欠驱动五指灵巧手及控制系统设计

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果蔬采摘欠驱动机械手爪设计及其力控制

Design and Force Control of an Underactuated Robotic Hand for Fruit and Vegetable Picking
JIN Bo LIN Longxian
(The State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control, Zhejiang University, Hangzhou 310007)
+ θα1 = θ 1 h1 θα = h1 + l1 2
再建立一个转换矩阵 Jω，使得 θ = J ω
Abstract：To achieve non-destructive fruit and vegetable picking, an end-actuator with a simpler and more versatile structure is designed based on underactuated principle. The underactuated mechanism refers to machine that has fewer drivers compared with the number of degrees of freedom. The robotic hand designed by adopting the underactuated principle is simpler and more reliable. Due to simple structure and better adaptability to shape of objects, the robotic hand can fold the object completely with its fingers. Non-destructive harvesting is achieved by using a closed-loop force-feedback control algorithm which controls the maximum contact forces. Based on this design idea, a three-finger gripper which is driven by only one motor is designed. Through theoretical analysis, mechanism design and modeling, and structural optimization, the final model size is determined and physical production is completed. A control circuit combined with force-feedback control is designed for grasping experiments. The experimental results show that the robotic hand can achieve the desired grasping function, maximum contact force control and has such features as simple and reliable control, stable grasping and non-damaging. Key words：fruit and vegetable picking；robotic hand；underactuated；grasping experiments；maximum contact force control

欠驱动灵巧手的优化设计及仿真分析

欠驱动灵巧手的优化设计及仿真分析
张林;王兴东;孙伟;龚彩云
【期刊名称】《武汉科技大学学报》
【年(卷),期】2024(47)1
【摘要】传统欠驱动机械手的运动空间相对固定、操作功能单一,对抓取物没有较强的自适应性,为此设计一种新的连杆式欠驱动灵巧手机构,并进行设计优化和仿真抓取实验。

阐述了该灵巧手的整体机构设计及工作原理,其可实现包络和指尖两种抓取模式。

根据手指的几何尺寸采用协同耦合方式设计手掌尺寸,利用可变手掌协同手指抓取,提高了灵巧手在抓取形状复杂和不同尺寸物体时的自适应性。

基于虚功原理建立灵巧手单指各关节的接触力模型,针对抓取过程中存在的抓取力不足及抓取不稳等问题,使用NSGA-II优化算法对单指机构的杆长进行尺度综合。

利用建立的虚拟样机进行仿真抓取实验,结果表明,该灵巧手具有较强的自适应性,能够稳定抓取多种形状和尺寸的物体。

【总页数】8页(P47-54)
【作者】张林;王兴东;孙伟;龚彩云
【作者单位】武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TH112
【相关文献】
1.欠驱动手爪设计及接触力分析与仿真
2.两关节绳驱式欠驱动手爪设计与仿真分析
3.欠驱动多指机械手优化设计与抓取稳定性分析
4.丫形欠驱动库尔勒香梨采摘机械手的设计与仿真分析
5.一种新型欠驱动机械手爪的抓取分析和优化设计
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基于套索传动的五指灵巧手设计与主从控制

第３２卷第８期中国机械工程V o l ．３２㊀N o ．８２０２１年４月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．９５１Ｇ９５９基于套索传动的五指灵巧手设计与主从控制尹㊀猛１,２,３㊀徐志刚１,２㊀赵志亮１,２,４㊀韩㊀伟１,２,４１．中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室,沈阳,１１００１６２．中国科学院机器人与智能制造创新研究院,沈阳,１１００１６３．中国科学院大学沈阳自动化研究所,沈阳,１１００１６４．东北大学机械工程与自动化学院,沈阳,１１０８１９摘要:为了使灵巧手更加轻质化㊁拟人化,设计了一种由舵机经套索驱动的１９关节灵巧手.参照人手关节确定灵巧手的构型,通过套索传动实现了关节解耦与驱动后置,并分别对关节机构与驱动集成进行了设计.建立灵巧手多指运动学模型并对其工作空间进行了分析;基于弯曲传感器与主从映射算法实现了抓取的主从跟踪控制.搭建灵巧手样机并进行关节运动实验与抓取控制实验.实验结果表明,将套索传动应用于灵巧手具有可行性,基于主从控制可以实现灵巧手对多种物体的抓取.关键词:套索传动;五指灵巧手;关节机构;工作空间;主从控制中图分类号:T P ２４２．６D O I :１０．３９６９/j ．i s s n ．１００４１３２X．２０２１．０８．００９开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):D e s i g na n dM a s t e r ＧS l a v eC o n t r o l o fD e x t e r o u sH a n d sw i t hF i v eF i n ge r s B a s e do nT e n d o n Ｇs h e a t hT r a n s m i s s i o nY I N M e n g １,２,３㊀X UZ h i g a n g １,２㊀Z H A OZ h i l i a n g １,２,４㊀H A N We i １,２,４１．S t a t eK e y L a b o r a t o r y o fR o b o t i c s ,S h e n y a n g In s t i t u t e o fA u t o m a t i o n ,C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s ,S h e n y a n g,１１００１６２．I n s t i t u t e s f o rR o b o t i c s a n d I n t e l l i g e n tM a n u f a c t u r i n g,C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s ,S h e n y a n g,１１００１６３．S h e n y a n g I n s t i t u t e o fA u t o m a t i o n ,U n i v e r s i t y o fC h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s ,S h e n y a n g,１１００１６４．S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n dA u t o m a t i o n ,N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ,S h e n y a n g ,１１０８１９A b s t r a c t :I no r d e r t om a k e t h e d e x t e r o u sh a n dm o r e l i g h t a n da n t h r o p o m o r ph i c ,a １９j o i n t sd e x Ｇt e r o u s h a n dd r i v e nb y s t e e r i n g e n g i n e t h r o u g h t e n d o n Ｇs h e a t h t r a n s m i s s i o nw a sd e s i g n e d ．F i r s t l y ,t h e c o n f i g u r a t i o no f t h e d e x t e r o u s h a n d sw a s d e t e r m i n e db y r e f e r r i n g t o t h eh u m a nh a n d j o i n t s ．J o i n t d e Ｇc o u p l i n g a n dd r i v e p o s t p o s i t i o nw e r e r e a l i z e du s i n gt e n d o n Ｇs h e a t h t r a n s m i s s i o n ．J o i n tm e c h a n i s m s a n d d r i v i n g i n t e g r a t i o n w e r ed e s i g n e ds e p a r a t e l y ．T h e n ,a m u l t i Ｇf i n g e r sk i n e m a t i c m o d e lo fd e x t e r o u s h a n d sw a s e s t a b l i s h e d a n d t h ew o r k s p a c ew a s a n a l y z e d ．T h em a s t e r Ｇs l a v e t r a c k i n g c o n t r o l o f g r a s p i n gw a s r e a l i z e db a s e d o n t h e s e n s o r s a n dm a s t e r Ｇs l a v em a p p i n g a l g o r i t h m．F i n a l l y ,a p r o t o t y p e o f d e x t e r Ｇo u s h a n dw a s b u i l t ,a n d t h e j o i n tm o t i o ne x p e r i m e n t s a n d g r a s p i n g c o n t r o l e x p e r i m e n t sw e r e c a r r i e d o u t ．E x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o wt h e f e a s i b i l i t y o f a p p l y i n gt h e t e n d o n Ｇs h e a t h t r a n s m i s s i o n t o d e x t e r o u s h a n d s ．T h e d e x t e r o u s h a n d sm a yg r a s p a v a r i e t y o f o b je c t s b a s e do nm a s t e r Ｇs l a v e c o n t r o l ．K e y w o r d s :t e n d o n Ｇs h e a t ht r a n s m i s s i o n ;d e x t e r o u sh a n d w i t hf i v ef i ng e r s ;j o i n t m e ch a ni s m ;w o r k i n g s pa c e ;m a s t e r Ｇs l a v e c o n t r o l 收稿日期:２０２００４１１０㊀引言灵巧手与人手功能相似,可以实现类似人手的抓握功能,自问世以来,受到了各研究机构的高度重视[１],尤其是具有高度灵活性的灵巧手已成为机器人研究的热点之一.仿人多指灵巧手可以作为工业领域的末端执行器,也可以作为残疾人的假肢,还可以在太空㊁深海㊁核电站等危险领域代替人手实现精准操作,具有重要的社会应用价值.根据驱动方式的不同,灵巧手可分为电机驱动㊁气动驱动㊁液压驱动和功能材料驱动等,其中１５９ Copyright©博看网 . All Rights Reserved.电机驱动方式较为常见.S h a d o w手[２]为气动驱动的代表,具有５个手指,有２４个自由度,其中２０个气动驱动,４个欠驱动.它的驱动来源于一种叫做空气肌肉的气动装置,并且将驱动部分集成放置于前臂,手指的运动更像人手.气动空气肌肉价格较低㊁对环境要求低,但刚度和动态特性都较差.S C HU L Z 等[３Ｇ４]将液压驱动应用于仿人机械手,研制了可以作为假肢的灵巧手.液压驱动的优点在于驱动力矩大㊁传动效率高㊁反应灵敏,可实现过载保护,稳定性好,但它体积大㊁管线复杂㊁密封性要求高㊁制造维护成本高且易对环境造成污染.功能材料驱动是指采用形状记忆合金㊁电活性聚合物等新型材料来驱动手指关节,目前已采用形状记忆合金驱动的有H i t a c h i手[５]以及E NＧG E B E R G等[６]设计的仿人手指.形状记忆合金通过温度改变尺寸长度,变形量难以精确控制,运动精度较差,其可靠性㊁通用性与性价比还有待提高.电机驱动因其具有整体尺寸小㊁噪声低㊁运动稳定㊁易于控制㊁价格适中等优点而广受欢迎.根据电机的安装位置,电机驱动可以分为内置电机驱动与外置电机驱动.D L RＧH I T手[７]是内置电机驱动的代表,每根手指具有３个自由度,共有１５个自由度.电机与谐波减速器等部件集成于手指内部,其集成度较高,具有较强的操作性和鲁棒性,但结构复杂,后期维护成本较高.类似的灵巧手有美国的B a r r e t t手[８]和日本的G i f u手[９].外置电机驱动多采用连杆传动或柔索传动进行间接驱动.R I C手[１０]为外置电机经连杆驱动的代表,所有手指均采用四连杆结构设计,连杆中嵌入有弹性元件来增加机械顺应性,使其运动更加柔顺.它具有４根手指,共有８个关节,只使用一个无刷电机驱动,优点是结构尺寸紧凑以及设计轻量化,但外转子电机与非反向驱动离合器的采用导致其成本较高.R o b o n a u t手[１１Ｇ１２]为外置电机经柔索驱动的代表,整手共有５根手指,共１４个自由度.其中拇指㊁食指㊁中指为灵巧指,每根手指具有４个自由度,剩余二指为抓取指,每根手指具有１个自由度.它被应用于国际空间站,旨在代替人们进行外空间操作,其抓取能力可与穿戴航天服手套的人手运动能力相当.其他采用柔索传动的灵巧手包括意大利U B H３手[１３]和法国L M S手[１４]等.柔索传动[１５Ｇ１６]具有布局灵活㊁高精度㊁轻量化等特点,在灵巧性精密机电装置和伺服机构中应用广泛.但当传动距离较远时,现有的柔索传动机构主要通过传动轮的形式来实现,其布局异常复杂,致使系统的制造和维护成本较高.套索传动[１７Ｇ１９]利用空心套管引导柔索的运动路径,可以克服已有柔索传动机构的缺点,可实现远距离运动与经过运动关节的传递,具有空间适应性强㊁设计成本低等优点,已被运用于仿生灵巧手[２０Ｇ２１]等领域.已有文献多以灵巧手为背景集中研究套索的传动机理与位置补偿,本文主要从结构设计与主从控制方面对套索驱动灵巧手进行相关研究.１㊀五指灵巧手１．１㊀灵巧手构型设计系统的整体方案如图１所示,机械系统由灵巧手和驱动集成组成,系统采用仿生设计,关节布置参照了人手的构型.灵巧手由手掌与五根手指组成,其中食指㊁中指㊁无名指与小拇指分别具有４个自由度,大拇指具有３个自由度,灵巧手共有１９个自由度.图１㊀灵巧手整体方案F i g．１㊀T h e o v e r a l l s c h e m e o f t h e d e x t e r o u s h a n d手指安装于手掌上,手掌底部与驱动集成相连.关节采用套索传动的方式实现了驱动与关节的分离,套索两端分别与关节和驱动模块连接,驱动模块集中安装于驱动集成箱中,套索在手掌与手指内走线并留有长度余量以适应运动.１．２㊀关节机构设计手指关节的运动类型可以分为侧摆和屈曲[２２],人手的掌指关节为球关节,可以等效为屈曲与侧摆两个关节.根据两个关节的排布可以分为两种方案,手指关节布局如图２所示.图２a所示为G i f u手[９]所采用的手指关节布局,其关节１与关节２的轴线互相垂直,模拟掌指关节,关节３２５９中国机械工程第３２卷第８期２０２１年４月下半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.和关节４的轴线与关节２平行,分别实现中指关节和远指关节的屈曲.图２b 所示为D L R 手[７]所采用的手指关节布局,与前者不同之处是最底部关节为屈曲关节,关节２为侧摆关节.考虑到套索的传动特点与灵巧手的外观,本灵巧手采用了先侧摆方案的设计.(a)先侧摆方案㊀㊀㊀(b)先屈曲方案图２㊀单手指关节设计F i g ．２㊀J o i n t d e s i g no f t h e s i n g l e f i n ge r 以中指为例,其结构如图３所示,近指关节㊁中指关节与远指关节均由单套索驱动,每个关节上均安装有扭簧与电位器.关节处的扭簧一方面为复位运动提供动力,另一方面保持手指关节的初始伸展状态.扭簧的扭矩值主要与扭簧的中径㊁材料的弹性模量㊁圈数㊁受力转角等有关.扭簧的扭矩:M t s ＝E d ４φ３６６０D n(１)式中,M t s 为扭簧的扭矩值,N mm ;E 为材料的弹性模量,M P a ;d 为扭簧的线径,mm ;φ为受力转角,(ʎ);D 为扭簧的中径,mm ;n 为扭簧有效圈数.(a)结构示意图㊀(b)结构剖面图图３㊀单手指结构F i g ．３㊀S t r u c t u r e o f t h e s i n g l e f i n ge r 扭簧的最大扭矩出现在手指近指关节处,为保证关节能够有效复位,经计算初步选用碳素钢扭簧,有效圈数为３,线径０．５mm .灵巧手在抓取运动过程中,需要位置传感器的反馈信号进行精确操控.设计的灵巧手需要高度的拟人性,故关节空间较小,因此本文采用了体积小㊁质量轻㊁抗干扰能力强的电位式传感器.灵巧手关节设计如图４所示,食指㊁中指㊁无名指与小拇指均包含４个关节,分别为基关节㊁近指关节㊁中指关节与远指关节.大拇指包含３个关节,分别为基关节㊁近指关节与远指关节.其中基关节为侧摆关节,其余关节均为屈曲关节.５个基关节由双套索机构实现传动,为了简化结构㊁减少套索数量,其余关节均由单套索机构实现传动.图４㊀机械臂关节设计F i g ．４㊀J o i n t d e s i g no f t h em a n i pu l a t o r １．３㊀套索传动设计双套索传动机构主要由套管㊁柔索与预紧装置等组成,如图５a 所示,驱动轮安装在舵机输出轴上,从动轮置于关节中.驱动轮上按顺时针与逆时针方向分别缠绕柔索,两根柔索经过挡板b 后再分别经过套管a 与套管b ,然后经挡板a 后固定在从动轮上,这种传动方式被应用于驱动５根手指的５个侧摆关节.双套索的传动过程如下:当驱动轮顺时针转动时,套管a 中的柔索会跟随向右运动,套管b 中的柔索会跟随向左运动,从而带动从动轮顺时针转动;当驱动轮逆时针转动时,套管a 中的柔索会跟随向左运动,套管b 中的柔索会跟随向右运动,从而带动从动轮逆时针转动.当系统处于静止时,套管a 中柔索上的拉力能够抵消从动轮受到的顺时针方向扭矩,套管b 中柔索上的拉力能够抵消从动轮受到的逆时针方向扭矩.３５９基于套索传动的五指灵巧手设计与主从控制尹㊀猛㊀徐志刚㊀赵志亮等Copyright©博看网 . All Rights Reserved.㊀㊀单套索传动机构主要由套管㊁柔索与扭簧等组成,如图５b 所示,驱动轮安装在舵机输出轴上,从动轮置于关节中.柔索一端固定在驱动轮上,绕驱动轮缠绕后经挡板进入套管,经过另一挡板后缠绕并固定在从动轮上,从动轮上安装有扭簧,这种传动方式被应用于灵巧手除５个侧摆关节外的其他关节.单套索的传动过程如下:当驱动轮逆时针转动时,套管中的柔索跟随向右运动,从而带动从动轮逆时针转动,同时扭簧被压缩储能;当驱动轮顺时针转动时,套管中的柔索会跟随向左运动,从动轮在扭簧作用下顺时针转动.当系统处于静止时,柔索上的拉力能够抵消从动轮受到的顺时针方向扭矩,扭簧能够抵消从动轮受到的逆时针方向扭矩.(a)双套索传动机构(b)单套索传动机构图５㊀套索传动机构F i g．５㊀M e c h a n i s mo f t e n d o n Ｇs h e a t h t r a n s m i s s i o n 两种传动机构均安装有螺栓预紧装置,预紧装置可以拉紧柔索来有效减小传动空回.同时,采用编码器与电位器来反馈主动轮与从动轮的角度位置信号,可以实现运动的双闭环控制.套索传动可以实现驱动电机的后置,使多关节串联系统更加轻量化,具有结构简单㊁布局灵活的优点.１．４㊀驱动集成设计驱动集成箱的结构如图６所示,驱动模块由舵机与驱动轮组成,１９个关节的驱动模块与预紧装置被分层安装在不同支撑板上,各支撑板通过支撑架连接.支撑板中心加工有通孔,套索通过通孔与手掌后进入手指.通过紧凑型电机的选用与电机位置的优化布局可以减小集成箱的体积.图６㊀驱动集成箱结构F i g ．６㊀S t r u c t u r e o f t h e d r i v e r i n t e gr a t i o n ２㊀运动学与工作空间分析多指运动学分析的是灵巧手抓取物体运动与各手指运动之间的关系,根据灵巧手运动学特性建立运动学简化模型,通过工作空间仿真验证设计的合理性.图７㊀食指结构简图F i g ．７㊀S t r u c t u r e o f t h e i n d e x f i n ge r 单个手指可以看作是一个多关节串联机器人,以食指为例,各指节长度分别为a １㊁a ２㊁a ３㊁a ４,基于旋量理论建立手的运动学模型.如图７所示,o ０x ０y ０z ０为基坐标系,其余为动坐标系,各指节长度分别为l １㊁l ２㊁l ３㊁l ４.灵巧手各关节均可视为铰接,以旋转中心为轴,定义顺时针转动时角度为正㊁逆时针转动时角度为负.关节处于图７所示的初始位置,其指尖坐标系与基坐标系的变换:４５９中国机械工程第３２卷第８期２０２１年４月下半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.g st (０)＝１００L ０１００００１００００１éëêêêêêùûúúúúú(２)L ＝l １＋l ２＋l ３＋l ４定义各个关节的运动旋量:ξ１＝－ω１ˑq １ω１æèçöø÷＝(０,０,０,０,０,１)T(３)ξ２＝－ω２ˑq ２ω２æèçöø÷＝(l １,０,０,０,１,０)T(４)ξ３＝－ω３ˑq ３ω３æèçöø÷＝(l １＋l ２,０,０,０,１,０)T(５)ξ４＝－ω４ˑq ４ω４æèçöø÷＝(l １＋l ２＋l ３,０,０,０,１０)T(６)式中,ω１㊁ω２㊁ω３与ω４分别为各关节转动量;q １㊁q ２㊁q ３与q ４分别为各关节转轴上任意点的坐标.运动方程:g s t (θ)＝e ξ^１θ１e ξ^２θ２e ξ^３θ３e ξ^４θ４g st (０)(７)式中,g s t (θ)为运动变换矩阵;θr ㊁ξ^i 分别为关节r 的运动角度与对应的旋量.记c l ＝c o s θl ,s l ＝s i n θl ,c l m ＝c o s (θl ＋θm ),s l m ＝s i n (θl ＋θm ),c l m n ＝c o s (θl ＋θm ＋θn ),s l jn ＝s i n (θl ＋θj ＋θn ),其中l ,m ,n ＝１,２,３,４.计算得到正运动学方程:g st (θ)＝r １１r １２r １３p x r ２１r ２２r ２３p y r ３１r ３２r ３３p z ０００１éëêêêêêùûúúúúú(８)式(８)中,位置变量表达式为p ＝p x p y p z éëêêêùûúúú＝(a ４c ２３４＋a ３c ２３＋a ２c ２＋a １)c １(a ４c ２３４＋a ３c ２３＋a ２c ２＋a １)s １a ４s ２３４＋a ３s ２３＋a ２s ２éëêêêùûúúú(９)工作空间是评价灵巧手工作能力的重要性能指标,是对指尖工作区域的描述,可以用手指末端到达位置点的集合来描述工作空间.建立灵巧手的坐标系如图８所示,分别在基关节㊁近指关节㊁中指关节㊁远指关节以及指尖处建立坐标系,灵巧手的基坐标设在手掌底部中间位置.基于各个关节的运动范围可以得到灵巧手各指的工作空间,如图９所示.由图９可知,食指㊁中指㊁无名指与小拇指的工作空间与大拇指工作空间均有交集,验证了抓取物体的有效性.其中食指与大拇指工作空间交集最大,中指和无名指与大拇指工作空间交集次之,小拇指与大拇指工作空间交集最小,说明抓取物体时大拇指与食指配合发挥主要作用.由结果可知,灵巧手与人手具有相似的工作空间,末端可以到达设计工作空间的所有点,故构型与尺寸设计合理.图８㊀灵巧手运动学模型F i g．８㊀K i n e m a t i cm o d e l o f t h e d e x t e r o u s h a nd (a)小拇指㊀(b)无名指(c)中指㊀(d)食指图９㊀手指末端工作空间F i g ．９㊀W o r k s p a c e s o f t h e f i n ge r s ３㊀主从控制研究本文采用主从控制方法来对五指灵巧手进行控制,在人手上安装弯曲传感器来反馈手指弯曲角度,建立弯曲角度和灵巧手之间的映射关系,并根据此映射关系实现主手对从手的完全控制.采用弯曲传感器[２３Ｇ２４]来反馈手指弯曲度,传感器串联固定电阻,传感器两端电压作为输入信号接入控制器.如图１０所示,传感器的两端分别固定在指尖和指根上,手指完全展开时传感器电阻最小,手指最大弯曲时传感器电阻值随着手指的弯曲而增大.为了方便比较不同手指弯曲特征５５９基于套索传动的五指灵巧手设计与主从控制尹㊀猛㊀徐志刚㊀赵志亮等Copyright©博看网 . All Rights Reserved.的变化规律,采用线性函数对原始输入进行归一化处理至[０ʎ,９０ʎ]范围.具体转换式为yi ＝９０ʎˑx i －x i ,m i nx i ,m a x －x i ,m i n(１０)式中,x i 为弯曲传感器两端的测量电压;y i 为线性函数转换后的值;x i ,m a x ㊁x i ,m i n 分别为测量电压采集数据的最大值和最小值;i ＝１,２, ,５,分别对应大拇指㊁食指㊁中指㊁无名指与小拇指.图１０㊀手势捕捉系统F i g ．１０㊀G e s t u r e c a p t u r e s ys t e m 为了更精确地得到每个弯曲传感器的输出值,考虑到传感器的响应时间特性及实验误差,采用多组实验对式(１０)进行标定,标定实验组序号为j ,n 次实验后取平均值作为实验的有效数据.数据的最小及最大值分别如下:x m i n ＝１n ðnj ＝１x j ,m i n x m a x＝１n ðnj ＝１x j ,m a x üþýïïïï(１１)定义人手弯曲传感器输出值归一化矩阵为Y ,可得人手姿态信息:Y ＝(y １,y ２,y ３,y ４,y ５)T (１２)单根手指只能反馈一个信号,但手指实际控制需要３个关节角度信号.引入主从映射[２５Ｇ２６]来求解关节角度,这里通过比例系数来得到手指i 的r 关节弯曲角度:θ(r )i ＝k (r )i y i(１３)式中,θ(r )i 为手指i 的r 关节运动角度;k (r )i 为将y i 转化为关节弯曲角度的比例系数;关节标号r ＝１,２,３分别对应近指关节㊁中指关节与远指关节.为了更好地实现对体积较小物体的抓取,本文采取远指与中指关节先运动㊁近指关节后运动的抓取控制策略.定义y ᶄi 为y i 变化范围内的临界值,通过k(r )i选取不同的值kѳ(r )i与kң(r )i实现抓取过程中的变比例系数控制,kѳ(r )i ㊁kң(r )i分别为小于与大于临界值时选取的系数.当y i ɤy ᶄi 时,近指与中指关节对应的比例系数k ѳ(r )i选值较大,远指关节对应的k ң(r )i选值较小.当y i ＞yᶄi 时,远指关节对应的k ң(r )i选值增大:k (r )i ＝k ѳ(r )i ㊀㊀y i ɤy ᶄi k ң(r )i ㊀㊀y i ＞yᶄi {(１４)经过实验选取各手指关节弯曲角度的比例系数的转化系数[k (r )i ]矩阵,通过式(１３)即可得到灵巧手人手关节角度[θ(r )i ]矩阵.人手与机器人灵巧手在尺寸上的不一致,会使灵巧手产生运动误差.为了更好地实现对灵巧手的控制,针对主从手尺寸不一致的问题,引入主从手指长度比例关系:θ^(r )i ＝m i θ(r )i(１５)其中,m i 为尺寸比例系数;θ^(r )i为控制器输出用于控制灵巧手关节角度的值.４㊀样机实验４．１㊀样机平台灵巧手样机实验平台如图１１所示,灵巧手结构采用尼龙材料３D 打印制作.驱动电机采用L X Ｇ１６A 串行总线自带减速器的舵机(最大输出扭矩１９．５k g c m ),舵机带有温度监测功能,底部可安装散热装置.柔索采用直径为０．５m m 的钢丝绳,套管采用圆形弹簧丝绕成的外径１．２m m ㊁内径０．８m m 的螺旋套管.图１１㊀灵巧手实验样机F i g ．１１㊀E x p e r i m e n t a l p r o t o t y pe of t h e d e x t e r o u s h a n d 灵巧手的控制系统采用N I Ｇc R I O Ｇ９０６７作为下位机,系统的硬件结构如图１２所示.首先在上位机用L a b V I E W 软件编写控制程序,然后通过C A N 接口下载到运行实时系统的下位机执行.手指弯曲信号由F l e x ４．５弯曲传感器测量后输入N I Ｇ９２０５模块,关节角度反馈信号由电位器测量后输入N I Ｇ９２０５模块,运动控制信号由N I Ｇ９２６４模块输出到电机驱动器.弯曲传感器电阻在６０~１１０k Ω间变化,实时反馈与数据监测的频率设置为１k H z .６５９中国机械工程第３２卷第８期２０２１年４月下半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.图１２㊀样机控制系统F i g ．１２㊀C o n t r o l s y s t e mo f t h e e x p e r i m e n t a l p r o t o t y pe ４．２㊀灵巧手运动实验为了测试套索驱动灵巧手的性能,通过直接控制舵机对灵巧手的侧摆关节㊁近指关节㊁中指关节和远指关节进行运动实验,如图１３所示.由实验可知,所设计的灵巧手具有较好的运动灵活性,套索的应用能够有效避免干涉,实现各关节的解耦独立控制.(a)初始姿态(b)两侧张开(c)单侧摆动(d )近指转动９０ʎ(e )中指转动９０ʎ(f )远指转动９０ʎ图１３㊀灵巧手关节运动图F i g ．１３㊀K i n e m a t i c d i a gr a mo f d e x t e r o u s h a n d j o i n t s ４．３㊀抓取控制实验通过实际测量人手与所控制灵巧手的尺寸,对尺寸比例系数m i 进行标定,结果如表１所示.通过人手五指上安装的弯曲传感器作为输入信号,每根手指均进行了１００次伸展弯曲实验,记录传感器反馈电压信号的最大值与最小值,由式(１１)求得各手指反馈电压标定的最大值与最小值,结果见表１.灵巧手手指各关节经主从映射算法控制,大拇指与其他手指相比缺少了中指关节,因此将大拇指中指关节所对应的弯曲角度比例系数k (r )i设表１㊀手势识别相关参数T a b ．１㊀P a r a m e t e r s o f g e s t u r e r e c o gn i t i o n m ix i ,m a x (V )x i ,m i n (V )大拇指１．５２３．８９１．２３食指１．５４４．８３１．１９中指１．４９４．７７１．１７无名指１．５０４．６２１．２０小拇指１．４５４．４５１．１８定为恒值０,其他相关参数初始值均设为１.分别对水瓶㊁苹果与花生进行多次抓取实验(图１４),并不断修改相关参数以优化抓取效果,最终参数见表２.实验过程曲线见图１５.(a )抓取水瓶动作１(b )抓取水瓶动作２(c)抓取水瓶动作３(d )抓取苹果动作１(e )抓取苹果动作２(f)抓取苹果动作３(g)抓取花生动作１(h )抓取花生动作２(i )抓取花生动作３图１４㊀抓取控制实验F i g ．１４㊀E x p e r i m e n t s o f gr a b c o n t r o l 表２㊀主从映射相关参数T a b ．２㊀M a s t e r Ｇs l a v em a p p i n g re l a t e d p a r a m e t e r s 手指k ѳ(１)k ѳ(２)k ѳ(３)k ң(１)k ң(２)k ң(３)大拇指０．８９０１．２３１．１７０１．２５食指０．７３１．０５１．２０１．１５１．０７１．２１中指０．７８０．９８１．１７１．１８０．９９１．１８无名指０．６３０．９７１．２１１．１３０．９８１．２３小拇指０．８１１．０８１．１８１．１２１．１０１．２０㊀㊀如图１５所示,其中０~１０s 为抓取水瓶曲线,１０~２０s 为抓取苹果曲线,２０~３２s 为抓取花生曲线.由曲线可知,抓取水瓶时,各指关节均有明显运动,其中大拇指与食指各关节弯曲均较小,７５９基于套索传动的五指灵巧手设计与主从控制尹㊀猛㊀徐志刚㊀赵志亮等Copyright©博看网 . All Rights Reserved.(a)弯曲传感器信号(b)大拇指关节运动(c)食指关节运动(d)中指关节运动(e)无名指关节运动(f)小拇指关节运动图１５㊀抓取实验过程曲线F i g．１５㊀C u r v e s o f t h e g r a b e x p e r i m e n t s中指关节弯曲角度较大,各指均发挥抓取作用;抓取苹果时,各指关节也均有明显运动,其中大拇指与食指各关节弯曲均较小,中指与小拇指关节弯曲角度较大,各指均发挥抓取作用;抓取花生时,大拇指与食指各关节弯曲较大,中指㊁无名指与小拇指关节弯曲角度较小,抓取主要由大拇指与食指配合完成.特别地,在２０~３２s时,y i值小于式(１４)定义的临界值yᶄi,与其他图相比,图１５b 中的绿色曲线与红色曲线更加接近,图１５c中绿色与红色曲线也更加接近且数值明显大于蓝色曲线数值,说明在抓取花生时,大拇指与食指的远指与近指关节相较于其他手指的关节运动更加明显,通过抓取过程的变比例系数控制实现了对体积较小物体的有效抓取.由实验可知,所设计的灵巧手能有效抓取圆柱与圆球等各类物品,通过基于弯曲传感器的主从控制可以实现对五指灵巧手的控制.５㊀结论本文将套索传动应用于灵巧手,提出了一种电机后置的１９ＧD O F拟人轻型灵巧手.参照人手的构型确定了灵巧手的构型,对驱动模块与手指关节进行了设计.建立了灵巧手的多指运动学模型,并对末端运动空间进行了仿真.基于弯曲传感器对主从映射算法进行了研究,实现了抓取的主从跟踪控制.搭建灵巧手样机并进行关节运动实验,验证了所设计灵巧手的运动灵活性.通过抓取实验验证了主从映射控制算法的有效性.实验结果表明,基于套索传动的灵巧手具有可行性,未来可应用于人形机器人以及对灵巧手的灵活性有较高要求的场景,鉴于其成本低的优点,还可以作为科普或者教学工具.齿轮与套索传动的应用使关节控制具有空回迟滞与非线性的特点,主从控制要达到较高的精度也需要非线性补偿,下一步工作将重点对控制算法进行研究.参考文献:[１]㊀R AMÍR E ZR E B O L L O DR,P O N C EP,MO L I N A A．F r o m３F i n g e r st o５F i n g e r sD e x t e r o u s H a n d s[J]．A d v a n c e d R o b o t i c s,２０１７,３１(１９/２０):１０５１Ｇ１０７０．[２]㊀X U D,L O E BGE,F I S H E LJA．T a c t i l e I d e n t i f i c aＧt i o no f O b j e c t s U s i n g B a y e s i a n E x p l o r a t i o n[C]//I E E EI n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o nR o b o t i c s a n dA uＧt o m a t i o n(I C R A)．K a r l s r u h e,２０１３:３０５６Ｇ３０６１．[３]㊀S C HU L ZS,P Y L A T I U K C,K A R G O V A,e ta l．P r o g r e s si nt h e D e v e l o p m e n to f A n t h r o p o m o r p h i cF l u i d i c H a n d sf o ra H u m a n o i d R o b o t[C]//I E E E/R A S I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o nH u m a n o i dR o b o t s．S a n t aM o n i c a,２００４:５６６Ｇ５７５．[４]㊀P Y L A T I U K C,S C HU L ZS,K A R G O V A,e ta l．T w o M u l t i a r t i c u l a t e d H y d r a u l i c H a n d P r o s t h e s e s８５９中国机械工程第３２卷第８期２０２１年４月下半月Copyright©博看网 . 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n t r o l o fD o u b l eＧt e n d o nＧs h e a t hA c t u a t i o nS y s t e m[J]．IE E ET r a n s a c t i o n so nI n d u s t r i a lE l e c t r o n i c s,２０１５,６２(３):１５９９Ｇ１６０９．[１８]㊀Y I N M e n g,WU H a o t i n g,X U Z h i g a n g,e ta l．C o m p l i a n t C o n t r o l o f S i n g l eT e n d o nＧs h e a t hA c t u aＧt o r sA p p l i e dt oaR o b o t i c M a n i p u l a t o r[J]．I E E EA c c e s s,２０２０,８:３７３６１Ｇ３７３７１．[１９]㊀WU H a o t i n g,Y I N M e n g,X U Z h i g a n g,e ta l．T r a n s m i s s i o n C h a r a c t e r i s t i c s A n a l y s i sa n d C o mＧp e n s a t i o nC o n t r o l o fD o u b l eT e n d o nＧs h e a t hD r i v e nM a n i p u l a t o r[J]．S e n s o r s,２０２０,２０(５):１３０１．[２０]㊀K A N E K O M,P A E T S C H W,T O L L E H．I n p u tＧd e p e n d e n tS t a b i l i t y o fJ o i n t T o r q u e C o n t r o l o fT e n d o nＧd r i v e n R o b o t H a n d s[J]．I E E E T r a n s a cＧt i o n s o nI n d u s t r i a lE l e c t r o n i c s,１９９２,３９(２):９６Ｇ１０４．[２１]㊀P A L L IG,M E L C H I O R R IC．F r i c t i o nC o m p e n s aＧt i o nT e c h n i q u e s f o rT e n d o nＧd r i v e nR o b o t i cH a n d s[J]．M e c h a t r o n i c s,２０１４,２４(２):１０８Ｇ１１７．[２２]㊀张玉茹,李继婷,李剑峰．机器人灵巧手建模㊁规划与仿真[M]．北京:机械工业出版社,２００７．Z HA N G Y u r u,L I J i t i n g,L I J i a n f e n g．M o d e l i n g,P l a n n i n g a n dS i m u l a t i o no fD e x t e r o u sR o b o tH a n d[M]．B e i j i n g:M e c h a n i c a l I n d u s t r y P r e s s,２００７．[２３]㊀C HU A N G W C,HWA N G WJ,T A IT M,e t a l．C o n t i n u o u sF i n g e r G e s t u r e R e c o g n i t i o n B a s e do nF l e xS e n s o r s[J]．S e n s o r s,２０１９:１９(１８):３９８６．[２４]㊀张阳阳,黄英,刘家祥,等．面向手势动作捕捉的传感器设计及主从手运动映射[J]．机器人,２０１９,４１(２):１５６Ｇ１６４．Z HA N G Y a n g y a n g,HU A N G Y i n g,L I U J i aＧx i a n g,e t a l．S e n s o rD e s i g n f o rH a n dG e s t u r eC a pＧt u r i n g a n d M a s t e rＧS l a v e H a n d M o t i o n M a p p i n g[J]．R o b o t,２０１９,４１(２):１５６Ｇ１６４．[２５]㊀刘杰,张玉茹,刘博．人手到灵巧手的运动映射实现[J]．机器人,２００３,２５(５):４４４Ｇ４５１．L I UJ i e,Z HA N GY u r u,L I UB o．M o t i o nM a p p i n go fH u m a n H a n dt oD e x t e r o u sR o b o t i c H a n d s[J]．R o b o t,２００３,２５(５):４４４Ｇ４５１．[２６]㊀F E R R O N E A,MA I T A F,MA I O L O L,e ta l．W e a r a b l e B a n d f o r H a n d G e s t u r e R e c o g n i t i o nB a s e do n S t r a i n S e n s o r s[C]//I E E EI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nB i o m e d i c a lR o b o t i c sa n dB i o m e c h aＧt r o n i c s．P i s c a t a w a y,２０１６:１３１９Ｇ１３２２．(编辑㊀王旻玥)作者简介:尹㊀猛,男,１９９２年生,博士研究生.研究方向为套索传动理论与机器人应用.EＧm a i l:y i n m e n g l z＠１６３．c o m.９５９基于套索传动的五指灵巧手设计与主从控制尹㊀猛㊀徐志刚㊀赵志亮等Copyright©博看网 . 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模块化磁吸五指灵巧手结构设计与控制研究

模块化磁吸五指灵巧手结构设计与控制研究司成俊（长治职业技术学院机电系，山西长治046000）摘要针对目前五指灵巧手自由度低、拆装繁琐等问题，设计出一种模块化、易拆装、直驱式11自由度五指灵巧手。

通过永磁铁实现手指关节间的快速拆装，每个手指关节至少有±90°转动范围；通过对大拇指转动角度的特殊设计，可实现灵巧手左/右手模式直接切换以及双侧同时抓取。

通过3D打印制作了五指灵巧手样机。

针对灵巧手多传感器造成控制系统复杂的问题，提出采用电流反馈控制算法，通过对电机驱动电流进行信号采集和后处理，建立了电流-转角-指尖力之间的数学模型，并进行了抓取实验。

结果表明，设计的模块化灵巧手具有较强的抓取能力，并且通过电流反馈控制算法，可以实现对灵巧手运动状态和抓取力的控制，完成对目标物抓取操作。

关键词模块化磁吸关节电流反馈算法双侧抓取Study on the Structural Design and Control of Modular MagneticSuction Five-finger Dexterous HandSi Chengjun（Electromechanical Department，Changzhi Vocational and Technical College，Changzhi046000，China）Abstract In order to solve the problems of low freedom of five fingers dexterous hand and complicated disassembly and installation，a modular，easy disassembly and installation，direct drive11degrees of freedom five fingers dexterous hand is designed.Each finger joint has a rotation range of at least±90°.Through the spe‐cial design of the rotation angle of the thumb，the left/right hand mode of the dexterous hand can be directly switched and both sides can be grasped at the same time.A five-finger dexterous hand prototype is made through3D printing.Aiming at the complex control system caused by multiple sensors of the dexterous hand at present，the current feedback control algorithm is proposed，through signal acquisition and post-processing of the motor drive current，the mathematical model of current-rotation angle-fingertip force is established，and the grasping experiment is carried out.The results show that the designed modular dexterous hand has strong grasping ability，and the control algorithm of current feedback can control the movement state and grasping force of the dexterous hand，and complete the target grab operation.Key words Modular Magnetic suction joint Current feedback algorithm Double side grasp0引言灵巧手作为重要的人机交互工具之一，其在工业机器人和服务机器人中占据重要的地位。

欠驱动柔性机械手设计和控制-创新创业项目

柔性关节模型验证实验
实验仿真结果对比 13
柔性关节指力学特性
实物
简化模型
使用力F拉使手指弯曲的缆绳，当拉力逐渐增加是，柔性手指产生的变形也将增大
理论计算结果
弯曲状态一
弯曲状态二
弯曲状态一
弯曲状态四
弯曲状态五
放松状态
实际弯曲结果
柔性关节力转角特性 14
预期成果
• 完成第一代柔性仿人机械手（机械系统和运动控制系统）
• 现状
• 哈工大和德国宇航中心合作研发HIT/DLR III型假肢手[8]，采用仿人的设计，外形尺寸和人手相似。
• 趋势
• 仿人化程度提高 • 灵巧性 • 智能化 • 精准的控制模型
7
研究基础及条件理论支持
柔性梁理论
应变片
柔性梁 Fຫໍສະໝຸດ 双目视觉理论8研究基础及条件设备支持
• 设备支持
• 高性能数据采集设备 • 数控三维云台 • 小型数控铣床和车床
• 建立基于视觉的机械手运动分析系统 • 建立柔性关节变形和重构模型 • SCI,EI论文1-2篇，专利1项
15
进度安排及阶段目标
• 2015年1月~3月：完成机械手机械结构的设计加工和装配
• 2015年4月~6月：完成机械手的机电控制系统，使机械手能完成简单动作
• 2015年7月~9月：完成基于视觉的机械手状态检测系统并进行测试
欠驱动柔性机械手设计和控制
2021/8/23
1
欠驱动柔性机械手设计和控制
项目简介项目背景目的和创新点国内外发展现状和趋势研究基础及条件研究内容关键技术预期成果进度安排及阶段目标
2
项目简介柔性机械手结构

新型欠驱动仿生灵巧手设计及实时操作控制

胞生长的支架，而仿生灵巧手也由于与人手的高度匹配，具有未来充当手部骨骼支架的潜力。
根据驱动器放置的位置不同，仿生灵巧手分为驱动内置式和驱动外置式．驱动内置式灵巧手将控制器，驱动器以及传动机构集成在手掌内部，比如北京航空航天大学研制的 BH—985 灵巧手［3］，哈尔滨工业大学的 HIT / DLＲ Hand II 灵巧手［4］。这种类型的灵巧手具有外观拟人程度高，模块化程度高等特点，但由于将多种结构集成于手掌中，使得其手指尺寸和重量难以减小，从而限制了灵巧手本身的灵活性。
（ 1．南京航空航天大学自动化学院，江苏南京 211100； 2．南京航空航天大学航空宇航学院，江苏南京 211100； 3．南京航空航天大学材料学院，江苏南京 211100）
摘要：根据人手的生理结构，参考人手骨骼形状，设计了一种保留人手大部分生物力学特征的灵巧手控
制模型。为满足灵巧手多指控制的同步性和数据传输的实时性，设计了数据传输模块以及舵机控制模块。
中图分类号： TP 241
文献标识码： A
文章编号： 1000—9787（ 2019） 06—0092—04
Design and real-time operation control of novel underactuated bionic dexterous hand*
CAI Yu1 ，DUAN Shengqing1 ，WEI Xiaochen2 ，GUO Zhaoyang3 ，YANG Shangxuan1
0引言近几十年来，仿生学极大地推动了机器人技术的研究
与发展，对仿生灵巧手的研究最初源于对利用电机假肢来弥补肢体缺损的期望。人手的灵活性很大程度上得益于人类数百万年进化所形成的生物力学特征。人手骨骼的复杂形状，多样的旋转自由度及其他生物学特征共同组成了一个经过千百年验证的控制系统。此外，仿生灵巧手在神经义肢和肢体再生等新兴领域上也有许多潜在优势，人工肌肉的成功培养［1］，可生物降解的人造韧带的发明，可打印的生物相容性材料［2］等前沿技术都需要一个适合移植细

多指灵巧手主从控制系统的硬件设计

业任务的关键。传统的机械手（包括灵巧手）通常采用离线编程或示教的方法进行控制，巧手完成的是灵
事先规定好的工作。在非结构化环境中，无法靠灵巧手完全适应性地完成各种作业任务，往往需要人机配合，由人进行必要的监控和决策，并用人机交互手段干预灵巧手的动作。笔者构建的主从控制系统是由
路、传感器信号采集电路、超声电机运动控制电路及
超声电机调速电路。控制系统的硬件总体设计方案
如图１所示。
理想位姿由主从手指尖位置的映射关系决定。操作者佩戴合适的主手装置，可实现从手的多种动作。
２主从控制系统硬件总体方案设计
灵巧手的控制系统是其能适应性地完成各种作
关键词：灵巧手；Ｓ；ＤＰ超声电机中图分类号：Ｍ１３Ｔ３文献标识码：Ａ文章编号：０６４１（０１０ — ０２０１０ — ４４２１）４０８ — ３
Ｔｈａｄｒｅｉｎｏｅｍａｔｒｓａｅｃｎｒｌｙｔｍｏｌｉｆｎｅｅｅｔｒｕａｄｅｈｒｗａｅｄｓｇｆｔｓｅ－ｌｖｏｔｏｓｅｆｒａｍｕｔ－ｇｒｄｄｘｅｏｓｈｎｈｓｉ
式，人手通过某种设备给出多指手的期望位姿、速度等，通过控制系统使多指手跟踪这些给定值，从而在人的控制下使灵巧手完成具体作业任务¨ 。从手的］
位置信息的采集和处理以及实现对超声电机的有效控制，其硬件电路包括ＤＰ控制器及其外围电路，Ｓ外
围电路主要由以下几个模块构成：电源电路、码电译

灵巧机械手的机械系统和控制系统

灵巧机械手的机械系统和控制系统摘要:最近，全球内带有多指夹子或手的机器人系统已经发展起来了，多种方法应用其上，有拟人化的和非拟人化的。

不仅调查了这些系统的机械结构,而且还包括其必要的控制系统。

如同人手一样，这些机械人系统可以用它们的手去抓不同的物体，而不用改换夹子。

这些机械手具备特殊的运动能力（比如小质量和小惯性），这使被抓物体在机械手的工作范围内做更复杂、更精确的操作变得可能。

这些复杂的操作被抓物体绕任意角度和轴旋转。

本文概述了这种机械手的一般设计方法，同时给出了此类机械手的一个示例，如卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ。

本文末介绍了一些新的构想，如利用液体驱动器为类人型机器人设计一个全新的机械手。

关键词：多指机械手；机器人手；精操作；机械系统；控制系统4. 控制系统机器人手的控制系统决定哪些潜在的灵巧技能能够被实际利用，这些技能都是由机械系统所提供的。

如前所述，控制系统可分为控制计算机即硬件和控制算法即软件。

控制系统必须满足以下几个的条件：1. 必须要有足够的输入输出端口。

例如，一具有9个自由度的低级手，其驱动器至少需要9路模拟输出端口，且要有9路从角度编码器的输入端口。

如再加上每个手指上的力传感器、触觉传感器及物体状态传感器的话，则端口数量将增加号几倍。

2. 需具备对外部事件快速实时反应的能力。

例如，当检测到物体滑落时，能立即采取相应的措施。

3. 需具备较高的计算能力以应对一些不同的任务。

如可以对多指及物体并行执行路径规划、坐标转换及闭环控制等任务。

4. 控制系统的体积要小，以便能够将其直接集成到操作系统当中。

5. 在控制系统与驱动器及传感器之间必须要电气短接。

特别是对传感器来说，若没有的话，很多的干扰信号将会干扰传感器信号。

4.1 控制硬件为了应对系统的要求，控制硬件一般分布在几个专门的处理器中。

如可通过一个简单的微控制器处理很低端的输入输出接口（马达和传感器），因此控制器尺寸很小，能轻易地集成到操纵系统中。

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。清华大
学的研究人员设计的欠驱动拟人机器人手ＴＨ１，电机、驱动与控制系统等完全嵌入手掌，在外观与尺寸上均与人手相似，可完成常见的伸展、握拳、以适当的力稳定地抓取不同尺寸物体等拟人动作
［８］
。但欠驱
动手指通过弹簧和限位元件实现手指的自适应抓握，同时也受弹性元件和限位元件的影响，导致机器人手指的精确控制，轨迹跟踪有一定难度，因此，选取合理的简化结构和控制手指运动方式及表现形式，是欠驱动手指控制功能实现、简便实用的重要任务。
图２整手结构示意图
在运动时，手指３个关节顺序运动，即掌骨关节在电机的作用下最先动作，在掌骨关节到达极限位置后，近端关节开始动作，最后实现远端关节的动作，５个手指均采用这种结构与驱动方案。
２灵巧手单指工作空间域计算与仿真
工作空间域是指灵巧手正常运行时远端指关节所遍历的空间点的集合，表明了灵巧手的活动范围，既
图１人手生理结构及运动特点
是运动学指标之一，同时也可以衡量灵巧手在结构设
１０］计上的合理性［。由于灵巧手５个手指均采用相同
从以上分析可知，每根手指均具有４个自由度，３个弯曲／伸展的自由度和１个内收／外展自由度，这就决定了人手的运动方式及其运动特点。经过实际测量，掌骨关节的弯曲／伸展角度范围约为０～９０° ，近端指关节弯曲／伸展的范围约为０～１２０° ，末端指关节的弯曲／伸展的范围约为０～８０° ，而手指内收／外展的范围约为－２５ ° ～２５ ° 。
ａｔｅｄ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄｄｅｘｔｅｒｏｕｓｈａｎｄｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄａｎｅｗｄｒｉｖｅｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｅｑｕｅｎｔｉａｌｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄｊｏｉｎｔｍｅｃｈａｎｉｓｍｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＴｈｅｍｏｖｅｍｅｎｔｓｐａｔｉａｌｄｏｍａｉｎｏｆｔｈｅｆｉｎｇｅｒｔｉｐｓｗａｓｄｒａｗｎｂｙｕｓｉｎｇＭａｔｌａｂＲｏｂｏｔｉｃｓＴｏｏｌｂｏｘｆｒｏｍｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｏｆｖｉｅｗ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｊｏｉｎｔｏｆｔｈｅｓｅｑｕｅｎｔｉａｌｄｒｉｖｉｎｇｍｅｔｈｏｄｈａｓｌａｒｇｅｒｍｏｖｅｍｅｎｔｓｐａｔｉａｌｄｏｍａｉｎ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｓｃｈｅｍｅａｎｄｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅａｌｉｚｅｓｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｍｏｖｅｍｅｎｔｏｆｆｌｅｘｉｏｎ／ｅｘｔｅｎｓｉｏｎａｎｄａｄｄｕｃｔｉｏｎ／ａｂｄｕｃｔｉｏｎｏｆｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄｄｅｘｔｅｒｏｕｓｈａｎｄ，ａｎｄｈａｓｇｏｏｄｃｏｎｔｒｏｌｅｆｆｅｃｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄｄｅｘｔｅｒｏｕｓｈａｎｄ；Ｍｏｖｅｍｅｎｔｓｐａｔｉａｌｄｏｍａｉｎ；ＭａｔｌａｂＲｏｂｏｔｉｃｓＴｏｏｌｂｏｘ；ＤＣｍｏｔｏｒ；ＰＷＭｓｐｅｅｄｃｏｎｔｒｏｌ
的结构与驱动方案，仅以单指为例，进行单指工作空间域计算分析仿真。
２１灵巧手单指运动学方程的建立
采用ＤＨ方法建立灵巧手的坐标系，其基本原则是为每一个关节指定一个参考坐标系，ｚ轴为旋转关节轴线，ｘ轴方向指向ｚｎ－１与ｚｎ之间的公垂线，对于与ｚ轴相交的相邻两关节，ｘ轴定义为两条轴线构
。以Ｇｉｆｕ手为例，其自由度以及所需驱动
器数量较多，尽管其可以灵活自主地抓取物体，且具有较好的抓取稳定性，但在整个手掌以及手指内侧中布置了大量的触觉传感器，通过增加控制系统和传感器的要求来满足抓取物体时对其形状和尺寸的自动适应，成本高。实际上，人手是一个多冗余信息的活动
收稿日期：２０１３－０８－０９基金项目：教育部博士点基金资助项目（２０１１００６１１２００３３）；吉林省自然科学基金资助项目（２０１１１５１５３）；国家级大学生创新创业训练计划项目（２０１２１０１９０００１）作者简介：张习烨（１９８５ —），男，硕士研究生，研究方向为工程机器人。通信作者：唐新星，Ｅ－ｍａｉｌ：ｐｅｔｅｒｔａｎｇ１９７５＠ｓｉｎａｃｏｍ。
１灵巧手结构与驱动方案１１人手生理结构及运动特点简介
手指的运动方式有两种：弯曲／伸展和内收／外展
［９］
。末端指关节和近端指关节只能进行弯曲或者伸
展，相当于机械运动副的转动副，只有一个转动自由度，如图１（ａ）所示，而掌骨指关节不但能进行弯曲或者伸展运动，还能进行内收或者外展运动，相当于机械运动副中的球销副，具有２个转动自由度，如图１（ｂ）所示。
机器人灵巧手是为多任务而研究开发的一种智能型通用机械手，作为末端夹持机构，通过直接作用于目标对象来实现对目标的抓握，在太空探索、核能开发、医疗康复器械等诸多领域均有广泛的应用。随着科技水平的不断进步，灵巧手的研究逐渐成为机器人领域一个专门的研究领域，其研究工作取得了较大的进展，并取得了许多有应用价值的成果，如Ｓｔａｎｆｏｒｄ／ＪＰＬ手、Ｕｔａｈ／ＭＩＴ手、Ｇｉｆｕ手、ＨＩＴ灵巧手、ＢＨ灵巧手等
ＤｅｓｉｇｎｏｆＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍａｎｄＵｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒ
ＺＨＡＮＧＸｉｙｅ１，ＴＡＮＧＸｉｎｘｉｎｇ１，ＺＨＡＮＧＮａｎ１，ＮＩＴａｏ２（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＣｈａｎｇｃｈｕｎＪｉｌｉｎ１３００２２，Ｃｈｉｎａ；２ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＣｈａｎｇｃｈｕｎＪｉｌｉｎ１３００２５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｈｕｍａｎｈａｎｄ，ａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｕｎｄｅｒａｃｔｕａｔｅｄｄｅｘｔｅｒｏｕｓｈａｎｄｓｙｓｔｅｍｗａｓｃｒｅ
（１长春工业大学机电工程学院，吉林长春１３００２２；２吉林大学机械科学与工程学院，吉林长春１３００２５）
摘要：模拟人手的生理结构，创建一种新型欠驱动五指灵巧手系统。介绍了欠驱动灵巧手的结构，提出一种基于欠驱动关节机构顺序驱动的方法；从运动学的角度出发，使用ＭａｔｌａｂＲｏｂｏｔｉｃｓＴｏｏｌｂｏｘ绘制了手指指尖运动的工作空间域，并与采用关节同时驱动的指尖运动的工作空间域进行了对比，结果表明关节结构顺序驱动方法具有更大的工作域空间；最后，介绍了控制系统方案与电路，初步实现了欠驱动五指灵巧手的弯曲／伸展与内收／外展运动，其控制效果良好。关键词：欠驱动灵巧手；工作空间域；ＭａｔｌａｂＲｏｂｏｔｉｃｓＴｏｏｌｂｏｘ；直流电机；ＰＷＭ调速中图分类号：ＴＰ３９１文献标识码：Ａ文章编号：１００１－３８８１（２０１４）１５－００５－５
图５单指运动工作空间仿真结果
２３单指关节顺序动作与同时动作的工作空间域对比
（１）
１３］根据Ｃａｒａｔｈｅｏｄｏｒｇ定理［，如果集合ｘ＝｛ｖ１，
－ｃθ ａｉｓθ ｉｓα ｉｉｄｉ１
＞ｐ＋１，假定一个曲面 …，ｖｋ｝正张成空间Ｒｐ，则ｋ＞能用力封闭的方式来抓取，则必然至少有（ｐ＋１）个接触点；而Ｓｔｅｉｎｉｔｚ定理则给出了所需最少接触数的上界，这两个定理也可确定构成力封闭腱绳所需要的数目，一个Ｎ连杆的机器人，至少需要Ｎ＋１个腱绳来驱动。在文献［１４］中，提出了 “ 自贴合” 的 “ 欠驱动”概念，即具有自适应性的欠驱动灵巧手。在驱动手指时，采用一根腱绳来驱动手指３个关节同时运动，这种方法在简化控制、减轻质量、降低能耗方面有明显的优势，但在运动空间上，却有明显的不足。所设计的欠驱动机械手同样采用一根腱绳来驱动，但单根手指的３个关节按先后次序运动。对两种驱动方案的工作空间域在Ｍａｔｌａｂ进行了仿真，如图６所示。
·６·
机床与液压
第下关节的弯曲是通过齿轮机构实现的，手指上关节的弯曲是通过齿轮带动蜗杆和涡轮，再由蜗轮带动滑轮和绳索驱动，不但能够完成一般的外部包络抓取，其手指还可以伸入物体内部并向外张开，从而实现内部抓取
［７］
实用性强。所设计的欠驱动灵巧手包含５个手指，并分别通过十字关节与手掌相固接，每个手指均具有３个关节指段、４个自由度，分别由两个电机驱动，一个电机及其减速机构控制３个自由度，实现手指的弯曲／伸展，每个关节指段和十字关节上都设置有控位销，在控位销与穿过十字关节的旋转轴间缠绕钢丝绳，钢丝绳的两个自由端通过螺钉固定在手指远端指关节段的中间定位孔处。关节的运动及动力的传递通过在关节间控位销上缠绕腱绳实现，通过改变控位销间的钢丝绳长度变化来实现手指的弯曲和伸展。而另一电机及其减速机构控制１个自由度，实现手指的内收／外展。手指的远端指关节段由六维力传感器代替，获取抓取目标物所需要的力，以适应不同类别的物体的抓取。为减轻整手的质量，选择铝或铝合金制品作为手指的加工材料；所选用的微型直流电机与手掌相互垂直放置。利用三维设计软件整手结构，如图２所示。
１１］成的平面的垂线［。据此建立如图３所示的仿人灵
１２欠驱动灵巧手结构与驱动方案