基于電磁動滑輪驅動與光反饋仿人手研究

郭潤坤

(山西機電職業技術學院機械工程系，山西長治 046011)

0 前言

機械仿生手維護便捷性、對外部信息感知能力是實際應用中較為關鍵的考量點。根據人手進化特征，各國研究人員進行了深入研究，并推出各具特色的擬人化仿生手[1-2]。然而，隨著技術迭代創新與應用場景的擴展，機械手在模塊化、低成本化、觸覺感知等方面仍具有較大的研究價值[3-4]。

機械人應用場景不斷擴展，機械手操作的環境愈加復雜、操作對象愈加多樣化，對機械手本體與環境的友好適配性、與操作對象安全匹配性提出了更高的要求[5]。但對機械手來說，應對形狀多變、尺寸不定的目標物，具有較大的挑戰。經過多年研究，機械手在負載能力、結構優化等方面得到了極大的改進，欠驅動式柔順擬人化機械手推廣逐漸擴大[6]。

博洛尼亞大學研究的DEXMART機械手，自由度與人類手部相當[7]，但控制系統化和結構相當復雜。欠驅動模塊化手指設計，可以極大提高手指維護的便捷性，實現更好的包絡抓取[8]。郭語等人[9]采用彈性卷筒式結構設計了一種柔性驅動模塊，具有空載速度快、柔性加載的特點。LI等[10]制作了由3個連桿驅動的機械手。REIS等[11]提出一種基于彈性肌腱連桿的三指自適應機械手，但是由于缺乏感知能力，人機交互性較差。

在觸覺感知方面，基于表面紋理識別原理，Venter等開發了一種觸覺傳感器，對機器人在抓持操作時物體滑動進行檢測[12]。叢明等人[13]用一種氣壓式觸覺陣列傳感器拾取觸覺特征信息，能夠有效感知抓取分類過程中的觸覺信息變化。

本文作者設計一種基于電磁動滑輪驅動的仿人手，通過電磁動滑輪結構，實現一個驅動電機對5根手指的獨立驅動，并且雙級鋼絲繩驅動結構提升了手指對物體形狀自適應能力。通過對彈性光感裝置設計與特性研究，建立了光強與負載力和角度的關系模型，實現對手指關節信息反饋。

1 仿人手結構設計及制作

人類手部結構特征經過長期進化，可以運用33種抓取模式來應對復雜抓取環境和多變目標物[14]。采用雙級鋼絲繩環繞式電磁動滑輪驅動結構，提升了仿人手與人交互安全性，同時仿人手更加輕便和緊湊。大拇指結構采用雙自由度設計，增加其運動靈活性，可以滿足對常規物品的抓取要求。圖1所示為制作的仿人手樣機。

圖1 仿人手樣機

機械手的設計目的在于代替人手執行復雜、重復、危險的任務，同時需要滿足人機交互的友好特性。仿人手除大拇指外，每個手指具有2個活動關節，分別為近指節和耦合指節，參數如表1所示。

表1 仿人手參數

1.1 結構設計

人手在實際操作時，很難獨立控制遠指關節，主要是隨中指節一起同步耦合運動。因此，結合操作實際對手指結構進行了簡化，即將手指原有的遠指關節和中指節，簡化成具有固定夾角的耦合指節，耦合指節在結構上仍具有遠指節和中指節兩個指面結構，以實現對物體更好的包絡。

手指采用類似人體肌腱驅動方式，圖2所示為食指結構。手指結構主要由手指關節、彈性光感裝置、關節軸承、驅動鋼絲繩和動滑輪系統組成，其中手指關節的復位力由彈性光感裝置提供，其內置的彈簧結構可以提供持久、穩定的彈力，有效改善手指關節在初始狀態的松弛問題。

圖2 食指結構

在執行抓取操作時，拇指與其他手指配合關系可以概括成三類：第一類是較為精細的對夾配合；第二類是粗獷的包絡式抓取；第三種是拇指與食指間的側捏配合。為同時具備以上抓取能力，對大拇指進行了特殊設計，使其具備側擺和彎曲兩個獨立自由度。圖3所示為大拇指結構，大拇指根部關節允許活動角度范圍為0～120°，大拇指的側擺功能使仿人手能夠在精準抓取、重載抓取、側抓取模式間自由切換，提升了仿人手實際應用價值。

圖3 大拇指結構

手掌作為手指的載體，其內部空間布局對仿人手整體一致性和驅動控制極為重要。手掌采用3D打印制作，手腕處設有與其他部件連接的法蘭結構。手掌內部集成了電機驅動裝置及各個手指的動滑輪傳動系統，其中大拇指具有側擺和彎曲驅動兩個動滑輪系統。圖4所示為掌內空間布局。

圖4 手掌內部結構

各手指驅動十字動滑輪與手掌間設有電磁制動機構，十字動滑輪兩側有導向翅，有效防止動滑輪傾斜、旋轉。電機驅動和手指驅動的雙級鋼絲繩在動滑輪上呈十字垂直交錯，運動時互不干擾。電磁動滑輪結構及控制原理如圖5所示。十字動滑輪底部設計有電磁線圈，手掌內部在動滑輪運動方向設有鐵質制動板，電磁線圈底部和制動板頂部有對應的凹凸紋理，提升制動效果。初始狀態時，十字動滑輪底部的電磁線圈與手掌內制動板間無磁力作用，兩者懸空不接觸，十字動滑輪可自由運動；當給電磁線圈通電時，電磁線圈的磁力克服制動板底部的彈簧力，使制動板與電磁線圈吸合，由于制動板只能上下移動，不能平行移動，此時十字動滑輪與制動板結合，處于制動狀態。

圖5 電磁動滑輪控制原理

參照國家標準GB 10000—1988[15]對仿人手結構尺寸和手指功能進行設計，參數如表2所示，表中O代表耦合指節，M代表近指節，G代表根指節。

表2 手指參數

1.2 傳動系統設計與分析

腱繩欠驅動結構具備獨特的傳動優勢，在保證驅動安全性下提升手指對物體外形的自適應能力，同時驅動裝置與手指關節的分離，降低了手指設計復雜度，提升了手指轉配和維護的便捷性。

為提升仿生手整機結構的協調性和美觀性，將手指的驅動結構設置在手掌內部，手指結構僅作為驅動鋼絲繩傳動功能，鋼絲繩的兩端分別固定在耦合指節和近指節內部，中間繞過手掌內的十字動滑結構，當十字動滑輪平移滑動時與兩個手指形成動滑輪組，可使兩個手指節根據外界負載力的不同進行被動重新力分配，提高了非均勻受力時雙關節對物體抓握所需的適應性。單根手指傳動系統如圖6所示，驅動腱繩采用直徑0.8 mm、7×7結構的包塑鋼絲繩，它具有較好光滑度、柔韌度及拉伸載荷，負載能力可達10 kg。

圖6 手指傳動示意

手掌內各個手指的十字動滑輪通過一級鋼絲繩繞行連接，鋼絲繩兩端分別串聯彈性光感裝置后與手掌結構進行固定。掌內一級驅動鋼絲繩在掌內串聯的彈性光感裝置與手指關節內置的彈性光感裝置的彈力作用下保持預張緊狀態。在掌內彈性光感裝置的自由端設置了行程限位擋板，可以防止在驅動過程中彈性光感裝置被過度拉伸而損壞。絲桿電機帶動主驅動滑塊位于手掌中間位置，當主驅動滑塊移動時，由于一級驅動鋼絲繩兩端分別與手掌進行連接固定，手指的6個十字動滑輪進行收緊滑動。由動滑輪原理可知，繞行在不同動滑輪上的一級驅動鋼絲繩張力相同，在驅動過程中，每個十字動滑輪受到一級驅動鋼絲繩的豎向驅動拉力相同。以電機驅動力為F進行受力分析，當系統為理想動滑輪系統時，一級鋼絲繩上的張力為1/2F，則十字動滑輪上得到的手指驅動拉力為F。手掌內動滑輪系統繞線及受力分析如圖7所示。

圖7 動滑輪系統傳動分析

結合手掌與手指傳動系統對仿人手的驅動過程進行闡述。以圖8為例說明手指驅動過程，食指和拇指驅動時，手掌內其余三指的十字動滑輪上的電磁線圈通電，在電磁力作用下，掌內對應的制動板與十字動滑輪接觸，在摩擦力作用下十字動滑輪結構與手掌相對固定，其功能由動滑輪狀態轉變為靜滑輪，電機主驅動滑塊與食指十字動滑輪構成動滑輪系統，當電機驅動時，食指在對應的十字滑輪驅動下帶動手指內部驅動鋼絲繩進行驅動。

圖8 不同手指運動傳動結構示意

2 仿人手反饋系統研究

2.1 彈性光感裝置原理及結構設計

光在傳播過程中衰減受光源特性、傳播路徑特點、介質特性等影響。通過對影響光強傳播因素進行可控變化，實現對特定影響因素的表征。研究中保持光源和傳播介質特性一致，通過傳播路徑變化對光強衰減特性進行研究，從而建立傳播路徑特征與光強的數學模型。

根據手指在運動過程中關節柔性彎曲和肌肉伸縮的運動特點，提取與光傳播路徑相關的特征因素。因此彈性光感裝置結構體需要具備體積小、可任意角度彎曲、可被拉伸和自動回彈的特點，同時集成光源和光強感受器。不銹鋼彈簧具有彈力穩定、可伸縮和彎曲變形，且撤去外力后可自動回復到初始轉態，是彈性光感裝置的主體結構。

彈性光感裝置不僅是手指運動信息反饋的傳感器，同時也是手指驅動結構的組成部分，用于提供手指彎曲后的復位力。彈性光感裝置組成結構如圖9所示，主要有不銹鋼彈簧、彈性膠管、光感受器、光源。結合手指關節尺寸和彈簧強度，手部選用直徑為3 mm不銹鋼彈簧，手掌內選用直徑為6 mm的不銹鋼彈簧，通過線徑不同區分彈簧剛度。光敏電阻的阻值與光照強度有直接關系，且光照越強，電阻越小，可以檢測光線傳播路徑變化導致的光強變化，因此光感受器選用光敏電阻，峰值波長約為520 nm。根據光敏電阻光譜響應曲線，選用綠色發光二極管，其波長范圍520～525 nm。

圖9 彈性光感裝置不同狀態示意

當彈性光感裝置不受外力時，保持平直狀態，發光二極管與光敏電阻面面相對。當彈性光感裝置受到垂直于彈簧的中心軸線方向的拉壓力時，彈性光感裝置被拉伸或壓縮，此時發光二極管至光敏電阻感光面的距離發生變化，由此引起光線強度變化被檢測以表征軸向變化特征。當彈性光感裝置受到彎曲作用力時，發光二極管與光敏電阻感光面產生角度，光線傳播路徑由直筒式結構變為彎曲路徑，光線在傳播過程中在裝置內側的硅膠界面上發生反射和吸收損耗，由此引起的光線強度變化被檢測以表征裝置彎曲狀態下的特征。

2.2 關節轉角表征研究

基于設計的彈性光感裝置實現對手指關節轉角的表征，搭建如圖10所示的測試系統平臺，采用外力使手指克服彈性裝置的回彈力，使關節保持在特定轉角，對不同角度下對應的光敏電阻數據進行采集整理。

圖10 手指關節測試系統

為使手指彎曲運動時符合人手動作順序，使手指近指關節處彈性光感裝置中不銹鋼彈簧剛度小于耦合指節，以保證在無負載驅動時，手指關節按照先近指節后耦合指節動作順序。手指關節在不同角度下獨立測試10次，取平均值整理光強測試模擬值與關節轉角的關系如圖11所示。

圖11 轉角ω與光強測試模擬值Mg關系

對測試數據進行擬合處理，得到手指關節轉角與光強測試模擬值擬合方程如式(1)所示。

(1)

式中：ω為關節轉角，(°)；Mg為光強模擬值。

2.3 指面壓力表征研究

針對傳統薄膜式壓力傳感器在應用中的不足，通過對手指傳動系統受力進行研究，得到手指關節在不同轉角時二級鋼絲繩實際有效拉力，通過關節傳動特性分析，從而實現對指面壓力的表征。單手指關節受力分析如圖12所示。

圖12 手指關節受力分析

由圖12分析可知當手指在外界負載力下保持相對靜止時，關節轉矩有以下關系：

Tq=Tt+Tz

(2)

Tz=Fi·Li

(3)

Tq=F/2·ri

(4)

Tt=Fso·ri

(5)

則耦合指節和近指節的有效指面力公式如下：

Fo=(F/2-Fso)r1/L0

(6)

Fj=(F/2-Fsj)r2/L1

(7)

式中：F為一級驅動鋼絲繩張力，N；Fo為耦合關節有效指面力，N；Fj為近指關節有效指面力；r1為耦合關節驅動半徑，m；r2為近指關節驅動半徑，m；L0為耦合指節外部相互作用力有效力臂，m；L1為近指節外部相互作用力有效力臂，m；Tq為關節驅動扭矩，N·m；Tt為關節彈性損耗扭矩，N·m；Tz為負載作用扭矩，N·m。

彈性光感裝置內嵌于手指關節中，其彈性反作用力隨關節轉角的增大而增大。為得到關節在不同轉角下對應的損耗力，由于各個手指關節的驅動結構類似，以單根手指為例進行說明，通過如圖10所示的關節測試系統平臺，對手指的兩個關節不同角度下的損耗力分別進行獨立測試。

手指驅動的二級鋼絲繩與拉力計連接，通過移動拉力計使手指關節轉動到特定角度并保持穩定，此時負載拉力與彈性光感裝置復位作用力、關節摩擦力等綜合損耗力相互抵消，記錄不同關節轉角對應的負載拉力。對兩個手指關節分別進行10次測試，同時記錄下不同轉角位置時拉力計檢測的數據，將測試數據取平均值處理后如表3所示。

表3 不同關節轉角驅動損耗力

對表3中的測試數據進行擬合處理，得到不同轉角時關節損耗力數學公式：

Fsj=4.643-4ω2+0.089 14ω+0.088 57

(8)

Fso=2.5-5ω3-3.179-3ω2+0.174ω+1.71-2

(9)

式中：Fsj為近指關節損耗力，N；Fso為耦合指節損耗力，N；ω為關節轉角，(°)。

手掌內一級驅動鋼絲繩兩端串聯的彈性光感裝置用于檢測驅動鋼絲繩實時張力。通過在彈性光感裝置下施加不同負載以模擬拉力，每組負載下測試10次，整理光強測試值與負載的關系如圖13所示。

圖13 直線拉力F與光強測試模擬值Mg關系

對測試數據進行擬合處理，得到一級驅動鋼絲繩負載拉力與光強測試模擬值擬合方程：

(10)

3 抓取測試

搭建了如圖14所示的測試平臺對仿人手性能進行測試，測試平臺主要由電源、仿人手樣機、控制系統組成。仿人手樣機固定在一個可垂直升降的移動臺上，以模擬仿人手自主抓取狀態。

圖14 仿人手抓取測試平臺

通過實驗對仿人手的運動特性進行分析，對每根手指關節復位剛度進行調整，使手指近指節優先運動以符合人手運動規律。通過對運動過程中的彈性光強檢測裝置數據進行檢測，以表征手指關節是否運動結束。通過對電磁制動裝置的控制使仿人手的5根手指實現不同運動匹配，實驗過程中統一以根指節采集數據為對比基準，不同手指驅動個數時對應的數據曲線如圖15所示。

圖15 不同手指個數驅動時關節變化

從圖15(a)可以看出：單根手指驅動時，手指的動態響應速度最快，約0.2 s內根指節達到限位驅動轉角；當食指與中指同時驅動時，由于雙指同時運動，由動滑輪的傳動系統特點可知此時手指的運行速率降低為絲桿電機驅動速率的1/2。當5根手指全部驅動時，手掌內的5根手指的彎曲十字動滑輪全部處于驅動狀態，此時每根手指的理論驅動速率降低至絲桿電機速率的1/6，由于各個手指間摩擦狀態不完全相同，手指驅動過程中每根手指的驅動速率有一定差異。隨著參與操作任務手指個數的增加，手指運動的響應速率逐漸下降，但在多手指協調抓取任務中可以通過對同時驅動手指個數進行分階段調配，實現少數手指與目標物的快速接觸進行定位和預抓取，然后快速驅動其余手指全接觸實現強力包絡抓取。

為了評估仿人手關節自適應能力，將部分手指關節用外力限制，對其他手指關節的運動情況進行測試。如圖16可以看出：對任意手指的外力限制并不會影響其他手指的運動，且單根手指的兩個關節可根據外力不同進行自適應的姿態匹配，對形狀復雜物體具有較強的抓取自適應能力。

圖16 仿人手自適應能力測試

為更好地測試仿人手實際使用性能，對其進行較為全面的測試評估，將生活中一些常見的物品，如銀行卡、指甲鉗、螺絲刀、噴霧劑、薯片、蘋果等作為抓取測試對象。將測試物體放在抓取點，控制仿人手上下移動到預設高度，當物體被穩定地抓住后，仿人手向上移動使物體脫離支撐面并在空中保持45 s，且物體沒有滑落，判定抓取成功，否則判定抓取失敗。圖17所示為仿人手對常見物品的抓取測試。

圖17 抓取測試

4 總結

設計一種新穎的仿人手結構，在手掌內設置電磁式動滑輪系統，配合電磁控制機構，實現了單一驅動電機對5根手指6個自由度的獨立驅動控制，得益于動滑輪驅動系統，電機驅動力在手指驅動中得到最大化應用。手指采用鋼絲繩回繞驅動方式，使每個關節具有驅動的相對獨立性，且雙關節間可根據負載情況被動進行形態自適應調節。通過研制彈性光感裝置并對其光與力的特性進行研究，建立了基于光強反饋的負載力和關節轉角的數學模型，改善了傳統薄膜式壓力傳感器的不足，提升數據反饋的有效性，為仿人手結構設計和觸感反饋研究提供借鑒。