气动肌肉驱动手爪的设计与分析

整个手部总长约２００ ｍｍ，手掌部长１２０ ｎｌｎ＇ｌ，指根长３４ ｔｏｎｉ，指端长４２ ｍｍ，宽７５ ｎｌｉｎ，厚２８ ｍｉｌｌ，其大小类似一只成 年人的手，手爪的主要材料为ｌ ｍｍ的钢板，总重量约为 ０．２５ ｋｇ。每根手指分别由两根直径为６ｒａｍ的气动肌肉驱 动，４根气动肌肉均安装在手掌内部。
第２６卷第６期 ２０１０年１２月
机械设计与研究
Ｍａｃｈｉｎｅ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ
Ｖ０１．２６ Ｎｏ．６ Ｄｅｅ．，２０１０
文章编号：１００６－２３４３（２０１０）０６－０５８－０３
气动肌肉驱动手爪的设计与分析
卫玉芬。杨琪文 （扬州职业大学，江苏 扬州２２５００９，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｕｆｅｎｗｅｉ＠１２６．ｃｏｒｎ）
▲图６手爪特性测控系统图
使用图６的测控系统，对手指的动态特性、静态特性、指 端输出力分别进行了测试，测试过程中，气动肌肉的初始压 力均取ｅｏ＝０．２５ ＭＰａ（手指张角可达到最大）。图７ａ为手 指张开后（Ｐ．＝０，Ｐ２＝０．２５ ＭＰａ），给气动肌肉输入阶跃压差 信号，手指的动态响应曲线。从图中可以看出，手指闭合时 间小于５０ ｎｌ￥（包括压力比例阀的响应时间为３０ Ｉｌｌｓ）。图７ （ｂ）为手指张角口与压差△Ｐ的静态特性曲线，从图中可以 看出，手指的张开和闭合过程存在较大的滞环，但经过多次 反复实验，证明其重复性很好，即指关节转角可用于开环方 式进行控制。图７ｃ为手指处于最大张角时，调节两根气动 肌肉的输入压力Ｐ．和Ｐ２（钢丝绳的预张紧力为２ Ｎ），指端 输出力，的变化曲线。由图中可以看出，手指完全张开时， 指端输出力Ｆ最大可以达到１３ Ｎ。实验证明随着手指张角 的减小，指端输出力Ｆ的最大值在逐渐减小。
摘要：安全柔顺地抓取物体是机器人手爪的一项重要指标，气动肌肉作为一种类似生物肌肉的柔性驱
动器，可以有助于实现这一目标。讨论了基于生物运动机制的仿人两指手爪的结构和工作原理，建立了气动肌
肉驱动手指夹持力的理论模型，指出气动肌肉的输入压力是决定手指抓取力与手指张角大小的唯一因素。实 验证实了该手爪可有效地抓取多种易碎、柔软的物体。
１ 手爪的结构设计和工作原理
气动肌肉是一种由压缩空气控制的可收缩的直线驱动 器，而关节的转动通常由两根气动肌肉配置成图ｌ所示的形 式。借助链轮、链条机构向外传送扭矩。
若给两根气动肌肉同时输入初始压力Ｐ０，则轴的转角为
收稿日期：２０１０—０７—２２
▲图１ 常用转动关节气动肌肉安装示意图
零，两根肌肉在初始位置达到平衡；若往其中一根输入压力 尸０＋△尸，另一根输入压力Ｐ０一△尸，则它们将在一个新的位 置达到平衡。当把这种方式运用于驱动指关节时，链轮的使 用将成为一个主要问题，它不仅增加手爪的体积和重量，而 且会使指部关节的机械结构变得较为复杂口。５ Ｊ。
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Ｆｍｌ ｓｉｎ４，ｌ＋，ｍ２ｓｉｎ咖２一Ｍｓｉ唯一Ｎａａｉ妒＝０
Ｊ
（２）
式中，ｓｉｎｇ，，、ｓｉｎ也、ｃｏ啦。、ｃｏ哪：可用下列式子表示，其中２。和
ｆ２分别为销子２到销子４和销子３的距离。
Байду номын сангаасｓ；呻·＝半ｓｉ咄＝守
ｃ。咄＝气产ｃ。咄＝鼍竽 （３）
ｌｆ。２＝＝石石‘‘丁７ｊ磊ｊ磊面面而
由上述式子可得指端夹持力为：
，＝ｎｌ｝一，葩７。－
（４）
０１
。２
巴ｌ＝２５＇ｎ＇ｆｆｏＰ。［口（１一勋Ｉ占１）２一ｂ］１
，ｋ＝２５订玩只［Ｄ（１一＾锄岛）２一ｂ］Ｊ
式中，占。和占：分别为手指处于初始位置时，内侧肌肉和外侧 肌肉的初始收缩率。
从上面的推导可知，当手指结构参数（ｃ＝１４ ｈｉｍ．ｒ＝３４
［５］龚振邦．机器人机械设计［Ｍ］．北京：电子工业出版社，１９９５．
［６］Ｔｓａｇａｒａｋｉｓ Ｎ，Ｃａｌｄｗｅｌｌ Ｄ Ｇ．Ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｏｆ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｎｌｕ∞ｌｅ ａｃｔｕａｔｏｒｓ［ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ ｉｕｔｅｍａ－
接触的地方，装在机器人的手腕部，协助机器人进行灵巧、柔
［３］杨钢．李宝仁。刘军．一种新型气动执行元件—气动人工肌
顺的抓取操作。
肉［Ｊ］－中国机械丁程·２００３，１４（１５）：１３４７—３４９． ［４］施光林，周爱国，钟廷修，等．气动人工肌肉与标准气缸的力特性
比较［Ｊ］．上海交通大学学报，２００４，３８（８）：１３４８一１３５３．
针对手指这个特殊的驱动关节，笔者采用一种新的方式 来安装两根气动肌肉，如图２和图３所示。气动肌肉的一端 固定到手掌底部，当肌肉充气收缩时，这一端将作为固定端 保持不动。气动肌肉的另一端通过钢丝绳绕过销子３和销 子４固定到销子２上，当肌肉充气伸缩时，这一端将作为自 由端随手指一起运动。销子３和销子４等距离排列在和销 子１同一条直线上，这样就把气动肌肉对销子２的直线拉力 转换成对销子ｌ的转动扭矩，套在销子３和销子４上的尼龙 管用于减小钢丝绳与销子之间的摩擦，销子１在这里用作指 关节的转轴，与平行连杆固接在一起，其一端加工出－ｄ，凸 台，用于电位器的安装，电位器不仅用于指关节转角的测量，
参考文献
快速运动到抓取位置，其次，逐渐增加抓取力，直到达到预定
［１］张寺彬，杨庆华，胥芳，等．９ｔ器Ａ．多指灵巧手及其驱动系统研
竺不仅 罂可 竺以 ：用＝：在！易：燃曼易票爆麓等号危！璧险耋场型合０，苎而詈且娄可意以篓用翌在曼与氅人烹密Ⅲ切窆婺銎”攥。坚磊莘≥箍篇：篆蒜，器“翼３６“，手（“２１０…的１）０…４：操２３，－２２作…９０．（灵…”３焉…一≥。算４“尚”．“”机“械“工‘
ｌｔｎｌｌｔｌ）和两根气动肌肉的初始收缩率（取岛＝０．１６）确定后， 指端输出力Ｆ的大小将只与关节转角口及两根气动肌肉的
机械设计与研究
第２６卷
输入压力Ｐ．和Ｐ２有关，而与约束反力Ⅳ＾和虬无关。当手指 运动到抓取位置后，改变气动肌肉输入压力Ｐ。和Ｐ２的值可 以调节手指端部的夹持力。
２手爪特性测试
手爪特性测控系统如图６所示，控制气动肌肉充气压力 的压力比例阀ＶＹｌｌ００是日本ＳＭＣ公司的产品；关节转角的 测量采用一小型电位器；拉力传感器为蚌埠大江传感器厂的 ＤＬＢ５；数据采集卡使用台湾研华公司的ＰＣＩｌ７１０；软件部份 用ＬａｂＶＩＥＷ进行编程。
图８为手爪的抓取实例，进一步证实以气动肌肉驱动的 手爪可以实现对柔软易变形、易碎等多种物体的抓取操作。
以上借鉴生物关节中肌肉群的差动运动机制，以气动肌 肉为驱动器，提出了一种新的气动手指，为了简化手指的结 构，减轻手部的重量，气动肌肉在手爪内的安装采用了对称 三角方式，代替常用的链轮和链条机构把气动肌肉的的直线 运动转换成手指关节的转动。理论分析和实验测试证明手 指的抓取过程可分步进行，首先，手指根据预先设定的目标
关键词：气动肌肉；手爪；柔顺性；抓取操作
中图分类号：ＴＰ２４２
文献标识码：Ａ
’
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｇｒｉｐｐｅｒ Ａｃｔｕａｔｉｅｄ ｂｙ Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ Ｍｕｓｃｌｅｓ
ＷＥＩ ＹＵ．ｆｅｎ．ＹＡＮＧ Ｑｉ．ｗｅｎ
（Ｙａｎｇｚｈｏｕ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ Ｊｉａｎｇｓｕ ２２５００９，Ｃｈｉｎａ）
ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｇｒｉｐｐｅｒ ｗｉｔｈ ｔｗｏ ｆｉｎｇｅｒｓ ａｃｔｕａｔｅｄ ｂｙ ４ ｐｉｅｃｅｓ ｏｆ
ｍｕｓｃｌｅ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ
ｔｈｅ ｆｉｎｇｅｒ ｇｒａｓｐｉｎｇ ｆｏｒｃｅ ｉｓ ｂｕｉｌｔ．Ｉｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｍｕｓｃｌｅ ｔｏ ｂｅ ｔｈｅ ｏｎｌｙ ｆａｃｔｏｒ ｉｎ ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｈｅ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ａ ｒｏｂｏｔ ｇｒｉｐｐｅｒ ｉｓ ｇｒａｓｐｉｎｇ ｏｂｊｅｃｔｓ ｉｎ ａ ｓａｆｅ ａｎｄ ｃｏｍｐｌｉａｎｔ ｗａｙ．
Ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｍｕｓｃｌｅｓ ｃａｌｌ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｔｈｉｓ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｗｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅｉｒ ｓｉｍｉｌａｒ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｌｉｋｅ ｎａｔｕｒａｌ ｍｕｓｃｌｅｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａ
万方数据
第６期
卫玉芬等：气动肌肉驱动手爪的设计与分析
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而且可以间接算出手指处于这个位置时两根气动肌肉的收 缩量。
销子５ 销子２ 销子４ 销子１ 销子３
▲图２三维造型图
钢 娃ｐ—
气 动 肌 肉
调 节 螺 栓
▲图３气动肌肉安装示意图
８为收缩率，￡为有效收缩长度，厶＝７４ ｎ瑚为初始有效收缩 长度，Ｄｏ＝５．５ ｍｍ为初始直径，％＝２４０。为初始编织角，这 三个参数是指在充气压力为零，负载为７０ Ｎ时测得，Ｋ为收 缩率的修正系数。
减压伸长，手指闭合夹 ｝ｌ ｌ暑Ｉ ｌｌ Ｅ“主主 紧物体（如图中虚线所响Ｕ ｌ￡１．１Ｆ Ｉ．Ｉ讨｝
Ｆ＝２５１Ｔ圆ｅ尸［ａ（１一Ｋ占）２—６］
一去，扛志
Ｔ（ｋ一￡）
占２
＆＝５．５ｅｘｐ（一１２Ｐ）＋１．２４ 式中，，为充气收缩时气动肌肉产生的拉力，Ｐ为充气压力，
万方数据
▲图５手指的结构简图
根据静力学平衡条件，可列出下列方程：
由图４见，当手指张开或闭合时，指根部钢丝绳的长度 变化量等于连接其上的相应的气动肌肉收缩量，因此为了分 析方便，把手指结构简化成图５所示。Ｃ为销钉１到销钉３ 与销钉４的距离，ｒ为平行连杆的长度，口为手指张角，Ｌ．和 ＦＪ，１２分别为内侧和外侧肌肉的拉力，妒。和ｔｐ：分别是Ｌ。和，乞 与水平方向的夹角，Ⅳ＾和Ⅳ。分另『Ｊ是手掌对连杆在Ａ和Ｂ的 约束反力，Ｆ为指端夹持力。
ｆｉｎｇｅｒ ｇｒａｓｐｉｎｇ ｆｏｒｃｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｇｒｉｐｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｃａｎ ｇｒａｓｐ ｓｏｆｔ ｏｒ ｆｒａｇｉｌｅ ｏｂｊｅｃｔｓ
ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｎｅｕｍａｔｉｃ ｍｕｓｃｌｅ；ｆｉｎｇｅｒ；ｃｏｍｐｌｉａｎｃｅ；ｇｒａｓｐ
秦ｅ一／ Ｐｏ作原理图，当两根气动
，
肌肉同时输入初始压 、＼二巳
ｌ胱ｌ 力 后，调节手掌底部。■气饕。二８
的螺栓，使两根气动
肉的收缩量相同，手指 。Ｐ Ｙ Ｎ
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黧矧静１Ｉ 转角为零。当内侧肌．甄型且侧且．侧垤张闭
肉增压收缩，外侧肌肉 ＥＩ＝ｌ重譬鼍￡答Ｅｌ；艺宝
ｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｆｅｒｅｆｌｃｅ ｏｎ ｒｏｂｏｔｉｃｓ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ。２０００：３６４１～３６４６．
［７］Ｂｅｒｔｒａｎｄ Ｔｏｎｄｕ，Ｐｉｅｒｒｅ Ｌｏｐｅｚ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｍｃｋｉｂｂｅｎ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｍｕｓｃｌｅ ｒｏｂｏｔ ａｃｔｕａｔｏｒＢ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｍａｇａ－
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▲图７（ａ）张角口与压力差ＡＰ的测试曲线
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压力Ｐｌ，Ｐ２／ＭＰａ
▲图７（ｂ）手指闭合过程的动态响应曲线 ▲图７（ｃ）指端夹持力，的实验曲线
下面以四根直径为６ ｍｍ的气动肌肉作为驱动器，模仿 生物运动机制，设计了一仿人两指手爪，建立了手爪的夹持 力模型，分析了气动肌肉的初始输入压力和初始收缩率对手 指张开范围与夹持力大小的影响，指出内外侧肌肉的输入压 力值是决定手指夹持力大小的重要因素，实验证明该手爪可 以有效地对多种易碎、柔软的物体进行抓取操作。
手爪是机器人与抓取对象等直接接触并进行作业的装 置，是整个机器人的关键部件之一，它的性能好坏对提高机 器人的工作效率，发挥机器人的作用影响很大。在现有的各 种机器人手爪中，操作功能最多、最完善的是多指多关节灵 巧手，它可以模仿人手完成多种动作，但复杂的结构和传感 系统使其成本高昂、限制了它的应用范围。气动手爪由于具 有体积小、重量轻、速度快、使用方便等特点，在机器人领域 的应用范围较广，但由于不能对夹持位置和夹持力进行有效 的控制，因而难以实现对物体的柔顺抓取操作¨。１。