腱驅動仿人型五指靈巧手的設計

來 淼， 李憲華，2， 王殿博， 謝瑋昌， 鳳志雄

(1.安徽理工大學 機械工程學院， 安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大學 人工智能學院， 安徽 淮南 232001)

機器人技術的主要目標是代替人類完成一些危險、復雜、繁重的任務，提高工作效率。靈巧手作為機器人末端的執行器，外形和工作結構以仿人為主，模仿人手進行抓取等操作。相對于傳統的夾持器，靈巧手在自由度、靈巧性和工作空間上都有著很大的優勢，可以完成更加復雜的操作。比如：靈巧手可以用于康復訓練(作為假肢治療殘疾患者)、采礦環境、水下環境以及太空環境等[1]。

要實現對物體的抓取功能，至少要有2個手指和1個自由度。在工業領域中常見的兩指或三指夾持器，可以進行簡單的裝卸料操作，大多通過連桿或者是氣缸來實現動力的傳遞[2]。但是，夾持器缺乏靈活性，對物體的適應性較差，需要對物體的形狀進行設計。因此，仿人手的靈巧手出現了。Okada手的出現，不僅實現了抓持物體，還可以對物體進行操作，這個靈巧手有3個手指，共11個自由度，采用直流電機驅動，鋼絲繩傳動[3]。美國宇航局的Robonaut手是Robonaut空間機器人系統中的靈巧手部分，有14個自由度，采用了腱傳動的方式，有著張力傳感器增加控制的穩定性。德國宇航局(DLR)發明的DexHand手[4]是一只五指靈巧手，具有空間工作的能力，電機驅動而且驅動器外置，主要傳動方式為腱傳動，DexHand手有著豐富的傳感器系統，如位置、力矩、溫度等傳感器。國內的高校和研究所也相繼開展了靈巧手的研發工作，較為有名的是哈工大的HIT/DLR HandⅡ靈巧手[5]。目前，靈巧手無論是運動還是抓取都無法與人手比擬，昂貴的成本和復雜的控制傳感系統依然是需要解決的難題。針對以上問題，設計了一種腱驅動的仿人靈巧手。

1 靈巧手的設計

1.1 手掌骨骼結構分析

手部作為人體重要的器官，有著27塊骨骼，從手腕到手指排分別是腕骨、掌骨和指骨，腕骨由8塊骨組成，排成近遠兩列，每列4塊，如圖1所示。這些小骨賦于腕靈活性。掌骨，由5塊掌骨構成。每塊掌骨包括一體和兩端。遠側端或掌骨頭與近節指骨相關節，并且形成拳的指節；近側端或掌骨底與腕骨相關節。指骨分為近節、中節、遠節指骨。掌指和近指構成MP關節，近指與中指骨構成PIP關節，中指骨與遠指骨構成DIP關節。手指可以實現靈巧運動主要依靠指上的肌腱，通過肌腱實現了手指的俯仰和側擺運動。

圖1 人手骨骼關節圖

1.2 結構分析

根據人手的功能，采取了相似人手的設計，包括5個手指和一個1手掌，每個手指包含3個關節，3個自由度，手指依靠腱繩的拉動可以實現俯仰運動。靈巧手的結構簡圖如圖2所示。

圖2 靈巧手結構簡圖

1.3 傳動設計

靈巧手的傳動方式有很多，常見的有齒輪傳動、連桿傳動和腱傳動。連桿傳動和腱傳動的強度較高，傳動平穩，但靈活性差，主要的傳動元件都內置在手指內，重量和體積都集中于手指處，導致靈巧手較為笨重。腱傳動使用鋼絲繩模仿人手的肌腱部位，將驅動器外置于手掌或者手臂處，用腱繩實現遠距離傳動，精簡了手指處的結構設計，相對齒輪和連桿，鋼絲繩的重量和摩擦更小[6]。

MP關節和PIP關節的驅動由腱繩帶動其轉動，DIP關節驅動由PIP關節實現近似1∶1的耦合傳動，既可減少驅動器的數量，也可以降低結構的復雜性。對末端指尖采用耦合傳動模仿了人手的手指。

耦合傳動如圖3所示，A1、A2輪代表手指的PIP關節和DIP關節，S1、S2為鋼絲繩，分別在輪的兩側固定；l1為A1輪和A2輪的傳力結構；l2為手指部位，隨著A2輪的轉動而運動。當傳力結構l1受到外力繞著A1輪的軸逆時針轉動時，鋼絲繩S1會逐漸收入A1輪的槽中，由于鋼絲繩固定的原因，在輪槽內沒有相對滑動，鋼絲繩S1在A2處必須放出等同于A1收入的長度來保持平衡，于是在鋼絲繩S1的拉動下，鋼絲繩S2隨動，A2輪轉動，帶動了遠指節的運動。耦合運動的傳動比取決于兩輪的直徑大小，兩輪的直徑保持一直，耦合傳動比即可保持在1∶1。

圖3 耦合原理圖

1.4 結構設計

手指的腱繩分布如圖4所示，除了腱繩c1、c2，其余繩一端連接著各關節并帶動其轉動，另一端由驅動電機提供動力，MP關節通過繩a1、a2實現俯仰運動，DIP關節通過b1、b2實現俯仰運動，PIP關節通過繩c1、c2的耦合機構完成俯仰運動。

圖4 手指腱繩分布圖

靈巧手在solidworks中的建模如圖5所示，靈巧手有5個手指，每個手指3個關節對應3個自由度，共15個自由度。將單個手指拆分可以看見手指各部位的結構和腱繩分布，如圖6所示。遠端指節和中端指節的結構，腱繩分別由螺絲固定在兩端，PIP關節的運動帶動了指尖的運動。近端指節的結構設計由腱繩驅動著MP關節帶動其轉動，腱繩的左端由螺絲固定，右側連接到驅動器上帶動關節轉動。

圖5 靈巧手建模示意圖

(a)手指前端 (b)手指后端

手指的整體圖如圖7所示，為了方便測量和設計，指節長度全部采用整數。遠端指節長度為20 mm、中端指節長度為30 mm、近端指節長度為45 mm，靈巧手各指節的長度符合人手的比列，總體長度不會超過100 mm。MP關節由腱繩a1和腱繩a2驅動，腱繩穿過MP關節的輪槽固定在其上面，帶動近端指節的俯仰運動。中端指節的運動由腱繩b1、b2驅動，腱繩穿過PIP關節的輪槽帶動中端指節的運動。同時，由s1、s2耦合運動實現指尖的俯仰運動。

圖7 手指結構圖

2 靈巧手手指的運動學分析

靈巧手的運動學主要是研究每個手指各關節間的位移關系，通過運動學求解，求出指尖的在基坐標系的位置和姿態。由于本次設計的靈巧手手指關節長度相似，僅需對其中一指進行運動學分析。采用典型的D-H法進行運動學分析，如圖8所示。O0-x0y0為基關節坐標系，對應手指MP關節；O1-x1y1、O2-x2y2對應PIP和DIP關節；O3-x3y3為指尖處坐標系。單個手指的DH參數表如表1所示，可以看到關節的運動狀態，進行運動學分析，計算指尖的坐標系。

(a)手指建模圖 (b)手指坐標圖

表1 手指DH參數

連桿的通式為

(1)

每根關節的坐標系變換矩陣為

(2)

(3)

手指指尖坐標系與基座坐標系的轉換矩陣為

(4)

(5)

式中：si=sinθi，ci=cosθi，sij=sin(θi+θj)，sijk=sin(θi+θj+θk) ，cijk=cos(θi+θj+θk)，i、j=1、2、3、4。

矩陣第4列即為指尖在基坐標系中的坐標(x,y,z)：

(6)

3 工作空間分析

靈巧手工作空間指的是指尖所能到達的區域，區域的大小可以衡量手指的工作能力和性能，用D-H參數來建立連桿參數，在Matlab里的Robotic Toolbox建立手指模型。工作空間的求解方法采用蒙特卡洛法，手指的工作空間如圖9所示。由圖9可以清楚地看到手指的工作范圍，它有各個關節的長度和關節可旋轉的角度來決定。

圖9 指尖工作空間示意圖

4 結 語

相對于傳統的機械結構，腱傳動靈巧手結構簡單、重量輕，在驅動器外置于手指后，手指內部的空間得到了解放，為傳感器的使用帶來了便利，可以對溫度、力矩和腱繩的張力進行分析和計算。本文的靈巧手采用模塊化的設計，將五指設計為相似結構，節約設計成本，方便零件更換。建立靈巧手的結構模型，分析耦合運動的原理，建立坐標系對其運動學進行分析，運用Matlab對指尖的工作空間進行分析，得到指尖的工作范圍。