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
JOURNALOFMACHINEDESIGN
V ol_24No.9
Sep.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]anddecreasesalongwiththe
increaseof[].
Keywords:travelspeedratiocoefficient;quickreturnchar—
acteristics;minimumtransmissionangle;crank—slidermechanism
Fig3Tab3Ref4"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38
mm,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+J
A=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.
r
D
图lo耦合连杆筒图
f]=(cto,卢0)
lAc=磋+l一2l2llc0s
CA…sjn()
/CAD=CAB+Cto
l3=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)=∑/n
D(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=CBA
zD=+一2l4zlCOSn
/CBD…ccos()
CBA=CBD一ABD
6=.
(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.=27
mm,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.
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YUChang-dong,JLANGLi,HUANGHai,smShi-cai (ResearchInstituteofRobotics,HarbinPolytechnicUniversi—ty,Harbin150001,China)
Abstract:Theaperytypedartificialhandofdisabledperson wasdevelopedonthebasisofprinciplesofdrivelackingandCOU? pling.Thestructuresofthishandaresimple,lightweighted,high—lyintegratedandsimilartothehandsizeofanadult.Parametersof eachbarmemberoffingersweredesignedoptimallybytheuseof
Madabsoftware.andthedynamicsanalysiswascarriedoutatthe sametime.Thisartificialhandhasself-adaptabilityonthegrabbing ofdifferentobjects,andcouldconductbothforcegrabbingandpre—cisiongrabbing.
Keywords:Aperytypedartificialhand;drivelacking;COU—piing;self-adaptability
Fig10Tab0.Ref6"JixieSheji"7111。