仿人機械手的觸覺傳感器和關節驅動及控制系統設計與實現

肖南峰，巢 婭，陳星辰

(華南理工大學 計算機科學與工程學院， 廣州 510006)

仿人機械手作為仿人機器人的末端執行器，經歷了若干代的發展，目前已進入了相對成熟的發展階段，但是受其觸覺傳感器和關節驅動及控制系統的影響,仿人機械手執行任務的廣泛性和復雜性還存在著諸多問題。由于現有的仿人機械手大多采用基于腱的傳動方式和仿效人手的驅動原理，故存在以下缺點：① 腱的剛度有限；② 必須對腱進行預緊；③ 腱的張力和波動很大；④ 腱的機械特性和數量對于手的性能有較大影響。此外，一些高檔仿人機械手的控制方法基本上是對手指尖處裝配有獨立力/力矩傳感器的手指進行位置和力反饋控制或阻抗控制。但是，這些控制方法均沒有考慮或控制手指和手掌表面上眾多觸覺點(觸覺傳感器)的接觸力影響，這也極大地限制了仿人機械手的推廣普及。

觸覺傳感器是仿人機械手感知外部環境的重要媒介，它對于仿人機械手正確地操作目標物體極其重要。在仿人機械手靈活自如運動的前提下，要求觸覺傳感器能夠準確地感知外部環境，以便實現對目標物體的各種精準操作。迄今為止，國內外學術界對于觸覺傳感器構造、柔性敏感材料及其力學特性、觸覺力數學建模和精確解耦等已經進行了廣泛的探討[1-15]，目的是研制出具備多種測量功能的復合型觸覺傳感器，以便為仿人機械手提供獲取更多外部綜合信息和更加先進的觸覺感知技術。為此，本文設計了一種具有柔性和觸覺力及觸摸檢測能力的分布觸覺傳感器。同時，還要利用直流步進電機作為仿人機械手各個關節的驅動機構，并且要研制相應的單關節及多關節并發驅動控制電路及驅動控制算法。此外，在考慮手指和手掌表面上眾多觸覺點接觸力的情況下，設計仿人機械手位置和力反饋及速度反饋控制等方法，以實現仿人機械手的抓、握、捏、夾、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、貼、牽、拽、磨、削、刨、搓等靈巧作業功能。

1 分布觸覺傳感器研究現狀

觸覺傳感器研究始于20世紀70年代，此后有許多物理傳感器開始應用于觸覺傳感領域[1]。觸覺傳感器研究現在所面臨的最大問題在于柔性化、多維觸覺信號檢測及處理、融合方法。目前，國外許多學者從觸覺感知機理、觸覺傳感材料、觸覺信息獲取、觸覺圖像識別、傳感器實用化等方面進行了大量的研究，由此產生了很多新型的觸覺傳感器及觸覺信號處理方法[2-14]。例如，加拿大Simon Fraser大學Dargahi[2]開發了由3片PVDF薄膜構成的觸覺傳感器；美國德克薩斯克里斯蒂安大學Kolesar和Dyson[3-4]開發了覆蓋PVDF薄膜CMOS器件的8×8矩陣傳感器，它能在50 ms內掃描64點數據，很適合于仿人機械手指應用，如圖1(a)所示。日本東京大學Ando和Shinoda[5]利用超聲波原理制作了結構呈柔軟圓球狀的觸覺傳感器，4塊PVDF薄膜片組成的超聲傳感器矩陣鑲嵌在物體重心，如圖1(b)所示。

圖1 國內外的各類觸覺傳感器

近年來，我國研制成功了以下幾種觸覺傳感器：① 電容式觸覺陣列傳感器[6-7]，其原理是通過受力使得極板間相對位移發生變化，從而使電容發生變化，通過檢測電容變化量來測量觸覺力，如圖1(c)所示。② 光波導觸覺傳感器[8]，其中單向力觸覺傳感器原理如圖1(d)所示，當外力F作用于物體時，橡膠墊下部分圓錐觸頭陣列將產生形變，在壓痕處形成光斑，CCD圖像傳感器攝取此光斑圖像并送入計算機對橡膠墊進行力學分析，得到外力F與光斑面積之間的數量關系，并檢測法向力大小。③ 光纖式觸覺傳感器[9]，其對光纖內傳輸的光進行調制使光強度(振幅)、相位、頻率或偏振態等特性發生變化，通過測量被調制過的光信號從而得出被測量，原理如圖1(e)所示。④ 基于導電橡膠的柔性陣列觸覺傳感器[10-12]，是由重慶大學杜彥剛等提出的3維力觸覺檢測傳感器。中國科大徐菲等也采用“整體液體成型”技術設計了一種具有柔韌性和測量多維力特征信息能力的多維陣列觸覺傳感器，如圖1(f)所示。⑤ 壓阻陣列觸覺傳感器[13]，是由杭州電子工業學院羅志增等提出的一種由外層薄橡膠、柔性電極、各向異性導電橡膠敏感層、陣列電極底板以及金屬封裝等組成的壓阻式觸覺傳感器，如圖1(g)所示。

2 分布觸覺傳感器硬件設計

分布觸覺傳感器是仿人機械手的核心組成部件，它類似于人手的皮膚。本節利用30個FlexiForce壓力傳感器[14](美國Tekscan公司生產的一種超薄型柔性壓力傳感器)和8個觸摸開關傳感器[15]來制作分布觸覺傳感器，以增加仿人機械手的觸覺探測范圍和提高探測精度。由于FlexiForce傳感器的壓迫點阻值受壓后發生變化會產生交變電流，因此采用它來作為各個觸覺點的檢測機構。分布觸覺傳感器主要分布在5個手指和1個手掌與被抓取物體的直接接觸點處。本節設計分布于5個手指和1個手掌上的所有觸覺點配置及其相互關系，開發這些觸覺點的觸覺數據信號采集和傳送及融合方法。分布觸覺傳感器設計主要解決觸覺信號檢測和傳輸及融合等問題。當仿人機械手各個手指和手掌上的所有觸覺點配置確定后，要根據觸覺點和導電機構來研制分布觸覺傳感器的檢測控制電路，以及融合和處理來自于各個手指和手掌上觸覺信號的算法。因此，檢測出分布于各個手指和手掌上眾多觸覺點的觸覺信號，融合和處理這些觸覺信號以及各個手指尖處觸覺力反饋是本節要解決的關鍵技術問題。

2.1 仿人機械手的觸覺點配置

為了穩定地實現仿人機械手的各種靈巧作業功能，各個指尖表面采用曲面形式不可欠缺。因此，仿人機械手指外形采用薄鋁板彎曲成平面，在手指尖及指腹部粘上薄塑料片等使其成為曲平面形狀，如圖2(a)所示。這樣仿人機械手指可以像人手指一樣抓握物品及完成各種靈巧的作業。觸覺傳感器和觸摸開關傳感器主要分布在仿人機械手的手指指尖和指腹及手掌，以便充分地貼合被抓物體，從而對物體受力情況進行感知，實現穩定抓取。仿人機械手觸覺點配置為：拇指、食指、中指、無名指、小拇指尖和指腹及指根各設置1個觸覺傳感器，手掌上設置4個觸摸開關傳感器，如圖2(b)所示。

圖2 手指表面觸覺傳感器和觸摸開關傳感器配置

2.2 壓力和觸摸傳感器結構

FlexiForce壓力傳感器[14]具有紙薄結構、靈活性和力測量能力，可以測量幾乎任何2個表面之間的力，以及更好地力感測性能、線性度、滯后和漂移及溫度敏感性，并且耐用性足以承受大多數環境，如圖3(a)所示。它的有效傳感區域是傳感器末端的圓，由2層基板構成，該基板由聚酯膜(或在高溫傳感器情況下為聚酰亞胺)構成。在每一層上施加導電材料(銀)，隨后施加壓敏油墨層，然后使用粘合劑將2層基底層壓在一起以形成傳感器。在壓敏油墨頂部的銀圓圈限定“有源感測區域”。導電材料(銀)從感測區域延伸到傳感器另一端的連接器形成導電引線和可以焊接的方形針腳。此外，每路觸摸開關傳感器[15]如圖3(b)所示，它是一個基于觸摸檢測IC(TTP223B)的電容式點動型觸摸開關模塊。該模塊常態下輸出低電平，模式為低功耗模式；當用手指觸摸相應位置時，該模塊會輸出+5 V高電平，模式切換為快速模式；當持續12 s沒觸摸時，模式又切換為低功耗模式。每路觸摸開關傳感器具有如下特點：① 點動型：初態為低電平，觸摸為高電平，不觸摸為低電平；② 低功耗，供電電源可為2～5.5 V DC；③ 正反面均可作為觸摸面；④ 控制接口有3個引腳，其中GND為地，VCC為供電電源，SIG為數字信號輸出腳，觸摸區域類似指紋的圖標內部區域，手指輕輕觸摸即可觸發。

圖3 FlexiForce壓力傳感器和1路觸摸開關傳感器

2.3 壓力和觸摸信號檢測電路

1) 壓力傳感器檢測電路[14]。將FlexiForce傳感器集成到觸覺力檢測應用中的方法是將其結合到壓力-電壓電路中，將壓力輸出轉換為電壓工程單位。根據設置可進行調整以增加或降低傳感器的靈敏度。檢測電路如圖3(c)所示，它由-5 V直流電源驅動。該電路使用反相運算放大器裝置，以基于傳感器電阻Rs和固定參考電阻Rf產生模擬輸出。可以使用模數轉換器將該電壓轉變為數字輸出。在該電路中，可以通過改變參考電阻Rf或驅動電壓VT來調節傳感器靈敏度；較低的參考電阻或驅動電壓將會使得傳感器不太敏感，難于增加其有效力范圍。在圖3(c)中，FlexiForce傳感器的動態力范圍可以通過改變參考電阻Rf或通過改變驅動電壓Vout來調節。經過運算放大器檢出與壓力對應的電壓信號Vout后送給(北京瑞博華公司產)AD7202板A/D變換器，再由該公司產的IO700板I/O口送PC機進行分析和處理及融合，即可檢測、融合、處理所有觸覺點信號，實現仿人機械手的分布觸覺機能。

特別要注意的是，FlexiForce傳感器的整個傳感區域被視為單個接觸點。為此，施加的負載應均勻地分布在感測區域上，以確保準確和可重復的壓力讀數。如果負載分布在感測區域上變化，讀數可能會略有不同。注意感測區域僅是傳感器頂部的銀圓。同樣重要的是傳感器被一致地加載，或每次以相同的方式加載。如果施加的負載覆蓋區小于感測區域，則負載不應該放置在感測區域的邊緣附近，以確保均勻的負載分布。確保感測區域是整個負載路徑并且負載不受感測區域外部的區域支持也是重要的。FlexiForce傳感器讀取垂直于傳感器平面的力。若是施加“剪切”力的應用，則可能會降低傳感器的壽命。如果實際應用要在傳感器上施加“剪切”力，則應通過采用更具彈性的材料覆蓋來保護[14]。

2) 一路觸摸開關檢測電路。由于一路觸摸開關傳感器的初態為0電平，觸摸后變為+5 V高電平，不觸摸時為0電平，所以使用時只需要將其控制接口的3個引腳(GND、VCC、SIG)分別直接與AD7202板I/O端口相聯接就可檢測出觸摸信號。

3 仿人機械手關節驅動設計

本節確定仿人機械手的機械結構與人手的構造基本一致[16]。其中，每個手指有3個關節(3個自由度)，手掌有1個關節(1個自由度)，整個仿人機械手共有16個關節(16個自由度)。各個手指第1關節的運動可以實現內收和外展，其余關節均能完成前屈和翻轉運動。仿人機械手的驅動系統設計會影響和制約它的機構尺寸、驅動方式、控制系統等方面。為此，仿人機械手采取N驅動方式，即手指的每一個關節對應一個電機，每個關節單獨用一個電機驅動可以使手指控制簡便、累積誤差小，抓取穩定性好。每根手指關節之間的指段采用整體構件式設計，手指為中空形式，由指尖貫穿到指根，所有驅動電機及其配套減速裝置均嵌入到每個手指的指節內和手掌內部。這樣的設計可使仿人機械手的物理尺寸和結構緊湊、控制方式簡便。

本文選用國產直流步進電機[17]作為各個關節的驅動器，各個電機的配置如圖4(a)所示。在5個手指的遠指節(遠指關節)處分別使用輸出力矩及體積都較小的24BYJ-48型直流步進電機作為關節驅動器，如圖4(b)所示。在5個手指的2個指節(近指節、中指節)及其指掌關節和近指關節處與手掌關節及拇指根部的2個關節處，使用輸出力矩較大的28BYJ-48型直流步進電機，圖4(c)所示為其內部減速齒輪結構。該電機為4相8拍電機，電壓為DC5V～DC12V。當對其施加1個脈沖信號時，對應地，步進電機的某一相或兩相繞組的通電狀態將改變1次，轉子會轉過一定角度(步距角、每個脈沖轉角)。24/28BYJ- 48型步進電機可控制范圍均為0～360°，步距角是5.625°，完全符合手指關節角度范圍及控制精度要求。由于360°/5.625°=64，所以64個脈沖就能步進電機轉子轉1圈。但是，由于電機轉子到輸出軸有齒輪減速器連接，減速比為64，那么電機轉子轉64圈，輸出軸才轉1圈，所以需64×64=4 096個脈沖才能使電機輸出軸旋轉一圈。

圖4 仿人機械手和手掌關節電機配置及驅動電機

4 仿人機械手控制系統設計

仿人機械手控制系統分為硬件子系統和軟件子系統[16,18]，其結構分別如圖5(a)、(b)所示。圖5(b)中的關節驅動層應用單關節驅動算法驅動單個關節；并行邏輯驅動層單獨作為一層，目的是為了不使并行驅動算法與單關節驅動算法相混淆，以便進一步地擴展為多關節驅動算法；邏輯控制層主要包括運動規劃、手勢控制等應用邏輯控制[16-22]。

1) 單關節控制算法[16,18]。單關節控制算法可為仿人機械手的邏輯控制提供簡單和清晰的控制方式，步進電機控制要依據它的脈沖控制范圍和關節角度限制來確定。根據步進電機可控精度得出每個基本脈沖對應的角度，由需要角度相對于現有角度的基礎變化值，從而獲得需要發出脈沖個數。單關節基本控制算法為：① 獲得脈沖控制范圍PWM- Scope =|脈沖寬度上限-脈沖寬度下限|×δ；② 取得關節角度控制范圍Angel-Scope=角度上限-角度下限；③ 計算脈沖變化數PWM-Times=PWM-Scope / Δθ；④ 獲得每個驅動脈沖的控制精度，基本脈沖角度Basic-Pulse-Angle=Angel-Scope/PWM-Times。其中：脈沖寬度范圍δ是擴大比例因子，放大控制精度，減少累計誤差，實際取δ=10；而脈沖變化數Δθ是脈沖的變化最小值，通過對步進電機測試獲得可以控制的脈沖變化最小值，取Δσ=0.2。通過上面步驟可計算出每個關節的控制角度。有了單關節電機的基本控制，對單關節控制進行基本擴展，本節使用2種方式定位角度：① 絕對角度定位：控制端提供需要定位的關節名和角度，底層保證定位界限，并返回定位后角度。② 相對角度定位，在關節原有角度基礎上加(減)Δθ度。對于2種控制方式，底層驅動程序可保證關節在所設的極限位置內運動。

圖5 仿人機械手控制系統結構

圖6 單(多)關節控制算法

2) 多關節并發控制算法[16,18]。仿人機械手控制要達到人手的靈巧性還需要優化控制算法，即要開發多關節并發控制算法。因此，控制端提供需要定位的關節和相應的角度隊列，底層按FIFO序列依次轉動關節到相應角度。在此基礎上有2種控制方式：① 依次到位型控制，每個關節先后定位。如圖6(a)所示，依據關節名稱和需要定位的角度，依次驅動電機定位到相應的角度。該控制方式直觀，但很難滿足靈巧性要求。② 依次單位驅動控制，如圖6(b)所示。這種控制方式中，每個關節切分為單位脈沖次數，每次驅動數個關節的單位角度定位，依次驅動每個關節。這種控制算法可以在一定程度上使仿人機械手的各個手指聯動和操作靈巧。由于控制角度在精度單位控制內，故控制方式非常安全。

實際設置每個指關節能屈伸±90°，指尖力為10 N，整個仿人機械手的16個驅動電機加上觸覺傳感器的總質量不超過1 500 g，仿人機械手抓握物品的總質量不超過3 kg。并且仿人機械手尺寸大小與成年人的手幾乎一樣，可以很方便地裝在各種機械臂手腕上。本節將2只完全一樣的仿人機械手(左手、右手)分別安裝到2臺6自由度機械臂(工業機器人)手腕處，以便最終能夠實現雙手和雙腕及雙臂協調控制。為此，本節設計的直流步進電機驅動電路和AD及IO接口板如圖7(a)、(b)所示。

圖7 電機控制信號AD接口板和IO接口板

下面根據每個手指(配有3個FlexiForce傳感器)反饋的觸覺力和手掌表面的4個觸摸開關傳感器輸出信號，計算并導出控制仿人機械手的各個手指和手掌關節運動的關節角和角速度目標值，進而對各個手指和手掌分別進行力和位置及速度反饋控制，以實現仿人機械手的靈巧操作。首先，通過同次變換和代數學方法建立仿人機械手的正(逆)向運動學和正(逆)動力學及雅可比矩陣，如圖8、9所示。根據仿人機械手的5個手指和手掌協調控制特征，建立各個手指和手掌關節的數據構造和擴展雅可比行列式。接著，根據每個手指的觸覺力反饋和手掌表面上觸覺點的接觸力，計算并導出控制仿人機械手各個手指和手掌關節運動的關節角和角速度目標值，進而對仿人機械手各個手指分別進行力和位置及速度反饋等控制，原理如圖10所示。

圖8 仿人機械手結構與指關節構成[16,18]

5 仿人機械手仿真實驗

為了檢驗仿人機械手設計的有效性和驗證整個仿人機械手的功能，本節對設計和實現的仿人機械手進行實際測試及仿真實驗。實際測試結果表明：手指和手掌表面的觸覺傳感器檢測精度高，觸覺信號穩定，實時性好，滿足實際需要。同時，手掌表面的觸摸開關傳感器靈敏度高。仿真實驗系統主要由前面設計的2個(左手、右手)仿人機械手構成，實驗程序由VC++6.0等編寫。仿真實驗是通過建立的正(逆)向運動學和正(逆)動力學及雅可比矩陣和力、位置、速度反饋控制算法檢驗2個仿人機械手是否能夠相互協作完成抓、握、推、夾、托、擠、撕、插、剪、鉗等靈巧作業。仿真實驗結果表明：設計的仿人機械手能有效地完成作業，如圖11所示。

圖11 仿人機械手部分靈巧作業仿真控制實驗

6 結束語

本文建立了仿人機械手的數學模型和手指及手掌的控制方法，使用直流步進電機制作了仿人機械手各個手指和手掌關節的驅動機構，設計了分布觸覺傳感器和觸摸傳感器檢測電路，開發了分布觸覺信息融合和處理算法，實現了仿人機械手的分布觸覺功能。通過實測和仿真實驗證明了所提出的數學模型和控制方法及仿人機械手裝置是可行的。其次，建立了仿人機械手的前向(逆向)運動學方程和動力學方程及雅可比矩陣，為仿人機械手各個手指關節和手掌的協調控制奠定了基礎。今后的工作是根據仿人機械手的協調控制特征，控制仿人機械手各個觸覺點的接觸力，并且要將混合型位置和力反饋控制算法、速度反饋控制算法和常規PID控制算法等用于控制一雙仿人機械手及其手腕和手臂，以便最終實現雙手及其雙腕和雙臂的協調控制，完成現抓、握、捏、夾、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、貼、牽、拽、磨、削、刨、搓等靈巧作業功能。

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