仿人機械臂和靈巧機械手的結構設計研究與實踐

黃文正 張丹 朱佳 張寶生 李昂 王洋

摘要：指出了隨著科技的發展，機器人的應用領域不斷擴大，仿人機器人的研究和制作從未停止過，其中世界各國都將機械手臂和機械手作為重點研究突破的一個點。通過對機械原理和機械設計的深度研究，設計制作了一個實用的仿人機械手臂，整體設計運用了欠驅動的思想，非常符合節能環保的科學發展思想。該機械手臂主要由仿人機械臂和靈巧機械手兩部分組成。靈巧機械手一共有16個自由度，擁有5個手指和一個手掌。每個手指都包含3個被驅動關節，每個手指包含3個自由度，大拇指與手掌之間添加一個自由度。仿人機械臂則擁有6個自由度，在仿人的關節處皆添加有自由度，以實現所需的基本動作。設計制作過程中大量運用了增材制造技術（3D打印）、計算機輔助設計（CAD）等先進技術。使用結果表明：該機械手臂能夠實現2 kg有效載荷的抓取和靈巧運動。

關鍵詞：仿人機械臂;欠驅動靈巧手;3D打印;人體骨骼研究

中圖分類號：TP241

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）6-0168-07

1引言

機械手臂作為機器人與環境直接接觸的主要部分，其活動能力和可操作性決定了機器人的正常工作水平。因此仿人機械手臂作為仿人機器人的一個重要組成部分而備受關注。欠驅動靈巧機械手作為仿人機械手臂的重要組成部分，通過合理的機械結構設計和控制形式的選擇，讓欠驅動靈巧機械手擁有靈敏度高、精準性高、可操作性強。可靠性高等特點。通過人手骨骼和外形的研究，多指欠驅動靈巧機械手采用仿人手的結構和外形設計，高度模擬人手，再結合可靠的動力傳動形式和控制方法，能夠讓靈巧機械手對任意形狀物體都有較好的可適性，特別是在人工智能、搶險救災、工農業生產中都能有較好的應用。

2機械手研究設計

2.1多指機械手的國內外發展概況

機器人的機械手具有集成度高、感知功能多、智能化程度高等特點，是一套復雜的機電系統，它涉及多個學科和研究領域，如機械結構學、微電子學、仿生學、材料學、自動控制、計算機技術、人工智能等。

而仿人機械手作為機械手的一個非常重要的發展分支，其研究設計一直是前沿科學研究的一個熱點。一直有大批的研究人員對使用較少原動機、簡化控制系統、環保節能的機器人靈巧手進行著深入的研究。隨著應用領域不斷擴大，相繼產生了一些具有代表性的靈巧手。

20世紀90年代，德國宇航中心成功地開發出DIR—I和DLR-Ⅱ靈巧手，其中DLR-I設計為擁有4個相同手指的機械手，并且每支手指都擁有個4自由度，手指關節的原動機采用微型直流電機，將微型直流電機安裝在手指或手掌中，并且每個指頭外表集成有25個傳感器。指尖對外物的作用力可以達到11N，裝配好的手質量為1800g。如圖1，2所示。

20世紀末，美國國家航空和宇航局利用國家基金研制出用于國際空間站船外作業的NASA靈巧手，如圖3。該靈巧手手采用完全模擬人手的結構設計，由1個前臂、1個手腕和5個手指組成，手腕具有2個自由度，大拇指、中指和食指各具有3個自由度，手掌、無名指和小拇指各具有1個自由度，一共有14個自由度。隨著先進控制、材料、結構等技術的融人.目前，靈巧手的外形、功能和靈巧性已經比較接近人類的手。

從20世紀80年代開始，我國許多高校和科研機構在機器人多指靈巧手的學術領域進行了探索。這個時期最具代表性的是北京航空航天大學和哈爾濱工業大學。

從2001年開始，哈爾濱T業大學和DLR聯合研制了DLR/HITI靈巧手。它以DLRⅡ靈巧手為基礎，具有多種感知功能、高度集成等突出的特點。如圖4所示，該靈巧手總共具有13個自由度，比人手少一個手指，只有4個手指。為了實現手指的模塊化設計，4個手指結構完全相同，并每個手指擁有4個關節、3個自由度，末端的兩個關節通過機械連桿機構實現耦合運動。DLR/HIT工手指與手指之間的動作單一，從而限制了其能完成動作的數量和種類。針對DLR/HITI手的不足，2007年哈爾濱工業大學和DLR研制了DLR/HITⅡ手。如圖5所示，DLR/HITⅡ靈巧手和DLR/HITI靈巧手一樣也具有多種感知功能、集成度高等突出特點，較DLR/HITI靈巧手而言，DLR/HITⅡ靈巧手與之最大的區別為DLR/HITⅡ具有仿人手的5只手指。同DLR/HITI一樣，5個手指完全相同，每個手指有3自由度、4個關節，末端的兩個關節通過鋼絲機構耦合運動，共具有1 5自由度。所有的驅動器、電路板、通信控制等都集成在手指內部。

2.2機械手的結構設計

機械手所采用不同的驅動和傳動方式，其靈活性、可操作性、體積等性能指標都會有較大的差距。目前，機械手具有電機、氣動、液壓、人工肌肉和形狀記憶合金等不同的驅動方式，同樣，機械手也具有腱傳動、連桿傳動、軸傳動、其他傳動等不同的傳動方式。

目前機械手采用較多的傳動方式為腱傳動和連桿傳動。

腱傳動：由腱（鋼絲繩、繩索等柔性材料）加上滑輪或者軟管實現傳動，腱傳動的特點是抗拉強度高、結構簡單、重量輕、節省成本，非常適合自由度多、傳輸距離遠的機械手傳動。介于腱材料剛度有限、易老化等特點，腱傳動也有壽命短、反應速度慢等缺點。

連桿傳動：采用機械結構的連桿傳動，可有平面連桿傳動和空間連桿傳動。連桿傳動基于巧妙的機械原理設計來實現動力傳輸，如杠桿機構、四桿機構等。連桿傳動具有剛度好、傳輸力大、負載能力強、精度高等優點。連桿材料隨著材料技術的發展，其壽命和質量得到了可靠的保證。但連桿傳動的結構設計復雜、費用高。

欠驅動從機械原理的觀點而言，指原動機的數量少于被控制的手指關節數量的機械手驅動方式，欠驅動可以實現機械手的精確驅動。機械手關節可分為有驅動關節和無驅動關節，有驅動關節直接驅動，無驅動關節則使用被動的阻尼元件或機械限位銷來限制和恢復運動。欠驅動設計，不僅機械結構簡潔，而且還節省了空間，最重要的是減少了原動機的數量。

人手的醫學分析：從醫學的觀點來分析，人手由各種細胞、蛋白質、組織和神經構成，總共19塊骨骼和16個關節。骨骼是剛體，不會發生變形，并通過關節相連。外力作用下，肌腱將力與力矩傳遞或轉變成關節的轉動，配合各段指骨的運動，人手得以實現某種動作或保持某種姿勢，人手的位置和姿態是由人手骨骼的運動所決定。以此可見，骨骼在人手運動中起到決定性作用。在建立人手運動學模型時，可以忽略表皮組織及其附帶組織，重點考慮人手的骨骼框架模型，人手骨骼模型如圖6所示。具有剛體性質的骨骼模型，分析其運動學原理，關節的轉動對人手運動和姿態的影響起到決定性作用。

綜合國內外的相關研究情況和我們機械手所需要滿足的要求，我們選擇了欠驅動靈巧手的機械手結構設計。欠驅動機械手采用可旋轉關節加腱（鋼絲繩）的組合驅動。該靈巧手擁有5個手指，每個手指都包含3個被驅動關節，每個手指包含3個自由度，大拇指與手掌之間添加1個自由度。所以，整個機械手一共有16個自由度。

目前，用于機械手驅動的電機主要有步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機等幾種。步進電機的工作原理為：其可直接將電脈沖信號轉換成角信號，當輸入一個電脈沖時，步進電機就能轉動一定的角度。步進電機回轉角度的大小與脈沖數成正比，脈沖輸入的順序則控制其旋轉方向。步進電機能夠通過改變脈沖頻率來實現快速起動、反轉和制動等動作，并且可控范圍廣、穩定性高。直流伺服電機也是將輸入的電脈沖信號轉換成轉角的驅動裝置，因其實現閉環驅動，故有可靠性好、精度高、控制容易、啟動轉矩大等優點，但其需常換碳刷，維護不便。交流伺服電機較直流伺服電機而言，交流伺服電機無電刷，因此環境適應性好，而且功率較大、過載能力強。

綜合考慮，我們設計的機械手的驅動系統選擇直流數字舵機（圖7）。其具有高精度，穩定性好、功率大、結構緊湊等特點。該舵機的基本參數見表1。

我們所選用的直流數字舵機內部由高精度銅鋁齒輪嚙合傳動，并且有高精度的軸承做支撐，保證舵機的虛位少，虛位時間短，如圖8對機械手執行動作的準確性起到了決定性的作用。每一個舵機內部有微型單片機控制，獨立操作，保證了整體的互不干擾，并且可替換性強，如圖9。

在傳動輸出端，在加以凸輪設計，得以讓原來規則的定軸轉動變化為該機械手所需的轉動軌跡。運用計算機輔助設計技術，三維建模出數字舵機和凸輪的連接圖，運用UG仿真出所需的運動軌跡，如圖10。

欠驅動手指傳遞運動和動力的方式在目前主要有滑輪繩索機構、輪鏈腱機構、鋼絲軟軸加螺旋傳動和連桿傳動。前三者的主要問題是傳動的功率損耗大、效率低、抓持力小;而連桿傳動的效率高，產生的抓持力大，但連桿傳動機械結構復雜，要求裝配精度高。

根據機械手需要滿足的動作要求：動作幅度不大、準確性好，作用對象為質量較輕的物體。我們選擇輪（凸輪）腱結合的機構。采用腱（鋼絲繩）與凸輪的連接.腱繩驅動較齒輪、鏈條等驅動方式比較而言，在保證足夠的力矩輸出的前提下，腱繩驅動方式的機械手結構緊湊、易于設計，制作成本低，自適性好。制作過程中，在每一個手指的關節處，都添加著有彈簧恢復裝置，讓機械手在完成動作之后能夠迅速的恢復到原始狀態，方便為下一個動作做準備。

根據人手骨骼結構模型，設計出了機械手的運動簡圖，如圖11。

在確定機械手外形尺寸時，以人手外形尺寸為依據。通過大量的實際測量與分析，總結出人手遠掌骨指段、近掌骨指段、掌骨指段三者的比例關系大致為1：1.35：2。依據此比例關系來確定手指各個指段的長度，這樣可以使機械手手指的外形比例更接近人手。機械手手指設計尺寸為遠掌骨指段36mm、近掌骨指段48.6mm、掌骨指段72mm，關節連接處圓弧過度，緊湊結實。單只手指實物，如圖12所示。

為了能適應大多數物的重量，機械手的有效負載設定為2kg。然后為了滿足有效載荷所需要的強度和剛度和考慮經濟因素，選擇ABS樹脂作為主要結構工程材料。ABS樹脂是一種用途極廣的熱塑性工程塑料，具有優良的綜合物理和機械性能。最重要一點是其可塑性好，是3D打印常用的材料。

本文驅動源（直流舵機）的安裝方式參考了Shadow五指靈巧手的驅動源安裝方式，將舵機和機械手主電路板安裝在手掌之外的前臂里，如圖l3。

由于驅動源（直流舵機）、機械手主電路板都置于手掌外的前臂內，結構緊湊、預留空間大，所以機械手尺寸更加合理。每一只手指的每一個關節可實現120°的彎曲活動范圍，大拇指與手掌連接處的關節可實現0°～90°的有效活動范圍。并且采用全模塊化組件裝配的模式，使機械結構緊湊而且可更換性強，維修方便。每一個模塊都采用3D打印制作，使機械手外形更加類似人手。手指關節處的連接件為鋼，足夠的強度和剛度，保證了機械手的壽命，如圖14。

2.2機械手臂設計

仿人機器人是當今機器人研究領域最活躍的研究方向之一，而作為仿人機器人重要組成部分的仿人機械臂更是各國學者研究的熱點。在人體結構中，上肢可以輕松準確、靈活自如地實現觸點、抓取、推拉等各種動作，讓機器人擁有如人臂般靈活的手臂成了眾多科研人員的目標。目前采用較多的一種結構是7白由度冗余機械臂，用3個旋轉關節組成肩部，一個旋轉關節組成肘部，3個旋轉關節組成腕部。

根據人體工程學、美觀性、結構穩定性等方面提出了機器人機械臂結構設計的以下幾個準則。

（1）在功能上，根據設計指標和功能要求合理地選擇機械臂的自由度數目，并且合理分配自由度，選擇出 最優構型。能夠結合機械手靈活地到達工作范圍內各個任務目標點，完成設計預定的基本動作。

（2）在結構上，機械臂的結構設計要合理，避免出現干涉、機構不能運動等問題;各個組件的連接要穩固緊湊，裝卸容易。結構越穩固，可靠性越好;結構越緊湊，空間利用率越高，控制越方便。

（3）在人體工程學上，機械臂要具有較好的工作穩定性和安全性，不能對人的安全構成危害，同時要有較好的宜人性，增加用戶對產品的好感度，獲得視覺和心理上的親切感。

機械臂在整個機械手臂實現動作流暢性和完整性的過程中起到了決定性的作用。所以，機械臂的設計構想是仿人設計。通過對人體手臂骨骼結構和肌肉連接的分析，以機械原理為基礎，運用相應的機械結構實現機器人手臂設計制作。機械手臂從肩部到手部的部件規格及質量依次遞減，這有利于機器人的穩定性.在滿足所要求的結構強度和剛度的前提下，大臂、小臂采用中空型結構，減輕質量，也可以增強抗彎扭能力。

該機器人單支手臂擁有6個自由度，機械臂通過仿人設計，具有3個典型關節：肩關節.肘關節和腕關節。在肩關節與肘關節之間為大臂，肩關節部位采用高穩定性減速電機驅動;肘關節與腕關節之間為小臂，與肩關節下端相連的是使整個機械臂回轉的大臂回轉關節;在肘關節與腕關節之間也有一使小臂回轉的小臂回轉關節。除肩關節外，其余機械臂關節皆采用高精度直流舵機驅動，保證關節的靈活性和準確性。表2為肩關節減速電機的基本參數。

該型減速電機具有高精度、穩定性好、低能耗、獨立操作性強、結構緊湊等優點，如圖15所示。

表3為負責機械臂其余關節驅動的高精度直流舵機的基本參數（圖16）。

根據仿人體關節設計，我們將人體手臂關節之間的連接運動用運動簡圖來描述，如圖17所示。

機械手臂在設計制作過程中，我們充分利用計算機輔助設計。運用三維制圖軟件Solidworks進行機械手臂零件的設計和機械手整體的裝配。三維模型如圖18所示。

機械手臂制作過程，我們將每一個直流舵機用一個微型單片機控制，然后將所有的數據傳送給總系統處理，處理之后再將控制信息傳輸到每一個舵機的控制單片機上，控制舵機執行相應的操作。這樣可以讓各個舵機（關節）單獨實現功能，而不受其他舵機的影響，提高動作的準確率和工作效率。如圖19、圖20所示。

同樣，在機械手臂的制作過程中，充分利用了3D打印技術，將計算機上設計好的三維零件直接通過3D打印機打印出來，保證設計精度。材料為ABS樹脂，強度和剛度均滿足設計要求，使得整只手臂整體重量僅有4.3kg。單只手臂實際裝配圖，如圖21所示。

該機械臂可以實現的基本動作：肩的前后旋轉動作;肘的上下動作;大臂回轉關節的動作;小臂回轉關節的動作;手腕的旋轉動作;及其相關的組合動作。

基于此動作基礎，該機器人的機械臂與機械手可配合完成手勢所需要的規定動作，動作準確率能達到95%，如圖22實現和人手簡單的握手。

在該機器人制作調試過程中，我們發現機械手臂應與整體體型協調，才能使各個動作表達更加準確。

3結論

本文介紹設計制造一個欠驅動機械手臂，整只手臂具有22個白由度，而我們只用12個驅動源便實現了對22個自由度的驅動。整只手臂采用仿人設計，大量運用計算機輔助設計、3D打印制造技術等先進設計制造方法，使得整只手臂整體重量僅有4.3kg。該機械手臂能實現一些基本動作，有效載荷為2kg，可以運用到幫助聾啞人實現手語翻譯的智能機器人方面，也可以用于科研和一些公共場所，如醫院、餐館、學校，由于采用仿人設計，外形像人手臂，可以讓人們更容易接受和相處。

同樣由于設計團隊能力、時間、財力、實驗器材等有限，未能將該機械手臂做到十分完美，我們將繼續展開機械手臂的深入研究，努力完善該機械手臂的功能。