機(jī)械手指在機(jī)械手上位置的設(shè)計(jì)與分析

1、機(jī)械手指在機(jī)械手上位置的設(shè)計(jì)與分析1.簡(jiǎn)介人類的手已經(jīng)進(jìn)化成為一個(gè)復(fù)雜而且適應(yīng)性強(qiáng)的夾緊機(jī)構(gòu)。對(duì)于不同的結(jié)構(gòu) 它能快速的重新調(diào)整自己以便靈活地抓住目標(biāo)物體【1】。它z所以能實(shí)現(xiàn)這樣的 功能，是因?yàn)樗幸粋€(gè)能超過(guò)26° （自由度）自由旋轉(zhuǎn)的整體和一個(gè)基于人量傳感 器的復(fù)雜的分層控制【2】?，F(xiàn)在我們?cè)絹?lái)越有興趣去發(fā)展多手指的機(jī)器手來(lái)模擬 人手所呈現(xiàn)的功能。一些研究人員已經(jīng)設(shè)計(jì)出不同類型的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)抓緊和控制 目標(biāo)物體的功能。像機(jī)器手和機(jī)械握爪（手指有兩個(gè)以上）這樣的裝置被廣泛應(yīng) 用于實(shí)際運(yùn)用屮。這些類型的裝置嘗試著模仿人類手的外形來(lái)設(shè)計(jì)希望能獲得很高的靈活性 和多功能的操做性。此外，大多

2、數(shù)有用的多手指的原型擁有大角度的自由旋轉(zhuǎn)， 復(fù)雜的控制和高昂的造價(jià)。然而，它們?nèi)匀徊荒芡耆珡?fù)制所有抓的功能和覆蓋人 類的手的所有夾緊模式。我們認(rèn)為主要的問(wèn)題產(chǎn)生的可能性在于是否一個(gè)裝置能 調(diào)整它自己的手指的位置以形成通用的夾緊結(jié)構(gòu)。因此，設(shè)計(jì)一只機(jī)器手時(shí)它的 手指能夠通過(guò)移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)來(lái)完成任務(wù)是十分重要的。有一些工作只要改變機(jī)械手指的位置就能夠處理。例如：upenn hand（賓夕 法尼亞大學(xué)手）的兩個(gè)手指用一只電動(dòng)機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)一對(duì)180"的旋轉(zhuǎn)。手指位于 轉(zhuǎn)軸的后方，允許側(cè)向運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，所述照參。bartholet hand （巴特勒夫手） 有著和剛才描述過(guò)的upenn hand（賓

3、夕法尼亞大學(xué)機(jī)械手）相類似的功能。guo hand （郭氏機(jī)械手）的3個(gè)手指在一個(gè)凸輪裝置和一只電動(dòng)機(jī)的幫助下可以實(shí) 現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的同步運(yùn)動(dòng)。另一個(gè)例子是skinner hand （斯金納手），它的3個(gè)手指在只 有一只電動(dòng)機(jī)的情況下就可以旋轉(zhuǎn)。因此，從這些機(jī)械手的例子中我們可以清楚 一個(gè)手指位置以期望它的軸心旋轉(zhuǎn)可能會(huì)影響到手指和手多功能運(yùn)動(dòng)。此外，作為改善現(xiàn)有的雙手解決方案，可以舉例說(shuō)明概述了機(jī)制設(shè)計(jì)的 macus colobi和iim的機(jī)械手。拉利伯提（laliberte）和戈瑟蘭（gosselin）開(kāi)發(fā) 了 macus colobi自適應(yīng)機(jī)器人輔助手。在這種機(jī)器手不同的手指配置，獲得了 在90

4、度范圍內(nèi)的兩個(gè)定向手指。這個(gè)機(jī)械手的原型及其調(diào)控機(jī)制，如圖3.1所 示。這兩個(gè)手指的旋轉(zhuǎn)是通過(guò)一個(gè)齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行協(xié)調(diào)的。駱（luo）和梅（mei） 發(fā)展了 iim的機(jī)器人手。iim的機(jī)器人手可以不同的夾緊配置進(jìn)行操作，作為夾 緊不同形狀的目標(biāo)物體的功能。這兩個(gè)機(jī)械手指能夠連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)，他們的轉(zhuǎn) 軸的結(jié)構(gòu)由一幀步進(jìn)電機(jī)和齒輪傳動(dòng)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)幾種夾緊機(jī)構(gòu)。圖3. 2顯示了 iim機(jī)械手及其旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。圖31自適應(yīng)輔助機(jī)器人手及其調(diào)控機(jī)制圖3.2. iim機(jī)械手及其旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圖33在卡西諾的larm （拉爾姆）的拉爾姆手tv雖然這些機(jī)器人手可以旋轉(zhuǎn)的手指，但是在擴(kuò)大夾緊能力上效果是有限的。因此，有必要設(shè)

5、計(jì)一個(gè)機(jī)制，使機(jī)械手指能同時(shí)移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，目的是實(shí)現(xiàn)更可行的夾緊機(jī)構(gòu)。在過(guò)去十年中，在卡西諾的larm （拉爾姆），他們的設(shè)計(jì)和研究活動(dòng)已經(jīng) 設(shè)計(jì)出一個(gè)擬人化機(jī)器人手，所述照參。這個(gè)機(jī)器手是以拉爾姆機(jī)器人手iv為 原型的，是由3個(gè)手指組成并且像人手一樣具有一個(gè)自由度，如圖3. 3所示。每 個(gè)手都指是一個(gè)獨(dú)立的模塊，它是由直流電機(jī)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和3節(jié)擬人指骨所構(gòu)成 的。木文的目的是改善拉爾姆手（larm hand）的夾緊能力，并且這種改善是 以低成本和易操作為特點(diǎn)的。特別是，我們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新的機(jī)制，通過(guò)連續(xù) 不斷的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的拉爾姆手的手指，使它的幾種夾緊方式達(dá)到與人類的行為相 似。事實(shí)上，這種設(shè)

6、計(jì)還可以應(yīng)用到任何機(jī)器手，其結(jié)構(gòu)類似于拉爾姆手。本文組織如下：在下一節(jié)中，我們會(huì)用實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)顯示人手與機(jī)器手夾緊方 式的比較。在第三部分，我們討論了改變手指姿勢(shì)的需要和要求。在第四部分， 我們討論的是特征擬議機(jī)制。然后，將新的機(jī)制的設(shè)計(jì)和運(yùn)行詳細(xì)的制定出來(lái)。 在本文最后一節(jié)，處理的是在亞當(dāng)斯環(huán)境下得到的仿真結(jié)果，冃的為了表明該擬 定機(jī)制設(shè)計(jì)的有效性。2. 夾緊方式（略）3. 移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)手指的需要性在本節(jié)屮，我們將討論實(shí)驗(yàn)的測(cè)試，以說(shuō)明人手的兩種基本夾緊模式的穩(wěn)定 性，目的是為激發(fā)機(jī)器手的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的需要。為了獲得在每一個(gè)模式下夾緊力 的準(zhǔn)確信息，4個(gè)接觸力傳感器分別被貼到一個(gè)人的每手指上。其中

7、3個(gè)傳感器 已經(jīng)被安裝到拇指（手指1）,食指（手指2）和小手指（手指3）的表面。這些 手指已被用于夾緊一個(gè)物體：一種模式是3個(gè)手指平行捏住物體，如圖35a所 示；另一種模式是用3個(gè)手指向心捏住物體，如圖3. 5b所示。另一只手的拇指 （手指4）配備了另一只力傳感器，并用來(lái)作為在每個(gè)夾緊模式屮推動(dòng)目標(biāo)物體 運(yùn)動(dòng)的外力。圖3. 6顯示了圖3. 5a中夾緊圓柱形物體的測(cè)試實(shí)驗(yàn)的測(cè)力結(jié)果。手指1、2、 3分布在目標(biāo)物體邊界的周圍，按照平行夾緊模式達(dá)到力平衡。當(dāng)手指4所施的外力方向是像圖3. 5a中一樣沿圓筒的軸線方向，由其他3 個(gè)手指所產(chǎn)生的力向量則無(wú)法抵抗這個(gè)外力（如扳手）。因此，目標(biāo)物體會(huì)脫離 手

8、指。這個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，該夾緊模式是不容易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的，因?yàn)閵A緊對(duì)象的自 由度不能受到限制。(a)(b)圖35人手夾緊實(shí)驗(yàn):(a) 3個(gè)指平行捏住木制圓柱體；(b)3個(gè)手指向心捏住塑齒輪時(shí)間：秒 園袈1圖儲(chǔ)扳手圖36在圖35a屮人手的3個(gè)手指平行夾緊圓柱體的模式下，測(cè)量夾緊力和外力的大小圖3. 7顯示了像圖3. 5b這樣相對(duì)穩(wěn)定的情況下的夾緊模式的耗力結(jié)果。手 指1、2、3分布在圓形目標(biāo)物體邊界的四周。當(dāng)外力是沿圓的徑向方向指向目標(biāo) 物體，如圖3. 5b所示，三個(gè)手指可以調(diào)整自己的力量和方向，以抵御外力快速 實(shí)現(xiàn)夾緊平衡。在這種夾緊模式中圓形物體不容易從手中滑落，并且可以始終保持平衡狀態(tài)。大多數(shù)擬

9、人機(jī)器手只有在3指平行模式下才能夾緊目標(biāo)物體。它們不能改變 手指姿勢(shì)，使夾緊一個(gè)圓形物體時(shí)接觸點(diǎn)均勻分布，以限制目標(biāo)物體，因?yàn)樗鼈?使手指的位置固定或只手指關(guān)節(jié)可以旋轉(zhuǎn)。當(dāng)我們以環(huán)形模式夾緊目標(biāo)物體時(shí)， 圓筒的軸向自由度就不能受到限制。這樣，它就沒(méi)有接觸點(diǎn)，以抵抗外部扳手或 沿圓筒軸向施加的力。圖表1力牛1816142084“ ar1r1j1 1 1 1111!11fl11111bill.v60、> au3 a丿l7 v610 125.5 力 牛5秒裁袈310圖37在圖3. 5b中人手的3個(gè)手指平向心夾緊圓柱體的模式下，測(cè)量夾緊力和外力的大小通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，我們知道：3指向心夾緊模式是非常

10、有效的機(jī)器人手，對(duì)于 球型物體來(lái)所尤其是抵抗外部扳手。它可以確保夾緊穩(wěn)定，可以用最小的力有效 實(shí)現(xiàn)封閉力的夾緊平衡。因此，它可以方便地重新安排一個(gè)夾緊模式，因?yàn)樵? 指向心夾緊模式屮，只要移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)一個(gè)或多個(gè)手指即可實(shí)現(xiàn)。我們進(jìn)行了拉爾姆手iv的夾緊實(shí)驗(yàn)，以測(cè)試一般機(jī)器人手的夾緊模式，實(shí) 驗(yàn)結(jié)果如圖3. 8所示。對(duì)于一般的機(jī)器人手的手指運(yùn)動(dòng)學(xué)描述如圖3. 9所示。節(jié) 點(diǎn)1、2和3是由連桿機(jī)構(gòu)和一只馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，在圖3. 9中馬達(dá)用斤表示。在手指 機(jī)構(gòu)的xz平面內(nèi)，驅(qū)動(dòng)是從手指的第一個(gè)關(guān)節(jié)傳遞到指尖結(jié)構(gòu)的。通常，手指和指骨的運(yùn)動(dòng)發(fā)生在一個(gè)一個(gè)平面上，如圖39所示，并且每個(gè)指骨的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩仍然在這個(gè)平面

11、內(nèi)。因此，在各個(gè)指骨的各自平面內(nèi)，如果手指 繞自己的動(dòng)作平面旋轉(zhuǎn)，它就不能在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆较蚪o出一個(gè)適當(dāng)?shù)膴A緊動(dòng)作來(lái) 進(jìn)行穩(wěn)定。3個(gè)手指可以構(gòu)成一個(gè)三角形夾具，如圖3.10a所示，但是接觸位置 位于指骨指軸上發(fā)生扭矩行動(dòng)的轉(zhuǎn)角上。一個(gè)恰當(dāng)?shù)膴A緊裝置需要手指的移動(dòng)和 旋轉(zhuǎn)，以達(dá)到正確的夾緊形態(tài)，就像圖3.10b-樣。這樣的手指結(jié)構(gòu)就不會(huì)損傷 手指和目標(biāo)物體。(a)(b)(c)(d)圖3. 8拉爾姆手tv的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)：q）用捏的方式夾緊一支鉛筆；（b）3指向心夾緊一只塑 料齒輪；（c）包絡(luò)夾緊一個(gè)蘋(píng)果；（d）包絡(luò)夾緊一個(gè)圓柱體。圖39 一般的三節(jié)骨指機(jī)器人手指的運(yùn)動(dòng)學(xué)圖3.10穩(wěn)定夾緊方案和力分布情況：（a）3指平行夾緊；（b）3指向心夾緊圖3. 8c顯示拉爾姆機(jī)器人手iv是用3指夾緊模式夾住蘋(píng)果的。在這個(gè)夾具 機(jī)構(gòu)中，機(jī)械手指通過(guò)骨指上的尖角接觸蘋(píng)果，正如圖3.8c中白色箭頭所表示 的。手指內(nèi)側(cè)的接觸力不能被正確地施加在蘋(píng)果上。因此，這種夾緊模式在損壞 蘋(píng)果的同時(shí)會(huì)損壞手指，除此之外也不能保證正確夾緊。本文的特別貢獻(xiàn)可以認(rèn)為是：在解決上述問(wèn)題時(shí)，以現(xiàn)有的拉爾姆手iv通 過(guò)使用一個(gè)獨(dú)特的機(jī)制，來(lái)取得合理的夾緊模式。4. 條件和特征（略）5. 新機(jī)制的設(shè)計(jì)和運(yùn)作（略