欠驱动机构控制研究

欠驱动机构控制研究

为了提高手动关节的适应性，应制定多个关节计划。然而，为了降低控制机器人手的难度，降低手的体积和重量，我们需要减少模拟器的数量。这两者之间存在一些矛盾。此外，为了更好地捕获物体，必须用手指在捕获物体时具有一定的适应性。设计欠驱动多指装置能够更好的实现以较少的驱动器驱动较多的关节自由度,同时兼顾具有抓取不同形状、尺寸物体的自适应性。由于欠驱动机构具有体积小、功耗省、对控制系统要求低等优点而成为当前拟人机器人手的重要研究方向。机器人拟人手还需要有较强的拟人特点,即外观应接近人手,这样就要求,机器人拟人手应具有多个手指。因而设计机器人手多指欠驱动装置具有非常重要意义。以下重点研究如何利用单个电机驱动多个手指的根部关节。1现有的机器人手伸向驱动程序1.1单个健全装置的设计文献和分别提出了采用两级齿轮增速传动机构和齿轮齿条传动机构实现的单个手指多个欠驱动关节的方法。这些已有的欠驱动机构主要集中研究如何利用单个电机驱动单个手指上的多个关节。传统的欠驱动机构的设计思想是如何将位于手指根部的驱动器动力传递到单个手指的多个关节,没有充分考虑手在抓取物体时多个不同手指的协同运动关系。这些装置比较适合用于一个手指上的多个关节,而不适合用于手掌与多个手指的根部关节。1.2车辆的整体旋转控制与上述思想不同,将手掌、多个手指作为一个大系统来综合考虑,会得到一种特殊的机构。即在抓取中,多个手指在单个驱动器驱动下相继接触碰撞物体,接触物体的手指停止转动并向物体施加压力,未接触物体的手指继续转动至接触物体,多个手指只需用一个驱动器驱动,这样实现了多指欠驱动效果。文献提出了一种采用拉簧和连杆实现的多指欠驱动装置,但该装置体积过大,将整个手掌空间完全占据,使得电机的驱动器、控制器等不得不放置于手外。文献也曾提出了一种采用片簧和中空手指构成的多指欠驱动机构,但该装置必须占据手指根部指节的空间,不利于手指中部关节采用电机主动驱动的场合。2多次嘴唇均接触/不接触如图1所示,多指欠驱动机构由手掌、多个手指、多个扭簧、关节轴、驱动装置等组成。工作原理为:当机器人拟人手抓取物体时,通过电机输出轴带动关节轴转动,一端连接到关节轴的多个扭簧也转动,带动其另一端所连接的手指转动,直到各手指均接触物体,然后关节轴继续转动一个小角度,使各扭簧适当变形,此时停止电机,这些扭簧的变形弹力使手指对物体保持一定的抓取力。如果关节轴转动中,某个手指先接触物体后停止转动,此时,该手指的相应的扭簧开始弯曲变形,其他手指仍继续转动,直到第二个手指接触物体,……,如此继续下去,最终实现多个手指均接触物体。由于仅采用1个电机,就驱动了多个手指的转动,所以较好实现了多指欠驱动功能,并且对物体的不同形状和尺寸具有较好的自适应效果。一方面由于各手指的根部关节看似独立的一般,增加抓取不同形状、大小物体的适应性和手外观的拟人性,另一方面,由于抓取力随扭簧变形的增大而增大,可以实现抓取力的控制。3fsum与fpss多指欠驱动机构抓持原理如图2、图3所示。以多指欠驱动机构的关节轴为原点O,以指向手指末端竖直向上的方向为y轴方向,以指向其他手指并垂直于此手指的方向为x轴方向,建立直角坐标系。各符号含义如下:f1、f2为手指1、2对物体施加的力,N;f1为其他手指对物体施加的总的力,N;fsum为手指1与手指2对物体施加的合力,即f1和f2的合力,N;r1、r2为f1、f2到欠驱动关节轴心的距离,mm;θ1、θ2为连接手指1、2的扭簧相对初始位置转过的角度,°;θ2-θ1为手指2相对手指1转过的角度;α为fsum与f1的夹角;k1、k2为连接手指1、2的扭簧的刚度,N·mm/°;M1、M2为手指1、2的关节转矩,Nmm。根据扭簧胡克定律,可得:M1=k1·θ1(1)M2=k2·θ2(2)由力矩计算式,可得:M1=f1·r1(3)M2=f2·r2(4)由受力分析可得:fsum=f21+f22+2f1f2cos(θ2−θ1)−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√fsum=f12+f22+2f1f2cos(θ2-θ1)(5)α=arccos(f21+f2sum−f222f1fsum)α=arccos(f12+fsum2-f222f1fsum)(6)由上述公式可以得到,在假设:r1=25mm,r2=30mm。根据这些数据和前述公式,可以得到其他变量之间的关系。图4a显示了f1,θ1和k1的关系。由图可知,增大θ1或增大k1都会增大f1。图4b显示了fsum,θ1和k1的关系。由图可知,增大θ1会增大f1;k1对fsum的影响较复杂,基本趋势为k1的增大会带来fsum较大的峰值。图4c显示了α,θ1和k1的关系。由图可知,增大θ1会增大α;k1对α的影响较复杂,基本趋势为k1的增大会带来α较大的峰值。由于α是fsum与f1夹角,当α增大,fsum更加偏向使物体靠向手掌内,因而更加有利于抓取物体。这一点是随着k1、θ1的增大而实现的。以上分析基于对类似圆锥物体的分析得出结论。其含义是:在抓持物曲率半径大处增大k1有利于抓持物体。如为适应形状未知的不同形状物体的抓持,可使中指使用有较大劲度系数的扭簧;其他三指使用有略小劲度系数的扭簧。如为适应正锥形状物体的抓取,可使连接小指、无名指、中指、食指的扭簧的劲度系数依次减小。如为适应倒锥形状物体的抓取,可使连接小指、无名指、中指、食指的扭簧的劲度系数依次增大。4多段指令的具体设计根据前述方案,设计了一种新的多指欠驱动机构,并将此欠驱动手指机构应用到了拟人机器人手TH-2上。4.1传动机构的连接多指欠驱动机构如图5所示。该多指欠驱动机构主要包括手掌、电机、关节轴、4个手指(食指、中指、无名指、小指)、4个扭簧。其连接关系为:电机固接于手掌上,关节轴套接于手掌,电机的输出轴连接到关节轴,4个手指并排套接在关节轴上,4个扭簧套接于关节轴上,并且两端分别连接在关节轴与对应手指上。电机通过齿轮传动机构连接到关节轴,电机的输出轴连接到传动机构的输入轴,传动机构的输出轴连接到关节轴。传动机构包括减速器、小齿轮、紧定螺钉。电机连接到减速器,减速器输出轴通过紧定螺钉与小齿轮固接。小齿轮与关节轴一端的齿轮啮合传动。4.2劳动原理和模拟欠驱动手指的工作原理描述如下:(1)多个扭响当机器人拟人手抓取物体时,通过电机输出轴转动,带动关节轴转动,一端连接到关节轴的多个扭簧也转动,带动其另一端所连接的手指转动,直到各手指均接触物体,然后关节轴继续转动一个小角度,使各扭簧适当变形,此时停止电机,这些扭簧的变形弹力使手指对物体保持一定的抓取力。(2)多个扭瘘转色法当机器人拟人手抓取物体时,通过电机输出轴转动,带动关节轴转动,一端连接到关节轴的多个扭簧也转动,带动其另一端所连接的手指转动,直到各手指均接触物体。关节轴转动中,某个手指先接触物体后停止转动,此时,该手指的相应的扭簧开始弯曲变形,其他手指仍继续转动,直到第二个手指接触物体,……,如此继续下去,最终实现多个手指均接触物体。5主要参数设计原则与实现单个手指的多关节动力传递的传统欠驱动机构设计思想不