，但 操作力小，灵敏度差，动作苄h 糙，对任意位置控制困难，适合丌关量运动。 ( 3 ) 液压式驱动方式容易获得较大的操作力，能驱动较大负载，同时其 反应速度快，过载安全性大。但一般需要液压动力装置以便将电能转换成液 压能，故它比电驱动方式多了一个动力装置，体积大、成本高、易污染，使 用不方便。 根据比较，电驰动方式在负载小，所需操作力不大的前提下较液压和气 压驱动有较大优越性，故本文所研究列象采用电驱动方式。 2 传动方式选择由于灵巧手的手指部分尺寸一般都较小，结构紧凑， 很难把电机等驱动元件安装在这里。因而，一般采取驱动源和手指机构分离 配置的形式，即将电机装在手臂或其它更远的地方，通过传动机构将力和力矩 传递到手指上。目前，传递方式主要是采用绳索( 腱) 加滑轮j ，也可以 采用钢丝软轴再加上螺旋传动【8 | ，或者用连杆传动岬】。前两者的主要问题是 图2 5u t a h m i t 灵巧手手指腱的布置 传动的功率损耗太大，效率低，而连杆传动的运动和动力在传动过程中有较 大变化，在控制上有难度。在目前的技术条件下，使用绳索( 越) 加滑轮的 方式还是比较有利的，如图2 5 ，因为这种方式容易实现远距离的运动和动 力的传递，可以满足手指的结构要求。但是用这种方式应注意合理布置绳索 ( 腱) 的走向，以避免产生多余的附加力和力矩。 3 驱动源的数目这主要是针对手指自由度个数与其相对应的驱动源个 o k a d a 手，i 为自由度数目) 、n + 1 个( 如s t a n f o r d p l 手) 、2 n 个( 如u t a c h m i t 手) 。 n 驱动采用n 驱动方式的优点是一个驱动源对应一个自由度，控制系 统软硬件设计都较容易，且电机数量少，成本低。但由于驱动轴上有k i l n 条绳索，关节转动时，绳索一边拉紧一边放松，造成系统中的摩擦力矩较大， 传动效率较低。 n + 1 驱动可以消除n 驱动方式中的缺点。如图2 6 所示，对每个关节 运动而言都是由两个电机来完成，但对楣邻的两个关节而白，其运动是由互 个电机完成，即每个关节上存在一个冗余驱动源，给控制带来困难。 a ) 初始各关节位置b ) 末端关节旋转 接近关节固定 z c ) 接近关节旋转 术端关节固定 图2 6 用n + l 根筋驱动n 个关节的手指 2 n 驱动没有上述缺点，如图2 7 所示，每个关节的运动均由独立的_ 两 个电机完成，所需电机太多，成本高，驱动部分重量、体积大。 本文研究多指灵巧手以m o t o m a n 公司的s v 3 型工业机器人为安装基体， 其要求的抓取动载荷为3 k g ，为了缩小手掌体积、减轻重量，这黾采用n 驰 动，并通过选择合理传动索材料，对传动索润滑来减小摩擦力矩。 哈尔滨。样人学硕十学位论文 旬初始各关节位置 粪鎏羹苇譬踅。蘩磊羹苇蔷筵 图2 7 用2 n 根筋驱动n 个关节的手指 2 2 6 关节的截面机构型式 手指的截面可以采取的形式主要有圆形、方形、椭圆形及复合形状，内 部一一般都是空心结构，可以安装滑轮、绳索( 腱) 、弹簧等等。圆形截面的优 点是截面内的各向同性、与物体接触时具有相同的性质，尤其是未指采用圆 形截面和球面对于实现末指与物体的点接触非常有利。但圆形截面的手指其 各关节之间的连接不太方便，也因此影响了这种手指的强度。截面为方形的 手指与物体接触时，比较接近于人手内面与物体的接触形式，因此与物体的 接触面积较大，容易实现较大力量的抓取。这种手指的各关节之间的连接比 较容易。截面为椭圆形的手指与截面为方形的手指的特点比较接近，但制造 略难。所以，本文所研究灵巧手采用末指为圆形截面并在末端点采用球面形 式的方形截面手指。 2 2 7 手指的材料 为减轻重量，同时也由于手指所抓取物体一般都不是很大，所以，手指 的结构材料”般选用铝合金。在一些特殊情况下，也可以采用碳素钢、铸钏、 合成塑料等。一般在手指的表面再粘附一层橡胶或软塑料等材料，以减小手 哈尔滨f ：徉火学硕十学位论文 指与物体接触时的冲击，同时也可以增大接触摩擦力。 2 2 ，8 传感器的选用及布置 手指上可以采用的传感器主要有：力觉、接近觉、压觉、滑觉、温度觉 等传感器。如图2 8 所示，传感器的布置主要应考虑满足测量要求、均匀分 布、对手指的正常操作影响最小、非测量部分尽可能隐藏等等。 图2 8 触觉传感器及其信号线的布置 2 3 多指灵巧手的结构参数优化设计 图2 9 多指灵巧手优化结构形式 哈尔滨i 。榉大学硕士学位论文 综上所述，本文所选择的仿人灵巧手结构如图2 9 所示。该灵巧手有手 掌，i 个手指，每指包含三个转动副。该灵巧手还有一一些具体结构尺寸有待 确定，这主要包括：每指各关节长度f 、k 、屯、? ：i 、f ：、? ：，、f ”，。、 k 及三个手指之l 刈的相对位置尺寸f 。和f ， 2 ，3 1 手指各关节尺寸 人手经过了几十万年的进化，经过了大自然优胜劣汰的优化选择，可以 说已经是晟优结构了。由文献 1 7 知人体平均手指长度为：，= 4 4 5 0 m m ， 屯2 2 8 o o m m ，= 1 6 5 0 m m ，多指灵巧手的结构尺寸可以参考人类手指的长度比 例，并根据具体设计的使用场合作适当尺寸调整。下面将从人手结构尺寸出 发，采用一些优化设计方法来确定三指灵巧手的具体尺寸。 根据文 1 8 所分析的方法，首先根据手指结构坐标系和 d e n a v it h a r t e n b e r g 参数( 详细过程见3 2 1 节) 建立指端的工作空阳j 参数方 程： h 厶c o s 0 1c o s ( 0 2 + 岛) + f 2c o s o lc o s 0 2 + ，1c 嘴q 2 f s i n 0 1c o s ( 0 2 + 岛) “2s i n o lc o s o , + s i n o , f ( 2 一1 ) l z jl， s i n ( 0 2 + 只) 一f 2s i n 0 2 将其化为单参数曲面族的代数方程为： w ( x ，y ，z ，曰2 ) = ( 工2 + y 2 + ：2 + ，】2 + ，2 2 一，32 + 2 ，i 岛c o s 0 2 + 2 z 2s i n 0 2 ) 2 4 ( z 2 十y 2 ) ( ，l + ，zc o s 岛) 2 ：0 ( 2 - 2 ) 1 工作空间的体积 出式( 2 一1 ) ，体积矿可以由直角坐标系变换成转角广义坐标系表示： v = d ，d 。d 二= ；d e t ( j ) d o ，d o ：d o ，( 2 - 3 ) 1 n 出方程( 2 3 ) 可以求出体积，但是比较复杂。出文献 1 7 ，采用解析几何求旋 转体体积的方法束训算手指的工作空问体积，即： v22 n - r a ( 2 4 ) 哈尔滨r 群人学硕十学位论文 式中：月一平面图形形心到旋转轴的距离； a 一为所旋转的图形的面积； 根据，、，、，、之间的几何关系，可以形成以下3 种旋转面，如图2 1 0 所示。 图a ) 、b ) 和c ) 分别是在f ， ，2 + ，3 、l ，2 - 1 3i ，i f 2 + ，3 、0 ，1 ，2 + ，3 v = 8 n - 2 l ，3 b ) i f 2 一1 3 ，l f 2 + ，3 = 8 丌2 v ：f ，+ 2 删i 研一( 1 。+ l s ) 2 r r c c o s 丽l i ) + i 4 厅 ( 2 + ，) z 一1 12 厄i 丁彳 c ) 0 1 1 ，2 + ，3 s = 4 7 r 2 ， ( z 2 + t ) + j z 2 一，| 】f 2 9 ) b ) l ，2 一，3 l ，1 f 2 + ，3 s3 s l + s 2 ( 2 1o ) 式1 i ： s t 刮口2 l , “z “扩4 m l i “：“，) a r c c o s f 专 十4 n ( ，2 + ，3 ) ( ，2 + ，3 ) 2 一f 1 2 s ：= 4 z2 ，l i f ，一f3 | c ) 0 f l i f 2 一己l s = s + s 2 ( 2 1 1 ) 式中： 耻4 柏：“) - 4 训1 2 + 1 3 ) a r e c 0 s ( 忐) + 4 玎( 1 z + 1 3 ) 衙 s 2 = 4 2 1 1 卜己| - 4 硝l - l a r c c o s ( 南) + 4 万酬瓣 3 各向同性点曲线存在的充要条 牛 将灵巧手在工作空间内条件数等于l 的点定义为各向同性点，这些点的 集合是一条曲线，称为各向同性点曲线。手指工作在各向同性点上时，指端 力的相对误差不大于节点扭矩的相对误差胛】。因此从相对误差的角度来看， 工作空间内的各向同性点是手指工作性能最佳点。即便是工作空削中不存在 各向同性点，也应使手指工作在条件数尽可能小处，提高其工作性能。 手指工作在各向同性点上时雅可比矩阵 j 为正交阵( 卅建立的详细过 程见3 3 1 节) 。 喻尔滨j 科人学硕+ 学位论文 ， , h a a a ；, l a o a z a o 正交的条件为 ， ： 融| 8 e l 砂o a 2 a z 0 0 2 a x a 0 3 砂a 包 a z 0 0 3 ( 21 2 ) ( a a 臼) 2 + ( 劬a 鼠) 2 + ( o z a a , ) 2 = 1 ( o x l a a 2 ) 2 + ( 砂a 岛) + ( o z o a 2 ) 2 = 1 ( 驯8 0 3 ) 2 + ( 砂a a ，) 2 + ( 酬a 0 3 ) 2 = 1 ( a x l a a , ) ( a x 0 0 2 ) + ( a y a a ，) ( a y a a 2 ) + ( a z a 岛) ( a a 曰：) = 0 ( 驯a b ) ( 驯a 0 3 ) + ( a y a o ，) ( 砂鸭) + ( o z 0 0 1 ) ( 驯a 0 3 ) = 0 ( 驯0 0 2x & 0 0 3 ) + ( 0 3 , o o ：) ( a y 0 0 , ) + ( o z 0 0 2 ) ( 剜9 0 。) = 0 将式( 2 - 1 ) 代入式( 2 - 】3 ) 化简得 ，i = 1 一s i n ( 0 2a 4 5 。) = 4 2 ，= l 0 ，= 1 3 5 。 曰。为任意值 因此，手指在工作空问内存在各向同性点曲线的充要条件为： f 0 f 1 2 1 3 i ，：= 妇， 4 工作姿态最佳指标 在文献 t 9 中将k ，定义为： 巧= 軎胁d o ，d o ：d 0 3 70 n 式中：q 一关节坐标系的积分域： m 一姿态参数；m = d e t ( i ，7 ) 在各向同性点前提下， 卅为j f 交阵，故有： m = i d e t ( i ) i l k 3 = k 1 ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 一1 6 ) 晗自；滨i 样火掌硕士学位论文 5 优化目标 义 心h ，提出以工作空间体积比最大、位置奇异面密度比最小和工作姿 态最佳为日标来进行优化： 11 m i 盯( 加m 1 吣，亡2 坞蝴3 亡( 2 - 1 7 ) 尤，虻、 式中：x 优化变量，x = k ，：卜 一工作空问体积比，k ，= v ； 一手指工作空间最大体积，= ；疗( f l + ，：+ f ，) 3 ； k ：一位置奇异面密度比，k ：= s s 。； s o 手指最大奇异面积，s o = 8 7 r ( 1 1 + f 2 + ，3 ) 2 ； t ，工作姿态最佳指标； “，一加权因子( i = 1 ，2 ，3 ) ； 由式( 2 一1 5 ) 并考虑工艺结构对连杆程度的约束，对式( 2 一】7 ) 进行优化 计算，得j _ h 优化结果：，i = 1 0 0 7m m ，3 = 4 6 3 6 m m ，3 = 3 3 0 0 m m 。 图2 1 l 手指工作空间图 哈自：滨【：群人学硕十学位论文 根据优化结果，结合人手的理想尺寸和本文所研究灵巧手的具体应用场 合，手指关节尺寸参数定为：，i = 2 2 m m ，= 5 3 m m ，l 、= 4 2 5m m 。从手指工作 空间各向同性点出发，初定手指各关节转动范围，拇指：根关节一1 5 。+ 1 5 。， 中关节一4 5 。+ 4 5 。，端关节0 。1 2 0 0 ；食指和中指：根关节一1 5 0 + 1 5 0 ， 中关节0 。9 0 。，端关节0 。9 0 。其工作空间如图2 1 1 所示。 2 3 2 手指问相对尺寸 图2 9 所示，灵巧手有两个手指之问的相对结构尺寸：食指和中指之间的 距离，。；拇指与食指、中指之问的距 离，。 1 ，。的分析 食指和中指既能配合拇指完成对 物体的抓持和操作，又能单独对物体 进行央持操作，如图2 1 2 所示。因而， ，可以由后者确定。 假设手指侧面与物体之间为有摩t 3 擦点接触，摩擦系数为，。被抓物半 径为，。 由力平衡方程有： 2 ，s i n 口= 2 f f c o s 口 8 = a r c t 9 0 n 而 图2 1 2 两指央持物体示意 ( 2 1 8 ) ( 2 一】9 ) ，。2 ( 7 i + f 2 + ，3 ) s i n a4 - r c o s 口 ( 2 - 2 0 、 当r = 0 时 7 。= 2 ( 1 1 十f 2 + f 3 ) s i n a