欠驱动假手手指抓取力的研究
残疾人假手的仿人和欠驱动机构研究
残疾人假手的仿人和欠驱动机构研究第24卷第9期2007年9月机械设计JOURNALOFMACHINEDESIGNV ol_24No.9Sep.2007残疾人假手的仿人和欠驱动机构研究俞昌东,姜力,黄海,史士才(哈尔滨工业大学机器人研究所,黑龙江哈尔滨150001)摘要:根据欠驱动和耦合原理研制出了仿人型残疾人假手,该手结构简单,质量轻,高度集成化.与成年人手的大小相仿,用Matlab软件优化设计了手指各杆件参数,同时进行了运动学分析.该假手对不同物体抓取具有自适应性,能进行力量抓取和精确抓取.关键词:仿人型假手;欠驱动;耦合;自适应性中图分类号:TP24文献标识码:A文章编号:1001—2354(2007)09—0044—03仿人型残疾人假手是在灵巧手的基础上发展起来的.20世纪90年代以来,具有精确抓取和操作的智能灵巧手相继出现,像NASA仿人灵巧手,DLR仿人灵巧手,这类手以空间操作为背景,具有多种感知功能,智能程度高,系统复杂.在此基础上,质量轻,结构简单,多手指的人形手,如Southampton手,TBM手,O'ITOBOCK手一等,也相继面世.该类手在外形和质量方面具有很好的拟人化特征,但是一般只有一个自由度,缺乏必要的感知功能,其操作水平与人手相距甚远.针对自由度和驱动器数量,质量和灵活性之间的矛盾.人们提出欠驱动原理.欠驱动是指机构中的驱动器数少于机构自由度数.这种机构具有形状白适应能力,当欠驱动手指抓握物体时,能完全包络物体,适应物体形状.根据欠驱动和耦合原理,研制了一种结构简单.质量轻,能白适应抓取的仿人型残疾人假手. 该手在外观,运动形式等方面进行了仿人化设计.仿人型假手的结构1.1仿人型假手的整体结构和包装所研制的欠驱动耦合假手共有5个手指组成,每个手指3个关节.共15个活动关节,三维模型如图1所示.其尺寸与成年人手相近,总质量为500g.整个手由3个电机驱动,拇指,食指和中指各用一个电机,无名指和小指由中指电机带动,该3 指在水平方向倾斜5.放置,如图1所示,与人手更加接近.假手机构本体外佩带上人造皮肤制成的手套.外观上非常接近人的自然手.图2为假手包装后的外观.图1假手三维模型图图2包装的假手外观图1.2假手手指结构假手共由5个手指组成,除大拇指外,其余4指结构相同(食指和中指有电机和减速器),都采用欠驱动和耦合的原理设计的.手指由3个指节组成:近指节,中指节和远指节,如图3所示.近指节和中指节之间应用欠驱动原理,两者之间有一扭簧,保证手指各指节自然伸直.通过对人手的观察和研究发现,自然手手指运动时,中指节和远指节是耦合的,为了更好模仿人手的形态,中指节和远指节通过耦合连杆实现近似为1:1 的耦合运动.手指抓握物体时,在近指节接触物体之前和接触物体后,近指节传递给中指节的力克服不了扭簧的力,末端两指节和近指节就一直保持伸直状态,手指以单刚体绕基关节轴MENGZhao-ming.TANGRen-gang,ZHAOHai-xia, ZHAOHong-bin(1.schoolofElectro—MechanicalEngineering,QingdaoUni—versityofScienceandTechnology,Qingdao266061,China;2. QingdaoBranchSchool,InstituteofNavyAviationEngineering,Qingdao266041,China)Abstract:Thelargertheinstantaneoustransmissionangleisin thecrank—slidermechanismthebetteritsmovingperformanceis. Thelargerthespeedratiocoefficientoftravelandthestrongerthe quickreturncharacteristicsintheunidirectionaloperatedcrank..sli.. dermechanismarethehigheritsworkingefficiencyis.Adoptingthe differentialmethod.takingtheallowableminimumtransmissionan—gle[]ofthemechanismasthe~undationofdesignandusingthe travelspeedratiocoefficientofmechanismasthefunction,thedif- ferentiationandsimultaneityweremadeonthedesigningvariables, andthefunctionalexpressionofmaximumtravelspeedratiocoeffi—cientkthatcouldbeachievedbythemechanismwasderived. ThefunctionalcurveswereprotractedandtheresultWasobtained thatthemaximumtravelspeedratiocoefficientk…isonlyrelatedto theallowabletransmissionangle[T]anddecreasesalongwiththeincreaseof[].Keywords:travelspeedratiocoefficient;quickreturnchar—acteristics;minimumtransmissionangle;crank—slidermechanismFig3Tab3Ref4"JixieSheji"6693收稿Et期:2007—02—08;修订日期:2007—06—18基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(50435040)作者简介:俞昌东(1983一),男,安徽六安人,哈尔滨工业大学机器人研究所硕士研究生,研究方向:仿人型残疾人假手.2007年9月俞昌东,等:残疾人假手的仿人和欠驱动机构研究45旋转.当近指节和物体接触后,近指节不能向前旋转时,推杆克服扭簧的力,把运动传递到中指节,中指节和远指节耦合运动,从而实现对物体的抓取,包络,如图4所示.手指各指节尺寸和人手食指尺寸相似:食指和无名指尺寸一致,分别为38mm,27mm,20.5mm;中指为45mm,27mm,20.5mm;小指为32mm,23mm,20.5mm.撒杆图34指结构图图4欠驱动耦合原理手指抓取包络图1.3大拇指的设计如图5所示,大拇指和其他手指一样,由3个指节组成,也是采用欠驱动和耦合原理.努力保证大拇指的外观和运动形式与人手相似,而且又尽量不影响其对物体抓握和捏拿的功能,在大拇指的连杆机构上,通过球铰链实现了拇指在空间呈锥面的运动,并保证了其欠驱动运动在空间上的实现,拇指的运动空间为70.的空间轨迹,见图6.基图5拇指结构图图6拇指运动轨迹1.43指联动机构设计中指,无名指和小指共用一个电机,由一根轴传递运动和转矩.电机安放在中指的后面,经配套的减速器减速,再由锥齿轮改变方向,带动三指轴,三指轴为削边轴,由3个弹簧支架配合,从而弹簧支架随3指轴旋转,如图7所示.以小指为例介绍传动过程,如图8所示:三指轴带动弹簧支架旋转,弹簧支架和传感器之间固定一个扭簧,用挡销2保证扭簧始终有一定的预紧角,从而弹簧支架和传感器之间有一定的预紧力(其大小根据设计需要而定),从而手指具有一定的刚度,不会前后松动和颤动.同时,扭簧具有一定范围的工作扭转角,从而使手指具有一定的柔性,在3指联动过程中,这个柔性是非常重要的.因为3指在抓握不规则物体时,往往是其中某一个手指先对物体完成包络,而其他手指还没有完成完全包络,这时就需要手指的柔性.以小指先包络为例,这时电机仍然带动三指轴向前旋转,而小指各指节不能再向前运动,推杆和传感器不能再动,这样扭簧会进一步被压缩,直至其他手指完成包络.由中指销动‰薪箱学销蓥雾茎三一刚,,三丽—电路板图8小指传动示意图无名指和小指的设计是完全一样的,中指也是这个原理,只是由于空间限制,弹簧支架和扭簧的安放位置有所不同,如图7所示.2运动学分析手指采用欠驱动和耦合的原理设计,其近指节就是一个4杆机构,分析4杆机构,就可以知道近指节和中指节的运动关系,远指节和中指节耦合的运动,分析两者比例关系,从而就知道3个指节间的运动关系.如图9所示,在4杆机构中,各杆所构成的矢量封闭方程为:l1+c=n+西整理化简,得:Asin03+Bcos=C所以:=arcc.s[BC-~/A422(A+2日+2B2-C2)J]LA+JA=2acsin口1,B=2c(aco$一l1)c=b一a一c一l+2al1Co8口1在设计中,取f1=38mm,a=8mm,b=37.9367mm,c=4.5mm.从而知道和0的关系,其速度比近似为1.9:1.图94杆机构简图中指节和远指节为耦合运动,结构如图10所示,f为主动杆,f:为中间杆传动件,为从动杆,f为机架.在传动过程中,机械设计第24卷第9期主动件第二指节带动第三指节进行耦合传动.设主动件为2,2 通过连杆f]推动杆2同方向运动,则2相当于第二指节,2相当于第三指节.由此组成一个4连杆机构.在手指的运动过程中, 手指末端耦合运动的两个指节转向一致,即角ol(主动旋转角/_BAD)和角(耦合,被动旋转角CBA)旋转方向一致,且转过的角度尽可能地相等,当ol增加90.时,相应的角也增加大约90..确定各杆的长度及初始角度,使角ol和角口转过的角度之差最小,近似实现1:1传动.模仿人手大小的要求及结构尺寸限制首先确定指节长度,因此,在参数确定的过程中,首先可以确定的是2.和2.为实现近似1:1传动,选择2=2.至此,4连杆机构中需要确定的参数只有角和角的初始值ol.和风.从而可计算得连杆f]的一系列长度值.rD图lo耦合连杆筒图f]=(cto,卢0)lAc=磋+l一2l2llc0sCA…sjn()/CAD=CAB+Ctol3=瑶+zjc一214l^cc0s(/CAD)式中:(0,卢0)∈R在设计连杆的过程中,以主动杆转过的角度和从动杆转过的角度差占为主要参考指标.要求当主动角从初始角度开始, 在0.一90.的运动范围内,占的统计值(均值E(8),方差0(8))最小.E(6)=∑/nD(6)=∑[一E(]2/n式中:n——主动角n在运动区间内采样点的个数.在假手耦合连杆的传动过程中,可以建立如下各个参数之间的关系,公式如下:=BAD,口=CBAzD=+一2l4zlCOSn/CBD…ccos()CBA=CBD一ABD6=.(n,n0,卢0)=(n0一n)一(卢一卢0)经过Matlab仿真计算,得出以下一组最优参数2.=27mm,22=24=4.5mm,=25.8209mm.3假手的传感器和控制系统为了提高假手的智能化水平,必要的传感器是不可空缺的.采用了力矩传感器,为控制系统提供力信号.假手控制系统硬件采用TMS320F2812DSP为核心,结合专用可编程步进电机控制器和大电流可细分步进电机驱动,利用DSP丰富外设功能完成了一个可以同时控制和驱动3个步进电机,适时对传感器信号采样,肌电信号(EMG)数据采集及处理.再an~脑电信号的和语音信号的控制,该手的智能化程度大大提高.这些硬件结构全部集成在手掌里,整个假手高度集成化.4结束语采用欠驱动和耦合机构设计了仿人型残疾人假手,利用Madab等软件设计了杆件的具体参数.该手结构简单,质量轻,高度集成化,可以对不同的物体具有自适应抓取功能,亦可以进行力量抓取和精确抓取.[2][3][4][5][6]参考文献LovchikCS,DifferMA.Therobonauthand:adex~ousrobotic handforspace[C].ProceedingsoftheIEEEInternationalConfer- enceonRoboticsandAutomation,Detroit,Michigan,1999:907—912.LiuH,ButterfassJ,KnochS,eta1.AnewcontrolstrategyforDLR mulfisensoryarticulatedhand[J].IEEEControlSystems,1999,19 (2):47—54.ButterfassJ,GrebensteinM,"uH,eta1.DLR-HandII:Nextgen—erationofadextrousrobothand[C].ProceedingsoftheIEEE ICRA,Seoul,Korea,2001:413—428.ChappellPH,KyberdPJ.Prehensilecontrolofahandprosthesisby amicrocontroller[J].BiomedicalEngineering,1991,13(9):363—369.LightCM.ChappellPH,Developmentofalightweightandadapt- ablemultiple-axishandprosthesis[C].MedicalEngineeringandPhy sics,2000,22:679—684.DechevN,CleghomWL,NaumarmS.Multiplefinger,passivea daptivegraspprosthetichand[C].MechanismandMachineTheory, 2001.36:1157—1173. Studyontheaperyanddrivelackingmechanismforarti—ficialhandofdisabledpersonYUChang-dong,JLANGLi,HUANGHai,smShi-cai (ResearchInstituteofRobotics,HarbinPolytechnicUniversi—ty,Harbin150001,China)Abstract:Theaperytypedartificialhandofdisabledperson wasdevelopedonthebasisofprinciplesofdrivelackingandCOU? pling.Thestructuresofthishandaresimple,lightweighted,high—lyintegratedandsimilartothehandsizeofanadult.Parametersof eachbarmemberoffingersweredesignedoptimallybytheuseofMadabsoftware.andthedynamicsanalysiswascarriedoutatthe sametime.Thisartificialhandhasself-adaptabilityonthegrabbing ofdifferentobjects,andcouldconductbothforcegrabbingandpre—cisiongrabbing.Keywords:Aperytypedartificialhand;drivelacking;COU—piing;self-adaptabilityFig10Tab0.Ref6"JixieSheji"7111。
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
变抓取力的欠驱动拟人机器人手
" 拟人机器人手设计的关键问题
$.在 实 现 一 定 功 能 和 拟 人 性 的 前 提 下 =尽 可 能 简 化 和 安 排 人 手 的 自 由 度 =以 此 来 减 轻 控 制 的 难 度 H
*.减 小 手 的 体 积 C质 量 和 功 耗 H 因 为 过 大 的 体 积 将影响 外观=过 重 的 手 部 和 过 大 的 功 耗 将 加 重 臂 部 和 腿 部 的 负 担 =加 重 电 源 负 担 H 手 部 自 由 度 数 目 C 驱动 类型C传 动 方 式C关 节 机 构C所 用 材 料 以 及 运 动 特 性 等 对 手 的 体 积 C质 量 和 功 耗 均 有 较 大 影 响 H
根据前述的拟人机器人手设计的关键问题分析
和 ,-./手 的 设 计 目 标!提 出 ,-./手 具 体 设 计 思 路为1
/0人 手 大 部 分 抓 取 任 务 可 用 两 个 7虚 拟 指8完 成 #9%!为 减 少 控 制 难 度 !,-./手 设 计 为 具 有 两 个 手 指 1食 指 和 拇 指 "
+.拟 人 机 器 人 手 的 主 要 功 能 是 抓 取 和 移 动 物 体 H根 据 物 体 质 量 和 表 面 性 质 =手 在 抓 取 时 应 该 采 用 不 同 抓 取 力 =即 手 的 抓 取 力 应 具 有 一 定 的 可 控 性 H
(.尽 可 能 增 加 拟 人 性 =同 时 减 轻 实 时 控 制 难 度 及 减 小 体 积 C重 量 H综 合 两 方 面 要 求 就 产 生 了 欠 驱 动 手指的概念H欠驱动机构是指机构的驱动器数少于 自由度数H
欠驱动手指原理
欠驱动手指原理哎呀，说起来欠驱动手指原理，这事儿可真不是一两句能说清楚的。
你瞧，这玩意儿就像是你手里拿着一把螺丝刀，但只有一把，却要拧紧好几个不同型号的螺丝。
这听起来是不是挺头疼的？但这就是欠驱动系统的魅力所在，简单又高效。
记得有一次，我在朋友家帮忙修理一个老式的收音机。
那玩意儿真是老古董了，按钮都磨得快看不清了。
我拿着螺丝刀，心想这得是个大工程。
结果呢，我发现这收音机的后盖，只需要拧开三个螺丝就能打开。
我当时就乐了，这不就是欠驱动手指原理的活生生例子嘛！我跟你说，这三个螺丝就像是欠驱动系统的精髓，用最少的“驱动”达到最大的“效果”。
我小心翼翼地拧开每一个螺丝，每一个都像是解开一个谜题。
第一个螺丝，紧得很，我得使劲儿转，感觉像是在和时间较劲；第二个螺丝，松松垮垮，轻轻一拧就下来了，让我有点措手不及；最后一个，卡在中间，不紧不松，就像是生活中的那些小挑战，需要恰到好处的努力。
打开收音机后盖的那一刻，我仿佛打开了新世界的大门。
里面那些复杂的线路和零件，就像是精密的宇宙，每个部件都在自己的位置上发挥着作用。
我一边修理，一边想象着这些零件是如何协同工作的，这种感觉真是太神奇了。
修理过程中，我发现了一个松动的电线，这就是收音机发出噪音的原因。
我小心翼翼地把它固定好，就像是在给一个老朋友治病。
当我把所有的螺丝都拧回去，收音机重新发出清晰的声音时，那种成就感，真是难以言表。
你看，欠驱动手指原理不仅仅是一个技术概念，它其实就在我们的日常生活中。
就像我用一把螺丝刀，解决了一个看似复杂的问题。
这不仅仅是关于效率，更是一种生活的智慧，用最少的资源，达到最好的效果。
所以，下次当你遇到问题，不妨想想欠驱动手指原理，也许答案就在那“最少的驱动”之中。
就像我修收音机一样，有时候，简单的事情，也能带来大大的快乐。
欠驱动拟人手的设计及抓握操作理论与方法研究
欠驱动拟人手的设计及抓握操作理论与方法研究人体解剖学和肌骨系统运动功能学研究表明,虽然人手具有众多的活动关节,然而关节之间存在固有的协同运动特性。
如何用工程科学的方法复现人手运动规律是当前机器人学研究的难题之一。
本文围绕欠驱动拟人手的设计、功能评价等问题开展系统深入的研究。
主要创新性研究工作如下:人手高维运动功能的机械重构方法。
采集人手的日常抓握运动数据,并分析了人手的运动特征。
人手运动数据的分析结果表明,手指内关节间存在主次运动机制,拇指与其余四指运动关联性差,其余四指的运动存在显著的协同特征。
根据人手指的主次运动分治规律,提出了复现人手指主次运动的机械设计原理。
基于提出的设计原理,设计并制造了机械传动系统内置的欠驱动拟人手样机。
该拟人手只需4个电机驱动16个关节,能够复现人手自然的抓握功能。
抓握实验结果证实了提出的拟人手设计方法的有效性。
欠驱动机构的机械自适应特性定量评价。
欠驱动机构具有独特的机械自适应特性而被广泛使用,然而尚缺乏对机械自适应性的定量评价方法。
针对这一问题,定义了描述机械自适应性的度量指标,从效果和代价两方面对机械自适应特性进行定量评价。
通过分析欠驱动机械手实施典型抓取行为过程中运动与力的演化过程,揭示了欠驱动机构机械自适应特性的外在条件和内在成因。
利用提出的评价指标,分析比较了拟人手的三种典型柔性欠驱动拟人手机构的机械自适应能力,结果表明采用主次运动分治原理设计的关节间柔性耦合机构具有最优的形状自适应能力。
自适应包络抓握的欠驱动机构参数设计方法。
通过对欠驱动抓握过程分析研究,发现了欠驱动手抓握过程中存在运动收敛的行为,揭示了机构参数对欠驱动手抓握行为特点的影响规律。
提出了基于抓握过程的欠驱动机构参数分步设计方法,解决了欠驱动手指在自适应抓握过程中难以施加足够大抓握力的难题,为避免手指自适应抓握过程中发生挤出行为提供了有效的解决方法。
实验结果验证了分析和设计方法的有效性。
欠驱动拟人手灵巧操作能力的分析评价方法。
一种齿轮—腱欠驱式三指灵巧手的研制
Development of Three-Fingered Dexterous Hand Driven by Gear-TendonMechanismAbstractWith the rapid development of robot technology, its application area is becoming more and more widely. The end effectors are key components of robot in interaction with the environment. The improvement of robot intelligent level and working ability is largely depended on the flexibility and reliability of its end executor. Therefore, in order to improve its flexibility, it is very significant to study the robot end executor. Generally, the robot end executor is divided into two kinds, one is the end gripper commonly used in the industrial robot, which has simple structure and can only achieve a single action. Another is the multi-fingered dexterous hand with more freedom and joints. Imitating the function of a human hand, it can grab a variety of objects with complex shape flexibly and operate finely. It can be applied to assistive devices and tasks in danger ous environment for liberating human’s hands. It greatly expanded the application field of robot end executors, so it has wide development prospects. This paper developed a three-fingered dexterous hand driven by gear-tendon, based on a construction project of "I ntelligent Service Robot Technology and Equipment Engineering Laboratory of Dalian". The major contents are as follows:Based on the basic function and anatomical structure of human hands, a three-fingered dexterous hand driven by gear-tendon is designed. A new type of spring - slider mechanism realized the under actuated finger in a good way. The passing way of double tendon rope effectively implemented the fingers’ open and close. The three figures are just the same in modular design. Right triangle structure is used in the installation position can be realized to knead and envelope grab target movement. Then, the control system of the dexterous hand was designed, and an experimental platform was built, which provides the basis for the following research.In this paper, a workspace analysis method of single finger based on inverse kinematics was proposed. The method is only to solve the inverse kinematics of two degrees of freedom joints, and on this basis to analyze the working space of the third joint. Compared to the traditional method based on the forward kinematics, this method has small amount of mathematical calculation and good application value. Based on V-REP robot simulation software, the working space simulation of the humanoid three fingers dexterous hand in the positive kinematics solution has been carried on. And the simulation results has been analyzed, pointing out the shortage of the existing principle prototype.- III -Based on the experimental prototype of three fingers humanoid dexterous hand, an experiment of fingers compliant ability under the non-work condition had been carried on, and verified the self-protection ability of the dexterous hand. Experiments of single finger control has been conducted, including the speed and position control, to determine the appropriate grab speed and control mode. Snatching different shapes of objects, including pinch and envelope grab, to verify the grasping performance of the dexterous hand, and the result of the experiment has been analyzed. Aiming at the existing problem of dexterous hand mechanism, parameters optimization of pulley drive system has been designed. The results show that the prototype transmission mechanism was simplified and the transfer efficiency was improved.Based on the experimental prototype of three fingers humanoid dexterous hand, after the analysis and determination of the dexterous hand control system architecture, the integrated design of the control system was projected. Firstly, the hardware of the integrated control system was designed, including the main control module STM32F103C8T6, driver module of electric motor DRV10970 and so on. The size of the PCB panel was only 50mm×70mm, which was similar with an adult palm. And then, the software of the integrated control system was programmed. According to each motor in the finger knuckles, to set the motor movement and combination movements of multiple fingers. Therefore, the feasibility of the prototype structure was verified.Key Words：Humanoid dexterous hand; Gear-tendon underactuated type; Working space; Integrated design- IV -目录摘要 (I)Abstract (III)1 绪论......................................................................................................................... - 1 -1.1 项目背景和研究意义.................................................................................. - 1 -1.1.1 项目背景........................................................................................... - 1 -1.1.2 研究意义........................................................................................... - 1 -1.2 多指灵巧手国内外研究现状...................................................................... - 2 -1.2.1 国外研究现状................................................................................... - 2 -1.2.2 国内研究现状................................................................................... - 8 -1.2.3 多指灵巧手的发展趋势................................................................. - 10 -1.3 论文主要研究内容.................................................................................... - 11 -1.4 本章小结.................................................................................................... - 12 -2 欠驱动三指灵巧手的设计................................................................................... - 13 -2.1 欠驱动三指灵巧手的机械结构设计........................................................ - 13 -2.1.1 灵巧手结构综述............................................................................. - 13 -2.1.2 手指结构设计................................................................................. - 15 -2.1.3 手指驱动系统................................................................................. - 17 -2.1.4 手指欠驱动传递系统..................................................................... - 18 -2.1.5 手掌结构设计................................................................................. - 19 -2.2 零部件加工方式选择................................................................................ - 20 -2.3 控制系统设计............................................................................................ - 21 -2.4 本章小结.................................................................................................... - 22 -3 欠驱动三指灵巧手的运动学分析....................................................................... - 23 -3.1 齐次坐标变换............................................................................................ - 23 -3.2 单指机构运动学分析................................................................................ - 25 -3.2.1 单指机构正运动学分析................................................................. - 26 -3.2.2 一种基于逆运动学的单指工作空间分析方法............................. - 28 -3.3 基于V-REP的三指灵巧手工作空间仿真 .............................................. - 30 -3.3.1 V-REP机器人仿真软件简介 ........................................................ - 30 -3.3.2 基于运动学正解的三指灵巧手工作空间仿真............................. - 32 -3.3.3 仿真结果分析................................................................................. - 33 -- V -3.4 本章小结.................................................................................................... - 33 -4 欠驱动三指灵巧手的样机实验及优化............................................................... - 35 -4.1 非工作条件下的手指顺从能力实验........................................................ - 35 -4.2 单手指的控制实验.................................................................................... - 36 -4.2.1 单手指的速度控制实验................................................................. - 36 -4.2.1 单手指的位置控制实验................................................................. - 38 -4.3 三指灵巧手的抓取实验及分析................................................................ - 39 -4.4 实验样机优化设计.................................................................................... - 41 -4.5 本章小结.................................................................................................... - 44 -5 欠驱动三指灵巧手控制系统集成化设计........................................................... - 45 -5.1 三指灵巧手集成控制系统概述................................................................ - 45 -5.2 三指灵巧手集成控制系统硬件设计........................................................ - 46 -5.2.1 主控制模块STM32F103C8T6 ...................................................... - 47 -5.2.2 电机驱动模块DRV10970 ............................................................. - 50 -5.2.3 控制系统电源................................................................................. - 51 -5.2.4 通讯模块......................................................................................... - 51 -5.3 三指灵巧手集成控制系统软件设计........................................................ - 52 -5.4 本章小结.................................................................................................... - 54 -结论..................................................................................................................... - 55 -参考文献............................................................................................................... - 57 -攻读硕士学位期间发表学术论文情况..................................................................... - 60 -致谢..................................................................................................................... - 61 -................................................................. - 62 -- VI -1 绪论1.1 项目背景和研究意义1.1.1 项目背景机器人是一种高技术产业，人类智慧的结晶，具备根据人类意愿执行特点任务的能力，随着科技的发展，逐渐具有自主解决实际问题的特点，且功能日趋成熟。
欠驱动四指灵巧手的设计与研究
动． Ｓ ＡＲ ＡＨ 手 ［ ８ ］ 、 Ｂ ｅ ｌ ｇ ｒ ａ ｄ ｅ ／ ＵＳ Ｃ 手 等 为 应 用 连杆 机 构 的典 型 代 表． 连 杆机 构 的 优 点是 能
实现 强力 抓取 物体 ， 但在 拟人 性上 略有 不足 ， 受
机 械机 构 的 限 制 ， 手指 小 型 化 和拟 人 化 实现 较
本 文提 出的新 型欠 驱动手 指 的设计 方 案如
驱 动多指 手 的传动 形 式主要 有连 杆传 动和腱 传
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ － ０ ５ — １ ５ 第一作者简介 ： 何广平 ， 教授． 研究 方 向 ： 机 器 人 技 术
第 ３期
图 １所 示 ．
何 广平
刘 菲 ： 欠驱 动 四指灵 巧手 的设计 与研 究
于科 学实验 ．
构 简单 、 重量轻 、 控制 简单 、 成本低 廉 的仿 人单 腱
式 弹性欠驱 动多 指手 ． 并且 ， 此 欠驱 动 多 指手 具
有 被动柔顺 特性 ， 即在 抓取 物 体 时 ， 具 有 自动 适
应 不 同形状物体 的能力． 这一 特性使得 欠驱 动多 指 手具有强 大的包络抓取 能力．
一
正 是基于上述设计 原则 ， 在仿 人多指灵 巧手 的结
构 和运动机理 中应 用欠驱动原 理 ， 设计 了一种 结
步， 如 Ｓ ｈ ａ ｄ ｏ ｗ Ｄ ｅ ｘ ｔ ｅ ｒ ｏ ｕ ｓ Ｈａ ｎ ｄ ［ ５ ］ ． 虽 然 全驱
动灵 巧 手在 拟 人 和灵 活 性 上具 有 很 大优 势 ， 但 是 它 的缺点 也是 显 而易见 的 ， 如驱 动单元 多 、 重 量大 、 成本 高 ， 难 以实 现 工 程 应用体的能力．
新型欠驱动机器人手爪的设计与性能分析研究
新型欠驱动机器人手爪的设计与性能分析研究摘要：本文针对目前机器人手爪在欠驱动方面存在的问题，提出了一种新型的欠驱动机器人手爪设计，并对其性能进行了分析研究。
实验结果表明，该手爪在实际应用中具有较高的精度和稳定性，能够满足多种物体抓取任务的需求。
1. 引言机器人手爪作为机器人执行任务的重要组成部分，其设计和性能直接关系到机器人的抓取能力。
目前的机器人手爪多采用驱动器驱动方式，但这种方式存在着一些问题，如复杂的结构、高能耗、较低的抓取精度等。
因此，研究一种新型的欠驱动机器人手爪具有重要意义。
2. 设计原理新型欠驱动机器人手爪的设计基于弹簧驱动原理，通过将弹簧与机械结构相结合，实现手爪的自适应抓取。
手爪的开合动作由弹簧的压缩和释放控制，通过调整弹簧的初始压力可以实现不同力度的抓取。
3. 结构设计新型手爪采用了一种简化的结构设计，由两个对称的爪状部件组成，通过一个中央轴连接，实现手爪的开合动作。
爪状部件由柔性材料制成，能够适应不同形状的物体进行抓取。
4. 控制系统手爪的控制系统主要由弹簧的压缩和释放控制组成。
通过控制弹簧的压力大小和释放速度，可以实现手爪的精确抓取。
控制系统采用了先进的传感器技术，能够实时监测抓取力度和物体形状，从而提高抓取的准确性。
5. 性能分析通过实验对新型手爪的性能进行了分析。
实验结果表明，该手爪在多种物体抓取任务中具有较高的精度和稳定性。
与传统驱动器驱动方式相比，新型手爪具有更低的能耗，并且能够适应不同形状和大小的物体，具有更广泛的应用前景。
6. 结论本文设计了一种新型的欠驱动机器人手爪，并对其性能进行了分析研究。
实验结果表明，该手爪在实际应用中具有较高的精度和稳定性，能够满足多种物体抓取任务的需求。
未来的研究可以进一步优化手爪的设计和控制系统，提高其性能和适应性。
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欠驱动假手手指抓取力的研究黄海;王新庆;姜力;刘宏【摘要】为了满足欠驱动手进行复杂作业的需要,基于欠驱动原理建立了手指对物体的抓取力模型和基于力的阻抗控制策略.对应于任一手指姿态,抓取力模型可以准确得到基关节抓握力矩和手指各指节抓取力的关系;采用基于力的阻抗控制策略,实现了基关节抓取力控制.实验证明,手指能够稳定地抓取鸡蛋这样比较滑、容易碎、形状复杂且有一定质量,需要稳定和平衡抓取力的物体,其成功率达80%以上.而这是单纯用手指的基关节力控制很难做到的(成功率只有不到20%).手指抓取力模型和阻抗控制策略的建立大大增强了假手进行复杂作业,抓取复杂物体的能力.【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》【年(卷),期】2010(042)005【总页数】5页(P801-805)【关键词】假手;欠驱动;阻抗控制【作者】黄海;王新庆;姜力;刘宏【作者单位】哈尔滨工程大学,智能水下机器人国防技术重点实验室,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,机器人技术与系统国家重点实验室,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学,机器人技术与系统国家重点实验室,哈尔滨,150001;德国宇航中心机器人与系统动力学研究所【正文语种】中文【中图分类】TP242.6欠驱动在机械手中有很多引人注意的特点，比如其结构简单，需要的电机数少于自由度数，该方法可以通过像弹簧和机械限位之类的被动元件来实现手指的自适应抓握.国内外许多研究机构在这方面做出了卓有成效的研究.如加拿大手、Southa-mpton手、TBM 手、OTTOBOCK手、意大利手等［1－5］.这类手可以完成一些简单的操作，并且被应用于残疾人假手和伺服机器人［6－7］.欠驱动机构是指在机构中独立控制变量(驱动单元)少于系统的自由度数(关节数).为了获得静定系统，在欠驱动机构中需引入弹性元件和限位装置［8］.然而，欠驱动机构中弹性元件又给欠驱动手的精确控制，诸如精确的轨迹跟踪，力控制等造成了一定的困难［9］，尤其是国内的一些欠驱动手中，加上其传感器数量的限制，难以实现复杂和准确的操作，限制了它的灵巧［10］.本文进行手指的静力学模型分析，研究手指基关节的力控制，并进行手指抓取的研究和实验.HIT－DLR仿人假手的手指结构如图1所示.它共有3个指节，其中近指节和中指节欠驱动，手指的中关节有扭簧，中指节和指尖通过耦合连杆实现近似为1∶1的耦合运动，手指的基关节有力矩和位置传感器.由于手指只有一个主动自由度，给定一种抓取姿态，手指的基关节抓取力和各指节抓握力是一一对应的.从而可以把手指结构简化为图2所示的抓取力学模型.由图 2，根据虚功原理可得式中:T为手指系统输入转矩向量，由手指基关节驱动力矩T0和弹簧扭矩T1组成;ω为手指各关节与力矩相关的连杆的角速度向量，由驱动连杆角速度˙α1和第二、第三关节角速度˙θ2、˙θ3构成;F为作用在手指上的外力构成的向量，由外力F1，F2和F3构成;V为外力作用点的速度分量，分别由各接触点的法向方向的速度矢量构成.如图3所示，设杆a1和l1之间的初始角为θ0，a1杆和y0之间初始角为α0，l1和c1之间初始角为β0，令α0=0;运动时，设近指节转θ1，中关节转θ2，a1杆转α1，这时四连杆机构之间的各个夹角分别为:a1和l1之间为θ0+ θ1－α1，l1和c1之间的夹角为β0+ θ2.从而可以得由于中指节和指尖为1∶1的耦合运动，˙θ2=˙θ3，且中指节和指尖的质量比为7∶ 3，由能量关系，有当d1≠ 0，d1d2d3≠0时，Jv为非奇异矩阵，因此它的逆矩阵存在，而Jω恒为非奇异矩阵，逆矩阵也是存在的，所以如果忽略扭簧产生的扭矩，可得手指对物体的抓取力模型:式(6)是关于手指基关节驱动力矩的逆动力学方程:式中:这意味着只要有准确的动力学模型和精确的传感器，就可以为驱动力矩的计算提供理想的线性反馈，并且手指能够展现期待的环境阻抗参数——Md，Bd，Kd.然而，实际上手指的动力学模型并不能准确知道，位置和力矩传感器也总是受到噪声干扰.实际的实验很难得到理想的线性反馈和所期待的阻抗参数.为此引入一个显性的力控制策略.即令其中:Text是测得的力矩传感器值减去重力.如图4引进PI控制器，这样，如果Te 趋于 0，则实际的阻抗参数趋近于期望的阻抗参数.当手指达到平衡状态后，所有测量和期望得到的速度和加速度式中:M(θ)为手指的惯量矩阵，V(θ，)为手指的向心加速度和哥式加速度向量，F(θ，sign))为手指运动过程中扭簧的阻力、阻尼和摩擦，θ为手指各连杆运动角度向量，TL为手指所受外力力矩.当手指以极慢速度运动时，手指所受动力学力趋于 0，即:M(θ≈ 0，V(θ)≈ 0，这样如果手指在整个运动过程中被补偿，平衡状态下的手指所受外力矩可由下式求出: 其中F(θ)是手指所受扭簧的阻力.由于假手手指只有一个自由度，手指各连杆的运动角度可以由基关节的角度通过几何关系求得，基关节的角度由位置传感器得到，力矩参考值由参考位置和实际位置计算得到.假手手指的基关节作用力和位置之间的动力学关系一般用如下的二阶微分方程来描述:式中:Md为阻抗控制系统的目标惯量(N·m·s2/(°))，Md＞0;Bd为阻抗控制系统的目标阻尼(N·m·s/(°))，Bd＞0;Kd为阻抗控制系统的目标刚度(N·m/(°))，Kd＞0;TL 为手指与环境之间的接触力在基关节处产生的力矩(N·m);θbr为手指基关节的参考角度(°);θ为手指基关节的实际角度(°).为保持目标阻抗，手指的基关节力矩可由式(6)和(7)求得:都为 0，这样平衡状态下的变形角δθ乘以刚度就得到了平衡状态下的力矩，手指就像是一个编好程的弹簧. 参照文献［11－12］的方法，进行了抓取鸡蛋的实验.根据鸡蛋的特点得到抓取鸡蛋的力封闭模型如图 5，由于鸡蛋较大，各指节力和摩擦力共同构成力封闭.设定各指节抓取力大致如表 1，这样根据手指对物体的抓取力模型式(5)计算，得到基关节控制力矩为0.33 N·m.图6是手指抓取鸡蛋的实验结果.在实验中手指未接触到物体时，基关节将首先通过图4所描述的PI控制以45(°)/s的速度抓握鸡蛋，当手指各指节接触到鸡蛋时，期望轨迹仍以45(°)/s增加到100°，此时的基关节期望力矩是0.33 N·m，如图6所示手指通过图4基于力的阻抗控制策略，可以实现准确的基关节力控制，从而保证手指各指节的抓取力按照表1分布，使手指可以稳定地抓取鸡蛋，其成功率达80%以上.而这是单纯用手指的基关节力控制很难做到的(成功率只有不到20%).所以，虽然假手只有基关节力矩传感器，也可以在手指抓取力控制中，通过手指对物体的抓取力模型，控制各指节的抓取力，从而稳定地抓取像鸡蛋这样比较难抓取的物体.1)针对欠驱动手指的特点，建立了手指对物体的抓取力模型，对应于任一手指抓取姿态，可以准确得到基关节抓握力矩和手指各指节抓取力的对应关系.2)基于手指动力学模型，对手指的阻抗控制进行了研究，建立了基于力的阻抗控制策略，通过该策略，手指对基关节抓取力的控制就像一个编好程的弹簧.3)抓取鸡蛋的实验表明，手指能够稳定地抓取鸡蛋这样比较滑、容易碎、形状复杂且有一定质量，需要稳定和平衡抓取力的物体，从而验证了手指对物体的抓取力模型和基于力的阻抗控制策略，大大增强了假手抓取复杂物体的能力.姜力(1971—)，男，副研究员，博士生导师;刘宏(1966－)，男，特聘教授，博士生导师.【相关文献】［1］DARIO P，LASCHI C，CARROZZA M C.An Integrat-ed Approach for the Design and Development of a grasping and manipulation System in humanoid Robotics［C］//Proceedings of the 2002 IEEE International Conference on Robotics＆Automation.Washington，D.C，USA:［s.n.］，2002:556.［2］CHAPPELL P H，KYBERD P J.Prehensile control of a hand prosthesis by a 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