仿人机器人手爪机构的简化设计

仿人机器人手爪机构的简化设计

0手加快机构的功能与特点机器人的手爪机构直接影响到工作对象。为了完成各种机器人操作，必须使用手爪进行操作。同时，手爪的结构、重量和大小对机器人的整体运动学、动态性能和使用有直接而显著的影响。机器人整体水平的高低好坏,最终能否正常按照人们的意图去工作,还要看其末端执行机构。因此,手爪机构是仿人机器人设计中的一个重要环节。人手是人类经过世世代代的劳动演变进化而成的。其小巧紧凑的结构、灵活稳定的抓取操作功能,应该是研究机器人手爪的理想模型和目标。因此,如何分析并选取合理的简化结构和运作方式,采用何种表现形式才能既有利于功能的实现,又不影响控制的方便,便成为首先需要解决的任务。1模仿人体，多臂设计机器人手部的结构和设计,对机器人的性能和使用有着直接的影响。文章正是基于以上原则,并从仿生和美学的角度出发,做出了一些尝试和探索。1.1嘴唇设计的特点机器人简易手指的设计,坚持美观实用的原则。从仿生学的角度,仿照人类手指的结构、特点和功能进行设计,使其具有灵巧、美观,通用性、实用性强的特点。因此,手指设计力求结构紧凑,质量轻便。在材料上,选用轻便坚固的合金钣材;手指在结构上采用三关节,由钢丝绳拉动,模仿人类手指的外型和运动特点。1.2实际结构的设计此设计根据人类手指的结构、功能,采用了类似于人手的手掌、手指和运动形式,有5个手指,拇指有两个关节,包含2个转动副,其余四指每指均有3个关节,各包含3个转动副,四个独立手指分别与四根转动轴相联接,转轴成一线装在手掌上。图1是整个手掌的实际外形结构图。三自由度的四手指和二自由度的大拇指相配合,每个手指关节之间均以弹簧作回复力,以指根关节作为主动关节,用一个电机驱动,使手指作开启闭合运动。其它关节采用弹簧与机械限位方式,当指节没有外力作用时指关节在弹簧力与机械限位作用下保持两指节在一条直线上,允许手指在一定范围内运动,以免产生不希望的手指弯曲或其它不希望的运动影响。同时根据所要达到的目的、功能,简化了结构,没有按照通常的做法,在每一个关节上均加驱动钢丝,而仅在末指关节以钢丝拉动作为肌腱,其它关节通过回复扭簧与末指关节发生作用,在末指关节的驱动下,产生各种运动。每一个手指分别由一个独立的电机控制。试验证明,这种做法不仅大大简化了结构,而且能够更柔软、轻巧地完成抓、握、捏等以及其它各种较为复杂的动作。1.3机器人嘴唇的力学模型在设计中,除了拇指是两个关节以外,其余四指均为三个关节。把给定任务规划为手指关节的期望运动,然后根据各关节所须转动的角度,计算弹簧参数,进一步确定弹簧规格以及电机转动角度,从而确定控制方法和策略。由于手指结构功能实现的动力是通过腱(钢丝绳)来传递的,腱所受张力的变化直接影响手指的运动特性,因此,腱传动系统模型的分析与建立是至关重要的。正因如此,文章在此着重研究随着腱的伸缩或腱运动路径的变化,其张力变化的一些特性。根据Steinitz定理和Caratheodorg定理,对于具有N个连杆的机器人,任意超过2N个腱的驱动都是多余的;而由后面定理则可得到对于具有N个连杆的机器人,至少需要N+1个腱来驱动它。事实上,上面两种情况正好对应了两种最常见的腱传动:N+1腱结构,用一个腱驱动所有关节沿一个方向运动,另外N个用来产生相反运动方向的力矩,分别驱使各关节沿反方向运动;2N腱结构,即每个关节连接两个腱,分别沿相反方向运动。在本设计中,机器人手指实质也是连杆结构。以食指为例,它有三个连杆,按照上面的理论,则至少应有4个腱驱动,末指节的腱用于驱动所有关节沿一个方向运动,另外3个腱产生向相反方向运动的力矩。由于对机器人手指的设计应尽量使其结构简单、操作灵巧、控制容易,因此本设计采用“自贴合”的“欠驱动”方式,既简化控制、减轻重量、降低能耗及制作成本,又提高了操作的适应性。现以食指为例说明,其结构原理如图2所示。由于该设计采用变形系数很小的钢缆传递动力,而且电机的驱动力矩很小,因此,可以忽略腱本身由于受力所发生的形变,将其视为刚性的。因此,由图2容易得到在转角变化的过程中,腱伸缩量的变化:Δ=hsina+[l2cosb0−h2+l22−2hl2cos(90°+a−b)−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√]+2πrc−b+b02πΔ=hsina+[l2cosb0-h2+l22-2hl2cos(90°+a-b)]+2πrc-b+b02π在不考虑一切摩擦及能量损失的情况下,腱所做的功必然等于手指所做的功,由能量守恒定律可以得到关节转矩:τ=p(θ)f式中:f∈Rp为腱端部力的作用矢量;θ为关节转过的角度,p(θ)为含有变量θ的偶合矩阵。对于单指有:p(θ)=∂Δ∂θ(θ)p(θ)=∂Δ∂θ(θ)Δ为腱的位移量。对于运动学模型,用MATLAB仿真得到如下结果(见图3)。腱的位移量总是严格为正,且在关节转角增大的过程中,腱的收缩量亦随之增大;反之,当腱的收缩量增大时,关节转角也随之增大。由图3(a)可见,当转角在0度～360度变化时,腱的伸缩量不是稳定变化的,其结果将使手指产生非匀速运动。然而事实上,由于结构及其设计功能的要求,转角最大的转动范围仅为0度～90度即可。而由图3(b)可见,在此范围内,腱的伸缩量随转角呈近似线形变化,即手指在此范围内,能够作近似匀速运动。由上面的分析可知,对于手指腱的力学模型,在关节角度由0度～90度变化时,其MATLAB仿真结果如图4所示。可见,手指运动过程中,在初始状态时,腱所受的拉力最大,然后随着转角的增大,缓慢平稳地减小。因此,在运动过程中,腱的受力平稳,不存在超负荷运动现象。仿真的结果证明,这种欠驱动方式不存在结构上的运动“死区”,运动平稳,且建模方便,控制容易实现。2管理系统的设计2.1处理器的设计控制系统结构采用单片机控制,上位机串行通信,通过输出占空比可调的脉冲信号来控制电机转速,从而达到控制机器人手指的功能。本着控制电路微型化、高效化的原则,采用MCS-51单片机中的AT89c2051作为微处理器。它是Atmel公司生产的一种8位单片机,只有20只引脚、压缩了I/O端口和存储器容量,具有处理能力强、片内结构集成度高的特点,尤其适用于小型微型控制电路。由其P1.7～P1.3口输出五路信号分别驱动电机。2.2数字与模拟部分的连接系统采用232串口通信的方式与主控器通信。另外,为了防止软件运行失控,对单片机进行上电复位和定时复位,加上了看门狗电路。用单片机的一个I/O口(P1.2)对定时器进行清零,当程序在执行过程中跳飞或进入死循环时,程序不能在定时溢出前对其进行清零,就会使MAX813定时溢出而产生位信号,使单片机重新起动。为了提高工作电路的稳定性与抗干扰性,分别对数字与模拟部分单独供电,两部分之间通过光电耦合器相连接。电路设计全部采用贴片式元器件结构