基于FluidicMuscle氣動人工肌肉的仿生機械手的設(shè)計

于鴻宇，李月峰，于嘉豪，劉洋洋

（哈爾濱理工大學，山東 榮成 264300）

0 引言

對于機械手的發(fā)展，機械手的靈活性、精確性、可控性以及柔順性決定機器人的性能[1]。傳統(tǒng)的機械手由于自由度少的原因，且控制方法和傳感器發(fā)展不是很成熟，故靈活度和柔順性并不是很好。因此，通過多自由度和智能算法的機械手是一個發(fā)展趨勢。另一方面，在火災(zāi)、危險工業(yè)區(qū)和深海探測等危險場合，人們需要設(shè)計良好的機械手代替人工，故對機械手的要求和功能的使用越來越嚴格，因此設(shè)計智能多功能機械手是該領(lǐng)域的熱點。另一方面，具有多關(guān)節(jié)和多自由度的機械手應(yīng)用的領(lǐng)域較為豐富，其中最有代表性的是仿人機械手[2]。它的工作原理是模仿人類手指的運動規(guī)律來進行物體的抓取和運動。仿人機械手在醫(yī)療、服務(wù)和娛樂等企業(yè)應(yīng)用較為廣泛[3]。因為該機械手的結(jié)構(gòu)與人類的手相似，因此能靈活、有效的進行人類從事的相關(guān)活動。

1 仿人機械手運動學研究

1.1 仿人機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

對于人手結(jié)構(gòu)組成，可以設(shè)計氣動肌腱驅(qū)動的機械手，其中機械手含有5個手指和一個手掌，由氣動人工肌肉進行控制運動，并且每個肌腱控制一個手指運動，即一根肌肉的一端連接到鋼絲繩，支架固定在鉸接端的滑輪上，然后再連接到另一根肌肉，以便使滑輪可以驅(qū)動關(guān)節(jié)通過拉伸和伸展來實現(xiàn)運動。另一方面，每個手指關(guān)節(jié)處有滑輪，通過牽引線繞在關(guān)節(jié)處來驅(qū)動機械手的伸縮。每個手指所設(shè)計的自由度為3，整體的設(shè)計尺寸按照成年男性人手的近似平均尺寸設(shè)計，使用三維軟件Pro/E建立模型，其整體設(shè)計如圖1所示。

圖1 機械手整體結(jié)構(gòu)

整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使用增材技術(shù)[4]（3D打?。┻M行加工，因為機械手的大部分零件非標準件且形狀不規(guī)則，故只有3D打印加工可以對機械手進行加工和制造。另一方面，材料選擇PLA材料[5]進行打印，因為該材料的應(yīng)用較廣，并且價格便宜。而連接的部分可使用相應(yīng)尺寸的螺栓組裝。

1.2 機械手正運動學分析

對設(shè)計的機械手進行運動學分析是基礎(chǔ)[6]。本文主要分析各個手指的關(guān)節(jié)角度和最后運動坐標的關(guān)系。首先對手指建立坐標系，再根據(jù)坐標的關(guān)系來進行正運動學的分析[7-8]。機械手的正運動學是根據(jù)角度的變換來得出末端手指的運動狀態(tài)。因此，本文以一個手指為例進行分析。手指的坐標系如圖2所示。

圖2 手指D-H坐標圖

正運動學的求解是根據(jù)手指各個關(guān)節(jié)的角度θ1，θ2和θ3求解手指末端的位置坐標和姿態(tài)。機械手的相關(guān)參數(shù)如表1所示，ai為手指關(guān)節(jié)i的扭轉(zhuǎn)角度；li為手指關(guān)節(jié)的長度；ai為在關(guān)節(jié)軸i上的連桿偏距；θi為與連桿i的角度，其中，i=1，2，3。

表1 手指連桿參數(shù)

運用D-H參數(shù)法得出D-H變換矩陣為：

將建立的矩陣進行D-H變換得出相對于基坐標變換 的矩陣為：

其中，對于矩陣中的c代表cos，s代表sin，并且，由公式（6）可以得出最后的手指運動的坐標為：

由公式即可計算出手指運動的最后的坐標和姿態(tài)。

1.3 機械手逆運動學

機械手的逆運動學[9]是根據(jù)已知的手指最后坐標來計算出機械手各個關(guān)節(jié)的運動角度，本質(zhì)上是正運動學求解的逆過程。根據(jù)上述所建立的坐標進行分析，公式為：

公式中的T為變換的矩陣，為手指尖相連接的桿相對于X軸正方向的方位角度，根據(jù)矩陣可以得出：

通過計算可得出正弦和余弦的關(guān)系：

最后得出的角度為：

2 氣動回路設(shè)計

2.1 氣動人工肌肉的選擇

本文使用Fluidic Muscle。通過測試選取的壓力范圍在0-0.6Mpa，長度為150mm，直徑為5mm。在Festo公司官網(wǎng)所提供的產(chǎn)品可知，肌腱分為兩個連接方式，其中一個是帶壓配接口（DMPS），另一個是帶螺紋接口（MAS）。對于仿人機械手所需要的是壓配式接口。該人工肌腱的結(jié)構(gòu)圖可見圖3所示，其中，1代表螺母材料是鍍鋅鋼，2代表是法蘭材料是透明陽極氧化精制鋁合金，3代表是套管材料是透明陽極氧化精制鋁合金。4代表膜片。

圖3 人工肌腱結(jié)構(gòu)圖

本文選取VPPE型號的調(diào)壓閥。它的價格較為便宜，并且它有一個屏幕可以看見氣壓參數(shù)。調(diào)壓閥所選擇的三位比例閥，氣壓范圍在0-10Mpa，這和氣動人工肌腱的壓力控制范圍相似。并且輸入的壓力范圍在6-11Mpa，標準額定流量在1250l/min，此外，設(shè)定點輸入為模擬量電壓信號的范圍在0-10V。

2.2 氣動回路設(shè)計

根據(jù)機械手的結(jié)構(gòu)可知，每個手指需要一個氣動人工肌腱來控制，而且每個肌腱的控制壓力需要氣動調(diào)壓閥來進行控制，并且每個肌腱配置一個氣壓閥。因此，本論文采用氣動調(diào)壓閥、氣動肌腱和氣泵來進行設(shè)計氣動回路，氣動回路圖如圖4所示。

圖4 氣動回路原理圖

氣動回路的工作原理是需要通過氣泵將氣體運輸?shù)綒鈩颖壤y中，對其進行氣壓的控制，達到運動所需要的氣壓即可。然后通過電氣比例閥將氣壓運輸?shù)綒鈩尤斯ぜ‰靵磉M行肌腱的壓縮。其中，彈簧的作用是和氣動肌腱的運動達到平衡。當肌腱運動后，尼龍線會讓機械手的關(guān)節(jié)進行運動，從而達到運動目的。

3 機械手控制原理

控制的主要思想是將數(shù)字信號和模擬信號進行轉(zhuǎn)換。為了將控制的信號輸入到調(diào)壓閥中，需要對控制的數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換，對于嵌入式板有8個輸入和輸出物理通道，因此將所需要控制機械手角度的數(shù)據(jù)輸入到嵌入式板中，然后將信號轉(zhuǎn)換為電壓信號來控制氣動調(diào)壓閥的輸出壓力，從而控制氣動人工肌肉的伸縮程度，從而達到運動的目的。

A/D轉(zhuǎn)換就是要將模擬量V（如V=5V）轉(zhuǎn)換成數(shù)字量D（如D=255）。模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換的形式較多，如計數(shù)比較型、逐次逼近型、雙積分型等等。在集成電路器件中普遍采用逐次逼近型。在啟動信號控制下，首先置數(shù)選擇邏輯電路，給逐次逼近寄存器最高位置“1”，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬量后與輸入模擬量進行比較，電壓比較器給出比較結(jié)果。如果輸入量大于或等于經(jīng)D/A變換后輸出的量，則比較器為1，否則為0，置數(shù)選擇邏輯電路根據(jù)比較器輸出的結(jié)果，修改逐次逼近寄存器中的內(nèi)容，使其經(jīng)D/A變換后的模擬量逐次逼近輸入模擬量。這樣經(jīng)過若干次修改后的數(shù)字量，便是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的量。

4 結(jié)論

仿生機器人一直具有較大的研究意義，不論從改善現(xiàn)有機器的結(jié)構(gòu)功能或提高生產(chǎn)力等方面。本文所設(shè)計的基于氣動人工肌肉的仿生機械手，在設(shè)計過程中從零件繪制，使機械手在結(jié)構(gòu)上盡可能的接近人手；到控制原理推敲，使控制過程能夠平穩(wěn)可靠；再到數(shù)據(jù)采集，盡可能精確的進行采集和數(shù)據(jù)處理，以保證控制的準確性，同時保證了具有較好的靈活性和柔順性。采用可控的氣動人工肌肉進行驅(qū)動，該設(shè)計可避免復(fù)雜的電氣驅(qū)動。對于機械手的設(shè)計和制造，使用STL材料和3D打印技術(shù)有利于減輕機械手的重量和成本。結(jié)構(gòu)方面使用拉伸方式來進行驅(qū)動，減少運動的復(fù)雜性，并且避免了大量的摩擦力和非線性特性。