模块化技术在拟人指纹手研制中的应用

模块化技术在拟人指纹手研制中的应用

在对智能机器人的研究中，人们将伪人机器人视为机器人研究的最高领域，并将人类行为作为预期的目标。拟人机器人之所以具有机动性,一个非常重要的原因是拟人机器人具有臂部运动的灵活性和手部运动的灵巧性。与人相似,拟人机器人要完成许多任务,离不开一双灵巧的手,另外,由于人手自由度多、非常灵巧,同时体积非常小,模仿起来非常困难。因而研究拟人机器人的手部是机器人研究的最重要的方面之一,也是目前的研究热点。拟人机器人手主要由手掌与多个手指构成,每个手指上有多个关节,因此,如果在一开始设计机器人手时,就从总体上将该机器人手划分好相应的子系统或者模块来,尽可能多次重复使用同一个关节机构、手指机构,则这样的设计可以起到事半功倍的效果。本文将介绍模块化设计方法,以两种拟人机器人手的设计为例,介绍模块化设计方法的具体应用。1小系统建模的运用模块化设计是以功能分析为基础的一种现代设计方法,用系统的观点,采用分解和组合的方法,建立模块体系,并将若干具有相同或不同功能、可以互换的模块、通用模块的选择和组合,构成不同的产品。这种分解组合的方法称为模块化,它包括模块分解设计和模块组合设计两部分,“分解”是将大系统按照产品的功能结构有目的的分解为若干小系统,使问题由大变小,复杂的问题转化为易于解决的简单问题,因此这种方法可以有效地简化系统的分析与设计,实现小系统。“组合”是根据产品的特定技术性能和使用条件,选择特定的模块以合适的联接方式进行联接,使各功能小系统融合为符合要求的适用产品。简单地说:就是在基型产品的基础上通过更换或增减一些模块的方法形成很多变种产品;模块化设计出来的产品,是通过选用综合功能模块、基础单元模块和零部件进行模块组合而成的,达到以有限的模块数来发展多品种的通用产品和专用产品。考虑如果能够设计出一个模块化的手指单元,然后将此手指单元集成到手掌上,就可以组成的完整拟人机器人手,不同的模块化划分也将得到不同的设计方案。采用模块化设计的拟人多指手具有开发周期短、机构可靠、集成度高、制造和维修方便、成本低等许多优点。模块设计思想也广泛应用于其他机械系统的设计中,起到了很好的效果。清华大学所研制的拟人机器人手:TH-1手、TH-2手在设计中都充分应用了模块化设计方法,下面分别介绍。2th-1手结构清华大学“拟人机器人项目”对拟人机器人手部的设计目标为:机器人手自重小于10N;抓重允许5N;总自由度数等于3;手指为2～3个;外形尺寸和运动速度等均模仿人手;动作功能:可以实现伸展、握拳、握手、抓取硬物、抓持一杯水等;在设计中,要兼顾减轻控制的复杂性,减轻臂部和腿部的负担,减少供电负荷等。本着“功能实现为主,形状相似为辅”的思想,以实现多数抓取任务为目标,设计了TH-1手。TH-1手总体上的设计方法采用了模块化设计方法。关节模块的划分如图1所示。TH-1手的自由度简图、机构简图和TH-1手外观分别如图2a,2b,2c所示。将整个TH-1手划分为:手掌、食指第一指节、食指第二指节、拇指第一指节、拇指第二指节、食指第一关节、食指第二关节、拇指第一关节、拇指第二关节。其中拇指根部关节和食指的两个关节均采用同一种机构形式的主动关节模块,即由电机、减速器、齿轮传动机构、编码器、扭簧、片簧、电位器等组成。拇指末端关节采用一种欠驱动关节,限于篇幅不再赘述。与传统的拟人多指手相比,采用模块化设计的TH-1手具有许多优点:其外观、尺寸和动作接近人手,驱动器个数少,实时控制容易,机构简单、可靠,制造和维修容易,成本低,手的驱动器及驱动电路均藏入手内,能稳定抓取不同物体,对所抓物体具有较强的适应性,适合用于拟人机器人。3th-2手机构介绍在TH-1手设计的基础上,继续设计了TH-2手,总体上的设计方法仍然采用了模块化设计方法,但是系统划分采用另外的方式。TH-2手的模块划分方案为:将整个拟人机器人手看作为手掌、拇指根部手指模块、四指根部手指模块和若干中间手指模块构成,系统划分如图3所示。TH-2手机构简图和外观分别如图4a,4b所示。TH-2手的拇指根部关节和四指根部关节为电机驱动的主动关节,结构基本类似TH-1手的主动关节模块。四指的中部欠驱动关节、末端欠驱动关节和拇指末端欠驱动关节(共9个关节)均采用结构相同的一种欠驱动手指模块。该欠驱动手指模块如图5所示,包括第一指节、第二指节、欠驱动关节(含主动滑块)。可以将欠驱动手指串联起来,构成拟人机器人的食指、中指、无名指和小指。集成了2个欠驱动手指模块的手指,抓取物体情况如图6所示。与传统的拟人多指手(包括TH-1手)相比,采用模块化设计的TH-2手具有如下优点:高度拟人化,高欠驱动和高集成度,实时控制容易,对所抓取物体形状、尺寸较强的自适应性,降低了抓取物体时对控制系统的要求,体积小、质量轻,适合安装到拟人机器人上使用。4拟人中轴运行参数划分介绍了模块化设计原理,提出应用模块化设计方法进行拟人多指手的设计。在采用模块化设计拟人多指手中,提出两种系统划分方法:其一、将整个TH-1手划分为手掌、食指第一指节、食指第二指节、拇指第一指节、拇指第二指节、食指第一关节、食指第二关节、拇指第一关节和拇指第二关节组成;其二、将整个拟人机器人手划分为手掌、拇指根部手指模块、四指根部手指模块和若干中间手指模