基于套索傳動(dòng)的五指靈巧手設(shè)計(jì)與主從控制

尹 猛 徐志剛 趙志亮,4 韓 偉,4

1.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)，110016 2.中國(guó)科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院，沈陽(yáng)，110016 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所，沈陽(yáng)，110016 4.東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，沈陽(yáng)，110819

0 引言

靈巧手與人手功能相似，可以實(shí)現(xiàn)類似人手的抓握功能,自問(wèn)世以來(lái)，受到了各研究機(jī)構(gòu)的高度重視[1]，尤其是具有高度靈活性的靈巧手已成為機(jī)器人研究的熱點(diǎn)之一。仿人多指靈巧手可以作為工業(yè)領(lǐng)域的末端執(zhí)行器，也可以作為殘疾人的假肢，還可以在太空、深海、核電站等危險(xiǎn)領(lǐng)域代替人手實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操作，具有重要的社會(huì)應(yīng)用價(jià)值。

根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式的不同，靈巧手可分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和功能材料驅(qū)動(dòng)等，其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式較為常見。

Shadow手[2]為氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的代表，具有5個(gè)手指，有24個(gè)自由度，其中20個(gè)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)，4個(gè)欠驅(qū)動(dòng)。它的驅(qū)動(dòng)來(lái)源于一種叫做“空氣肌肉”的氣動(dòng)裝置，并且將驅(qū)動(dòng)部分集成放置于前臂，手指的運(yùn)動(dòng)更像人手。氣動(dòng)空氣肌肉價(jià)格較低、對(duì)環(huán)境要求低，但剛度和動(dòng)態(tài)特性都較差。SCHULZ等[3-4]將液壓驅(qū)動(dòng)應(yīng)用于仿人機(jī)械手，研制了可以作為假肢的靈巧手。液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)在于驅(qū)動(dòng)力矩大、傳動(dòng)效率高、反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，穩(wěn)定性好，但它體積大、管線復(fù)雜、密封性要求高、制造維護(hù)成本高且易對(duì)環(huán)境造成污染。

功能材料驅(qū)動(dòng)是指采用形狀記憶合金、電活性聚合物等新型材料來(lái)驅(qū)動(dòng)手指關(guān)節(jié)，目前已采用形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的有Hitachi手[5]以及ENGEBERG等[6]設(shè)計(jì)的仿人手指。形狀記憶合金通過(guò)溫度改變尺寸長(zhǎng)度，變形量難以精確控制，運(yùn)動(dòng)精度較差，其可靠性、通用性與性價(jià)比還有待提高。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)因其具有整體尺寸小、噪聲低、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、易于控制、價(jià)格適中等優(yōu)點(diǎn)而廣受歡迎。根據(jù)電機(jī)的安裝位置，電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以分為內(nèi)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)與外置電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

DLR-HIT手[7]是內(nèi)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)的代表，每根手指具有3個(gè)自由度，共有15個(gè)自由度。電機(jī)與諧波減速器等部件集成于手指內(nèi)部，其集成度較高，具有較強(qiáng)的操作性和魯棒性，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，后期維護(hù)成本較高。類似的靈巧手有美國(guó)的Barrett手[8]和日本的Gifu手[9]。外置電機(jī)驅(qū)動(dòng)多采用連桿傳動(dòng)或柔索傳動(dòng)進(jìn)行間接驅(qū)動(dòng)。

RIC手[10]為外置電機(jī)經(jīng)連桿驅(qū)動(dòng)的代表，所有手指均采用四連桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，連桿中嵌入有彈性元件來(lái)增加機(jī)械順應(yīng)性，使其運(yùn)動(dòng)更加柔順。它具有4根手指，共有8個(gè)關(guān)節(jié)，只使用一個(gè)無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)尺寸緊湊以及設(shè)計(jì)輕量化，但外轉(zhuǎn)子電機(jī)與非反向驅(qū)動(dòng)離合器的采用導(dǎo)致其成本較高。

Robonaut手[11-12]為外置電機(jī)經(jīng)柔索驅(qū)動(dòng)的代表，整手共有5根手指，共14個(gè)自由度。其中拇指、食指、中指為靈巧指，每根手指具有4個(gè)自由度，剩余二指為抓取指，每根手指具有1個(gè)自由度。它被應(yīng)用于國(guó)際空間站，旨在代替人們進(jìn)行外空間操作，其抓取能力可與穿戴航天服手套的人手運(yùn)動(dòng)能力相當(dāng)。其他采用柔索傳動(dòng)的靈巧手包括意大利UBH3手[13]和法國(guó)LMS手[14]等。柔索傳動(dòng)[15-16]具有布局靈活、高精度、輕量化等特點(diǎn)，在靈巧性精密機(jī)電裝置和伺服機(jī)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。但當(dāng)傳動(dòng)距離較遠(yuǎn)時(shí)，現(xiàn)有的柔索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要通過(guò)傳動(dòng)輪的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，其布局異常復(fù)雜，致使系統(tǒng)的制造和維護(hù)成本較高。

套索傳動(dòng)[17-19]利用空心套管引導(dǎo)柔索的運(yùn)動(dòng)路徑，可以克服已有柔索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)與經(jīng)過(guò)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的傳遞，具有空間適應(yīng)性強(qiáng)、設(shè)計(jì)成本低等優(yōu)點(diǎn)，已被運(yùn)用于仿生靈巧手[20-21]等領(lǐng)域。已有文獻(xiàn)多以靈巧手為背景集中研究套索的傳動(dòng)機(jī)理與位置補(bǔ)償，本文主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與主從控制方面對(duì)套索驅(qū)動(dòng)靈巧手進(jìn)行相關(guān)研究。

1 五指靈巧手

1.1 靈巧手構(gòu)型設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體方案如圖1所示，機(jī)械系統(tǒng)由靈巧手和驅(qū)動(dòng)集成組成，系統(tǒng)采用仿生設(shè)計(jì)，關(guān)節(jié)布置參照了人手的構(gòu)型。靈巧手由手掌與五根手指組成，其中食指、中指、無(wú)名指與小拇指分別具有4個(gè)自由度，大拇指具有3個(gè)自由度，靈巧手共有19個(gè)自由度。

圖1 靈巧手整體方案Fig.1 The overall scheme of the dexterous hand

手指安裝于手掌上，手掌底部與驅(qū)動(dòng)集成相連。關(guān)節(jié)采用套索傳動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)與關(guān)節(jié)的分離，套索兩端分別與關(guān)節(jié)和驅(qū)動(dòng)模塊連接，驅(qū)動(dòng)模塊集中安裝于驅(qū)動(dòng)集成箱中，套索在手掌與手指內(nèi)走線并留有長(zhǎng)度余量以適應(yīng)運(yùn)動(dòng)。

1.2 關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

手指關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)類型可以分為側(cè)擺和屈曲[22]，人手的掌指關(guān)節(jié)為球關(guān)節(jié)，可以等效為屈曲與側(cè)擺兩個(gè)關(guān)節(jié)。根據(jù)兩個(gè)關(guān)節(jié)的排布可以分為兩種方案，手指關(guān)節(jié)布局如圖2所示。圖2a所示為Gifu手[9]所采用的手指關(guān)節(jié)布局，其關(guān)節(jié)1與關(guān)節(jié)2的軸線互相垂直，模擬掌指關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)3和關(guān)節(jié)4的軸線與關(guān)節(jié)2平行，分別實(shí)現(xiàn)中指關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)的屈曲。圖2b所示為DLR手[7]所采用的手指關(guān)節(jié)布局，與前者不同之處是最底部關(guān)節(jié)為屈曲關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)2為側(cè)擺關(guān)節(jié)。考慮到套索的傳動(dòng)特點(diǎn)與靈巧手的外觀，本靈巧手采用了先側(cè)擺方案的設(shè)計(jì)。

(a) 先側(cè)擺方案

(b) 先屈曲方案

以中指為例，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，近指關(guān)節(jié)、中指關(guān)節(jié)與遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)均由單套索驅(qū)動(dòng)，每個(gè)關(guān)節(jié)上均安裝有扭簧與電位器。關(guān)節(jié)處的扭簧一方面為復(fù)位運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，另一方面保持手指關(guān)節(jié)的初始伸展?fàn)顟B(tài)。扭簧的扭矩值主要與扭簧的中徑、材料的彈性模量、圈數(shù)、受力轉(zhuǎn)角等有關(guān)。扭簧的扭矩:

(1)

式中，Mts為扭簧的扭矩值，N·mm；E為材料的彈性模量，MPa；d為扭簧的線徑，mm；φ為受力轉(zhuǎn)角，(°)；D為扭簧的中徑，mm；n為扭簧有效圈數(shù)。

(a) 結(jié)構(gòu)示意圖

(b) 結(jié)構(gòu)剖面圖

扭簧的最大扭矩出現(xiàn)在手指近指關(guān)節(jié)處，為保證關(guān)節(jié)能夠有效復(fù)位，經(jīng)計(jì)算初步選用碳素鋼扭簧，有效圈數(shù)為3，線徑0.5 mm。靈巧手在抓取運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，需要位置傳感器的反饋信號(hào)進(jìn)行精確操控。設(shè)計(jì)的靈巧手需要高度的擬人性，故關(guān)節(jié)空間較小，因此本文采用了體積小、質(zhì)量輕、抗干擾能力強(qiáng)的電位式傳感器。

靈巧手關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)如圖4所示，食指、中指、無(wú)名指與小拇指均包含4個(gè)關(guān)節(jié)，分別為基關(guān)節(jié)、近指關(guān)節(jié)、中指關(guān)節(jié)與遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)。大拇指包含3個(gè)關(guān)節(jié)，分別為基關(guān)節(jié)、近指關(guān)節(jié)與遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)。其中基關(guān)節(jié)為側(cè)擺關(guān)節(jié)，其余關(guān)節(jié)均為屈曲關(guān)節(jié)。5個(gè)基關(guān)節(jié)由雙套索機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減少套索數(shù)量，其余關(guān)節(jié)均由單套索機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。

圖4 機(jī)械臂關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)Fig.4 Joint design of the manipulator

1.3 套索傳動(dòng)設(shè)計(jì)

雙套索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由套管、柔索與預(yù)緊裝置等組成，如圖5a所示，驅(qū)動(dòng)輪安裝在舵機(jī)輸出軸上，從動(dòng)輪置于關(guān)節(jié)中。驅(qū)動(dòng)輪上按順時(shí)針與逆時(shí)針?lè)较蚍謩e纏繞柔索，兩根柔索經(jīng)過(guò)擋板b后再分別經(jīng)過(guò)套管a與套管b，然后經(jīng)擋板a后固定在從動(dòng)輪上，這種傳動(dòng)方式被應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)5根手指的5個(gè)側(cè)擺關(guān)節(jié)。雙套索的傳動(dòng)過(guò)程如下：當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，套管a中的柔索會(huì)跟隨向右運(yùn)動(dòng)，套管b中的柔索會(huì)跟隨向左運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)從動(dòng)輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，套管a中的柔索會(huì)跟隨向左運(yùn)動(dòng)，套管b中的柔索會(huì)跟隨向右運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)從動(dòng)輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)處于靜止時(shí)，套管a中柔索上的拉力能夠抵消從動(dòng)輪受到的順時(shí)針?lè)较蚺ぞ兀坠躡中柔索上的拉力能夠抵消從動(dòng)輪受到的逆時(shí)針?lè)较蚺ぞ亍?/p>

單套索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由套管、柔索與扭簧等組成，如圖5b所示，驅(qū)動(dòng)輪安裝在舵機(jī)輸出軸上，從動(dòng)輪置于關(guān)節(jié)中。柔索一端固定在驅(qū)動(dòng)輪上，繞驅(qū)動(dòng)輪纏繞后經(jīng)擋板進(jìn)入套管，經(jīng)過(guò)另一擋板后纏繞并固定在從動(dòng)輪上，從動(dòng)輪上安裝有扭簧，這種傳動(dòng)方式被應(yīng)用于靈巧手除5個(gè)側(cè)擺關(guān)節(jié)外的其他關(guān)節(jié)。單套索的傳動(dòng)過(guò)程如下：當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，套管中的柔索跟隨向右運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)從動(dòng)輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)扭簧被壓縮儲(chǔ)能；當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，套管中的柔索會(huì)跟隨向左運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)輪在扭簧作用下順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)處于靜止時(shí)，柔索上的拉力能夠抵消從動(dòng)輪受到的順時(shí)針?lè)较蚺ぞ兀せ赡軌虻窒麖膭?dòng)輪受到的逆時(shí)針?lè)较蚺ぞ亍?/p>

(a) 雙套索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

(b) 單套索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖5 套索傳動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.5 Mechanism of tendon-sheath transmission

兩種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)均安裝有螺栓預(yù)緊裝置，預(yù)緊裝置可以拉緊柔索來(lái)有效減小傳動(dòng)空回。同時(shí)，采用編碼器與電位器來(lái)反饋主動(dòng)輪與從動(dòng)輪的角度位置信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的雙閉環(huán)控制。套索傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的后置，使多關(guān)節(jié)串聯(lián)系統(tǒng)更加輕量化，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布局靈活的優(yōu)點(diǎn)。

1.4 驅(qū)動(dòng)集成設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)集成箱的結(jié)構(gòu)如圖6所示，驅(qū)動(dòng)模塊由舵機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪組成，19個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)模塊與預(yù)緊裝置被分層安裝在不同支撐板上，各支撐板通過(guò)支撐架連接。支撐板中心加工有通孔，套索通過(guò)通孔與手掌后進(jìn)入手指。通過(guò)緊湊型電機(jī)的選用與電機(jī)位置的優(yōu)化布局可以減小集成箱的體積。

圖6 驅(qū)動(dòng)集成箱結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of the driver integration

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)與工作空間分析

多指運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的是靈巧手抓取物體運(yùn)動(dòng)與各手指運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，根據(jù)靈巧手運(yùn)動(dòng)學(xué)特性建立運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)化模型，通過(guò)工作空間仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

圖7 食指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.7 Structure of the index finger

單個(gè)手指可以看作是一個(gè)多關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)器人，以食指為例，各指節(jié)長(zhǎng)度分別為a1、a2、a3、a4，基于旋量理論建立手的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。如圖7所示，o0x0y0z0為基坐標(biāo)系，其余為動(dòng)坐標(biāo)系，各指節(jié)長(zhǎng)度分別為l1、l2、l3、l4。靈巧手各關(guān)節(jié)均可視為鉸接，以旋轉(zhuǎn)中心為軸，定義順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)角度為正、逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)角度為負(fù)。關(guān)節(jié)處于圖7所示的初始位置，其指尖坐標(biāo)系與基坐標(biāo)系的變換：

(2)

L=l1+l2+l3+l4

定義各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)旋量：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，ω1、ω2、ω3與ω4分別為各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)量；q1、q2、q3與q4分別為各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸上任意點(diǎn)的坐標(biāo)。

運(yùn)動(dòng)方程：

(7)

記cl=cosθl，sl=sinθl，clm=cos(θl+θm)，slm=sin(θl+θm)，clmn=cos(θl+θm+θn)，sljn=sin(θl+θj+θn),其中l(wèi),m,n=1,2,3,4。計(jì)算得到正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程：

(8)

式(8)中，位置變量表達(dá)式為

(9)

工作空間是評(píng)價(jià)靈巧手工作能力的重要性能指標(biāo)，是對(duì)指尖工作區(qū)域的描述，可以用手指末端到達(dá)位置點(diǎn)的集合來(lái)描述工作空間。建立靈巧手的坐標(biāo)系如圖8所示，分別在基關(guān)節(jié)、近指關(guān)節(jié)、中指關(guān)節(jié)、遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)以及指尖處建立坐標(biāo)系，靈巧手的基坐標(biāo)設(shè)在手掌底部中間位置。

圖8 靈巧手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型Fig.8 Kinematic model of the dexterous hand

基于各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍可以得到靈巧手各指的工作空間，如圖9所示。由圖9可知，食指、中指、無(wú)名指與小拇指的工作空間與大拇指工作空間均有交集，驗(yàn)證了抓取物體的有效性。其中食指與大拇指工作空間交集最大，中指和無(wú)名指與大拇指工作空間交集次之，小拇指與大拇指工作空間交集最小，說(shuō)明抓取物體時(shí)大拇指與食指配合發(fā)揮主要作用。由結(jié)果可知，靈巧手與人手具有相似的工作空間，末端可以到達(dá)設(shè)計(jì)工作空間的所有點(diǎn)，故構(gòu)型與尺寸設(shè)計(jì)合理。

(a) 小拇指

(b) 無(wú)名指

(c) 中指

(d) 食指

3 主從控制研究

本文采用主從控制方法來(lái)對(duì)五指靈巧手進(jìn)行控制，在人手上安裝彎曲傳感器來(lái)反饋手指彎曲角度，建立彎曲角度和靈巧手之間的映射關(guān)系，并根據(jù)此映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)主手對(duì)從手的完全控制。

采用彎曲傳感器[23-24]來(lái)反饋手指彎曲度，傳感器串聯(lián)固定電阻，傳感器兩端電壓作為輸入信號(hào)接入控制器。如圖10所示，傳感器的兩端分別固定在指尖和指根上，手指完全展開時(shí)傳感器電阻最小，手指最大彎曲時(shí)傳感器電阻值隨著手指的彎曲而增大。為了方便比較不同手指彎曲特征的變化規(guī)律，采用線性函數(shù)對(duì)原始輸入進(jìn)行歸一化處理至[0°, 90°]范圍。具體轉(zhuǎn)換式為

(10)

式中,xi為彎曲傳感器兩端的測(cè)量電壓;yi為線性函數(shù)轉(zhuǎn)換后的值;xi,max、xi,min分別為測(cè)量電壓采集數(shù)據(jù)的最大值和最小值;i=1,2,…,5,分別對(duì)應(yīng)大拇指、食指、中指、無(wú)名指與小拇指。

圖10 手勢(shì)捕捉系統(tǒng)Fig.10 Gesture capture system

為了更精確地得到每個(gè)彎曲傳感器的輸出值，考慮到傳感器的響應(yīng)時(shí)間特性及實(shí)驗(yàn)誤差，采用多組實(shí)驗(yàn)對(duì)式(10)進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定實(shí)驗(yàn)組序號(hào)為j，n次實(shí)驗(yàn)后取平均值作為實(shí)驗(yàn)的有效數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的最小及最大值分別如下：

(11)

定義人手彎曲傳感器輸出值歸一化矩陣為Y，可得人手姿態(tài)信息：

Y=(y1,y2,y3,y4,y5)T

(12)

單根手指只能反饋一個(gè)信號(hào)，但手指實(shí)際控制需要3個(gè)關(guān)節(jié)角度信號(hào)。引入主從映射[25-26]來(lái)求解關(guān)節(jié)角度，這里通過(guò)比例系數(shù)來(lái)得到手指i的r關(guān)節(jié)彎曲角度：

(13)

(14)

人手與機(jī)器人靈巧手在尺寸上的不一致，會(huì)使靈巧手產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)誤差。為了更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)靈巧手的控制，針對(duì)主從手尺寸不一致的問(wèn)題，引入主從手指長(zhǎng)度比例關(guān)系：

(15)

4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)

4.1 樣機(jī)平臺(tái)

靈巧手樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖11所示，靈巧手結(jié)構(gòu)采用尼龍材料3D打印制作。驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用LX-16A串行總線自帶減速器的舵機(jī)(最大輸出扭矩19.5 kg·cm)，舵機(jī)帶有溫度監(jiān)測(cè)功能，底部可安裝散熱裝置。柔索采用直徑為0.5 mm的鋼絲繩，套管采用圓形彈簧絲繞成的外徑1.2 mm、內(nèi)徑0.8 mm的螺旋套管。

圖11 靈巧手實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.11 Experimental prototype of the dexterous hand

靈巧手的控制系統(tǒng)采用NI-cRIO-9067作為下位機(jī)，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖12所示。首先在上位機(jī)用LabVIEW軟件編寫控制程序，然后通過(guò)CAN接口下載到運(yùn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)的下位機(jī)執(zhí)行。手指彎曲信號(hào)由Flex 4.5彎曲傳感器測(cè)量后輸入NI-9205模塊，關(guān)節(jié)角度反饋信號(hào)由電位器測(cè)量后輸入NI-9205模塊，運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)由NI-9264模塊輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。彎曲傳感器電阻在60～110 kΩ間變化，實(shí)時(shí)反饋與數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的頻率設(shè)置為1 kHz。

圖12 樣機(jī)控制系統(tǒng)Fig.12 Control system of the experimental prototype

4.2 靈巧手運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試套索驅(qū)動(dòng)靈巧手的性能，通過(guò)直接控制舵機(jī)對(duì)靈巧手的側(cè)擺關(guān)節(jié)、近指關(guān)節(jié)、中指關(guān)節(jié)和遠(yuǎn)指關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，如圖13所示。由實(shí)驗(yàn)可知，所設(shè)計(jì)的靈巧手具有較好的運(yùn)動(dòng)靈活性，套索的應(yīng)用能夠有效避免干涉，實(shí)現(xiàn)各關(guān)節(jié)的解耦獨(dú)立控制。

(a) 初始姿態(tài)

(b) 兩側(cè)張開

(c) 單側(cè)擺動(dòng)

(d) 近指轉(zhuǎn)動(dòng)90°

(e) 中指轉(zhuǎn)動(dòng)90°

(f) 遠(yuǎn)指轉(zhuǎn)動(dòng)90°

4.3 抓取控制實(shí)驗(yàn)

通過(guò)實(shí)際測(cè)量人手與所控制靈巧手的尺寸，對(duì)尺寸比例系數(shù)mi進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果如表1所示。通過(guò)人手五指上安裝的彎曲傳感器作為輸入信號(hào)，每根手指均進(jìn)行了100次伸展彎曲實(shí)驗(yàn)，記錄傳感器反饋電壓信號(hào)的最大值與最小值，由式(11)求得各手指反饋電壓標(biāo)定的最大值與最小值，結(jié)果見表1。

表1 手勢(shì)識(shí)別相關(guān)參數(shù)Tab.1 Parameters of gesture recognition

(a)抓取水瓶動(dòng)作1

(b)抓取水瓶動(dòng)作2

(c)抓取水瓶動(dòng)作3

(d)抓取蘋果動(dòng)作1

(e)抓取蘋果動(dòng)作2

(f)抓取蘋果動(dòng)作3

(g)抓取花生動(dòng)作1

(h)抓取花生動(dòng)作2

(i)抓取花生動(dòng)作3

表2 主從映射相關(guān)參數(shù)

如圖15所示，其中0～10 s為抓取水瓶曲線，10～20 s為抓取蘋果曲線，20～32 s為抓取花生曲線。由曲線可知，抓取水瓶時(shí)，各指關(guān)節(jié)均有明顯運(yùn)動(dòng)，其中大拇指與食指各關(guān)節(jié)彎曲均較小，

(a) 彎曲傳感器信號(hào)

(b) 大拇指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)

(c) 食指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)

(d) 中指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)

(e) 無(wú)名指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)

(f) 小拇指關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)

中指關(guān)節(jié)彎曲角度較大，各指均發(fā)揮抓取作用；抓取蘋果時(shí)，各指關(guān)節(jié)也均有明顯運(yùn)動(dòng)，其中大拇指與食指各關(guān)節(jié)彎曲均較小，中指與小拇指關(guān)節(jié)彎曲角度較大，各指均發(fā)揮抓取作用；抓取花生時(shí)，大拇指與食指各關(guān)節(jié)彎曲較大，中指、無(wú)名指與小拇指關(guān)節(jié)彎曲角度較小，抓取主要由大拇指與食指配合完成。特別地，在20～32 s時(shí)，yi值小于式(14)定義的臨界值y′i，與其他圖相比，圖15b中的綠色曲線與紅色曲線更加接近，圖15c中綠色與紅色曲線也更加接近且數(shù)值明顯大于藍(lán)色曲線數(shù)值，說(shuō)明在抓取花生時(shí)，大拇指與食指的遠(yuǎn)指與近指關(guān)節(jié)相較于其他手指的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)更加明顯，通過(guò)抓取過(guò)程的變比例系數(shù)控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)體積較小物體的有效抓取。由實(shí)驗(yàn)可知，所設(shè)計(jì)的靈巧手能有效抓取圓柱與圓球等各類物品，通過(guò)基于彎曲傳感器的主從控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)五指靈巧手的控制。

5 結(jié)論

本文將套索傳動(dòng)應(yīng)用于靈巧手，提出了一種電機(jī)后置的19-DOF擬人輕型靈巧手。參照人手的構(gòu)型確定了靈巧手的構(gòu)型，對(duì)驅(qū)動(dòng)模塊與手指關(guān)節(jié)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。建立了靈巧手的多指運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并對(duì)末端運(yùn)動(dòng)空間進(jìn)行了仿真。基于彎曲傳感器對(duì)主從映射算法進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了抓取的主從跟蹤控制。搭建靈巧手樣機(jī)并進(jìn)行關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)靈巧手的運(yùn)動(dòng)靈活性。通過(guò)抓取實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了主從映射控制算法的有效性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于套索傳動(dòng)的靈巧手具有可行性，未來(lái)可應(yīng)用于人形機(jī)器人以及對(duì)靈巧手的靈活性有較高要求的場(chǎng)景，鑒于其成本低的優(yōu)點(diǎn)，還可以作為科普或者教學(xué)工具。

齒輪與套索傳動(dòng)的應(yīng)用使關(guān)節(jié)控制具有空回遲滯與非線性的特點(diǎn)，主從控制要達(dá)到較高的精度也需要非線性補(bǔ)償，下一步工作將重點(diǎn)對(duì)控制算法進(jìn)行研究。