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仿人灵巧手的结构设计
摘要
本文介绍了一种五指型仿人灵巧手的的机构设计与实现方法，根据对非规则物品拿取任务的要求，采用转动机构和连杆机构相结合，设计了五指型机器手。手指弯曲电机与指间平衡电机耦合驱动，实现了机器手的多角度张开、抓握运动方式。详细分析了机器手手指机构、手掌机构、手指间辅助平衡机构的工作原理，给出了设计方案，并根据总体设计要求选定了关键参数。通过虚拟样机技术验证了所设计的手指机构传动系统的正确性和自适应抓持的可行性从而为整个仿人手的设计奠定了基础。
关键词：五指型机器手 工作原理 机构设计 虚拟样机
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The structure designing of humanoid dextrous hand
Abstract
This thesis introduces the design and realization of a five-finger arm—and—hand mechani calsystem．Based on the demand of fuIfilling the task of holding irregular articles，the design of this arm．and—hand system combines the rotational structure and conne~ing rod．The fingerbinding engine and the finge卜balancing engine drive in a couple，thus realizing the multi—angle opening and grabbing motion．This thesis gives a detailed analysis on the mechanism of the finger system，the palm system and the aiding finger—balancing system．A design project is also provided，with key parameters according to the general demand．Through virtual prototyping Technology designed to verify the accuracy of finger mechanism and adaptive transmission feasibility of grasping so as to lay the entire design of a humanoid hand Basis．
Keywords：five~nger arm—and—hand mechanical system；basic theory；
mechanism
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目录
1.引言 ........................................................................................................................... 1
1.1 研究的背景及其意义 ..................................................................................... 2 1.2 国内外研究状况 ............................................................................................. 2 1.3 关键技术 ......................................................................................................... 4
1.3.1 小而强的驱动 ...................................................................................... 4 1.3.2 丰富的感觉 ...................................................................................... 5 1.3.3 聪明的大脑 ...................................................................................... 6
2.仿人灵巧手手指机构的传动方案设计 ......................................................... 8
2.1手指关节的传动方案设计 .............................................................................. 8 2.2 仿人灵巧手的整体结构设计 ......................................................................... 9
3.手指与手掌结构的设计与制作 ..................................................................... 10
3.1 手指关节的设计与制作 ............................................................................... 10 3.2 手指关节间连接机构的设计 ....................................................................... 12 3.3 手掌的结构设计与制作 ............................................................................... 13 3.4 手指基关节的机构设计与制作 ................................................................... 14
4.仿人灵巧手运动学模型 ................................................................................... 15
4.1 灵巧手坐标系的建立 ................................................................................... 15 4.2 灵巧手正运动学解 ....................................................................................... 16 4.3 仿人灵巧手动力学模型 ............................................................................... 18
5.手指的虚拟样机建立与运动抓持仿真 ....................................................... 20 6.驱动系统的设计 ................................................................................................. 23
6.1电机的选用 .................................................................................................... 23 6.2控制系统的选择 ............................................................................................ 24
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1.引言
自从40多年前，第一台计算机控制的机械臂出现之日起，人类将机器人概念延伸到了一个新的领域：机器人。在制造领域，可以看到众多机械臂在替代人们执行各种操作任务。如喷漆、焊接、搬运、装配等。然而，还有许多操作任务单靠机械臂的运动无法完成，例如在太空、水下、核辐射等环境下的实验、维护、排险等复杂任务。于是像人手一样的机器手成为期待的目标。然而，人类能否创造出如此灵巧的机器手呢？在机器人技术领域，研究人员一直在探索解答这一问题的技术途径。经过十几年的研究，世界一些大学和研究机构已经开发出多种机器人灵巧手样机。它们日益显示出在危险和有害环境下代替人类执行复杂操作任务的可能性。
仿人形机器人所要完成的许多工作最终是要通过仿人手来实现的,如何设计仿生机器手机构，保证各种基本运动方式又便于驱动器的布置，并且机构简单成本低，成为设计与实现的关键。国外如Okada 手Belgrade/USC 手Stanford/JPL 手UTAH/MIT 手DLR 手等[1, 2] 国内如北航机器人研究所研制的BH 系列灵巧手[3, 4]等这些灵巧手以多自由度和具有的灵活性而被用于复杂的灵巧的操作中。而用于仿人形机器人上的仿人手的主要设计要求为少自由度(总的自由度不超过3) 抓持可靠控制简单重量轻从这些设计要求中可以看出多自由度的灵巧手则不适合用来作为要求只进行力度抓持的少自由度的仿人手。
本文构建了一个具有抓握任意形状的机器手，给出了该机器手关键机构的设计工作原理分析，把机器手的旋转动作机构和连杆运动机构很好地结合起来，在拿取规则物体时可以正常运动，当遇到非规则物品需要复杂运动时，机器手可以多方向复杂运动，扩大了机器手的应用场合，避免了复杂的动力学方程分析。
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1.1 研究的背景及其意义
机器人是近年来迅速发展起来的高新技术密集的机电一体化产品。目前，对多指灵巧手的智能抓持，位置协调控制的研究是机器人学研究的热点之一。应用仿人机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用仿人机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以仿人机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。应用仿人机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用仿人机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。
综上所述，有效的应用仿人机械手，是发展机械工业的必然趋势。
1.2 国内外研究状况
像人一样，机器人需要用它的手与环境发生作用。机器人发展初期，面向的需求首先来自制造领域，早期工业机器人主要执行上下料这样的简单任务，功能单一的两指夹持器便能满足任务要求。随着技术的进步，工业机器人开始向更多的应用领域发展，上百种专门用途的“手”，统称为末端执行器，使机器人能够应对丰富多彩的任务对象，从轮胎、玻璃到布料，从大型金属热轧件到微小电子器件。尽管如此，末端执行器仍然是制约机器人应用的一个主要因素。于是，开发多用途机器手成为早期灵巧手研究的缘由和动机。
目前国外已经出现了触觉和视觉仿人机械手。第二代仿人机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统，具有视觉触觉能力，甚至听想的能力。研究安装各种传感器，能把感觉到的信息反馈，使仿人机械手具有感觉机能。
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国外也出现了第三代仿人机械手，它能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环对于搬运物体类的机械手的基本要求是能快速、准确地拾——放并且能搬运物件，这就要求具有较高的精度、快速反应、一定的承载能力、足够的工作空间和灵活的自由度及在任意位置都能自动定位等特性。设计气动机械手的原则是：充分分析作业对象和环境，明确工作的结构形状和材料特性，定位精度要求，抓取、搬运时的受力特性、尺寸和质量参数等，从而进一步确定对机械手结构及运行控制的要求，尽量选用定型的标准组件，简化设计制造过程，兼顾通用性和专用性，并能实现柔性转换和编程控制。
灵巧手与工业机器人一样是一个典型的机电系统，它集成了机构、驱动、传感、控制和人机交互等关键技术，然而其复杂程度却超过传统工业机器人。过去20多年，研究人员针对上述关键技术进行了长期不懈的探索，因而产生了许多灵巧手样机，表1-1列举了其中一些设计开发实例。
研究者 （时间） Rich Walker等 （2004年） Lotti等 （2004年） Kawasaki等 （2004年） Butterfass等 （2001年） DLR-Hand Ⅱ 4 13 电动机 Gifu Hand Ⅱ 5 16 电动机 UBH3 5 20 电动机 Shadow Hand 5 24 人工肌肉 肌肉压力、关节位置、分布式触觉力传感器 电动机位置、张力、关节位置传感器 电动机位置、6维指尖力、分布式触觉传感器 电动机位置、关节位置、关节力矩、6维指尖力传感器 Schulz，S.等（2000年） Lovchik （1999年） Robonaut Hand 5 14 电动机 电动机位置、关节位置、张力、触觉传感器 Ultralight Hand 5 10 人工肌肉 关节位置、压力传感器 手名称 指数 自由度 驱动类型 传感器种类 3
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续表1-1
研究者 （时间） A.Caffaz等 （1998年） Jacobsen （1984年） Salisbury （1983年） 手名称 指数 自由度 驱动类型 传感器种类 DIST Hand 4 16 电动机 电动机位置、关节位置、三维指尖力传感器 Utah/MIT Hand 4 16 气缸 电动机位置、关节位置、张力、触觉传感器 Stanford/JPL Hand 3 9 电动机 电动机位置、张力、指尖力、指尖触觉传感器 表1-1
本次设计的仿人机械手是通用拾取轴类零件的机械手，是一种适合于成批或中、小批生产的、可以改变动作程序的自动搬运或操作设备，它可以用于操作环境恶劣，劳动强度大和操作单调频繁的生产场合。
1.3 关键技术
人手有运动和感知两个主要功能。运动功能使其能够操作不同形状和大小的物体；感知功能使其能够通过接触获取物体特征，探测未知环境。人手的这两个主要功能还必须通过肌肉的动力和大脑的控制才能实现。因此，驱动、传感和控制是灵巧手的3个主要成分，也是灵巧手开发的难点。
1.3.1 小而强的驱动
灵巧手需要小而轻的驱动器，常见类型为电动机。目前所见的灵巧手最多有24个自由度。自由度越多，设计难度越大。难题之一是如何安置众多驱动器，使
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得灵巧手的尺寸接近人手。现在的微型电动机体积过大，无法在尺寸和力矩指标上同时满足要求。若将电动机集成在手内，同时保证尺寸足够小，则手指端的输出力太小，例如不超过10~30N。若要获得更大的力，电动机只能安装在手外，如放于小臂内，用柔绳传递运动和力。这正是现在许多灵巧手样机采用的传动方式。如果要取代复杂的柔绳传动系统，则需要尺寸小、力矩大的微型电动机。人工肌肉是新近出现的另一种驱动方式，不过尺寸庞大仍然是一个未解决的问题。
1.3.2 丰富的感觉
用于灵巧手的传感器主要有位置和触觉传感器。测量关节位置是实现手指运动控制所必需的基本要求。常见做法是用码盘测量电动机轴转角，经减速比缩小后，关节角的计算值可以有较高的分辨率，但传动间隙和变形会产生严重影响测量结果的准确性和可靠性。理想的方式是直接测量关节转角，在现有设计中，可以看到将霍尔元件、电位计和关学传感器用于关节角位置测量的实例。
在环境对象不确定的应用场合，没有接触信息反馈，很难想象灵巧手能完成任何任务。从人的经验可以直接观察到触觉与手的灵巧性关系密切。你如果有过手指冻僵的经历，就会体验到没有足够的触觉信息，人手会变得笨拙。触觉传感器分为两类：力传感器和接触传感器。力的测量方式有多种，测钢丝绳张力和手指关节力矩，可以分别采用1维力和力矩传感器。也有复杂一点的3维力传感器测指端接触力大小和方向。再复杂一些，可以用6维力/力矩传感器测量接触力的位置、大小和方向。力传感器响应快、性能比较稳定，但只能测量合力，无法识别接触点的数量和分布。后者靠接触传感器测量。这类传感器通常由多个触点组成阵列，用来测量接触区域和触点的压力，从而可以获得接触点的位置、接触区域的形状和力信息。由此，还可以进一步获得摩擦信息，以便判断是否发生滑动。尽管灵巧手样机的开发采用了多种触觉传感器，但究竟使用哪种触觉传感器或几种结合更好，还没有明确答案。另外，接触传感器在分辨率、信号处理、走线，以及制作和价格等方面离应用还有距离。
其他类型传感器，如接近觉、视觉、加速度、振动等，通常是针对特殊任务需要而增加的。
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传感技术离我期望的应用目标还有很大的距离，特别是触觉传感器，已经吸引了大量研究投入。尽管如此，在提高可靠性、分辨率、灵敏度等方面仍然面临重重困难。灵巧手在运动学结构上越来越接近人手，但由于触觉传感功能滞后，限制了机械功能的发挥。
1.3.3 聪明的大脑
即便有了像人手一样的运动和传感功能，如果没有控制系统，这些潜能就不能发挥，就像人若“手巧”必需“心灵”一样。
目前用于灵巧手的控制策略分为两类：主从控制和自主控制。主从控制的特征是人直接参与控制过程，在控制系统中扮演判断、决策与规划的角色。而在自主控制中，人不直接参与控制过程，运动规划所需要的判断和决策过程已通过算法形式植入机器人控制器，即机器人有自己的大脑。
主从控制系统通常由操作者、人机交互设备、灵巧手及其控制器组成。操作者的主要任务是进行任务和运动规划，根据视觉、力觉等信息反馈，做出判断和行动。人机交互设备采集操作者手的动作，将其转化为灵巧手的运动或力控制指令。控制器根据人机交互设备输出的指令，对驱动器进行位置或力伺服控制。当灵巧手的结构接近人手时，运动映射变得直观而简便。因此，主从控制比较适合于仿人手。
自主控制系统的难题是如何使机器人有一个聪明的大脑。机器人要能够知道物体在何处、物体的形状如何，并能够自主规划如何完成抓取和操作任务。一方面根据理论设计的规划算法还不能满足控制的实时需要，另一方面这些理论的假设条件依赖于触觉和视觉信息。受触觉传感器性能的限制，目前还无法获得足够准确和完整的触觉信息。因此，除个别极为简单的例子外，只能利用仿真方法验证运动规划算法，还无法在物理系统上加以证实。
另一种过渡策略是将主持控制与自主控制两者结合。由人承担抽象的难以量化的任务定义工作，由灵巧手自主完成细微操作任务。让机器人的控制系统学习人的知识，并将其转化为运动控制指令。在这里，人工智能的一些理论和方法，如模式识别、神经网络等可以用来识别人手的抓持类型，并建立人手与灵巧手之
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间的抓持映射关系。
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2.仿人灵巧手手指机构的传动方案设计
2.1手指关节的传动方案设计
手指机构的运动方案设计主要考虑的因素是在满足运动要求的前提下传动要平稳可靠结构要简单维护要方便由此在手指机构设计。我首先尝试采用齿形带传动，但由于齿形带结构的要求(带宽和最小带轮半径的限制)与手指尺寸(即手指的大小)的矛盾无法解决，因此齿形带也不能用在本手指机构的设计中。接着又考虑采用齿轮传动，通过调研分析发现，由于齿轮的结构比较复杂，用于关节间的传动比较麻烦，使手指重量增加，成本提高。经过全面的比较论证，最终的手指机构采用钢丝绳来传递运动和动力。
图2-1为仿人灵巧手三维模型图，它是3自由度5手指仿人手。整个系统采用钢丝绳传动，各手指的传动机构系统基本相同，所以就以中指为例说明机构的传动方案。
图2-1
图2-2所示为中指三维模型，手指结构主要有两部分组成：硬固机构部分、手指软连机构部分。硬固机构由首指节、中指节、末指节组成，依次首尾轴向连接，串联在一起；手指软连机构由两钢丝绳一端分别从正反两面拴在末指节固定端，依次穿过中指节、末指节的穿孔处到达电机驱动轮上。当手指需要伸开时，驱动电机外转，外部钢丝绳主动拉紧，内部钢丝绳从动放松，末指节只受手背牵引力
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时，手指垂直方向运动伸直，此时，内钢丝伸展段最长，外钢丝伸展段最短。当手指需要弯曲时，驱动电机内转，外部钢丝绳从动放松，内部钢丝绳主动拉紧，末指节只受手心牵引力时，手指垂直方向运动弯曲，此时，内钢丝伸展段最短，外钢丝伸展段最长。说明一点，各指节的转动支点与钢丝绳固线点位置是决定机器手运动速度和抓握力大小的关键。
图2-2
2.2 仿人灵巧手的整体结构设计
若要机器手具有抓握和放置两种运动方式，则机器手要有手掌和手指机构，此外还要有机器手手指之间的平衡机构。为了使机器手能够按照指定的方向和角度运动，机器手还必须有运动方向和角度调节机构，自我保护机构也是不可少的。此外，需要由电机传动、机器手臂辅助联动机构。
一般情况下机器手为自由半张状态，由直流电机驱动，机器手的手指采用连杆、电机、连接轴、万向节等组成，动力源是电机，机器手对被持物体的形状、大小、重量的规划由规划、视觉、触觉和控制系统给出，本文主要研究机构部分的设计及原理。
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3.手指与手掌结构的设计与制作
目前灵巧手手指的设计有两种主流设计思想，即内骨骼设计和外骨骼设计。外骨骼设计的手指外部只能安装很薄的用于增加摩擦力的橡胶皮，用于柔性接触的厚衬垫只能装于手掌上，而且难于安装触觉传感器；内骨骼设计有利于安装触觉或力传感器以及柔性衬垫。本文采用外骨骼设计。
3.1 手指关节的设计与制作
仿人灵巧手是模仿人类手的运动，因此各关节的运动范围也应该和人类基本相同，经过对各关节运动分析，并参考已有的一些机器人各关节的运动范围确定机器手各关节运动范围如表3-1所示。
1 2 3 4 表3-1手指连杆坐标
0~45°（弧转度） 0~90° 0~90° 0~90° 因此，在制作过程中，应尽量考虑到各关节的转动范围，避免运动过程中手指各关节的干涉。各关节中的孔定位一定要精确，否则会出现卡死或者脱离原轨迹的现象，使得手指在运动过程中出现不必要的麻烦。
在关节的制作过程中，选材是很重要的。材料的硬度和刚度都是选材的标准，如果用铝片制作手指模型的话，会因为硬度不够，很容易就裂了。用薄铁片制作后变形又会比较厉害。最终我选择了硬度和刚度都比较合适的铝合金。图3-1、3-2、3-3、所示为我设计的手指各关节三维模型,分别为远指节，中指节和近指节。
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