基于ADAMS的欠驅動三指機械手虛擬設計及參數優化

雷翔鵬,劉業峰

(沈陽工學院 機械工程與自動化學院，遼寧 撫順 113122)

0 引言

欠驅動多指手對被抓物體的抓取構型主要分為強力抓取和精確捏取兩種[1-2]，其動力學仿真也主要分為強力抓取仿真和精確捏取仿真兩種，而針對不同結構的欠驅動機械手，其抓取構型也不同。文中提出了一種可拆卸的模塊化手指機構[3](即彈簧自適應手指機構)，可應用于欠驅動多指手的多種抓取構型當中?？梢岳檬种皋D位機構改變手指的方向來改善手指的靈活度，也可以通過更換不同類型的手指機構來實現多種抓取構型，使欠驅動手機械手的精確抓取能力得到提高。因此可以通過ADAMS虛擬樣機仿真，根據不同抓取目標的特點來驗證所選擇的抓取模式是否適用于該抓取構型，從而確定出最適合抓取目標的抓取模式。

1 模塊化手指的結構及原理

本機械手采用連桿機構作為傳動機構，它在機構設計中是應用最為廣泛的機構。為了完成對彈簧被動自適應手指相對運動關系的描述，這里不考慮機身的旋轉，將底座與機身看作機架固定，其它構件簡化為基本桿件，結構簡圖如圖1所示。

如圖1所示，手指機構在滑塊A的主動推力F5的作用下，通過曲柄滑塊機構帶動平面四連桿機構運動，從而使剛性指節、柔性指節以及自適應彈簧產生相應的動作變化，完成對物體的抓取動作。通過對被抓物體進行自適應性包絡，彈簧被動自適應手指機構指尖節處的被動自適應彈簧發生彈性形變，使弧形桿在指定滑槽內運動，加強了手指對被抓物體的包絡性與抓取穩定性，大大增加了欠驅動多指機械手爪的承載能力。

圖1 彈簧被動自適應手指機構傳動原理

2 模塊化手指的硬件設計

2.1 彈簧被動自適應手指結構設計

圖2 彈簧被動自適應欠驅動手指結構組成

如圖2所示，為了彌補原有欠驅動手手指機構兩個指節包絡面積小的缺點，同時還要滿足機械手在抓取過程中具有良好的抓取穩定性[6]的需求。在機械手抓取目標物體時，兩個關節中扭彈簧會限制關節的相對轉動，使機械手具有一定的柔性。在機械手抓取較大物品時，指尖節與二指節處的拉伸彈簧會根據被抓物體的形狀進行自適應包絡[7]，從而提高抓取的多樣性。彈簧自適應手指還可以依靠手指末端關節自身的被動自適應機構[8]來增加手指與抓取目標之間的接觸點個數以及兩者之間的包絡面積，使機械手對抓取目標具有更好的包絡性以及抓取載荷[9]，能較好地滿足多種不同的抓取運動規律以及軌跡要求[10-11]。

2.2 彈簧被動自適應手指機構運動學分析

根據設計要求，由于欠驅動手的3個手指結構完全相同，所以以單指為代表進行運動學分析，其余兩根欠驅動手指在計算運動學模型時的分析過程方面與此手指完全相同。手指運動學主要描述的是指尖運動(包括位置、線速度和線加速度)與手指關節運動(包括關節位置、角速度和角加速度)之間的相互關系，它是建立手指數學模型和控制系統的基礎之一。彈簧被動自適應手指機構數學模型的建立如圖3所示。

圖3 彈簧被動自適應手指數學模型

其中：Li表示各手指節的長度，i表示手指關節數；di表示相鄰兩連桿旋轉軸的兩坐標系正方向的軸向垂直距離；αi表示與之相對應的指節Li的扭轉角；θi表示指節Li-1和相鄰指節Li之間的旋轉角。

表1為2種模塊化手指的結構參數表。

表1 彈簧被動自適應手指的D-H參數表

其中兩相鄰指節之間的齊次變換關系為：

手指指根位置在基礎坐標系中的坐標表示分別為：

其中：cos(θi)=ci，sin(θi)=si，cos(θi+θj)=ci+cj，sin(θi+θj)=si+sj。

3 實驗結果與分析

本文所研制的欠驅動多指手有3根手指，每根手指有4個關節，其中3根手指由1個微型直流步進電機進行驅動，由于基指節主要起到手指的安裝和驅動作用，所以整個手指的自由度為3個。為了能夠豐富欠驅動手的抓取模式，在基于模塊化手指的基礎上，又增加了兩個手指間的耦合自由度(即手指轉位機構)，該手指轉位機構中，每根手指各有90°的旋轉空間，機械手可通過變換手指的方向來適應不同的抓取任務，該轉動由1個9 g的舵機進行驅動。因此該欠驅動多指手共有10個自由度。欠驅動手抓取規劃方法如圖4所示。

由于區塊鏈中節點眾多，節點地理分布較廣，且不同節點之間的通信存在延遲，因此需要一種算法決定新塊的記賬權以保證節點數據的一致性，這種算法被稱為共識機制[2]。共識機制以所有誠實節點數據保持一致為目標，同時要求在節點互相平等的情況下明確記賬權的歸屬。由于共識機制的存在，用戶無需信任交易，另一方同時也無需信任第三方機構即可完成交易。區塊鏈支持多種共識機制，這些共識機制在效率、安全性、資源消耗等方面各不相同，因此文章中我們著重探討了常見共識機制的發展歷史、效率以及安全性。

圖4 欠驅動手抓取規劃方法

ADAMS中的模型需要一開始在Creo中建好三維模型，并簡化導入。將模型導入以后，首先在ADAMS中定義欠驅動手各個零部件的材料，定義好材料以后需要在欠驅動手各關節處增加運動副約束、載荷和驅動，然后開始進行抓取仿真，最后對仿真結果進行分析，整理出欠驅動手在針對不同抓取目標的抓取過程中，其各關節的轉動角度和接觸力隨時間變化的曲線圖。

3.1 三指對心包絡抓取球形體仿真

欠驅動手要進行的是抓取仿真，不是轉位仿真，所以將欠驅動手手掌和手指轉位機構在ADAMS中裝配為一個整體，另外在欠驅動手建模時先不要加入被抓物體，需要在ADAMS軟件中進行建模，包括設置其位置和大小。三指對心包絡抓取球體的虛擬樣機模型如圖5所示。

圖5 三指對心包絡抓取虛擬樣機模型

在進行抓取仿真時，欠驅動手各手指關節都會與球體接觸，并產生接觸力，因此需要在手掌、各手指關節、底座與球體之間施加接觸載荷，各指節之間還需要添加扭轉彈簧阻尼器，以防止仿真過程中會出現指節之間的干涉對分析過程造成的影響。其次，選擇ADAMS中的STEP函數作為施加在手掌中心滑盤處的驅動函數，整個抓取過程很平穩，即關節速度的變化也比較平緩，因此可以得到較為穩定的接觸力。當欠驅動手三指對心包絡抓取球體時，在中心滑盤出施加的驅動函數為STEP(time,0.0,0,7.5,-4)；當球體被平穩抓取時，在手腕處施加的驅動函數為STEP(time,7.8,0,10,50)。其中ADAMS抓取仿真過程截圖如圖6所示，重力方向為-Y方向。抓取球體的尺寸如下，半徑為50 mm，重量為2.5 kg。

圖6 ADAMS三指對心包絡抓取仿真過程

在抓取仿真過程中，觀察欠驅動手與被抓球體之間的接觸力和各手指關節角度隨時間變化的曲線，如圖7(a)，7(b)所示。

圖7 欠驅動手與被抓球體之間各參數隨時間變化曲線

由圖7所知，由于欠驅動手手指各指節間的扭彈簧作用，在抓取運動剛開始時，所有指節都一起運動，當第三指節接觸到球體之后，由于手指連桿之間的機械限位的作用，二指節開始運動，以此類推，最后由于指尖節的自適應彈簧作用，欠驅動手會對球體實行三指對心包絡抓取。

3.2 三指平行抓取圓柱體仿真

三指平行抓取圓柱體仿真的各個操作步驟與其無較大區別，因此三指平行抓取圓柱體的虛擬樣機模型如圖8所示。

圖8 三指平行抓取虛擬樣機模型

選擇ADAMS中的STEP函數作為施加在手掌中心滑盤處的驅動函數，整個抓取過程很平穩，即關節速度的變化也比較平緩，因此可以得到較為穩定的接觸力。當欠驅動手三指平行抓取圓柱體時，在中心滑盤出施加的驅動函數為STEP(time,0.0,0,3.1,3.1)；當球體被平穩抓取時，在手腕處施加的驅動函數為STEP(time,3.2,0,7,50)。其中ADAMS抓取仿真過程截圖如圖9所示，重力方向為-Y方向。抓取球體的尺寸如下，半徑為50 mm，長度為150 mm，重量為2.5 kg。

圖9 ADAMS三指平行包絡抓取仿真過程

在抓取仿真過程中，觀察欠驅動手與被抓球體之間的接觸力隨時間變化的曲線，如圖10所示。

由圖10可知，欠驅動多指手在三指平行抓取圓柱體的過程中，圓柱體一側的單手指指尖節與物體的接觸力在30 N左右，而圓柱另一側的雙手指指尖節與物體的接觸力在15 N左右，兩側手指與圓柱體的接觸力相差2倍左右。手指在三指平行抓取圓柱體的過程中，3根手指各指節角度隨時間變化曲線如圖11所示。

圖11 手指各指節的旋轉角度隨時間變化曲線

3.3 三指對心捏取正四面體仿真

三指平行抓取圓柱體仿真的各個操作步驟與其無較大區別，因此三指平行抓取圓柱體的虛擬樣機模型如圖12所示。

圖12 三指對心捏取虛擬樣機模型

選擇ADAMS中的STEP函數作為施加在手掌中心滑盤處的驅動函數，整個抓取過程很平穩，即關節速度的變化也比較平緩，因此可以得到較為穩定的接觸力。當欠驅動手三指對心捏取正四面體時，在中心滑盤處施加的驅動函數為STEP(time,0.0,0.0,6.0,5.5)；當物體被平穩抓取時，在手腕處施加的驅動函數為STEP(time,6.1,0,10,50)。其中ADAMS抓取仿真過程截圖如圖13所示，重力方向為-Y方向。抓取正四面體的尺寸如下，各邊邊長為5 mm，重量為2.5 kg。

圖13 ADAMS三指平行包絡抓取仿真過程

在抓取仿真過程中，觀察欠驅動手與被抓正四面體之間的接觸力和各手指關節角度隨時間變化的曲線，其變化曲線如圖14(a)，14(b)所示。

圖14 欠驅動手與被抓正四連體之間各參數隨時間變化曲線

3.4 欠驅動三指機械手參數優化

現對欠驅動多指手3種不同的抓取構型進行參數化建模，分別以中心滑盤連接手指處所受應力最小為目標在ADAMS中進行參數優化來優化基指節內部推桿的長度及擺動的角度。

本文的參數化設計主要以中心滑盤連接手指處所受應力最小為目標在ADAMS中進行參數優化來優化基指節內部推桿的長度及擺動的角度。在建模的過程中，將鉸鏈的關鍵點進行參數化，最終完成動力學模型的建立。其參數化模型的建立如圖15所示。

圖15 基指節內部結構參數化模型

本文參數化的坐標點主要是中部滑盤與基指節推桿的連接點、基指節推桿與其三角形連接塊的聯結點以及基指節連接塊與第三指節的連接點。參數化變量如表2所示。

表2 欠驅動多指手參數化的變量

影響中心滑盤連接手指處的應力大小的因素非常多，影響因素主要有基指節推桿的長度以及其擺動的角度等等。忽略基指節內部各個連接件之間摩擦力以及振動對其應力的影響，本文選擇了3個角度、1個連桿長度和彈簧剛度作為優化變量。設計變量的設置如表3所示。

經過優化設計計算后，優化后的最佳變量值如表4所示。

表3 欠驅動多指手設計變量的設置

表4 欠驅動多指手優化后的最佳變量值

4 結束語

根據平面四連桿機構原理設計了一套模塊化欠驅動手指結構，通過ADAMS虛擬優化設計，對欠驅動多指機械手爪的3種抓取構型進行動力學仿真分析。分析在各自的抓取構型中，各指節的指面接觸力以及各個關節旋轉的角度在各自抓取運動中隨時間的變化曲線。最后選出1種抓取構型，對其進行ADAMS參數優化。并以中心滑盤連接手指處所受應力最小為目標，來優化基指節內部推桿的長度及擺動的角度，進一步完善和提升欠驅動多指手爪的抓取能力，可有效避免因作業時更換模塊化手指而降低工作效率的問題。