機器人靈活手的力學原理分析

□郝東暉 趙 杰 熊禧強

一、引言

機器人發展由20世紀60年代開始，最初應用于工業加工的僅僅是一個機械臂，然后在添加一定程序的基礎上進行簡單重復的工作，外形模仿人類手臂由此開始[1]。20世紀80年代隨著傳感器的應用，使得機器人機械手擁有觸覺，能夠在工作過程中不斷地修正自己的狀態，精確度大大提高[2]。

直到21世紀，智能機器人開始取得發展，結合前人在外形與感官兩個方面的研究成果，此時的機器人越來越“似人”，具有著比第二代機器人更加完善的對周圍環境的感知能力，超強的邏輯思維、判斷和決策能力[3]。機械手開始模仿人手的形狀，從仿生學的角度使其能夠完成更多更為復雜的工作。機械手能夠完成更加精確復雜的工作，這與機械手結構的一步步精細化完善有很大的關系，它所涉及的復雜運動、力與力之間的傳遞關系比普通機器人更為復雜[4]。

本文從機器人靈活手在實現抓持過程中的抓持約束力、接觸點處的摩擦力與摩擦方式兩個角度分析了機器人靈活手的基本力學性能，并應用于機器人綜合技能競賽中，實現了機械手穩定抓持、快速抓持，完成一系列動作，為機器人靈活手抓持過程的點摩擦與抓持力度的分析提供了一定指導。

二、機器人靈活手基本力學原理

(一)什么是機器人靈活手。

圖1 四指靈活手示意圖

靈活手，即多指機械手，基于三個手指以上，多于九個自由度，設計原理是以模仿人手的關節，手指形狀為外形基礎，通過對抓持受力進行分析，從而設計出的酷似人手的機械手指型機器人末端執行器。一個四指靈活手示意圖如圖1所示，可將人手的關節以微型電機代替實現多個靈活度。圖2所示為五指靈活手的實體圖，其外形已經酷似人手，如加以人工皮貼在手指與手掌，從而實現仿真機械手的外表和功能。

圖2 五指機械手

機器人實現操作是由機械臂與末端執行器兩個部分來完成，機械臂進行大致的定位功能，然后由不同的末端執行器來實現。其主要有吸盤型、有焊接型等，為了完成不同功能設計了不同的樣式，而這些具有具體功能的末端執行器，僅僅只能單一地完成某個功能。

對于人類完成的技能大部分都是以手為主要操作的執行器，故功能更為強大的靈活手就可以展現它能夠完成多項功能的特別優勢而取代單一末端操作器，完成各種常見操作的同時又能穩定地抓持形狀各異的物體。其涵蓋抓持力學與運動學相結合的部分是其獲得發展的一個重要的突破點，通過分析有無摩擦點對其進行分類，構建與之對應的力平衡方程，實現機器人靈巧手的穩、準的抓放功能。

(二)靈活手抓持功能的約束力。最簡單的抓持功能，是靠兩個手指和一個自由度實現，就是通常所說的“夾”。隨著智能化機器人的發展，更多手指數、更多自由度逐漸成為眾多機器人追求的目標。以NASA研發的Robonaut手為例，其是有5個手指，12個自由度的合理分配成的，其中拇指、食指以及中指各自都有三個自由度，實現操作；而無名指、小指各有一個自由度實現抓持，手掌也有一個自由度[4]。

而實現驅動主要是靠電動機，由于柔繩系統與人工肌肉過于龐大，需要借助手臂來實現整個系統的安裝，顯然不是最優方案。若想將其置于內部，限于手比較小，可采用尺寸小、力矩大的微型電動機來完成，例如瑞士Maxon公司生產的直徑為6mm，額定功率有1.2W的電動機。

一般來說，實現抓持最穩妥的方式是過約束。此時兩者之間的抓持力而作用在物體表面產生的最大靜摩擦力大于或等于物體重力，以保持物體可以實現穩定的抓持。

(三)接觸點處的摩擦方式與摩擦力。手指與物體有三種基本的接觸方式——點接觸、線接觸和面接觸。而產生接觸約束的又與接觸方式和接觸面的摩擦方式有關。例如假若手指與物體為點接觸并且兩者的表面均光滑則約束力會沿接觸點的法線方向，其力矩為零。

Gf=w

(1)

JTf=τ

(2)

其中G——抓持矩陣，J——雅克比矩陣

實現穩定抓持，就需要一方面能夠平衡外力，另一方面在各個接觸面上滿足摩擦約束，且通常情況下滿足這兩種條件的抓持力并不是唯一的。所以，將二力平衡轉化為多力平衡就能夠很好地解決這個問題，從多個方向即靈活手多個手指來固定有效的抗外力影響。并且多個點的摩擦力會使整體產生更大的摩擦約束，從而使得抓持更加穩定，在機器人綜合技能競賽中靈活手的功能取得了較好的反響。

三、結語

機器人靈活手是機器人整個硬件體系中重要的組成部分，其所涉及的力學原理與應用是最難解決的問題。機器人靈活手的發展離不開以力學原理為基礎的指導，未來智能機器人將會繼續發展得越來越好，靈活手也會有越來越多的功能。一方面智能的機器人可以為人類生產生活、各類行業提供大的便利，另一方面智能機器人技術的成熟是一個國家尖端科技水平以及綜合實力強盛的表現。靈活手作為機器人發展水平最直接的表現，它的發展能夠使得機器人代替人類完成更多危險、復雜的工作，最大限度地保證人的安全。參加機器人綜合技能競賽，深刻體會到作為力學專業的“火苗”，應當把國家重任為己任，努力擴充自己的力學知識結構體系，從多個角度應用力學來解決難題，使得多個行業技術獲得發展。