（机械电子工程专业论文）仿人机器人欠驱动灵巧手研究.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 多指灵巧手是一个高度集成化，智能化的小型机构，其设计与研究涉及机械、计算机、 自动化、电子、材料等多门学科，它作为末端执行器，在一定程度上也体现了承载它的机器 人的工作能力。由于灵巧手的内部空间较小，采用欠驱动结构是未来的发展趋势，所谓欠驱 动结构是指独立驱动器数目少于自由度数的结构。本文以应用在打乒乓球机器人上的多指灵 巧手为研究对象，从它的结构、运动和功能三个方面进行了深入研究。 首先，介绍了多指手研究的发展历史和国内外现状，对一些具有代表性的多指手模型， 比较了它们在结构、自由度配置、驱动方式等方面各自具有的特点，然后以大多数手指采用 的欠驱动结构为重点，结合具体图例，详细介绍了几种采用此种结构的手指模型，并分析了 它们的传动原理和优缺点，接着介绍了一种拇指“十”字差动结构和一种多指欠驱动结构。 其次，参考已有灵巧手的大小和结构以及仿生学原理，建立了单个手指以及整个仿人灵 巧手的模型，并分别对它们的运动学问题进行了分析和仿真，然后根据该模型，通过综合考 虑被抓取物体、抓取的任务要求和两种常用抓取方式的优缺点，研究了四指灵巧手的具体抓 取规划方法，并对灵巧手抓取乒乓球系统进行了静力学分析。 第三，提出了一种基于欠驱动原理的腱传动手指机构，采用模块化设计和腱绳欠驱动结 构传动，结构简单，能够实现弯曲和张开动作，而且通过此种类型手指组成的多指手具有自 适应物体形状抓取的能力，然后具体介绍了该机构的实现方法，主要包括手指构型设计、关 节驱动及其转角分析、扭簧设计、电机功率计算、位置力传感器选择和自动控制系统设计等 内容，并通过手指实物模型验证了此方法。 最后，设计了一个单电机驱动的仿人四指灵巧手装置，由于在手掌内安装了一个单电机 驱动四根腱绳移动的传动装置，并且它可以很好的和腱传动手指机构相连接，从而使整个多 指手的驱动电机减少到一个，大大降低了制造成本和重量。最终的灵巧手不仅能够实现包络 抓取，还能够实现精确抓取，而且通过在手指上安装限位开关以及在手掌上安装压力传感器 等信息采集结构，使它能够进行可靠的自主抓取。 关键词：灵巧手；欠驱动；腱传动；抓取规划；传动与控制 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e m u l t i f i n g e r e dd e x t e r o u sh a n di sah i g h l yi n t e g r a t e d ，m i n i t u r es m a r tm e c h a n i s m ，w h o s e d e s i g na n dr e s e a r c hr e f e rt om a c h i n e r y ，c o m p u t e r ，a u t o m a t i o n ，e l e c t r o n ，m a t e r i a le t c a st h ee n d e f f e c t o r ，i t ，t os o m ee x t e n t ，h a se m b o d i e dt h es e r v i c ea b i l i t yo ft h er o b o t i cb e a t i n gi t b e c a u s et h e s p a c ei n s i d et h ed e x t e r o u sh a n di sl e s s e r ，a d o p t i n gu n d e r a c t u a t e dd r i v em e c h a n i s m i st h ed e v e l o p i n g t r e n di nf u t u r e u n d e r a c t u a t e dd r i v em e c h a n i s mi sam e c h a n i s mt h a ti n d e p e n d e n td r i v en u m b e ri s l e s st h a nf r e ed e g r e e s t h er e s e a r c ho b j e c to ft h i sp a p e ri st h em u l t i - f i n g e r e dd e x t e r o u sh a n du s e di n t h et a b l et e n n i sr o b o t ，a n dt h o r o u g hs t u d yi sc a r r i e do u ti nt h r e ea s p e c t s ：i t ss t r u c t u r e ，s p o r t sa n d f u n c t i o n f i r s t ，t h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo ft h er e s e a r c ho nt h em u l t i f i n g e r e dh a n da n dt h ec u r r e n t s i t u a t i o na th o m ea n da b r o a da r ei n t r o d u c e d f o rs o m er e p r e s e n t a t i v em u l t i - f i n g e r e dh a n dm o d e l s ， t h ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c sa r ec o m p a r e di nt h e i rs t r u c t u r e s ，f r e e d o mc o n f i g u r a t i o n sa n dd r i v e m o d e s ，e t c ，t h e n ，a st h ek e yt ot h eu n d e r a c t u a t e dd r i v es t r u c t u r ec o m m o n l y u s e db ym o s tf i n g e r s ， a c c o r d i n gt os p e c i f i ce x a m p l e s ，s e v e r a lf i n g e rm o d e l sj u s tu s i n g t h i sm e c h a n i s ma r ei n t r o d u c e di n d e t a i la n dt h e i rt r a n s m i s s i o np r i n c i p l e sa n dm e r i t sa n dd r a w b a c k sa r ed e s c r i b e d t h e n ，a ”c r o s s ” d i f f e r e n t i a ls t r u c t u r ea n dam u l t i f i n g e r e du n d e r a c t u a t e do n e a r ed e s c r i b e d s e c o n d l y ，a st h es i z ea n dt h es t r u c t u r eo fe x i s t e n td e x t e r o u sh a n d sa n dt h ep r i n c i p l eo fb i o n i c s f o rr e f e r e n c e ，t h es i n g l e f i n g e rm o d e la n dt h ed e x t e r o u sh a n do n ea r ee s t a b l i s h e d ，a n dt h e i r k i n e m a t i c sp r o b l e m sa r ea n a l y z e da n ds i m u l a t e d t h e n , as p e c i f i cg r a s pp l a n n i n gm e t h o di ss t u d i e d i nc o n s i d e r a t i o no ft h eo b j e c t s ，t h eg r a s pt a s k sa n dm e r i t sa n dd r a w b a c k so ft h et w og r a b b i n gw a y s c o m m o n l y u s e d ，a n dt h es t a t i c sa n a l y s i so nt h ed e x t e r o u sh a n dg r a b b i n gat a b l et e n n i ss y s t e mi s c a r r i e do u t t h i r d l y ，at e n d o nd r i v em e c h a n i s mb a s e do nu n d e r a c t u a t e dd r i v ep r i n c i p l ei sp u tf o r w a r d ， w h i c ha d o p t st h em o d u l a rd e s i g na n dt h et e n d o nd r i v eu n d e r a c t u a t e dm e c h a n i s m ，i ti ss i m p l ea n d c a i lr e a l i z eb e n d i n ga n do p e n i n ga c t i o n t h em u l t i f i n g e r e dh a n dm a d eu pb yt h i sf i n g e rh a st h e a b i l i t yg r a b b i n go b j e c ts h a p ea d a p t i v e l y ，t h e n , t h ef i n g e rc o n f i g u r a t i o nd e s i g n ，j o i n td r i v ea n di t s r o t a t i o na n g l ea n a l y s i s ，t o r s i o n a ls p r i n gd e s i g n , m o t o rp o w e rc a l c u l a t i o n , l o c a t i o n f o r c es e n s o r s e l e c t i o n ，a sw e l la st h ec o n t r o ls y s t e md e s i g nf o rt h er e a l i z a t i o no ft h em e c h a n i s mw e r ei n t r o d u c e d ， a n dt h i sm e t h o di sv e r i f i e dt h r o u g ht h ef i n g e rp h y s i c a lm o d e l f i n a l l y ，ab i o m i m e t i cd e x t e r o u sh a n dw i t hf o u r - f i n g e ra n do n e - m o t o ri sd e s i g n e d ，b e c a u s ea a c t u a t o r ，w h i c hc a l ld r i v ef o u rt e n d o nr o p e sm o v ew i t ho n l yo n em o t o r ，h a sb e e na s s e m b l e dw i t h i n t h ep a l m ，a n di tc a nb ev e r yg o o dw i t ht h ef i n g e r su s i n gt h et e n d o nr o p eu n d e r a c t u a t e dd r i v e 杭州电子科技大学硕士学位论文 m e c h a n i s m ，s ot h a tt h en u m b e ro ft h ew h o l ed e x t e r o u sh a n d sd r i v er e d u c e dt oo n l yo n e ，a n dt h e p r o d u c t i o nc o s ta n dt h ew e i g h ta r eg r e a t l yr e d u c e d t h ed e x t e r o u sh a n df i n a l l yd e s i g n e dc o u l dn o t o n l yr e a l i z e t h ee n v e l o p eg r a b ，b u ta l s ot h ea c c u r a t e g r a b ，a n di t c o u l dg r a br e l i a b l ya n d i n d e p e n d e n t l yb yi n s t a l l i n gi n f o r m a t i o nc o l l e c t i o ns t r u c t u r e s ，l i k el i m i ts w i t c h e so nt h ef i n g e ra n d p r e s s u r es e n s o r si nt h ep a l m ，e t c k e y w o r d s ：d e x t e r o u sh a n d s ，u n d e r a c t u a t e dd r i v e ，t e n d o na c t u a t i o n ，g r a s pp l a n n i n g ，d r i v ea n d c o n t r o l 杭州电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 通常，工业自动化中使用的机器人由大臂和简单的夹持器组成，此类机器人对于要求实 现负荷的大范围运动作业是有效的，但却不能实现诸如装配之类的要求对负荷进行精细调整 的作业。出现这种情况的主要原因之一是：传统工业机器人的末端夹持装置存在着灵活性差， 抓取精度低，稳定性、可靠性和通用性差，没有精确的力控制等缺点，已远远达不到在柔性 生产线上进行各种灵巧和精细操作的要求。仿人多指手是一种仿照真人手外形、结构和功能 的机械灵巧手，它作为机器人的末端执行器，具有多自由度、多运动链协调的特点，可以对 不同形状的物体完成复杂的操作，灵巧手的复杂程度、可执行动作能力在一定程度上体现了 承载它的机器人的工作能力。 目前，我国正在大力发展和研制新型航天器，能够制造出在航天器的舱外进行操作的智 能太空机器人具有重要意义，而灵巧手是它的关键部件之一；灵巧手可以在核电站、化工厂、 战场等不同环境下从事取样、探测、修理、探雷和排雷等作业，从而把人从有毒、有害、高 温或危险的工作环境中解放出来，实现远程控制；此外还可以准确地复现大量的重复动作， 从而有效地克服手工操作时的抖动，增强稳定性。随着科技水平的提高，灵巧手的应用领域 还在不断的扩大，灵巧手不仅可以替代人手完成一些简单的操作，还能进行更加复杂的操作。 目前，国家对康复工程的发展非常重视，据统计，我国将近6 0 0 0 多万的残疾人中有多达9 0 0 万为肢体残疾的人，能够研究出帮助残疾人进行正常活动的假肢手具有重要的现实意义。 1 2 仿人灵巧手研究的国内外现状 1 1 2 - 1 仿人灵巧手概念 工业机器人一般由机械臂和作为末端执行部件的夹持器组成，前者的主要功能是提供大 范围的运动和定位，后者与环境和对象作用，执行预期的任务，从原理上讲，工业机器人上 安装的夹持器就是一种比较简单的灵巧手。而仿人灵巧手是一种外形与人手类似的机械手， 它能够模仿人手的功能进行多种操作，既能进行常见的装配操作，又能稳定的抓持和操作各 种不同形状的物体，仿人灵巧手最基本的功能是抓持和操作。 夹持器是最简单的灵巧手，它要完成抓持功能，至少需要两个可移动臂和一个自由度， 如图1 1 所示，夹持器通过电机带动两臂的闭合和张开来实现物体的夹持和放开，这种夹持 器常用于执行上下料和装配作业的机器人晗3 ：一般的夹持器抓取某类特定物体会比较稳定， 其适应范围有限，而且如果要改变被抓持物体的姿态，必须要释放物体，重新抓持，为了使 夹持器在抓取不同形状物体时都能稳定，其机械臂结构就需要根据物体的外形进行设计。然 而人手不借助重新抓持，也可以改变物体姿态，这种操作能力正是人手的灵巧特征，实现简 单的操作功能至少需要3 个手指和9 个自由度口3 。 1 杭州电子科技大学硕士学位论文 图1 1 两指机械手臂 灵巧手是为多任务而研究开发的种智能型通用夹持器，近年来，机器人的末端操作器 正朝着多自由度、多关节的仿人多指灵巧手方向发展。多指灵巧手可以认为是安装在机器人 末端的一个可实现多种操作功能的小型机器人，是能够实现灵活操作的末端执行器。工业机 器人通过机械臂实现粗定位，采用手腕和多指手实现精确定位，宏微观操作的有机结合能够 较好地克服使用单自由度末端执行器所存在的问题h 。 多指灵巧手在抓取时，一般会和物体之间产生较多的接触点，如果采用的抓取规划方式 合适，在理论上可以实现对任意形状物体的抓取。因此，在不更换末端执行器的情况下，多 指灵巧手就可以对各种复杂形状的物体进行高精度、稳定和可靠的抓取。其潜在的用途是， 在极限和危害环境下替代人类执行任务，例如：在太空、水下及核辐射环境，人类借助于对 机器人的远程控制可以有效的从事科研、生产等活动。 1 - 2 - 2 国外发展历史及概况 对机器人多指手的研究起源于辅助残疾人的假肢手，研制多指手代替伤残的人手，弥补 残疾人的缺陷，是仿人手研制的开始。1 5 0 9 年，科学家为在战斗中失去手臂的战士b e r l i c h i n g e n 设计了一个通过弹簧驱动的假手( 简称b e r l i c h i n g e n 手) ，这支假手在此后的战斗中发挥了 很大的作用，但是在生活中却很不方便。经过几十年的发展，到了1 9 6 2 年，由t o m o v i c 和 b o n i 联合为一位伤寒病人设计的b e l g r a d e 手，被认为是世界上最早的灵巧手哺1 。 从2 0 世纪7 0 年代开始，随着计算机控制技术的发展，出现了模仿人手结构的多指手h 3 。 1 9 7 4 年由日本研制的o k a d a 手代表了真正意义上多指灵巧手的出现，如图1 ，2 所示。它由3 个手指和1 个手掌组成，3 个手指分别模仿人手的拇指、食指和中指，整个手共包含1 1 个自 由度。o k a d a 手通过丝线和定滑轮实现运动和力的传递，手指的每个关节均由一个电机驱动， 它的功能超越了当时的机器人手爪，不仅能抓持物体，还能够对物体进行操作，例如对圆柱 或球形体的摆动或旋转，甚至是将螺栓拧进螺母的操作懈。 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 图1 2 日本的0 k a d a 灵巧手图1 3s t a n f o r d j p l 手 到了2 0 世纪8 0 年代，随着机器人技术以及相关学科的飞速发展，很多国家增加了在此 领域的研究，并取得了许多科技成果，主要体现在灵巧手的多自由度、多感知和可控制等方 面。 8 0 年代初，美国斯坦福大学从运动学的观点出发，指出若要能够稳定的对物体进行抓持， 并施加任意的力和运动，灵巧手至少需要3 个手指，且每个手指需要3 个自由度，并最终研 制成功了s t a n f o r d j p l 手，它没有手掌，只由3 个相同结构的手指组成，每个手指有3 个自 由度，s t a n f o r d j p l 手不是一种仿人手，其手指的布局是基于对手指工作空间的运动学优化， 如图1 3 所示旧1 。s t a n f o r d j p l 手使用1 2 个电机驱动，采用腱进行运动和力的传递，它比o k a d a 手更加灵活，可以抓取形状不规则的物体，相对的控制系统更加复杂。 8 0 年代中期，受仿生学和人手结构的启发，美国的麻省理工大学和犹他大学联合研制了 u t a h m i t 手，如图1 4 所示饥3 ，它以仿人和简单性为原则，采用模块化设计，由4 个结构 完全相同的手指组成，每个手指包含4 个自由度，整个手共1 6 个自由度，它是当时自由度最 多的仿人灵巧手。u t a h m i t 手的每个关节使用两个气动伺服缸作为驱动器，共3 2 个，集中 布置在手掌和手指内，通过绳索和滑轮进行运动和力的传动。 图1 4u t a h m i t 灵巧手图1 5h i t a c h i 手 日本在1 9 8 4 年研制成功了h i t a c h i 手，如图1 5 所示2 | 。它由4 个手指组成，除拇指外， 其他3 个手指均有4 自由度。该灵巧手由于使用了形状记忆合金驱动，它的速度、负载能力 都得到了很大提升，但是与其他金属一样，存在着疲劳和寿命等问题。 到了2 0 世纪9 0 年代，随着计算机技术、微电子和微电机学等技术的发展，多指手进入 了一个新的发展阶段，主要体现在构型和感知能力方面，如能够根据抓取操作的需要进行灵 巧手自主重新构型以及集成指尖六维力力矩传感器、滑触觉传感器等n 引。典型代表是意大 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 利研制的d i s t 手和u b 手、德国宇航中心研制的d l r i 手、美国国家航空宇航局约翰逊中 心研制的n a s ar o b o n a u t 灵巧手等。 d i s t 多指手是意大利热那亚大学研制的，它由4 个手指和一个手掌组成。拇指和其他3 个手指相对布置，如图1 6 所示u4 1 。d i s t 灵巧手的每个手指有4 个关节，通过5 个直流电机 和6 根腱绳驱动。整个手的体积与成人手差不多，重量轻，总重不到l k g ，可以方便地安装 在各种机械臂卜 图1 6d i s t 多指手图1 7u b i i 灵巧手 u b i 、u b i i 系列灵巧手是由意大利博洛尼亚大学研制的。其中，u b i i 手由三个手指 组成，拇指包含2 个自由度，另外两个手指各有3 个自由度，整个手共有8 个自由度，如图 1 7 所示。在传感方面，u b i i 手安装有9 个传感器，可以检测作用在手指表面的力和力矩， 并可计算给定表面上的接触点位置n5 1 。 图1 8 所示的d l r i 手n 6 18 1 ，它也采用了模块化设计的思想，由4 个完全相同的手指和 一个手掌组成，每个手指有4 个关节和3 个自由度，使用一个驱动器进行驱动，末端两个关 节同人手类似，具有运动机械耦合。所有驱动电机分布在手指和手掌内，且具有丰富的感知 功能，在每个手指上集成了包括触觉传感器、关节力力矩传感器、位置传感器、速度传感器 和温度传感器等2 8 个传感器，传感电路也集成在手内。d l r - i 手在驱动器小型化和多传感器 集成方面，超越了前期灵巧手的研究水平，它被公认为是当时世界上最复杂、智能化和集成 化程度最高的仿人多指灵巧手。 图1 8d l r - i 手图1 9n a s ar o b o n a u t 灵巧手 美国国家航空和宇航局在1 9 9 9 年成功研制了n a s ar o b o n a u t 手，它主要用于国际空间站 的舱外作业。该手由1 个安装电机和电路板的前臂、1 个手腕和5 个手指组成，灵巧手拇指 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 有两个关节，其他4 个手指各有3 个关节，共1 4 个自由度，其中，末端两关节通过连杆传递 运动，具有运动机械耦合，如图1 9 所示n 。n a s ar o b o n a u t 手的指关节和腕关节都采用直 流电机驱动，由于它的1 4 个电机和驱动电路都集成在手臂上，使手的尺寸可以足够小，从而 能够满足宇航员在国际空间站外执行操作的任务。在传感方面，n a s ar o b o n a u t 手具有最基 本的位置和力传感器，而且可以通过一个具有触觉功能的数据手套感知外部环境，整个手共 包含4 3 个传感器。 到了2 l 世纪，多指灵巧手进入了一个稳步提高的发展阶段，多指手的集成化、智能化和 灵巧操作水平得到了新的提升，特别是，随着微型电机技术的发展，由驱动器直接驱动关节 运动的内置式多指灵巧手成为发展的主流。 德国宇航中心以d l r 1 手为基础，成功研制了第二代机器人灵巧手一d l r i i 手3 ，它由 4 个手指组成，每个手指有3 个自由度和4 个关节，末端的两个关节机械耦合。d l r i i 手在 拇指上增加了一个自由度，使它能够相对于手掌运动，从而增强了自身的抓持和操作能力； 同时，通过改进驱动器和传动结构，满足了精确抓取和强力抓取等不同抓取任务的要求。与 d l r i 手相比，d l r i i 手的优点体现在以下四点：手掌具有重构功能：开放式机构， 易于维护：手的引线从4 0 0 根减少到只有12 根：每个手指都安装有一个六维力力矩传 感器，且指端的输出力从1 0 n 增大到3 0 s ，能够完成精确操作，如图1 1 0 所示。 图1 1 0d l r - i i 手抓取乒乓球 日本的g i f u 大学研制了3 代仿人机械手： 图1 1 1d l r i i 手强力抓取瓶子 g i f u i 手、g i f u i i 手以及g i f u i i i 手：。g i f u i i 手是以康复医疗为需求背景而研制的，它由5 个手指组成、除拇指有2 个自由度外，其它 4 个手指各有3 个自由度，并且结构相同，整个手共有1 6 个自由度。g i f u i i 手的外型和功能 非常接近人手，例如，拇指可以实现与其他四个手指的对捏。在传感器方面，该手不仅在指 端安装了一个六维力力矩传感器，还在手指的每个指节以及手掌上安装了压力传感器，进一 步提高了手的触觉感知功能。 g i f u i i i 手由5 个手指组成，每个手指都包含4 个指节，除拇指具有4 个自由度外，其余 4 个手指均为3 个自由度，整个灵巧手共有2 0 个关节和16 个自由度，如图1 1 2 所示。该灵 该巧手的每个关节由一个直流伺服电机驱动，第一个关节能够实现外展和内收运动，末端的 两个关节具有运动耦合。g i f u i i i 手的显著特点是在手掌和手指表面上分布有多达8 5 9 个触觉 传感器监测点，实现了手掌和手指表面的触觉控制。 5 杭州电子科技大学硕士学位论文 图1 1 2g i f u - i i i 手 英国s h a d o w 机器人公司开发的s h a d o w 手是产品化多指手的典型代表嘧2 1 。s h a d o w 手包 含5 个手指，大小与成人手的尺寸接近，其中拇指具有5 个自由度，其余4 个手指各有4 个 自由度，手掌有3 个自由度，整个手共2 4 个自由度。s h a d o w 手通过安装在机器人前臂的“气 动肌肉实现各关节运动和力的远距离传递，采用霍尔元器件实现关节位置的检测，并且具 有触觉感知功能。 表1 - 1 国外灵巧手样机 研究者 手名称 指 ( 时间)数 自由度驱动类型传感器类型 r i c hw a l k e r s h a d o wh a n d52 4 人工肌肉 肌肉压力传感器、关节位置传 等( 2 0 0 4 年)感器、分布式触觉力传感器 l o t t i 等 u b h 352 0 电动机 电动机位置传感器、张力传感 ( 2 0 0 4 年) 器、关节位置传感器 k a w a s a k i 等 g i f uh a n di i51 6 电动机 电动机位置传感器、6 维指尖 ( 2 0 0 2 年)力传感器、分布式触觉传感器 b u t t e r f a s s 等 d l r - 电动机位置传感器、关节位置 41 3 电动机传感器、关节力矩传感器、6 ( 2 0 0 1 年)h a n d i i 维指尖力传感器 s c h u l z ，s 等u l t r a li g h t a1 0 人工肌肉关机位置传感器、压力传感器 ( 2 0 0 0 年)h a n d l o v c h i kr o b o n a u t 电动机位置传感器、关节位置 51 4 电动机传感器、张力传感器、触觉传 ( 1 9 9 9 年)h a n d 感器 a c a f f a z 等 d i s th a n d41 6 电动机 电动机位置传感器、关节位置 ( 1 9 9 8 年) 传感器、三维指尖力传感器 j a c o b s e nu t a h m i t 电动机位置传感器、关节位置 4 1 6 气缸 传感器、张力传感器、触觉传 ( 1 9 8 4 年) h a n d 感器 电动机位置传感器、张力传感 s a l i s b u r ys a n f o r d j p l 39 电动机器、指尖力传感器、指尖触觉 ( 1 9 8 3 年)h a n d 传感器 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 2 3 国内发展历史及概况 我国在灵巧手方面的研究开始于2 0 世纪8 0 年代后期，开展研究的主要是一些机器人研 究机构和部分高等院校，如北京航空航天大学、北京理工大学、哈尔滨工业大学等，具有代 表性的是北京航空航天大学和哈尔滨工业大学。北京航空航天大学机器人研究所于1 9 9 3 年成 功研制了我国第一个三指机器人手b u a a i 手，后来又研制成功了改进型的b u a a i i 手 和b u a a i i i 手和b u a a 手拉引，如图1 1 4 和1 1 5 所示。b u a a i i i 手由3 个手指组成，没 有手掌，每个手指有3 个关节和3 个自由度，通过安装在手指内部的电机驱动，各关节集成 有关节角度传感器，指端配有力传感器，能够实现手指位置的实时控制。在2 0 0 1 年，他们又 成功研制了第四代手一一b u a a 手，该手包括4 个手指，都均具有3 个自由度，除拇指有 3 个指节外，其他3 个手指结构相同，各有4 个指节，末端两个关节具有运动耦合汜引。 图1 1 4b u h a i i i 手图1 1 5b u a a 一手 哈尔滨工业大学的机器人研究所先后研制成功了四代机器人灵巧手，仿人四指灵巧手 h i t - 1 是第一代。该手由4 个手指组成，拇指与另外3 个手指相对布置，4 个手指都采用了模 块化设计，结构完全相同，均具有3 个自由度和4 个关节，使用一个直流电机驱动，通过腱 传动系统实现运动和力的传递，如图1 1 6 所示。在传感器方面，包括有温度、位置、多维指 尖力力矩和关节力等多种传感器，共9 6 个，并且还研制了与之配套的数据手套，能够通过 它实现对多指手的远程控制和操作。 图1 1 6h i t 一1 仿人手 7 图1 1 7h i t - 2 灵巧手手 杭州电子科技大学硕士学位论文 之后，哈工大与德国宇航中心又联合研制了第二代机器人多指手h i t 一2 手，如图1 1 7 所示。该手在h i t - 1 手的基础上，增加了一个拇指相对于手掌的开合自由度，从而使得抓取 更加稳定和有力，整个灵巧手共有6 0 0 多个机械零件，结构非常复杂，而且在灵巧手上集成 了1 6 0 0 多个电子元器件和8 9 个传感器，但整体重量只有1 8 k g ，非常轻巧。 哈尔滨工业大学和d l r 在2 0 0 1 年，以d l r i i 手为基础，又成功研制了四指灵巧手 d l r h i t i 手，如图1 1 8 所示。它由4 个结构相同的手指组成，每个手指有3 自由度和4 个关节，末端的两个关节通过连杆结构实现运动耦合。由于灵巧手集成了许多传感器，它也 具有多种感知功能，并且它的手掌结构可以重构。通过实际应用，该灵巧手表现出非常好的 操作和使用性能，但该灵巧手也有不足，那就是单个手指以及整个灵巧手的体积都过大、质 量较重，距离仿人灵巧手还有一定的差距瞳5 。 图1 1 8d l r h i ti 手图1 1 9d l r h i tl i 手 针对d l r h i ti 手的不足，哈尔滨工业大学和d l r 又联合研制了d l r h i t i i 手，如图1 1 9 所示。该手由5 个完全相同的手指组成，每个手指有3 自由度和4 个关节，末端的两个关节 通过柔性钢丝机构实现运动耦合。在传感器方面，它安装有电机位置、关节位置力矩和温度 等多种传感器。该手的驱动器使用了新型的体积小输出力矩大的直流电机、传动采用谐波减 速器、齿形皮带等，所有的驱动器、电路板、通信控制等都集成在手指内部。它是基于当前 国内外最新的驱动、传动及电子技术和机电一体化为一体的多指灵巧手。 表1 - 2 国内灵巧手样机 研究者 手名称 指 ( 时间)数 自由度驱动类型传感器类型 关节角度传感器、三维力 北航b u 从一手 4 1 2电动机 传感器 位置、温度、多维指尖力 h i t h i t - 1 仿人手 4 1 2 电动机 和关节力矩等 h i t 和d l r d l r h i t i 手 41 2 电动机多种感知功能 电动机位置、关节位置、 h i t 和d l r d l r h i t i i 手 01 5 电动机 关节力矩、温度等 8 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 3 课题研究内容及本文结构 根据课题要求和对已有灵巧手的分析，本文设计了一个单电机驱动的仿人灵巧手装置。 该灵巧手装置主要包括四个腱传动结构手指和一个放置在手掌内的单电机驱动四根腱绳移动 的传动单元。其工作原理为：驱动电机通过手掌内的传动单元，将力和运动传递给连接各手 指的腱绳，腱绳带动手指弯曲直到所有手指都接触到物体。此时电机继续转动，而当手掌上 压力传感器受到的力达到设定值时，控制电路就使电机停止转动，即完成一次抓取。如果设 计的灵巧手能够在1 s 左右的时间内完成一次抓取，且每个手指都可以提供i o n 的力，则认为 该灵巧手满足设计要求。 本文各章节的结构与主要内容如下： 第一章介绍了多指手研究的发展历史和国内外现状，对一些具有代表性的多指手模型， 进行了结构、自由度配置和驱动方式等方面的比较。 第二章以大多数手指采用的欠驱动结构为重点，结合具体图例，详细介绍了几种采用此 种结构的手指模型，并分析了它们的传动原理和优缺点。 第三章参考已有灵巧手的大小和结构以及仿生学原理，建立了单个手指以及整个仿人灵 巧手的模型，然后分别对它们的运动学问题和静力学问题进行了分析和仿真。 第四章提出了一种基于欠驱动原理的腱传动手指机构，具体介绍了该机构的实现方法， 并通过手指实物模型进行了实验验证。 第五章设计了一个单电机驱动的仿人四指灵巧手装置，该手不仅能够实现包络抓取和精 确抓取，而且通过在手指上安装限位开关以及在手掌上安装压力传感器等信息采集结构，还 能够进行可靠的自主抓取。 本文的重点是第三章、第四章和第五章。 1 4 本章小结 本章介绍了论文的研究背景、目的和意义，综述了国内外仿人灵巧手的研究现状和发展 趋势，通过对已有的灵巧手的分析，提出了单电机驱动的仿人灵巧手装置的设计方案，确定 了论文的主要研究内容、基本思路和要达到的目标。 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 第二章灵巧手驱动技术分析 2 1 驱动系统 人手的抓取行为可概括分为指端接触抓取、手掌接触抓取、手指侧面接触抓取、三个虚 拟指的抓取和混合抓取等类型。理想仿人灵巧手不仅在形状上要像人手一样具有优美的外形， 更重要的是在功能上能替代人手的运动功能辑，由于科技水平限制，目前人们还不能做出理 想化的机电一体化假手来代替人手。 与人手抓取类似，灵巧手的抓取动作也是通过单个手指的弯曲和张开运动以及多个手指 间的协调配合实现的，单个手指的运动是灵巧手进行抓取的基础，其设计包括驱动系统和控 制系统两大部分。驱动系统是机器人灵巧手的重要组成部分，一般由驱动器和传动系统组成， 其中驱动器用来提供手指运动的力和运动，传动系统用来把驱动器的力和运动以一定的方式 传递给关节，在减少关节速度的同时，提高关节的驱动力矩。 2 2 驱动器 灵巧手驱动器的选择要从操作力、反应速度、灵巧手大小和重量、使用方便性、寿命及 成本等多方面综合考虑，目前主要的形式有四种：气压驱动、液压驱动、形状记忆合金驱动 和电驱动五。 ( 1 ) 气压驱动：气压驱动是近年来驱动领域的研究热点，体积虽然不大，但是输出力很 大。与其他类型的驱动器相比，气压驱动具有的优点是：过载保护好、对人体危害小、污染 小、成本低，缺点是：灵敏度差、动作粗糙、位置控制困难。采用气压驱动的灵巧手典型代 表之一是u t a h m i t 手，例如利用气压原理制做的气动肌肉，可以用来提供拉力，当给其提供 压缩空气时，气动肌肉的长度可以缩短为原来的4 0 。 图2 i 气动肌肉伸展与压缩状态图 ( 2 ) 液压驱动：它的主要优点是：具有很强的稳定性和可靠性；易获得较大的操作 力和力矩；反应速度快，过载安全性大；结构简单、价格便宜。但是在灵巧手中很难采 用液压驱动，主要原因是：密封处的摩擦较大，一般情况下不能忽略；输液管线复杂； 存在较大的泄漏流量；微型阀对污染物十分敏感等。 ( 3 ) 形状记忆合金驱动：它是一种能够记住自身形状的合金，在不同的温度下呈现出不 同的形状，例如当加热到某一温度时，它能够自动恢复到变形以日仃的形状。采用记忆合金进 行驱动，具有动作速度快、带负载能力强等优点，如日本在1 9 8 4 年研制的h i t a c h i 手就采用 了这一技术，但与其他金属一样，它也存在着易疲劳和寿命短等问题。 1 0 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 电驱动：它是技术最成熟、应用最广泛的驱动方式之一，被多数机器人及其多指灵 巧手所采用，例如s t a n f o r d j p l 手、d l r 手和n a s a 手等。随着电机技术的发展，其输出力 可以做的越来越大，而体积却可以做的越来越小；同时由于芯片集成技术的发展，电机的驱 动电路板体积在不断减小，从而可以使电机、驱动电路板等都能安装在灵巧手的狭小空间内， 因此采用电机驱动，可以较好的提高整个手的集成度，让灵巧手变得更简单和独立。而且在 负载小，所需操作力不大的情况下，电驱动较气、液压驱动有较大优越性，故本文设计的灵 巧手采用电机驱动方式心刖。 2 3 传动系统 2 3 1 欠驱动结构 要研制与人手功能相仿的智能灵巧手，具有灵活、多自由度是一个必要条件，考虑到灵 巧手的手指、手掌内部空间较小，同时又要降低控制难度，采用欠驱动方式是一种发展趋势。 所谓欠驱动结构是指独立驱动器数目少于自由度数的结构，在多指灵巧手中采用欠驱动结构 有两方面的优势：提高自由度数和操作灵巧性，而且具有对被操作物体形状的自适应性： 驱动器个数远少于关节自由度数，降低了对控制系统的要求，控制模式简单啪1 。 电驱动是目前机器人及其灵巧手领域应用最广泛、技术最成熟的驱动方式，以电驱动作 为动力源，欠驱动结构作为传动方式，采用少量的驱动电机便能使灵巧手的手指弯曲自如。 同时，由于欠驱动结构具有对形状的自适应性，机器人采用欠驱动灵巧手，在不需要更换末 端执行器的情况下，就能实现对各种复杂形状物体的高精度、稳定、可靠抓取和操作。常用 欠驱动结构包括连杆传动、腱绳传动、齿轮传动和皮带传动等，通常会在这些结构中加入若 干弹性机械元件、机械限位元件或专用连杆，以使机构易于控制。目前常用的欠驱动结构手 指主要有以下几种形式：连杆型手指，腱绳型手指，齿轮带轮混合型手指等。 2 。3 2 连杆型手指 连杆型手指一般采用多个连杆串并联混合的形式，例如多伦多大学研制的t b m 手啪1 ，它 由6 个连杆组成，通过电机拖动完成手指确定轨迹的运动。连杆型手指具有抓持力大、结构 紧凑、传递刚性强、没有滞后性、能很好的模拟人手自然抓握得轨迹等优点。但它的缺点也 很明显：系统结构复杂，对其建模需要花大量的时间，经常出现计算结果和真实运动存在较 大差距的情况；对不同形状物体的表面没有自适应性；零件的加工精度和装配精度要求 高，动力传递距离短。 1 1 杭州电子科技大学硕士学位论文 构件z 构件。 关节屎蛊 零件装配图 图2 2t b m 手 t b m 手指各关节的运动耦合，运动轨迹是确定的，不能自适应物体的形状进行抓取，为 了去掉这一局限，可以按图2 3 所示的结构进行设计，此种结构的手指能够自适应物体形状 弯曲。手指近指节、中指节分别由四个连杆组成，远指节是一个三连杆固定结构，在近指节 与中指节、中指节与远指节之间分别安装一个弹簧。电机首先带动近指节驱动杆转动，由于 弹簧的存在，在没有接触到物体前，整个手指会以单一刚体的形式绕基关节轴转动；当近指 节接触到物体不能继续转动后，驱动力会克服近指节与中指节间弹簧弹力的作用，带动中指 节和远指节一起转动；当中指节接触到物体停止弯曲后，电机继续转动克服中指节与远指节 间弹簧弹力的作用，带动远指节转动，直到远指节也接触到物体，3 个指节依次接触到物体， 所以手指具有自适应物体形状的抓取能力。 ( a )( b )( c ) 图2 3 改善后的手指结构图 s j t 2 手就是在t b m 手的基础上作了相应的改进，它把构件5 、6 变换成可以伸缩的弹性杆， 来保证手指对物体形状的自适应性。s j t 2 手指由六个构件组成，构件1 、2 、3 分别为近指节、 中指节和远指节，构件4 为摇臂，构件5 、6 分别为中指节弹性拉杆和远指节弹性拉杆，如图 2 4 所示。 3 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( a ) 32l fe 爱 ( b ) 图2 4s j t 2 手指结构图 s j t 2 手在抓取和操作物体的过程中，它的手指在未接触到被抓取物体时，包含弹簧的两 根杆件分别可以看作是刚性杆，手指运动具有固定的轨迹，如图2