智能三指靈巧手結構設計及驗證

宋宇曉

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，沈陽 110168）

0 引言

傳統的工業機器人末端執行器多是根據抓取物體的形狀和大小等設計的，一般只能實現特定的抓取任務，進行不同抓取任務時，需要更換末端執行器，通用性差、成本高；應用前需要重新編程、測試，不能快速適應生產線，效率低；對于非工業應用的場景，適應性更差[1]。隨著協作機器人的發展，對安全便捷、靈活智能的夾爪需求與日俱增，例如德國SCHUNK的二指Co-act EGP-C機械手，經過DGUV安全認證，可用于協同作業；大寰機器人DH-3關節型自適應三指機器人夾爪，可以實現對目標物體的自適應抓持，抓取穩定，抓持力精確可調，具備智能抓取反饋和掉落檢測功能，并能夠實現掉電自鎖。

靈巧手是一個集成多種傳感器的智能化機電系統，涉及機械、電氣、控制等多個領域[2-3]，目前市場上為數不多的靈巧手仍存在一些問題，比如結構復雜、體積大、抓取力小、價格昂貴、維護困難等，一般在高?；蜓芯繖C構研發使用。本文詳細介紹了具有機械自鎖、欠驅動特性、力感知功能、適應不同形狀物體抓取的三指靈巧手的結構，并制作樣機，完成試驗驗證，為智能靈巧手的研發提供參考。

1 智能三指靈巧手機械結構

1.1 手指傳動結構及欠驅動功能

手指傳動結構如圖1所示。

圖1 手指結構

1）手指抓取過程。抓取時，由電動機驅動齒輪I旋轉，齒輪Ⅰ與齒輪Ⅱ嚙合，齒輪Ⅱ和齒輪Ⅲ靠2個銷軸固定同時轉動，齒輪Ⅲ與齒輪Ⅳ和齒輪Ⅴ分別嚙合，再通過蝸桿Ⅰ和蝸桿Ⅱ分別帶動蝸輪Ⅰ和蝸輪Ⅱ轉動；蝸輪Ⅱ通過螺釘固定在近端指節上，帶動近端指節旋轉；蝸輪Ⅰ內側固定一個繩輪，通過鋼絲繩傳動結構，帶動指尖旋轉。

2）欠驅動功能。如圖2所示，蝸桿Ⅱ一端和齒輪Ⅴ內孔加工有螺紋，兩者通過螺紋副連接。正常狀態下，齒輪V壓緊碟形彈簧組10，產生一定的軸向預緊力，使螺紋副之間保持較大的摩擦力，齒輪Ⅴ能夠承受一定的轉矩，帶動蝸桿Ⅱ轉動，即近端指節和遠端指節同時轉動；當手指近端指節首先接觸到物體時，齒輪V的轉矩開始增大，當轉矩達到一定值時，碟形彈簧組10的軸向預緊力不足以保持螺紋副相對靜止，此時，齒輪V沿螺紋向遠離碟形彈簧一側移動，蝸桿Ⅱ停止轉動，即近端指節停止旋轉，指遠端指節不受影響繼續轉動。當齒輪V移動到螺紋端部，遠端指節運動至最大角度，完成手指欠驅動運行過程。碟形彈簧的壓縮力決定了齒輪V能夠承受的轉矩，通過調整碟形彈簧的壓縮量能夠調整欠驅動功能的靈敏度。欠驅動結構實現了一個電動機控制2個指節，在不損失功能的前提下有效降低了手指的體積、質量和成本。

圖2 欠驅動結構

3）手指復位過程。手指復位時與抓取過程相反，電動機反轉，通過齒輪組傳動，齒輪V沿螺紋向碟形彈簧組10側移動，此時蝸桿II保持靜止，近端指節不動；另一側通過齒輪組、蝸桿、蝸輪和繩傳動帶動遠端指節旋轉；當齒輪V壓到碟形彈簧，達到之前的預緊力后，齒輪V可帶動蝸桿II轉動，近端指節開始運動，直到回到初始位置，完成復位。

1.2 力感知功能

指尖及繩輪傳動結構受力如圖3所示。指尖不受力時，鋼絲繩上下兩側均為初始拉力F0，惰輪不受力，FY=0；指尖抓取物體時，關節處的繩輪承受轉矩T，導致鋼絲繩上下拉力變化，上側鋼絲繩拉力增加ΔF，下側減小ΔF，差值通過中間的惰輪傳遞到彈性體上，使彈性體受到一個豎直方向上的合力FY，引起彈性體變形。彈性體上的金屬箔式應變片將彈性變形轉化為電阻變化，再通過橋電路將電阻變化轉化成電壓變化信號輸出，實現指尖力矩的測量。

圖3 繩輪傳動結構

根據力的平衡關系，可建立如下方程：

式中：T為指尖轉矩，N·m；F0為鋼絲繩初始拉力，N；ΔF為受力后上下鋼絲繩拉力變化值，N；D1為指尖關節繩輪直徑，mm；L為金屬應變片貼片中心距離惰輪中心距離，mm；E為彈性體材料的彈性模量，MPa；W為貼片處抗彎模量，mm3。

三指智能靈巧手第二代樣機采用具備溫度補償的全橋電路，改善了第一代樣機模擬信號輸出易被外界影響的弊端，并設計了數字板卡，將模擬信號轉為數字信號輸出。全橋電路應變與電壓的關系為

式中：U0為輸出電壓，V；K為應變片常數；U為輸入電壓，V。

按照指尖輸出力矩1.5 N·m計算，對應產生3500個微應變，選擇4個120 Ω的金屬應變片，應變極限為20 000個微應變，可以滿足使用要求。

初次使用力矩傳感器前，要標定零點和最大稱重，得到力與輸出電壓信號之間的比例關系，標定時需要使用專用的工裝和砝碼，如圖4所示。

圖4 手指力矩傳感器的標定

初始拉力的大小可能會影響力矩傳感器的準確性，標定之前，必須保證鋼絲繩具有足夠大的初始拉力。因為無法準確測量鋼絲繩初始拉力，所以采用對比試驗驗證初始拉力對力矩傳感器的影響。每次測試取11個點，按照理論值在工裝上掛砝碼，表1是在3組不同的初始拉力下標定后實際測試輸出力矩的記錄。3組實測值與理論值差異如圖5所示。

圖5 3 組實測值與理論值差異

表1 不同初始拉力下標定后的力矩輸出值N·mm

第1組實測時，初始拉力很大，實測值與理論值幾乎一致，應變與電壓成比例變化；第2組實測是在第1組實測的基礎上將鋼絲繩稍微放松，減小初始拉力F0，當力矩小于1000 N·mm時，實測值比理論值小1倍；第3組實測在第2組實測的基礎上，再放松鋼絲繩，力矩為625 N·mm以后，實測值比理論值小1倍。

這是由于在一定力矩作用下，鋼絲繩松邊拉力為0，導致按上述公式計算出的FY成倍增大。因此，在繩輪裝配過程中，必須保證鋼絲繩初始張緊力F0大于指尖輸出最大轉矩時所對應的ΔF，否則將不能按照上述公式計算應變與電壓的關系。同時要保證最大拉力F0+ΔF不超過鋼絲繩的鋼絲破斷拉力總和，并預留一定安全系數。

手指使用一段時間后，鋼絲繩會松弛，F0變小會影響力感知功能，需要定期維護。通過繩輪上的頂絲可以調節鋼絲繩張緊。

1.3 自適應抓取功能

自適應抓取的功能是通過調整左右2根手指與中間手指的相對位置實現的，三指結構形式相對與二指有較好的施力特性、抓持穩定性和操作靈活性[4]。為了減小靈巧手體積和質量，使用一個電動機控制2個手指同步運行，具體結構如圖6 所示：四軸減速電動機驅動蝸桿1，使左右兩側的蝸輪2同時轉動，方向相反，小齒輪3安裝在蝸輪2軸上，與蝸輪固定，并同步轉動，帶動與之嚙合的大齒輪4轉動，大齒輪4帶動兩側手指F1和F3同步反向旋轉，形成不同的抓取角度，適應不同形狀物體。自鎖結構抓取完成后即可下電，避免掉電時物體脫落，使抓取過程更加穩定可靠，并提高電動機壽命。智能靈巧手使用不同姿態抓取圓柱體和球體木塊的狀態如圖7所示。

圖6 R 軸結構

圖7 自適應抓取不同形狀木塊

1.4 手指位置控制及防碰撞功能

智能靈巧手每個手指蝸輪Ⅰ的軸端和手腕一側大齒輪4上裝有徑向磁化的圓磁鐵，通過霍爾傳感器測量遠端指節和兩側手指的旋轉角度。智能三指靈巧手每個手指有2 個 關 節，每根手指可以單獨控制，相當于3個獨立的機器人，兩側手指還各有一個側向旋轉的關節，自由度多，抓取時某些運行角度會導致手指互相干 涉，3 個 手 指角度各異的狀態如圖8 所示。防碰撞功能是通過給定的運行角度提前計算3個指尖坐標，當計算結果表明手指會干涉時，通過程序控制手指在干涉之前停止，是手指自我保護的功能。

圖8 三指運行不同角度狀態

手指的空間位置如圖9所示。

圖9 手指空間位置示意圖

對于θ1、θ2、θ3取值不同的情況，目前可使用上位機軟件模擬后操作，防止手指干涉帶來的傷害。

2 靈巧手負載與電動機選型

考慮到智能靈巧手未來將應用于服務場景，按最大抓取載荷10 kg設計，平行抓取時，中間手指的指尖轉矩可以被動達到兩側手指的2倍，因此單指主動抓取力按2.5 kg設計，摩擦因數為0.5時，單輸出力為50 N，抓取位置距離指尖旋轉軸15 mm，電動機提供給指尖的轉矩為0.75 N·m，可以滿足智能靈巧手在大多數應用場景下的需求。

1）手指電動機選型。按抓取時指尖最大輸出轉矩T=0.75 N·m進行手指電動機選型。繩輪傳動輸入轉矩T1=T/i/η=0.75÷0.75÷0.93=1.07 N·m。蝸桿蝸輪傳動輸入轉矩T2=T1/i/η=1.07÷50÷0.37=0.06 N·m。齒輪組傳動輸入轉矩T3=T2/i/η=0.06÷3.67÷0.88=0.01866 N·m。根據計算結果，指尖力矩為0.75 N·m時，需要電動機提供的最大轉矩為Tm=T3=18.7 N·mm，由于達到抓取力矩后可以利用機械自鎖保持抓取狀態，實際抓取動作持續時間很短，為充分利用電動機性能，選擇電動機的堵轉轉矩為19 N·mm，空載轉速為7800 r/min。根據選擇的電動機參數校核手指抓取速度，抓取過程大部分時間為空載運行，電動機受到的外載為手指自重（約為1.42 N），電動機轉矩為1.10 N·mm，空載時轉速可達7338.73 r/min，根據傳動比和運行角度計算出手指全打開所需總時間為0.72 s。

2）R軸電動機選型。兩側手指處于圖10所示位置時，R軸電動機負載最大。單指自重為3.5 N，距離旋轉中心52.97 mm，單指輸出轉矩T=G·L=3.5×52.97=181.87 N·mm。齒輪傳動輸入轉矩T1=T/i/η=181.87÷1.375÷0.96=137.71 N·mm。蝸桿蝸輪傳動輸入轉矩T2=T1/i/η=137.71÷44÷0.37=8.46 N·mm。減速器減速比為5.33，效率為0.87，兩側手指使用同一個電動機，電動機輸出轉矩Tm=2T2/i/η=2×8.46÷5.33÷0.87=3.65 N·mm。選擇電動機轉矩為4.5 N·mm，電動機轉速為5610.77 r/min，兩側手指全打開至全閉合時間為1.72 s。

圖10 四軸電動機負載最大狀態

3 智能靈巧手硬件設計

智能靈巧手使用了驅控一體板卡，以STM32F405為控制核心，一路CAN接口用于上位機通信；4路脈沖口用于電動機PWM調速；一路485接口用于讀取3路應變片數；MCU片上ADC采集電動機電流；SPI接口采集關節絕對值編碼器數據；4路硬件捕獲用于讀取電動機編碼器，在一塊板卡上實現了電流環、速度環、位置環及力矩環，整體設計框圖如圖11所示。

圖11 硬件設計框圖

4 智能靈巧手軟件控制

通過軟件控制實現智能靈巧手人機協作、防脫落、掉落感知等功能。這幾種功能都是根據讀取力矩傳感器測量的力矩值實現的，當智能靈巧手與協作機器人協同作業時，隨著機器人運行，靈巧手的姿態有所變化，受抓取物體重力影響，手指上的力矩隨姿態變化而變化，所以人機協作和防脫落功能為開關控制，在機器人運行過程中為關閉狀態，需要時打開。

抓取時通過上位機向靈巧手發送位置、抓取力矩和速度指令，監測手指位置，如果到達給定位置時未達到抓取力矩，說明未抓到物體，抓取失??；如果未到達給定位置時達到了抓取力矩，抓取成功。當防脫落功能開啟時，力矩傳感器不斷地判斷力矩的變化，當監測到抓取力矩變小時，靈巧手重新執行抓取，重新抓取過程的持續時間小于設定時間，則靈巧手繼續對力進行判斷，指示燈反饋防脫落狀態信號；如果超出設定時間，說明重新抓取失敗，指示燈反饋物體掉落狀態信號。當防脫落功能關閉，抓取過程中3個手指的力矩傳感器監測到力值均為0，說明物體脫落，指示燈反饋物體掉落狀態信號。當人機協作功能開啟，力矩傳感器監測到力變大，并且該變化持續一段時間時，靈巧手松開，復位，完成人機協作功能，此過程反饋人機協作的狀態信號。

5 結語

本文對三指智能靈巧手的機械結構、硬件設計、軟件控制等進行了介紹，并制作了兩代樣機對靈巧手的各種功能進行了驗證，結果表明智能靈巧手具備智能化、靈活性等特點，能夠與協作機器人配合使用。隨著計算機技術和智能控制技術的發展，將推動靈巧手向結構精巧化和控制的精確化發展，逐步接近人類手的造型和功能，代替人類完成各種作業[5]，未來可以應用于餐飲、醫療、物流、柔性化生產等多種領域，具有非常廣闊的市場前景。