【正文】 們將在此文中詳細介紹。IAI 制造的手是作為殘疾人的假肢。一個機器人手可以分成兩大主要子系統(tǒng)：機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。機械系統(tǒng)又可分為結構設計、驅動系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)。我們將對這兩大子系統(tǒng)的問題作一番基本介紹，然后用卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ演示一下。 3. 機械系統(tǒng)機械系統(tǒng)將描述這個手看起來由什么元件組成。它決定結構設計、手指的數(shù)量及使用的材料。此外，還確定驅動器（如電動機）、傳感器（如位置編碼器）的位置。 結構設計結構設計將對機械手的靈活度起很大的作用，即它能抓取何種類型的物體以及能對被抓物體進行何種操作。設計一個機器人手的時候，必須確定三個基本要素：手指的數(shù)量、手指的關節(jié)數(shù)量以及手指的尺寸和安置位置。為了能夠在機械手的工作范圍內安全的抓取和操作物件，至少需要三根手指。為了能夠對被抓物體的操作獲得6個自由度（3個平移和3個旋轉自由度），每個手指必須具備3個獨立的關節(jié)。這種方法在第一代卡爾斯魯厄靈巧手上被采用過。但是，為了能夠重抓一個物件而無需將它先釋放再拾取的話，至少需要4 根手指。要確定手指的尺寸和安置位置，可以采用兩種方法：擬人化和非擬人化。然后將取決與被操作的物體以及選擇何種期望的操作類型。擬人化的安置方式很容易從人手到機器人手轉移抓取意圖。但是每個手指不同的尺寸和不對稱的安置位置將增加加工費用，并且是其控制系統(tǒng)變得更加復雜，因為每個手指都必須分別加以控制。對于相同手指的對稱布置，常采用非擬人化方法。因為只需加工和構建單一的“手指模塊”，因此可減少加工費用，同時也可是控制系統(tǒng)簡化。 驅動系統(tǒng)指關節(jié)的驅動器對手的靈活度也有很大的影響，因為它決定潛在的力量、精度及關節(jié)運動的速度。機械運動的兩個方面需加以考慮：運動來源和運動方向。在這方面，文獻里描述了有幾種不同的方法，如文獻[3]中說可由液壓缸或氣壓缸產生運動。在多數(shù)情況下，運動驅動器（如電機）太大而不能直接與相應的指關節(jié)結合在一起，因此，這個運動必須由驅動器（一般位于機器臂最后的連接點處）轉移過來。有幾種不同的方法可實現(xiàn)這種運動方式，如使用鍵、傳動帶以及活動軸。使用這種間接驅動指關節(jié)的方法，或多或少地降低了整個系統(tǒng)的強度和精度，同時也使控制系統(tǒng)復雜化，因為每根手指的不同關節(jié)常常是機械地連在一起，但是在控制系統(tǒng)的軟件里卻要將它們分別獨立控制。由于具有這些缺點，因此小型化的運動驅動器與指關節(jié)的直接融合就顯得相當必要。 傳感系統(tǒng)機器手的傳感系統(tǒng)可將反饋信息從硬件傳給控制軟件。對手指或被抓物體建立一個閉環(huán)控制是很必要的。在機器手中使用了3種類型的傳感器：1. 手爪狀態(tài)傳感器確定指關節(jié)和指尖的位置以及手指上的作用力情況。使我們了解指尖的精確位置將使精確控制變得可能。另外，在知道手指作用在被抓物體上的力，就可以抓取易碎物件而不會打破它。2. 抓取狀態(tài)傳感器提供手指與被抓物體之間的接觸狀態(tài)信息。這種觸覺信息可在抓取過程中及時確定與物體第一次接觸的位置點，同時也可避免不正確的抓取，如抓到物體的邊緣和尖端。另外還能察覺到已抓物體是否滑落，從而避免物體因跌落而損壞。3. 物體狀態(tài)或姿態(tài)傳感器用于確定手指內物體的形狀、位置和方向。如果在抓取物體之前并不清楚這些信息的情況下，這種傳感器是非常必要的。如果此傳感器還能作用于已抓物體上的話，它也能控制物體的姿態(tài)（位置和方向），從而監(jiān)測是否滑落。根據(jù)不同的驅動系統(tǒng)，有關指關節(jié)位置的幾何信息可以在運動驅動器或直接在關節(jié)處出測量。例如，如在電動機和指關節(jié)之間有一剛性聯(lián)軸器，那么就可以用電機軸上的一個角度編碼器（在齒輪前或齒輪后）來測量關節(jié)的位置。但是如果此聯(lián)軸器剛度不夠或著要獲得很高的精度的話，就不能用這種方法。 卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的機械系統(tǒng)為了能夠獲得如重抓等更加復雜的操作，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ（KDHⅡ）由4 根手指組成，且每根手指由3 個相互獨立的關節(jié)組成。設計該手是為了能夠在工業(yè)環(huán)境中應用（圖3 所示）和操縱箱、缸及螺釘螺帽等物體。因此，我們選用四個相同手指，將它們作對稱、非擬人化配置，且每個手指都能旋轉90176。鑒于從第一代卡爾斯魯厄靈巧手設計中得到的經(jīng)驗，比如因傳動帶而導致的機械問題以及較大摩擦因數(shù)導致的控制問題，卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ采用了一些不同的設計決策。每根手指的關節(jié)2 和關節(jié)3 之間的直流電機被整合到手指前部肢體中。這種布置可使用很硬的球軸齒輪將運動傳遞到手指的關節(jié)處。處在電機軸上的角度編碼器（在齒輪前）此時可作為一個精度很高的位置狀態(tài)傳感器。為了感知作用在物體上的手指力量，我們發(fā)明了一個六維力扭矩傳感器。這個傳感器可當作手指末端肢體使用，且配有一個球形指尖。它可以抓取較輕的物體，同時也能抓取35kg 相近的較重物體。此傳感器能測量X、Y 和Z 方向的力及繞相關軸的力矩。另外，3個共線的激光三角測量傳感器被安置在KDHⅡ的手掌上。因為有3 個這樣的傳感器，因此不僅可以測量3 單點之間的距離，如果知道物體的形狀，還能測出被抓物體表面之間的距離和方向。物體狀態(tài)傳感器的工作頻率為1kHz，它能檢測和避免物體的滑落。4. 控制系統(tǒng)機器人手的控制系統(tǒng)決定哪些潛在的靈巧技能夠被實際利用，這些技能都是由機械系統(tǒng)所提供的。如前所述，控制系統(tǒng)可分為控制計算機即硬件和控制算法即軟件?？刂葡到y(tǒng)必須滿足以下幾個的條件：1. 必須要有足夠的輸入輸出端口。例如，一具有9個自由度的低級手，其驅動器至少需要9 路模擬輸出端口，且要有9路從角度編碼器的輸入端口。如再加上每個手指上的力傳感器、觸覺傳感器及物體狀態(tài)傳感器的話，則端口數(shù)量將增加號幾倍。2. 需具備對外部事件快速實時反應的能力。例如，當檢測到物體滑落時，能立即采取相應的措施。3. 需具備較高的計算能力以應對一些不同的任務。如可以對多指及物體并行執(zhí)行路徑規(guī)劃、坐標轉換及閉環(huán)控制等任務。4. 控制系統(tǒng)的體積要小，以便能夠將其直接集成到操作系統(tǒng)當中。5. 在控制系統(tǒng)與驅動器及傳感器之間必須要電氣短接。特別是對傳感器來說，若沒有的話，很多的干擾信號將會干擾傳感器信號。 控制硬件為了應對系統(tǒng)的要求，控制硬件一般分布在幾個專門的處理器中。如可通過一個簡單的微控制器處理很低端的輸入輸出接口（馬達和傳感器），因此控制器尺寸很小，能輕易地集成到操縱系統(tǒng)中。但是較高水平的控制端口則需要較高的計算能力，且需要一個靈活實時操作系統(tǒng)的支持。這可以通過PC機輕易地解決。因此，控制硬件常由一個非均勻的分布式計算機系統(tǒng)組成，它的一端是微控制器，而另一端則是一個功能強大的處理器。不同的計算單元則通過一個通信系統(tǒng)連接起來，比如總線系統(tǒng)。 控制軟件機器人手的控制軟件是相當復雜的。必須對要對手指進行實時及平行控制，同時還要計劃手指和物體的新的軌跡。因此，為了減少問題的復雜性，就有必要將此問題分成幾個子問題來處理。另一方面涉及軟件的開發(fā)。機器人手其實是一個研究項目，它的編程環(huán)境如用戶界面，編程工具和調試設施都必須十分強大和靈活。這些只能使用一個標準的操作系統(tǒng)才能得到滿足。在機械人中普遍使用的分層控制系統(tǒng)方法都經(jīng)過了修剪，以滿足機械手的特殊控制要求。 卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的控制系統(tǒng)如在中所說，對于卡爾斯魯厄靈巧手Ⅱ的控制硬件，采用了一種分布式方法。一個微控制器分別控制一個手指的驅動器和傳感器，另外一個微控制器用于控制物體狀態(tài)傳感器（激光三角傳感器）。這些微控制器直接安裝在手上，所以可以保證和驅動器及傳感器之間較短的電氣連接。這些微控制器都是使用串行總線系統(tǒng)和主控計算機連在一起的。這個主控計算機是由六臺工業(yè)計算機組成的一個并行計算機。這些電腦都被排列在一個二維平面。相鄰電腦模塊（一臺電腦最多有8個相鄰模塊）使用雙端口RAM 進行快速通信。一臺電腦用于控制一個手指。另一臺用于控制物體狀態(tài)傳感器及計算物體之間的位置。其余的電腦被安在前面提到的電腦的周圍。這些電腦用于協(xié)調整個控制系統(tǒng)?？刂栖浖慕Y構反映了控制硬件的架構。為了使機械手能夠完成靈活精確的操作，一合適的機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是必需的。這些介紹的標準是必需加以考慮的，正如文中所說?？査刽敹蜢`巧手Ⅱ表現(xiàn)的非常成功。這種機械手能夠抓取很大范圍的不同形狀、尺寸和重量的物體。被抓物體的姿態(tài)也能可靠地加以控制，即使在外部干擾的情況下。此外，由于此系統(tǒng)，復雜的精細操作（如重抓）也能實現(xiàn)。在人行機器人的特殊研究領域，基于一個不同的概念叫做流體化的基礎上，小型機械手也具有擬人化和機械化。這概念是由卡爾斯魯厄研究中心的IAI 所提出的。但是，這個控制軟件的主要結構可經(jīng)過相應修改而為此種小型機械手所用。附錄B：外文原文致謝經(jīng)過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設計已經(jīng)接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)設計，由于經(jīng)驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有老師的督促指導，以及一起學習的同學們的支持，想要完成這個設計是難以想象的。 在這里我要感謝我的老師。平日里工作繁忙，但在我做畢業(yè)設計的每個階段，從開題報告到查閱資料，論文初稿的確定和修改，中期檢查等整個過程中都給予了我悉心的指導。她為我的論文研究思路，方案設計和論文的研究內容方面提供了很多建設性的指導，使得論文在修改階段得到很大的提升。同時，賈衛(wèi)平老師嚴謹細致的教學態(tài)度也令我獲益頗深，在論文即將完成之際，謹向她致以衷心的感謝!50