（机械制造及其自动化专业论文）机器人三指灵巧手控制系统的研究.pdf

哈尔滨1 程大学硕士学位论文 摘要 论文介绍了机器人三指灵巧手的机械构成、进行了运动学和静力学分 析，论述了三指灵巧手控制系统的组成，其中包括软硬件设计原理及丌发过 程。 给出了控制系统的总体方案，由于三指灵巧手在实际作业时，要求控制 系统有很高的适时处理能力以及很高的可行性，并有对三路模拟信号进行处 理的能力，因而我们采用两级控制方案，用下位机来实现电机驱动电路以及 反馈电路的设计，以实现对手指运动的控制；用上位机实现轨迹规划、故障 诊断。下位机电路主要包括上下位机通信电路、电机驱动电路、关节转角位 置检测电路以及力信号采集与处理电路。并完成了控制系统硬件电路的调试。 针对三指灵巧手控制策略及控制系统硬件电路设计，用c 5 1 语言编制了 控制机的软件并进行了调试。完成了控制系统软硬件的联调。 进行了三指灵巧手的实验，将灵巧手的机械部分、控制系统硬件、软件 进行联调。调试了单片机与p c 机之间的通信，实验验证了所设计的控制系 统可以根掘上位机传送的指令，实现控制灵巧手手指采取各种操作。 关键词：三指灵巧手；控制系统；单片机 哈尔滨、i 、程人学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i s p a p e ri n t r o d u c e dt h em e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，s t a t i c sa n a l y s e ，e s p e c i a l l y , t h e c o n t r o ls y s t e mo ft h et h r e e f i n g e r e dd e x t e r o u sh a n d ，i n c l u d i n gs y s t e mc o m p o s e ， d e s i g np r i n c i p l ea n dd e v e l o p m e n tp r o c e s so f i t ss o f t w a r ea n dh a r dw a r e s y s t e m g i v e nt h ec o l l e c t i v e t yp r e c e p to f c o n t r o l l i n gs y s t e m b e c a u s et h ec o n t r o l l i n g s y s t e mn e e dt oh a v e l i g ht i m i n gd e a l i n ga b i l i t ya n dh i g hf e a s i b i l i t y , a n dn e e dt o d e a lt h r e es i m u l a t i n gs i g n ，w es e l e c tt w ol e v e lc o n t r o l l i n gp r e c e p t w eu s e8 9 c 51 t od r i v em o t o r , s ot od r i v et h ef i n g e r s ，u s ep ct oc o m p l e t eo r b i tp r o g r a m m i n g ， p e r s o n c o m p u t e ri n t e r c o m m u n i c a t i o n , t h ec o n t r o l l i n ga r i t h m e t i co ff o r c e l o c a t i o n ， f a i l u r ed i a g n o s ea n ds oo n t h e8 9 c 51c i r c u i ti n c l u d et h ee o m m u n i c a t i o n c i r c u i t ， m o t o rd r i v e nc i r c u i t ，j o i n tl o c a t i o nd e t e c tc i r c u i ta n df o r c es i g n a lc o l l e c t i n ga n d d e a l i n gc i r c u i t a n dd e b u g a l lt h eh a r d w a r ec i r c u i to f t h e c o n t r o l l i n gs y s t e m na l l u s i o nt ot h ec i r c u i ta n dc o n t r o l l i n gw a y , w eu s ec 5 1t op r o g r a mt h e s o f t w a r eo ft h es i n g l e - c h i pc o m p u t e r , a n d c o n v e y t h es i g nw h i c hi sd e t e c t e d 仔o m t h ec o d e rt ot h ep cf r o ms e r i a li n t e r f a c e a tt h es a n l et i m e ，u s et h es i g nw h i c h c a m ef r o mp ct oc o n t r o lt h ef i n g e r sm o t i o n a tl a s t ，w eh a dc o m b i n e dt e s t , w h i c hi n c l u d et h a tt h e c o m m u n i c a t i o n b e t w e e ns i n g l e - c h i pc o m p u t e ra n dp c ，a n ds o l i d i f i e dt h ed e b u g g e d p r o g r a m t ot h e c m o s c h i p k e y w o r d s ：t h r e e f i n g e r e d d e x t e r o u sh a n d ；c o n t r o ls y s t e m ；s i n g l e c h i p 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：年月目 哈尔滨工科火学硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题来源于“2 1 l 工程”重点学科建设项目“多机器人协调作业系统” 中的子项目。其研究目标为：建立具有力感知功能的多指灵巧手系统。本沦 文将主要研究灵巧手手指的驱动和控制技术。 1 2 课题的研究目的和意义 自从1 9 6 0 年第一台机器人问世以来，机器人技术有了迅猛的发展，在 国防、科研、生产等领域都有了广泛的应用，代替人们从事一些复杂的、危 险的、或者非人可达的工作，从而减轻了人们的劳动强度，提高了效率，扩 大了人类活动的空间。 1 、2 1 研究目的 就目前国内外的工业机器人而言，大都是针对专门的任务而设计的，使 用的也是央钳式或平行移动式的单自由度末端执行器。这种术端执行器的结 构简单，控制方便，对于实现大范围的负荷运动作业十分有效，但却存在自 由度少、结构简单、通用性差的特点。 多指灵巧手的研制有助于解决上述问题。因为作为末端执行器的灵巧手 相当于安装在机器人臂上的可独立实现精细操作运动的一组机器人，通过机 器人臂实现粗定位，利用灵巧手实现精确定位。若采用适当的抓取方式和抓 取规划算法，从理论上可以抓取任意形状的物体并且对物体施加任意的运动 和力。这对提高机器人智能化作业水平有着重要的意义。本课题通过对灵巧 手手指结构的优化设计及对控制系统的研究，想最终使灵巧手能够完成以下 操作： 1 能适应被操作对象外形的变化，尽可能抓取不同形状的物体； 哈尔滨工程火学硕士学位论文 2 能控制操作力，以便对不同材质的对象进行操作； 3 能对被瓤躲体进行微小的位姿调整，以潢足装配要求。 1 2 2 研究意义 机器人多指灵巧手的研究属国际自口沿课题。目前，欧荚各国讵在尝试利 用机器人从事空间站物品搬运和装既、空蚓站维修等工 乍，两规爨人灵巧手 对于这一目标的实飙无疑具有重要的意义；此外，将机器人灵巧手用于钱场 掇黉稠摊嚣、核工她设备的检测和修理等危险 乍业。仿人帆器人灵巧手还可 以成用在残疾人用假手、老人院生活服务等领域 1 】。 1 3 机器人多指灵巧手综述 机器人多指灵巧手的研究是从假肢开始的，1 5 0 9 年人们为在战争中失去 一只手的年轻武士b e r l i c h i n g e n 制作了一只通过弹簧驱动的假手。2 0 世纪8 0 年代以来，机器人技术飞速发展，应用领域不断扩大，很多国家加强了机器 人多指灵巧手的研制开发，取得了许多很有应用价值的成果，相继有一批著 名的灵巧手问世。 1 3 1 国外研究现状 1 9 6 2 年美国就有一种类似多指 灵巧手的手爪制造出来。但是真正的 灵巧手是1 9 7 4 年同本的o k a d a 手【2 1 ， 如图1 1 所示。该手具有三个手指， 有一个手掌，拇指有三个自由度，另 两个手指各有四个自由度。各自由度 图1 1o k a d a 多指灵巧手 都是由电机驱动，并由钢丝和滑轮完成运动和动力的传递，属于n 驱动方式。 浚手的抓取重量为0 5 k g ，自重o 2 4 k g 。这种手的灵巧性比较好，但由于拇 指只有三个自由度，还不是最灵巧的手。此外，在结构上，各个手指细长而 单薄，难以实现较大的抓取力和操作力。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 德国宇航中，f l , 研制的d l r 手被公认为迄今为止世界上最复杂、智能化和 集成化最高的仿人机器人多指灵巧手【3 i 。如图】2 所示，该手是一种仿人手， 它是由四个完全相同手指组成，每个手指有四个关节。整个手共由1 0 0 0 个机 械零件以及1 5 0 0 个电子元件和1 1 2 个传感器组成。其中，末端的两个关节同 人手类似，存在着机械祸合，使用个驱动器进行驱动。基关节使用两个驱 动器，实现两个方向的运动。d l r 手采用电驱动 方式，使用微型直线驱动器作为驱动元件，n + l 驱动方式。亥直线驱动器将旋转电机、旋转直线 转换结构和减速机构融为一体。所以e 口j ：b s - y t n 的驱动器集成在手指或手掌中，减小了手指的尺 寸，同时使腱的传动距离缩短，提高了动念响应。 d l r 手在每个手指上集成有2 8 个传感器，包括 类似人工皮肤的触觉传感器、关节力矩传感器、 位置传感器、速度传感器和温度传感器等。 图1 2d l r 多指灵巧手 具代表性的多指灵巧手是1 9 8 5 年美国麻省 图1 3u t a h m i t 多指灵巧手 哈尔滨i i ：程大学硕士学位论文 理工学院和犹他大学联合研制的u t a h m i t 灵巧手【”，如图1 3 所示。这是 种仿人手，其大小、形状、功能都与人手相似。u t a h m 1 t 手采用了模块化的 结构设计，四个手指( 拇指、食指、中指和无名指) 完全相同，每个手指有 四个自由度，各手指都连接到手掌并且相对于手掌运动。手指的每个关节都 由腱( 绳索) 、滑轮进行远距离带动，属于2 n 驱动方式，驱动元件采用的是一 排气动伺服缸，能在指尖上产生3 1 n 的抓取力。1 6 个位置传感器装在每个关 节上，3 2 个腱拉紧传感器装在腕后面。目前该手多用于实验室的各种研究， 它的主要问题是关节自由度太多，控制太复杂，难以实现实时的在线控制， 还未得到实际应用。 美国斯坦福大学研制的s t a n f o r d j p l 手( s a l i s b u r y 手) 也是一种非常具有代表 。降的非仿人多指灵巧手【5 j 。如图1 4 所示， 浚手没有手掌，共三个手指，每指三个关 节，拇指相对另两指布置。每个手指由四 个直流力矩电机驱动，通过四条绳索张力 的调节来控制三个关节力矩的大小，属于 n + 1 驱动。关节l 、2 有9 0 。的运动范围， 术端关节3 有1 3 5 。的运动范围。这种手图1 4 s t a n f o r d j p l 多指灵巧手 每个手指的自由度只有三个，在抓取物体 时，抓取点( 指尖位置) 一旦确定后，其抓取姿态就唯一确定。因此，实际上 手指没有冗余关节，也就没有抓取的柔性，无法像人手一样进行灵巧、稳定 的抓取和操作。 此外，加拿大多伦多大学机器人和自动化实验室研制的p u m a r a l 手， 如图1 5 所示。这种灵巧手有四个手指，一个手掌，四个手指配置在一个直 径约为1 3 0 m m 的圆上，“这种布局几乎可以抓取任何形状的物体” 6 1 。手指 1 、2 和4 有四个自由度，手指3 只有三个自由度( 不能旋转) ，各手指长度 相同，通过齿轮、柔性轴、螺杆和电磁离含器来传递运动和动力。柔性轴、 齿轮和螺杆将电机的旋转运动转换成关节的运动，电磁离合器分别控制每个 关节。所有螺杆通过柔性轴和电磁离合器连接到唯一的步进电机上。由于这 哈尔滨t 桴大学硕十学位论文 鹜l ，5p u m w r a l 多播灵巧手豹手攀鸯届羁手撰结稳 种手指采用一个电机驱动所有关节，实现抓敬运动的速度非常慢，无灵巧性， 而且难以实现对物体的微细操作，所以只能在实验室用于些试验研究。 我癸，函癸逐有荚誉毫安营顿大学聚铡翳s o u t h a m p t o n 手、嚣本懿全电 动式手t d h 5 1 - 1 、k o b a y a s h i 手和按键盘的手、意大利的r o v e t t a 手。 1 3 2 国内发展现状 在嚣肉，瑟瑟巧手豹疆究燕获2 0 - 蓬纪年代螽羯开始酶，其中以j l 衷 航空航天大学研制的b h 系列为代表，从1 9 8 7 年以来，北航己先后磷制出 b h 1 、b h 2 、b h 3 型多指灵巧手，如图1 6 所示，浚型手是一种仿s t a n f o r d j p l 手，三摇丸鑫蠢发，每令手摇塞疆令龟板驱动，疆予n + l 驱凌方式。透，乞年， 蹰1 6b h - 1 型多指灵巧簪 图1 7b h 4 型多指灵巧手 l 髋开始磋究b 4 型灵巧手l ”，如匿1 7 敷示，浚手为四搬十六自由艘，采 弱模块化设诗，分为手指、手攀鄹枫械接弱三个模块，改变手掌设计可以获 5 哈尔滨t 程火学硕七学位论文 得拟人或非拟人手，机械接口用于确定手与臂的连接，改变机械接口可以使 灵巧手适应不同的机械臂。传动元件全部由齿轮副组成，电机完全置于手指 中。传动路线短，结构简单、紧凑。 哈尔滨工业大学于2 0 0 1 年研制成功具有 多种感知功能的多指灵巧手h i t - i 型”】。如图 1 8 所示，浚手与人手相似，是一种仿d l r 手，共有四个手指，每个手指三个自由度四 个关节，末端两个关节具有机械耦合，通过 个直线电机实现驱动。该灵巧手具有位置、 温度、多维指尖力和关节力矩等9 6 个传感器， 共有机械零件6 0 0 多个，表面贴装电子元件 1 6 0 0 多个，实现了基于多传感器的手指阻抗 控制及基于数据手套的远程遥控作业。可以 图1 8h i t 1 型灵巧手 通过数据手套中手指的动作，利用计算机网络通讯，对灵巧手进行远距离控 制操作。 此外，北京科技大学也研制了一种多指灵巧手，这是一种非仿人手，共 三个手指，第1 和第3 指分别有五个自由度，第2 指有四个自由度。这种手 自由度过多，增加了控制的难度，外形上显得比较笨拙，结构上需要大大地 加以改进。 日j 已经制造出来的这些多指灵巧手在结构方面都存在许多不完善的地 方。因此，有必要对多指灵巧手结构进行深入的分析，并引进合理的优化设 计方法，设计出结构更为合理的多指灵巧手，为多指灵巧手的实用化和其他 方而的研究提供最理想的结构。 1 ，4 机器人灵巧手驱动技术综述 机器人灵巧手的各个关节需要驱动系统来驱动，驱动系统是机器人及其 灵巧手的重要组成部分，对系统的性能和操作能力具有决定性的作用。在一 般情况下，灵巧手的驱动系统由驱动器和传动系统两部分组成。驱动器是驱 6 哈尔滨：l 程大! 学硕士学位论文 动系统的核心部件，用以产生运动和力；传动系统将运动和力从驱动器传递 到灵巧手手指的关节。 1 4 1 机器人灵巧手驱动器 灵巧手驱动装置可以是电气的、液压的和气动的。驱动方式的选择不但 要根掘实际应用对灵巧手的定位精度、速度和加速度控制和需求，而且要对 机器人的制造成本、控制器的复杂性等因素进行综合的考虑。机器人灵巧手 驱动系统每个关节的驱动装置也可以不是采用单一的驱动方式，而是采用不 同驰动方式的结合，从而获得较高的性能价格比。常常采用的关节驱动装置 有电力驱动装置、液压驱动装置和气动驱动装罱。只有少数的灵巧手采用了 形状记忆合金( s m a ) 驱动、压电陶瓷驱动和可伸缩性聚合体驱动等新型驱动 技术”1 。 141 1 气压驱动 气压驱动是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的。通常使用空气压 缩机作为动力源。气压驱动装置结构简单、成本较低、反应时间快、易于维 修。但因为空气的可压缩性大，所以采用气压驱动装置所达到的定位精度较 低，承载能力较差，执行部件运动的速度也难以控制。当关节运动到终点时 可能会出现一丝振颤。因此，这种驱动装置比较适合从一个固定的起始位置 到固定的终点位置的点对点的位置控制。美国的u t a 1 m i t 手和日本东京大学 的y a m a s h i t a 手采用了气压驱动方式”】。比较典型的相关研究工作还包括 g r o d s k i 和i m m e g a 设计的机器人肌肉驱动器( r o m a c r o b o t i cm u s c l e a c t u a t o r ) 和c a l d w e l l 研究的气动肌肉( p n e u m a t i cm u s c l e ) 【6 j i 刈等。r o m a c 的体积不大，但是输出拉力可以达到1 3 3 k n 。 1 4 1 2 液压驱动 液压驱动系统是以油液的压力来驱动执行机构的。液压驱动系统可连续 地控制几个轴的运动，并可使机器人灵巧手精确地移动到确定的空间点，它 由液压马达和连续变量阀组成。液压驱动装置的特点是可传输较大的扭矩和 7 哈尔滨工程入学硕十学位论文 力。其不足是由于内部的工作油的粘度随环境温度的变化而变化，造成控制 特性的不稳定。并且常常会因为工作油的泄漏、操作时的噪音造成对工作环 境的污染。 因此虽然近年来市场上出现了一些微型的液压驱动器和气压驱动器，如 s a r c o s 驱动器“等，但仍不能改变电驱动在灵巧手驱动中的主导地位。 d e l f t 大学和m u n c h e n 大学研制的灵巧手都采用了液压驱动方式1 14 1 。 1 4 1 3 电驱动 电气驱动是利用各种电机产生的力或力矩，直接或经过减速机构去驱动 执行机构运动的。机器人灵巧手关节采用电气驱动装置有较高的定位精度、 速度和加速度容易控制，同时电驱动技术是技术最成熟、应用最广泛的一种 驱动方式，因此这种驱动方式为大多数灵巧手所采用。按照输出运动形式， 机器人灵巧手的驱动器主要包括旋转型驱动器和直线型驱动器两种。采用旋 转型躯动器的灵巧手以s a l i s b u r y 手为代表，其驱动系统由直流伺服电机和齿 轮减速机构组成，由于受到体积的限制，驱动系统只能放置在手掌中，通过 腱进行手指关节的远距离驱动。近年来，微型驱动器和减速器( 如谐波减速器 等) 为手指驱动系统的设计提供了新的方向，为实现本体与驱动系统的集成化 创造了条件。采用直线型驱动器的灵巧手以德国的d l r 手为代表，其直线驱 动器将旋转电机、旋转直线转换结构和减速机构融为一体，有利于灵巧手的 微型化和集成化。 1 4 2 机器人灵巧手传动系统 出于灵巧手的手指部分的尺寸一般都较小，结构紧凑，所以难以把电机、 液压缸等驱动原件安装在这里。一般要安装在臂上或其它更远的地方，因此， 就必须通过传动系统将安装在远处的驱动元件所产生的运动和动力传递到手 指上，从而使关节做相应的运动。 灵巧手传动系统目前有采用绳索( 或腱) 加滑轮 1 5 】【1 6 1 形式，也可以采用钢 丝软轴加螺旋 6 】或是用连杆传动 1 7 】。其中基于腱传动方式仿效人手的驱动原 理。被大多数灵巧手所采用，如s a l i s b u r y 手、u t a h m i t 手、u b 手、d i s t 8 哈尔滨t 利人学硕+ 学位论文 手和d l r 手等。腱传动系统的优点是： 1 与其它传动方式相比，腱传动在结构的紧凑性，研制的灵活性、成本 和维护费用的低廉性等方面具有最好的综合指标； 2 腱传动是一种零回差的柔顺传动方式，因而可以简化力控制器的设计。 腱传动系统的缺点是： 1 由于腱的网度是有限的，所以驱动系统表现出一定的滞后，从而影响 位置精度，甚至引起高增益系统的不稳定； 2 必须对腱进行预紧，这增加了结构的复杂性和装配的难度；同时预紧 程度对驱动系统的性能有很大的影响，即：较大的预紧力会产生较大的磨擦 力，而较小的预紧力会导致腱的松弛； 3 腱的张力和波动如果很大，可能会激发系统的振荡，从而引起腱的不 稳定或造成腱的破坏。 在腱传动系统中，腱的机械特性、数量以及在手指中的路径设计对于灵 巧手的性能具有较大的影响。通常，腱的材料具有很高的抗拉强度和杨氏模 量，其中杨氏模量对于高负载情况下驱动系统的刚度有很大的影响。为了使 用腱传动系统实现_ n 个关节的自由驱动，所需腱的数目( 即驱动器的数目) 有n 、n + l ( 为s a l i b u r y 手所采用) 和2 n ( 为u t a h m i t 手所采用) 三种， 其中n + 1 型的腱驱动系统折衷了复杂性和灵活性。 加拿大多伦多大学机器人与自动化实验室研制的四指p t a n a r a l 手l6 1 ， 采用钢丝软轴传动用一个步进电机驱动所有的关节，通过柔性轴、齿轮和 螺杆将电机的旋转运动转换成各个关节的运动。由于整个手只有一个电机驱 动。所以抓取速度较慢，难以进行精细操作。英国研制的五指s o u t h a m p t o n 手，其手指内部采用连杆传动，手掌的体积较大，结构欠合理。 1 5 机器人灵巧手的控制综述 控制系统是灵巧手的一个重要组成部分，是保证灵巧手完成动作要求的 丰要手段，是用来控制灵巧手的工作顺序、抓取和操作，使灵巧手按照作业 的要求去完成各项任务。 9 哈尔滨l 挥人学硕士学位论文 灵巧手控制系统出传感器、控制执行器、受控对象以及其它一些辅助装 置组成。灵巧手控制的主要任务是完成对物体的抓取和操作以及对物体进行 微小的位姿调整。灵巧手控制系统的形式很多，按记录和信号类型的不同， 可分为模拟式和数字式；按控制回路的不同，可分为闭环式和丌环式；若按 控制执行器的不同，则可分为：机械控制、射流控制、顺控器控制、液压控 制、程序和数字控制以及计算机、微处理机、单片机的控制等等。在实际控 制过程中，需根据具体情况进行造型或适当组合，来设计一个比较完整的控 制系统。 目前国内外灵巧手的控制均采用计算机控制，计算机控制能实现很复杂 的控制方案，且易于人机对话与智能化等。 多指灵巧手是一个复杂的控制对象，从体系上讲其每只手指都是一个多 自由度的串联臂机器人，要实现有效的控制，除对每只手指的三个驱动关节 需要准确高效的控制外，多个手指之间还要相互协调，以共同完成某确定 工作。这样的复杂系统，常用方法是按照大系统的控制方法，将控制问题分 解成若干相关的子系统控制问题来处理，常用的控制方法有分散控制、分布 式控制和递阶控制三种形式： 1 分散控制系统：每个子系统只能得到整个系统的一部分信息，只能对 系统变量的某一子集进行操作和处理，各自有独立的控制目标 2 分布式控制系统：每个子系统的控制单元是按子系统分柿的。系统控 制目标分配给各予系统，它们之间可以有必要的信息交换。 3 递阶控制系统：各子系统的控制作用是按照一定优先级和从属关系安 排的，有决策单元实现的。同级的各决策单元可以同时平行工作，并对f 级 施加作用。他们又要受到上级的干预。下级各单元可以通过上级相互交换信 息。 由于递阶控制系统具有控制结构清晰，层次分明的特点，而分布式控制 系统便于采用模块化结构，可扩展性好，因此大多数多指手控制系统采用递 阶控制和分布式控制相结合的控制结构设计，如图1 9 所示。由于其控制结 构较复杂，整个控制体系可分为任务规划、任务分解、多指手路径规划、运 动协调、单手指路径规划、运动学动力学计算、电机控制等多层结构。 0 哈尔滨i ：程人学硕+ 学位论文 图1 9 多级多目标递阶控制系统结构 1 6 本课题主要研究内容 本课题主要是研究三指灵巧手的控制系统，包括控制系统的硬件电路设 计与调、系统控制软件编制两大部分。其主要研究内容如下： 1 三指灵巧手的机械结构； 2 三指灵巧手的运动学和静力学分析； 3 三指灵巧手控制系统的硬件； 4 三指灵巧手的控制软件； 5 三指灵巧手的控制算法。 、 哈尔滨j 】+ 程大学硕士学位论文 第2 章三指灵巧手的整体结构设计 灵巧手的结构设计应尽可能从仿生学的角度出发，通过设计出仿人形的 多指灵巧手来代替人手完成各种精细复杂的操作。它是机构、传动、控制三 犬系统的综合设计，从系统观点来看，各子系统的设计应首先使系统具有最 佳的整体效果，同时使其它子系统的设计变得相对简单，最后才考虑子系统 内部的设计。这应该是我们设计灵巧手必须遵循的准则。 从设计方法来看，有拟人法、理论计算法和综合法。拟人法可使灵巧手 吸收人手的某些优点，而理论计算法在灵巧手无法参考人手的结构或尺j t 时 是必须的，较好的方法应该是把理论法和拟人法为体的混合法。 2 1 三指灵巧手的机构设计 灵巧手的机构设计主要是确定机构的自由度、手指数目、机构原理、传 动方案、关节、手掌的结构及几何尺寸、传感系统的布置位置。首先要求机 构具有较高的力、运动传动精度，较好的可控性和经济性；其次要求机构本 身有较佳的机械特性。 2 1 1 灵巧手的手指设计 多指灵巧手的手指结构设计主要包括以下几方面的内容【8 | ： 1 手指关节运动副的型式； 2 ，手指的自由度； 3 手指数目； 4 手指的结构形式； 5 手指的材料。 1 2 哈尔滨上程人学硕士学位论文 2 1 ，1 1 手指关节运动副型式 多指灵巧手的手指机构同其它任何机构一样，由若干构件组成，构件之 l 剖则通过运动副彼此相连，用来产生确定的运动。运动副相当于人手的关节。 常见的运动副有转动副、移动副、螺旋副、圆柱副和球面副【】，它们的约束 数分刖为5 、5 、5 、4 和3 ，相应的自由度数目为1 、l 、1 、2 和3 。由于各运 动副都要借助于驱动器来实现。而无论是转动的还是移动的驱动器又大多为 一个自由度。所以在多指灵巧手关节驱动中，可以采用的只有转动副、移动 副和螺旋副3 种。但是采用移动副和螺旋副的关节只能够使手指获得直线运 动，其灵巧性明显要比只含转动副的手指要差，因此，本文所设计多指灵巧 手的运动副全部采用转动副。 2 1 1 2 手指的自由度 对于单个手指，希望它有使指端达到空间任一点的功能，这样才能适应 物体外形的变化，由于空间点是三维矢量，所以手指的自由度至少应是三个， 少于三个时就不能满足要求。相反如果手指自由度多于三个，则存在冗余自 由度，冗余自由度的优点是在满足指端到达空间指定点的前提下，可以调整 术杆的姿念，从而保证手指与物体的接触处于最佳状态。但是我们也可以看 到，冗余自由度增多，结构过于复杂，控制也更难，所以不可取。 现有的多指灵巧手手指的运动副数目一般为3 个或是4 个，对于3 自由 度的手指来说，虽然不存在抓取和操作物体的灵巧性f 1 9 】。但其灵巧手的结构 设计和控制设计都很方便。本文设计的多指灵巧手每个手指有3 个关节。 2 1 1 3 手指的数目 从仿生学的角度来看，人手能够抓取各种不同形状、不同材质的物体， 其根本原因在于人手能采取各种各样的抓取姿态去适应特殊的任务要求。通 哈尔滨：r 程火学硕十学位论文 过对人手抓取任意物体方式的分析，可以将人手的抓取方式分为：手掌接触 抓耿、手指内侧接触抓取、手指侧面接触抓取、3 个虚拟指的抓取、混合抓 取等口。而多指灵巧手对物体的操作即是实现不同抓取方式之间在的转换的 运动。其中前三者为人手抓取的基本类型 is i ，可以实现其它几种类型的抓取。 1 指端接触抓取将大拇指作为“虚拟指l ”，另外四指作为“虚拟指2 ” 的相对面抓取。它具有良好的抓取灵活性，抓取精度较高，但在抓取稳定性 及抓取力上受到一定限制。 2 手掌接触抓取定义手掌为“虚拟指l ”，除大拇指外的四指为“虚拟 指2 ”的相对面抓取。它以牺牲抓取灵活性以换取抓取的稳定性，、手掌及各 指的大面积接触被抓物使手抓充分发挥出抓取力，同时提供足够的摩擦力。 大拇指可以用以增加抓力，因此这种抓取方法保证了最大的抓耿力和抓取稳 定性。 3 侧接触抓取大拇指为“虚拟指1 ”，食指朝大拇指的侧面为“虚拟指 2 ”接触面的抓取，其抓取灵活性和稳定性介于指端接触抓取和手掌接触抓取 之间。 因而所有的抓取都可以不用5 指，而只用3 指( 拇指、食指、中指) 柬 实现。所以从结构尺寸，控制的简便性出发，以及在满足物体可实现抓取和 微细操作的前提下，我们所设计的多指灵巧手的手指数目取为3 个。 2 1 1 4 手指的结构形式 对于三自由度手指，按照关节轴线之问是否平行、相交垂直和交错垂直 三种情况，共有2 7 种不同的关节配置。由于轴线相交垂直使得传动布置较为 幽难，去掉这些情况还有八种组合，如图2 1 所示。其中，和l 、和 i i 、v 和i i i 、v i i ；f 口i v 手指结构相同。但是，和的手指结构指端只能作平 面运动，不能满足手指结构的功能要求，这样只剩下了、和v 三种结构 类型。 4 哈尔滨工程火学硕士学位论文 一 vv v m 图2 1由3 个转动副构成的手指结构 从手指机构的f 逆解和手指结构的操作空问等方面的分析和研究，以及 本文所研究对象的具体要求，采用第w q u 手指结构较为合理。 2 ，1 1 ，5 手指的材料 为减轻重量，同时也由于手指所抓取物体般都不是很大，所以，手指 的结构材料一般选用铝合金。在一些特殊情况下，也可以采用碳素钢、铸钢、 合成即料等。一般在手指的表面再粘附一层橡胶或软塑料等材料，以减小手 指与物体接触时的冲击，同时也可以增大接触摩擦力。 2 1 1 6 手指具体结构设计 通过以上对三指灵巧手手指的结构分析，我们得出了手指的具体结构设 计。由于三指灵巧手采取模块化设计，三个手指结构基本相同，其具体结构 如图2 2 所示，具有以下特点： 1 手指中心为中通的孔，由指尖贯穿到指根，为传感器引出信号线预留 空叫。 2 每指根关节和端关节采用整体构件式设计，减少累积误差，增强了抓 lj_c1i_o上万 1ii_ctii_cll参li工一ti痧上一t16li痧 l上一t上一t上万iiit上万l上一t1了万 l上一t上一三 哈尔滨t 稃人学硕十学位论文 取州的稳定肚。 3 每指中关节采用了由螺钉装配的活耳片，使手指关节的装拆更方便； 4 指根座上预留螺钉孔，使三指能很容易的装配在手掌上； 5 除了传动轴外，整个手指采用l c 4 、l y l 2 材料。强度高，刚性好， 重量轻； 6 表面材料为橡胶，可减少手指与物体接触时的冲击和增大磨擦。 图2 2 手指结构示意图 21 2 灵巧手的手掌结构设计 目前已经研究出来的多指灵巧手可以分为具有手掌( 以d l r 手为代表) 和不具有手掌( 以j p l 手为代表) 两类。没有手掌的灵巧手，其抓取和操作 的灵巧性都比较好，对抓取尺寸比较小的物体并对其进行微细操作有利：而 具有手掌的灵巧手，当手掌及各指的大面积接触被抓物体能使手爪充分发挥 出抓取力，同时提供足够的摩擦力，从而大大提高其抓取稳定性。 就一般性和通用性而言，手指抓取应先以稳定性为前提，而且可以通过 1 6 哈尔滨1 ，程人学硕士学位论文 优化设计来弥补灵活性的不足，故本文研究对象选择有手掌的结构形式。 手掌结构设计较为复杂，要考虑的因素很多，因为它随着手指结构的不 同而不同，几乎没有通用性。设计手掌主要考虑了手指根指座的支撑和定位 安排、弹簧导管的配置和定位、电机的安装定位、信号线的布置等因素。手 掌结构如图2 3 所示，本文所设计的灵巧手手掌具有以下特点： l ，手掌的内部为一空腔，便于安装电机，引出驱动绳索和各种信号线。 2 手掌的掌心处为一平面，便于与手指配合抓握物体。 3 采用l c 4 为材料，刚度、强度好，重量轻。 n d 向 睢毋r w j n 第黝藏焉 o 0 0 o0 糍黝c 筋l 鳓 黝翮 母o00o o o00 0 搿黝露臻臻 九 i a 黝 燃 a i 一 国 图2 3 手掌结构示意图 1 7 c 向 哈尔滨】+ 程人学硕士学位论文 2 2 灵巧手动力传动系统的设计 本文所设计灵巧手的传动方式为绳索加滑轮的方式，每个手指三个关节 都是采用6 段柔软无伸缩性的钢丝绳驱动，在每个电机的输出轴上固接一个 随电机转动而转动的驱动轮，每个关节轴上也都固定有滑轮，钢丝绳通过固 定装置固定在滑轮上，实现远距离封闭式传动。传动示意图如图2 4 所示： 图2 4 闭式传动示意图 指 动力传递单元是从电机驱动轮到手指被驱动轮之间的一整套机构，它起 着传递力和力矩驱动手指关节运动的作用，其设计主要包括驱动轮、张紧轮 等的设计。一 1 驱动轮该灵巧手采用绳索加 滑轮传动方式，为防止绳索在滑轮上打 滑，应将绳索固定在驱动滑轮上形成闭 式传动，这样在绳索破断拉力范围内能 有效传递动力，如图2 5 所示。 2 张紧轮绳索加滑轮传动方式 中，绳索自身的结构伸长在传动中是不 能忽略的，它会造成传动的迟滞现象， 一电。蕾电“ 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 给控制增加难度。因此，在运动玎始前，应该预紧每一个闭环传动链，以提 高传递效率。因而，方便的张紧装置是整个系统的重要组成部分。图2 , 6 和 图2 ，7 分别为张紧装置的位置示意图和张紧装置结构图。 罔2 6 张紧装胃位哥示意图图2 7 张紧装置结构图 2 3 灵巧手驱动方式的设计 母 我们所设计的灵巧手的驱动方式选择为电气驱动，因此首先需要确定驱 动源个数。针对手指自由度个数与其相对应的驱动源个数的关系，目前所研 究出来的灵巧手手指的驱动源数目有n 个( 如o k a d a 手，n 为自由度数目) 、 n + 1 个( 如s t a n f o r d j p l 手) 、2 n 个( 如u t a c h m i t 手) 。 n 驱动采用n 驱动方式的优点是一个驱动源对应一个自由度，控制系 统软硬件设计都较容易，且电机数量少，成本低。但由于驱动轴上有f 反两 条绳索，关节转动时，绳索一边拉紧一边放松，造成系统中的摩擦力矩较大， 传动效率较低。 n + l 驱动可以消除n 驱动方式中的缺点。如图2 8 所示，对每个关节 运动而言都是由两个电机来完成，但对相邻的两个关节而言，其运动是由三 个电机完成，即每个关节上存在一个冗余驱动源，给控制带来困难。 2 n 驱动没有上述缺点，如图2 9 所示，每个关节的运动均由独立的两 个电机完成，所需电机太多，成本高，驱动部分重量、体积大。 9 哈尔滨一t ：程大学硕士学位论文 x a ) 初始各关节位置 z b ) 末端关节旋转 接近关节固定 c ) 接近关节旋转 术端关节固定 图2 8 用n + l 根筋驱动n 个关节的手指 a ) 初始各关节位置b ) 赛端养节旋转c ) 接近巷节旋转 接近关节固定末端关节固定 图2 9 用2 n 根筋驱动n 个关节的手指 本文研究多指灵巧手以m o t o m a n 公司的s v 3 型工业机器人为安装基 体，其要求的抓取动载荷为3 k g ，为了缩小手掌体积、减轻重量，这里采用 n 驱动，并通过选择合理传动索材料，对传动索润滑柬减小摩擦力矩。 2 4 三指灵巧手总体结构 通过对三指灵巧手手指、手掌以及驱动和传动系统的结构设计，我们得 出了三指灵巧手总体结构，装配图如图2 1 0 所示。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 5 本章小结 图2 1 0 三指灵巧手装配图 本章详细分析了三指灵巧手手指的机械结构和手掌的机械结构，包括手 指的数目、自由度数、关节运动副型式、结构形式以及手指的材料；根据本 文的实际需要，确定了灵巧手的驱动方式为电驱动方式、传动方式为绳索加 滑轮的方式，给出了传动方式的结构图：最后给出了三指灵巧手的装配图。 2 | 哈尔滨l 程大学硕士学位论文 第3 章三指灵巧手的运动学和静力学分析 为了可靠地抓取并操作被抓物，灵巧手的必须对被抓物施加一定的力和 力矩，这个力与力矩实际上与关节电机的驱动力与力矩存在着一定的对应关 系”】。当灵巧手与被抓物保持平衡状态时，也即三指灵巧手指端匀速运动或 静止时，接触力恒定。此时关节电机的驱动力应为多大就是本章对灵巧手静 力学分析所要解决的问题。 3 1 灵巧手的运动方程 要想由指端力求得关节驱动力，必须先找出灵巧手指端与关节之间的对 应关系。而灵巧手的运动方程x = x ( q ) 表征手指的操作空间x 与关节空_ f a jq 之间的位移关系，因此我们首先建立三 指灵巧手的运动方程。 单指机构是三指灵巧手系统的重 要组成部分，灵巧手各指的机构参数基 本一样，对单指机构在指根坐标系中的 分析研究可以引申到其余两指。因此我 们在d - - h 坐标系中建立单指机构的坐。 标系，如图3 1 所示。 图3 1 单手指坐标系 其z 。轴分别为转动副i 的转动轴 线，x ，为相邻两轴线z 。和z ；的公垂线，其中x 。轴任选。x 。轴和x 轴的 交角为8 ，公垂线长为s i ，轴z 。与z 。的交角为岱，公垂线长为h 。 在如图所示的坐标系中，。、，：、，3 分别为根指关节、中指关节、端指 咒节n 长度。口。、目2 、0 3 分别为坐标轴与x t 绕2 t 旋转的角度、一与x ：绕乃 哈尔滨。稃大学硕十学何论文 旋转的角度、x 2 与而绕毛旋转的角度。 参照图3 1 ，根据d e n a v i t h a r t e n b e r g 理论【2 2 】【23 1 ，得出各连杆参数如表 3 1 所示。 1b 口j 一1d hd ， l q 0 4 00 2 0 2 9 0 。 f l 0 3 b 0 。 ，2 o 由式 2 2 1 可知杆间的变换矩阵为 c o s 0 s i n o jc o s o f ，1 s i n o , s i n o ! j - 1 o s i n 0 c o s o jc o s t g f p l c o s g s i n ( z p l 0 o s i n a 一 c o s o r p 1 o 将表3 1 中的数据代入，可以得出各杆间的变换矩阵 ? a j 爿： c o s 护i 】一s i n 6 f 1 0 0 s i n o j lc o s o l 0 0 00lo 0001 c o s o r 2 0 - s i n a i 2 0 一s i n o f | 20 ，1 o1o c o s o i 2 0 0 oo1 c o s o f 3 一s i n o , 30 ，2 s i n o i 3 e o s o ，3 0 0 1 0010f 0001 l a i - i d js i l l 口，一 d ，c o s 0 c p 】 l ( 3 1 ) ( 3 2 1 f 3 3 ) ( 3 - 4 ) 哈尔滨t 1 程人学硕士学位论文 ；爿= oo 10 o1 00 ( 3 - 5 ) 设坐标系中点p 在参考坐标系x , y ，中的位置为n = 【o 0 0 1 ，在参考坐 标系y 。z 。中的坐标为“p = b 。p ，p 。1 7 ，则p 点在基础系中的位置由 下式确定： n p ：? 爿! 彳；4 ，3 爿p 将式( 3 - 2 ) 一( 3 - 5 ) 代入式( 3 - 6 ) 得： p | x p f p p ，： 1 1 3c o s o lc o s ( o , 2 + 只，) + f 2c o s 0 j 1c o s o i 2 + ，】c o s 0 , l ，3s i n g , lc o s ( o , 2 + 只3 ) + ，2s i n 8 , lc o s l 9 , 2 + f 】s i n o 一，3s i n ( o , 2 + 只3 ) 一，2s i n o , 2 1 ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) 因此，只要给定各关节的转角幺。、只：、就可根据( 3 7 ) 算出指端在指 根坐标系中的运动方程，其中i = 1 ，2 ，3 ，分别代表拇指、食指和中指。 3 1 1 灵巧手拇指的运动方程 根据灵巧手的具体结构，有拇指指根到手掌的齐次变换矩阵昌丁： ：；l ： 压20 一压2 一b 010o 冱娩0 , j 2 c oool 由式( 3 7 ) 、( 3 - 8 ) 可得拇指指端在手掌坐标系中的运动方程： ( 3 - 8 ) 屯o o ， 1 o o o 哈尔滨，l ：程人学硕士学位论文 4 5 2 ( t 3 q c 2 + 3 + ，2 q c 2 + ，1 c i + ，3 s 2 3 + ，2 s 2 ) 一b 1 3 s i c 2 + 3 + 1 2 s 1 c 2 + ，1 s 1 x 2 2 ( 1 3 c l c 2 + 3 + ，2 c 】c 2 + ，l c l 一，3 屯+ 3 一，2 s 2 ) 十