轻量化模块化设计的仿真机器人手

1、论文翻译轻量仿真机器手的模块化设计摘要：这篇文章中提出了人造机器手的模块化设计。 基于人体协助机器人工程之一的人造仿 真手原型， 提出了的模块化的概念。 机械手的模块化机构和维修原型的资料 模块化械手原 型的细节应特殊关注。 文章同时提出了设计原型的组成部分、 灵活的功能、 技术特性以及仿 真手控制系统。 此外， 在总结中介绍了两只仿真机械手原型， 这两只机械手与仿真机器人及 首次操纵经验相关。一引言UNECE ）与国际机2005-2008 年专业服 在几年后家用机器人的最近服务机器人的发展经历了快速的增长。根据美国经济委员会（ 器人联盟于 2005 年十月合作的一项关于机器人的统计报道中，预

2、测出 务机器人增长的稳定因素。 报道声称超过一百万家用机器人在使用， 需求量将达到数百万一些服务机器人已经能够与人类相互配合，但他们应能够自主地帮助人们。因此，类 似多感应知觉、 认识、机动性、 以及能够用户设置的仿真机器人， 可能成为人机交流方向的 关键技术。 人造终端受动器的控制能力是机器人交流的重要部分， 并且已经设计出了许多人 造机械手和夹子。总之，大量特殊的应用建立了人造操纵系统。 通常，执行机构被放置在机械手的前肢里。 研究人员在建立系统时，通常试图遵守可靠性的观点。比如，包括了可靠性、可维护性、安 全性等特性。尽管如此，应该以用户的观念去改进具有操纵功能的服务机器人的设计观念。

3、最近，一些如运动能力、操纵能力、适应能力、感应能力等人机交流的方向，对服务机器人 特别是操纵器非常重要。这篇文章描述的是人造仿真手发展获得的进步。 它是仿真机器人研究工程的一部分。 人 造机械手是如何多功能以及怎样获得多功能的呢？这些将在文章中论述。二设计机械手A 模块化设计 最新的人造机械手在第一部分已介绍。 机械手的设计原型包括拟人机械框架、 柔性流体 传感器、 8 门阀门以及一个电子元件。人造构架使一个人造手的框架成型，它具有一个拟人 的特征， 类似于人手的尺寸， 以及包含由高抗张强度的铝做成的 5 个手指以及人造掌骨。 拇 指的结构不同于其他手指， 允许反向运动。 手指由人造骨头和关节

4、构成。 以模块化设计整个 系统，所有的关节与骨头相同，并且共用通用配件。利用元件去安排和修复不同部位元件， 而不用任何特殊通道， 从而使机械手的框架以不同方式安装好。 例如各种长度的手指或指骨 的长度， 以这样方式去设计机械手。 这允许设计各种型号和各种形状的机械手， 并且减少生 产成本。总之， 执行机构的数量具有多种，或者被动关节能够取代活动关机，而不用执行构 件。因此在测试中， 机械手的动力能够优化， 以适应不同的抓取活动。 模块化机械手的设计 规定所有元件是紧凑的装置。 基本的界面允许利用机械手不同平台以完成的服务。 手指的直 接刺激节省空间，在机械手的掌骨中，阀门和电子设备相互协调。除

5、了 6 个大气压和 7.5V 直流供电，人造手不能依赖于外界的元件或设备。这给予一个机器手的轻量化结构。为了完成人造机械手的设计，研究人员正在研发和优化一个新等级的流体执行机构。 这个流体执行机构将推动人造机械手。 柔性流体执行机构装置在机械手里， 相类似于其他直 接储存弹性能量的执行元件。引用文 13 描述了像这样的执行机构的原理。为了确保机械手指拟人的表现，关节的 机械结构被微型化。 在应用压力和张力的运动中， 手指关节的弹性腔体将被拉伸。 因此，人 造手只需要空气供应去实现功能。柔性流体执行元件提供了优良的能量，以实现重量比例、 动力性能、 紧凑小巧以及轻量化。 由于众多的标准， 流体执

6、行元件已经被广泛地应用在微型机器人， 就像其他高科技的执行机构一样。 人造机械手在抓取过程中的位置设置为微型阀口 8-2-2 通道微型阀口 ，以独立控制而又不相互影响。因此，在不同的抓取类型中，阀门能 够独立地控制。 电子元件被整合在一块单独的微型多层电路板中。 它包括由引导阀门、 数模 转换器、一系列 RS232接口功能的一个微型程序控制器PIC16F877构成。RS232接口被用于识别个人电脑或传输特殊指令到整个机械手控制系统， 例如位置或压力传感信号传输到机 器人中。在同一平台上，执行末梢周围到电子设备直接连接微型链接器。B.控制系统表 2 描述了机械手的基本控制系统概念。整个系统有三层

7、体系。利用位置和能量传感 器、阀门和执行机构， 最底层负责完成原始抓取取样。 最高层和中间层依次地设置为选择合 理的抓取样本和协调手臂的功能。利用特殊软件，底层的机械手控制系统与末梢元件进行相互接通。CCS公司曾利用PCW编译程序设计这个软件。高层控制系统和底层控制是通过RS232 接口传输信号。这个信号从机械人传到机械手和控制器，机械手的位置控制信号以200 赫兹传送。C 关 节位置传感器利用10比特免接触磁性旋转译码器 AS5040,可实现关节传感角度。在引用文15中，描述此芯片的机械性能。 用于角度测量的免接触磁性旋转译码器， 是由在一个装置里的环形 门电路元件和数字信号处理电子元件构成

8、。 把具有两个洞的磁铁放在芯片和高分辨率的角度 测量设备的旋转中心上，以便进行 360 度测量。利用每次旋转0.35或 1024位置，可使门电路元件增加磁体的磁场；磁场分布在图 3 中。D 应力传感器由于传感器利用了圆顶形传导聚合物， 因而能够选择和改进压力传感器 （型号 FRS149）。 这些传感器由于小尺寸（ 0.5*0.75）而能够整合在手指的指骨中。在传感器的应用中，FRS的接触抗力与能量互成比例。电压分配器调试用于测量更低的接触应力（从1N-5N ），并且当接触应力达到 100N 时，能够以合理方式去测量它。E 压力传感器利用压电 -压力传感器去控制柔性流体传动机构压力（表5）。这种

9、设计方案使传感器非常小巧紧凑，所以能够整合到每个阀门中。这种传感器包含了一个硅测量电池，他们是线性（v 0.25%FS）,拥有土 1mv的线性稳定性，当压力从2-1000bar 变化时，强度仅变化 0.01%/。F. 性能由于拇指的特殊设计， 仿真机械手能够表现出大量的手势和抓取类型。 比如抓取圆筒电 池、侧面、三角台、曲面、球面等六种抓取手法，这些都被定义为机械手程序化前的标准抓 取类型的原型。 其他抓取手法也可程序化前设计。 例如， 按按钮或操纵开关时，其他手指弯 曲，食指可以伸长。由于模块化的设计，机械手能够获得大量的手势。一个15厘米跨度接近一个新的设计原型。在抓取过程中，利用 11

10、自由度和柔性传动机构，机械手能够使手指 适应各种形状的物体。 因此，在抓取中需要低接触应力， 并且接触应力类似于人手那样分布。 此外， 在抓取过程中，为了确保抓取物体的平稳性，增加了手和物体的接触面积。只有在原型中利用轻量化材料， 机械手运动时才能充满动力； 并且在 1 秒内，所有的手指都能够弯曲。 为了获得优良的重量比， 整只机械手的重量只有 245 克；就像其他机构的机械手结构， 例如 在8 中的装置发动机。三.应用程序Karlsruhe 大学灵活机器人的发展， 是 Collaborative 研究中心 588 工程“仿真机器人 - 多种方式学习与合作” 的主要目标。 这个灵活的机器人是仿真设计的服务机器人。 根据这项 工程的主要目标，这个机器人应装备 2个人造机械手，并且能够直接在厨房中和用户合作， 以帮助老人或残疾人。 机器人特征系统包括拟人运动系统和智力系统。 它能够与用户以说话、 手势、 接触的形式交流。 在服务机器人的责任与任务中， 也计划了自学和在人类帮助下学习 的能力。 图 6 是机器人在厨房中首次测试表演。 这个实验展示了机械手能够抓拿物体。 类似 瓶子、杯子、抽屉把手、洗碗机把手等物体，都是普通的测试抓取对象。四总结 人造机器人手的雏形， 展示了一个轻量的人造机器人系统的模块化设计。 这个结构有许 多特点。仿真机械手集成高功能化，以及可实现