主从机械手的研制

1、主从式机械手的研制楷and婷生物科学与工程学院生物化学与分子生物学方向摘要：主从式操作机，亦或是外骨骼是目前日本、美国等多国竞相研究的一种新 型操纵技术，本次设计研制了一款仿人手形态的主从式机械手，其具有和人手大 部相同的功能且具有初步感知能力，并展望了其发展前景。关键词：主从操作主动端控制电路从动端，了 、刖言主从式操作方式的设计思路为：设计一个主动机器人作为操作端来使用，操 作人员按照自己的意图控制主动机器人的末端执行器进行运动，那么主动机器人 各关节在运动中生成的信号值就是作为发往从动端机器人各关节的驱动指令值。 主从式机器人分为单向式与双向式，在双向式操作系统中，从动机器人在操作中 的

2、有关力度等信息可以反馈给操作人员，以便其加以调整力量大小。在人体外部安装的主动操作机又被称为铠装式操作机或者人工外骨骼，在主 动操作机中，根据给予各关节的指令值，对每一个关节进行位置伺服驱动，可以 实现远距主从操作、人体力量的放大或是危险区域作业等等，这便是主从操作机 乃至外骨骼机器人的设计思想。目前外骨骼技术在各国均有所发展，如美国雷神 公司所开发的第二代军用外骨骼系统SarcosXOS2,可以使使用者能力大幅强化， 如完成上千次俯卧撑，轻而易举的举起200磅的物体，单手劈开3英寸厚的木板 等。以及日本筑波大学Cybernics实验室所研发的世界上第一款商业外骨骼机器 人Hybrid Ass

3、istive，这种装置能帮助残疾人以4 km/h的速度行走，毫不费力 地爬楼梯等。2在外骨骼设计中，无可避免要考虑到人体中最复杂的部位-手部的设计。目 前多数的机械手部无法实现像人的手指那样主动地实施控制，其适应的作业种类 十分有限。美国雷神公司开发的外骨骼则是采用几款不同形态的可替换的刚性手 爪来解决该问题。本次设计旨在研究出一种使用简便方法加以控制、可以实现远程双向式的主 从操纵机械手。该机械手包括有从手指到上臂的全部结构，可以完成由操控者所 佩戴的主动端所作出的一切动作，并将对于目标对象的力觉反馈给控制人员。以 下将整机分为主动端、控制电路与从动端三个模块并分别加以分析解说。2.主动端主

4、动端是套在操纵者身体上的操作端，可以将其分解为固定器与角度传感器组两部分。主动端的整体结构图如下所示:图2.1主动端整体结构图主动端中各部分结构尺寸严格按照操作者手部尺寸设计，以防自由度受到阻 碍。主动端由固定器与传感器组两部分组成。2.1固定器固定器起到固定传感器组和方便操纵者佩戴的作用。在该机械手的主动端 中共有腕关节固定器和肘关节固定器两组固定器。其中，如图二与图三所示，腕 关节固定器由手腕、手掌与拇指三部分固定器连接，肘关节固定器由前臂与上臂 固定器组成，人体手掌与手臂的各关节所对应的可活动部位均在固定器上以传感 器加以连接。为了节省安装空间，再加上由于人手的大多数功能仅需拇指、食指与

5、中指三 支手指协作便可实现，其中食指与中指起抓握作用，拇指起抓握时的定位作用， 故该机械手的主动端仅仅设立了拇指、食指与中指三支手指固定器，每支固定器 包括两根指节，各指节之间采用角度传感器进行活动连接，可保证在不影响操纵 者手指活动的同时采集其手指活动在传感器上所产生的信号。由于固定器上安装有大多数传感器，且其还要承受操纵者手部活动的负荷， 故从制作材质的加工难易程度、轻便度与坚固度加以考虑，采用川崎重工业株式 会社所生产的A5052型0.5mm硬铝板材作为制作材料。图2.2腕关节固定器人体手部活动过程中，从设计加工方面考虑，舍弃了手掌背屈角度，确定掌 屈角度50 ；舍去手掌的桡侧、尺侧屈曲

6、角度；确定桡侧外展角度为60、掌 侧外展角度为90。食指与中指各指节的设计屈曲角度为：第一节指骨屈曲 90 ；第二节指骨屈曲80 ；第三节指骨屈曲80，并合并第一、二节指骨为 第一指节，第三节指骨为第二指节。2.2传感器组在该机械手的主动端所安装的传感器所检测到的几乎全部为角位移量，故其 可以选用的传感器有编码器、电位器与关节角传感器等几种。编码器可以输出表示位移符号与增量的编码脉冲信号，在机器人设计中最常 用的是光学编码器。最近的36mm旋转编码器总分辨率可达1296000pulse/reo, 但其耐冲击性太差，尺寸过大，无法在安装空间狭小的主从式机械手的主动端加 以安装。电位器则一般由环形

7、电阻片与电刷组成，通过电刷接触电阻片而读取电信 号，电刷与驱动器连成一体，将其角位移信号转换成电阻的变化，目前以导电塑 料为主流，使用寿命很长，且由于碳黑颗粒大小为0.01um数量级，故分辨率极 高。其尺寸较小，很适合作为主动端的传感器，但也存在转动阻力较大、安装困 难的问题。关节角传感器则是安装于旋转关节部位，可用于测量关节的旋转角度。其通 过将导电橡胶的弯曲程度转换为电阻的变化而检测出关节的弯曲程度，结构简 单，即使旋转中心角固定得不准确也不影响测量，可以说是在接触传感器中最有 前景的一种。但是由于其精度尚待改进且自制困难，本次设计中暂不予以考虑。本次设计中所采用的为阻值10k的塑料非线性

8、电位器，其一般被大量用于随 身听的音量调节装置中，相比于同类产品，体积更小，使用寿命更长。如图所示， 电位器安装于单面覆铜电路板上，再安装于固定器上。图2.3传感器安装图图2.4标示出了在主动端上共安装有从A到J编号的共10个传感器，其安 装位置如图所示，均为操纵者手部相应关节所对应位置。另外在拇指、食指与中 指指节尖端均安装有紧贴操纵者指尖皮肤的压电陶瓷片，以作为从动端对所抓握 物体所产生的力觉反馈装置。传感器的20根引出线统一以绝缘胶布包裹待用， 以便接入控制电路。图2.4传感器组安装部位示意图3 .从动端从动端的作用是借助控制电路，将主动端各传感器旋转所获取的电阻值信号 转变为伺服电机相

9、同的转动角度量。从动端由电机组与传感器组这两部分所组 成。3.1电机组从动端可以采用的电机类型为：步进电机、DC电机、舵机。现比较其性能 如下表所示：表3-1电机比较表步进电机DC电机舵机速度控制与脉冲频率成 正比，但会有微 小波动反馈控制，平滑类似步进电机转矩控制复杂，电流一定 也会有微小的 位置变化转矩与电流成正 比类似步进电机效率低，体积越小效 率越低高高定位性高低高价格较高低较低如上所述，步进电机较为低效，不适合在需要瞬时产生大转矩的场合应用； 而DC电机定位性较差，且进行设计时一般希望使用较少导线数量，要想实现定 位控制，DC电机还要安装编码器或电位器作为位置传感器，电源端子与信号线

10、 共5根；步进电机为4-10根；舵机仅仅需要3根。故综上所述，该设计采用舵 机作为从动端的电机。图3.1各款舵机在从动端中，不同部位的关节采用不同种类的模拟舵机。其中，指节驱动舵 机性能参数为：重量8.3g、扭力1.5kg cm、转速0.12sec/60 ；腕关节驱动 舵机性能参数为：futaba 3003型、重量36g、扭力3.5kg cm、转速0.16sec/60； 肘关节驱动舵机性能参数为：MG995型、重量55g、扭力9.0kg - cm、转速 0.16sec/60。各款舵机各有三条引出线，其中红色导线为电源线，黑色导线为 地线，白色导线为PWM控制信号线，通过由控制电路所传出的具有不

11、同占空比的 方波来实现其定位要求。图3.2机械手指从动端机械手指每根具有2个自由度，以2台模拟舵机驱动，其大小类似于 操纵者手部，以期实现较高度的小型化与密集化。其手指肚安装有以导电海绵改 造的压觉传感器，通过舵机与主动端实现位置控制，通过接触传感器实现力反馈。用于搭建机械手指的舵机需要加以改造：卸下后盖，在其上与转动轴同轴线 的位置钻一直径1.5mm的小孔，安装上一支带垫圈的螺丝，以便作为第二台舵机 安装支架的第二个转动轴，以分散转动轴的作用力，提高支架的牢固度。图3.3舵机支架改造安装图将各机械手指用螺栓固定于手掌面板上，即可完成从动端的手掌制作。其余 腕、肘部件制作与之相似，故不再赘述。

12、3.2传感器组集中式传感器具有功能单一、结构简单的优点，是最适合在机器人设计中应 用的传感器，包括接触传感器、压觉传感器、滑觉传感器等。其中，压觉传感器可用于检测传感器表面上受到的作用力，可用于判断机器人是否接触目标或环 境，用于寻找物体或感知碰撞，可由导电海绵、触电、绝缘体构成。手指外壳（绝孙）图3.4压觉传感器结构若导电海绵被挤压，导电粉末的密度发生改变，其电阻降低，通过与振荡电 路连接，改变振荡电路的频率，使输出端紧贴人体皮肤的压电陶瓷震动强度发生 改变，从而提醒操纵者手指力度的改变。3孩传感器电路组制作三组，分别安装 于三根机械手指的指肚空间中。图3.5力觉传感器电路图4控制电路在该主

13、从机械手的设计中，驱动电机采用的是舵机。舵机主要由以下几个部 分组成：舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路板等。舵机 的工作原理为：控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带 动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相 连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控 制电路板进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度， 直到达到目标后停止。舵机的输入线共有三条，中间一条是红色的电源线，一条是黑色的地线，这 两根线给舵机提供最基本的能源保证。设计中采用6.0V电源。最后一根线是控 制信号线，Fut

14、aba的一般为白色，JR的一般为桔黄色。舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制(PWM)信号，其中脉冲宽度从 0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0-180度，呈线性变化。也就是说，给它提 供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样 改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应 的位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms的基准信号， 有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电 机的转动信号。图4.1控制电路图在该设计中采用的控制电路图如上图所示。该系统包括方波发生器，而伺服 放大器

15、和伺服机构两个部分均位于舵机内部。该电路是一款改进型间接反馈式多 谐振荡电路，在间接反馈式多谐振荡电路的基础上增加了二极管VD与R并联， 其振荡公式为：t=0.693RAC，t=0.693RBC，T=t+t，占空比二t(t)/T。121212图4.2控制电路盒在控制电路的制作中，为了尽可能的减小所需空间，故绝大多数元件采用贴 片元件，机械手的10个关节的控制电路设计在一张单面覆铜板上，安装于一 6X14 的有机玻璃盒中，盒侧面安有与各关节相连的插座，采用6.0V电压供电。5 .未来展望该款主从式机械手虽然能够初步达到实验要求，但还存在一系列问题，如主 动端强度不足、操纵者活动空间受限、仅可以实现短距离有线操纵等。故为了给 改进留下空间，已将机械手设计成控制电路与驱动电机可分离的模式，以便在改 进过程中继续使用结构未加改变的从动端。在未来的改进中，可选用响应时