【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的基本要求。常見做法是用碼盤測(cè)量電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)角，經(jīng)減速比縮小后，關(guān)節(jié)角的計(jì)算值可以有較高的分辨率，但傳動(dòng)間隙和變形會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響測(cè)量 結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。理想的方式是直接測(cè)量關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，在現(xiàn)有設(shè)計(jì)中，可以看到將霍爾元件、電位計(jì)和關(guān)學(xué)傳感器用于關(guān)節(jié)角位置測(cè)量的實(shí)例。 在環(huán)境對(duì)象不確定的應(yīng)用場(chǎng)合，沒有接觸信息反饋，很難想象靈巧手能完成任何任務(wù)。從人的經(jīng)驗(yàn)可以直接觀察到觸覺與手的靈巧性關(guān)系密切。你如果有過手指凍僵的經(jīng)歷，就會(huì)體驗(yàn)到?jīng)]有足夠的觸覺信息，人手會(huì)變得笨拙。觸覺傳感器分為兩類：力傳感器和接觸傳感器。力的測(cè)量方式有多種，測(cè)鋼絲繩張力和手指關(guān)節(jié)力矩，可以分別采用 1維力和力矩傳感器。也有復(fù)雜一點(diǎn)的 3維力傳感器測(cè)指端接觸力大小和方向。再復(fù)雜一些 ，可以用 6維力 /力矩傳感器測(cè)量接觸力的位置、大小和方向。力傳感器響應(yīng)快、性能比較穩(wěn)定，但只能測(cè)量合力，無法識(shí)別接觸點(diǎn)的數(shù)量和分布。后者靠接觸傳感器測(cè)量。這類傳感器通常由多個(gè)觸點(diǎn)組成陣列，用來測(cè)量接觸區(qū)域和觸點(diǎn)的壓力，從而可以獲得接觸點(diǎn)的位置、接觸區(qū)域的形狀和力信息。由此，還可以進(jìn)一步獲得摩擦信息，以便判斷是否發(fā)生滑動(dòng)。盡管靈巧手樣機(jī)的開發(fā)采用了多種觸覺傳感器，但究竟使用哪種觸覺傳感器或幾種結(jié)合更好，還沒有明確答案。另外，接觸傳感器在分辨率、信號(hào)處理、走線，以及制作和價(jià)格等方面離應(yīng)用還有距離。 其他類型傳感器 ，如接近覺、視覺、加速度、振動(dòng)等，通常是針對(duì)特殊任務(wù)需要而增加的。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 傳感技術(shù)離 我 期望的應(yīng)用目標(biāo)還有很大的距離，特別是觸覺傳感器，已經(jīng)吸引了大量研究投入。盡管如此，在提高可靠性、分辨率、靈敏度等方面仍然面臨重重困難。靈巧手在運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)上越來越接近人手，但由于觸覺傳感功能滯后，限制了機(jī)械功能的發(fā)揮。 聰明的大腦 即便有了像人手一樣的運(yùn)動(dòng)和傳感功能，如果沒有控制系統(tǒng)，這些潛能就不能發(fā)揮，就像人若“手巧”必需“心靈”一樣。 目前用于靈巧手的控制策略分為兩類：主從控制和自主控制。主從控制的特征是人直接參 與控制過程，在控制系統(tǒng)中扮演判斷、決策與規(guī)劃的角色。而在自主控制中，人不直接參與控制過程，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃所需要的判斷和決策過程已通過算法形式植入機(jī)器人控制器，即機(jī)器人有自己的大腦。 主從控制系統(tǒng)通常由操作者、人機(jī)交互設(shè)備、靈巧手及其控制器組成。操作者的主要任務(wù)是進(jìn)行任務(wù)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，根據(jù)視覺、力覺等信息反饋，做出判斷和行動(dòng)。人機(jī)交互設(shè)備采集操作者手的動(dòng)作，將其轉(zhuǎn)化為靈巧手的運(yùn)動(dòng)或力控制指令?？刂破鞲鶕?jù)人機(jī)交互設(shè)備輸出的指令，對(duì)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行位置或力伺服控制。當(dāng)靈巧手的結(jié)構(gòu)接近人手時(shí)，運(yùn)動(dòng)映射變得直觀而簡(jiǎn)便。因此，主從控 制比較適合于仿人手。 自主控制系統(tǒng)的難題是如何使機(jī)器人有一個(gè)聰明的大腦。機(jī)器人要能夠知道物體在何處、物體的形狀如何，并能夠自主規(guī)劃如何完成抓取和操作任務(wù)。一方面根據(jù)理論設(shè)計(jì)的規(guī)劃算法還不能滿足控制的實(shí)時(shí)需要，另一方面這些理論的假設(shè)條件依賴于觸覺和視覺信息。受觸覺傳感器性能的限制，目前還無法獲得足夠準(zhǔn)確和完整的觸覺信息。因此，除個(gè)別極為簡(jiǎn)單的例子外，只能利用仿真方法驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法，還無法在物理系統(tǒng)上加以證實(shí)。 另一種過渡策略是將主持控制與自主控制兩者結(jié)合。由人承擔(dān)抽象的難以量化的任務(wù)定義工作，由靈巧手自主完 成細(xì)微操作任務(wù)。讓機(jī)器人的控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)人的知識(shí)，并將其轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)控制指令。在這里，人工智能的一些理論和方法，如模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等可以用來識(shí)別人手的抓持類型，并建立人手與靈巧手之常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 間的抓持映射關(guān)系。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 手指關(guān)節(jié)的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) 手指機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)主要考慮的因素是在滿足運(yùn)動(dòng)要求的前提下傳動(dòng)要平穩(wěn)可靠結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單維護(hù)要方便由此在手指機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。 我首先嘗試采用齒形帶傳動(dòng)，但由于齒形帶結(jié)構(gòu)的要求 (帶寬和最小帶輪半徑的限制 )與手指尺寸 (即手指的大小 )的矛盾無法解決，因此齒形帶也不能用在本手指機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中。接著又考慮采用齒輪傳動(dòng)，通過調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，由于齒輪的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，用于關(guān)節(jié)間的傳動(dòng)比較麻煩，使手指重量增加，成本提高。經(jīng)過全面的比較論證，最終的手指機(jī)構(gòu)采用鋼絲繩來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。 圖 21為仿人靈巧手三維模型圖，它是 3自由度 5手指仿人手。整個(gè)系統(tǒng)采用鋼絲繩傳動(dòng)，各手指的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)基本相同，所以就以中指為例說明機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方案。 圖 21 圖 22所示為中指三維模型，手指結(jié)構(gòu)主要有兩部分組成：硬固機(jī)構(gòu)部分、手指軟連機(jī)構(gòu)部分。硬固機(jī)構(gòu)由首指節(jié)、中指節(jié)、末指節(jié)組成，依次首尾軸向連接，串聯(lián)在一起；手指軟連機(jī)構(gòu)由兩鋼絲繩一端分別從正反兩面拴在末指節(jié)固定端，依次穿過中指節(jié)、末指節(jié)的穿孔處到達(dá)電機(jī)驅(qū)動(dòng)輪上。當(dāng)手指需要伸開時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)外轉(zhuǎn)，外部鋼絲繩主動(dòng)拉緊，內(nèi)部鋼絲繩從動(dòng)放松，末指節(jié)只受手背牽引力常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 時(shí)，手指垂直方向運(yùn)動(dòng)伸直，此時(shí)，內(nèi)鋼絲伸展段最長(zhǎng)，外鋼絲伸展段最短。當(dāng)手指需要彎曲時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)，外部鋼絲繩從動(dòng)放松，內(nèi)部鋼絲繩主動(dòng)拉緊，末指節(jié)只受手心牽引力時(shí)，手指 垂直方向運(yùn)動(dòng)彎曲，此時(shí)，內(nèi)鋼絲伸展段最短，外鋼絲伸展段最長(zhǎng)。說明一點(diǎn)，各指節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)支點(diǎn)與鋼絲繩固線點(diǎn)位置是決定機(jī)器手運(yùn)動(dòng)速度和抓握力大小的關(guān)鍵。 圖 22 仿人靈巧手的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 若要機(jī)器手具有抓握和放置兩種運(yùn)動(dòng)方式，則機(jī)器手要有手掌和手指機(jī)構(gòu)，此外還要有機(jī)器手手指之間的平衡機(jī)構(gòu)。為了使機(jī)器手能夠按照指定的方向和角度運(yùn)動(dòng)，機(jī)器手還必須有運(yùn)動(dòng)方向和角度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，自我保護(hù)機(jī)構(gòu)也是不可少的。此外，需要由電機(jī)傳動(dòng)、機(jī)器手臂輔助聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 一般情況下機(jī)器手為自由半張 狀態(tài)，由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，機(jī)器手的手指采用連桿、電機(jī)、連接軸、萬向節(jié)等組成，動(dòng)力源是電機(jī)，機(jī)器手對(duì)被持物體的形狀、大小、重量的規(guī)劃由規(guī)劃、視覺、觸覺和控制系統(tǒng)給出，本文主要研究機(jī)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)及原理。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 目前靈巧手手指的設(shè)計(jì)有兩種主流設(shè)計(jì)思想，即內(nèi)骨骼設(shè)計(jì)和外骨骼設(shè)計(jì)。外骨骼設(shè)計(jì)的手指外部只能安裝很薄的用于增加摩擦力的橡膠皮，用于柔性接觸的厚襯墊只能裝于手掌上，而且難于安裝觸覺傳感器；內(nèi)骨骼設(shè)計(jì)有利于安裝觸覺或力傳感器以及柔性襯墊。本文采用外骨骼設(shè)計(jì)。 手指關(guān)節(jié)的設(shè) 計(jì)與制作 仿人靈巧手是模仿人類手的運(yùn)動(dòng)，因此各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍也應(yīng)該和人類基本相同，經(jīng)過對(duì)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析，并參考已有的一些機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍確定機(jī)器手各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍如表 31所示。 1 0~45176。 （弧轉(zhuǎn)度） 2 0~90176。 3 0~90176。 4 0~90176。 表 31手指連桿坐標(biāo) 因此，在制作過程中，應(yīng)盡量考慮到各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，避免運(yùn)動(dòng)過程中手指各關(guān)節(jié)的干涉。各關(guān)節(jié)中的孔定位一定要精確，否則會(huì)出現(xiàn)卡死或者脫離原軌跡的現(xiàn)象，使得手指在運(yùn)動(dòng)過程中出現(xiàn)不必要的麻煩。 在關(guān)節(jié)的制作過程中，選材是很重要的。 材料的硬度和剛度都是選材的標(biāo)準(zhǔn)，如果用鋁片制作手指模型的話，會(huì)因?yàn)橛捕炔粔?，很容易就裂了。用薄鐵片制作后變形又會(huì)比較厲害。最終我選擇了硬度和剛度都比較合適的鋁合金。圖 33 3所示為我設(shè)計(jì)的手指各關(guān)節(jié)三維模型 ,分別為遠(yuǎn)指節(jié)，中指節(jié)和近指節(jié)。 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 31 圖 32 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 33 手指關(guān)節(jié)間連接機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 手指關(guān)節(jié)的連接是整個(gè)手指能協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵，為此，我采用各種試驗(yàn)方法，最終我采用了圓形鋼管連接，并在鋼管上安裝一個(gè)小滑輪，使得手指各關(guān)節(jié)的連接更加緊湊。加一個(gè)小滑輪還有一個(gè)好處 ，就是能讓鋼絲繩拉得更加方便協(xié)調(diào)。制作模型如圖 34 圖 34 常熟理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 手掌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作 手掌的作用就是用來連接五個(gè)手指，使其有一定的位置布局。另外，幾乎整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與控制電板都要安裝在手掌中。 為了使五個(gè)手指的