欠驱动五指灵巧手及控制系统设计

。清华大
学的研究人员设计的欠驱动拟人机器人手 ＴＨ １ ，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．Ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒ ａｃｔｕａｔｅｄ ｄｅｘｔｅｒｏｕｓ ｈａｎｄ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ，ａｎｄ ａ ｎｅｗ ｄｒｉｖｅｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｕｎｄｅｒ ａｃｔｕ ａｔｅｄ ｊｏｉｎｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｓｐａｔｉａｌ ｄｏｍａｉｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｎｇｅｒｔｉｐｓ ｗａｓ ｄｒａｗｎ ｂｙ ｕｓｉｎｇ Ｍ ａｔｌａｂ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ｔｏｏｌｂｏｘ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｖｉｅｗ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｄｒｉｖｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｌａｒｇｅｒ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｓｐａｔｉａｌ ｄｏｍａｉｎ． Ｆｉｎａｌｌｙ， ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｐｒｉｍａｒｙ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｆｌｅｘｉｏｎ ／ ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ａｄｄｕｃｔｉｏｎ ／ ａｂｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｕｎｄｅｒ ａｃｔｕａｔｅｄ ｄｅｘｔｅｒｏｕｓ ｈａｎｄ ，ａｎｄ ｈａｓ ｇｏｏｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ：Ｕｎｄｅｒ ａｃｔｕａｔｅｄ ｄｅｘｔｅｒｏｕｓ ｈａｎｄ ；Ｍ ｏｖｅｍｅｎｔ ｓｐａｔｉａｌ ｄｏｍａｉｎ ；Ｍ ａｔｌａｂ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ｔｏｏｌｂｏｘ；ＤＣ ｍｏｔｏｒ；ＰＷＭ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎ ｔｒｏｌ
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。
２ １ 灵巧手单指运动学方程的建立
采用 Ｄ Ｈ 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 （ ２０１ １００６１ １２００３３ ） ；吉林省自然科学基金资助项目 （ ２０１ １ １５ １５３ ） ；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 ＠ｓｉｎａ ｃｏｍ。
１ 灵巧手结构与驱动方案 １ １ 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 ／ Ｍ ＩＴ 手、 Ｇｉｆｕ 手、 ＨＩＴ 灵 巧 手、 ＢＨ 灵 巧手等
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｕｎｄｅｒ ａｃｔｕａｔｅｄ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ
ＺＨＡＮＧ Ｘｉｙｅ １ ，ＴＡＮＧ Ｘｉｎｘｉｎｇ １ ，ＺＨＡＮＧ Ｎａｎ １ ，ＮＩ Ｔａｏ ２ （ １ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍ ｅｃｈａｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｊｉｌｉｎ １３００２２ ，Ｃｈｉｎａ ； ２ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍ ｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ，Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｊｉｌｉｎ １３００２５ ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｈａｎｄ ，ａ ｎｅｗ ｔｙｐｅ ｏｆ ｕｎｄｅｒ ａｃｔｕａｔｅｄ ｄｅｘｔｅｒｏｕｓ ｈａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｃｒｅ
（ 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 Ｍ ａｔｌａｂ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ｔｏｏｌｂｏｘ 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；Ｍ ａｔｌａｂ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ Ｔｏｏｌｂｏｘ；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
２ ３ 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 ａ ｉ ｓθ ｉ ｓα ｉ ｉ ｄｉ １
＞ 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 Ｍ ａｔｌａｂ 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
１ ２ 欠驱动灵巧手结构与驱动方案
从仿生学角度出发，仿照人手生理结构特点进行 欠驱动灵巧手功能设计，力求结构紧凑、质量轻便、
巧手坐标系。
第 １５ 期
张习烨 等：欠驱动五指灵巧手及控制系统设计
· ７·
图 ３ 单指坐标系建立
根据图 ３ 所示的灵巧手的初始位置，可得到表 １ 所示的连杆参数表。
［ １－ ６］
体，其关节间运动存在着相关性，希望以有限的自由 度充分反映手部信息，因此有必要对手的运动进行分 析。特别是末端指关节和近掌指关节的运动关系非常 密切，即近端指关节运动时对远端指关节的运动产生 影响。为同时兼顾灵活性和轻便性，国内外的专家学 者提出了欠驱动灵巧手机构，从欠驱动系统的角度进 行其运动关系分析，对减少一个驱动元件具有重要意 义。所谓的欠驱动机构即独立控制驱动单元数量少于 系统的自由度数的机构，手指通过弹簧和限位元件实 现手指的自适应抓握，在节约能量、降低造价、减轻 质量、增强系统灵活性等方面都较完全驱动系统优 越。目前，国内外也出现了一批具有代表性的欠驱动 机械手，例如，巴瑞特手爪是一种由齿轮、蜗轮、蜗 杆、滑轮和绳索构成的欠驱动手爪，所有伺服系统和
表 １ 单指连杆参数表 关节数 １ ２ ３ ４ θ ｉ θ １ θ ２ θ ３ θ ４ ｄｉ ０ ０ ０ ０ ａ ｉ －１ ５６ ６０ ４２ ４５ ° ） 运动范围 α ｉ－ １（ ９０ ０ ０ ０ － ２５ ° ～ ２５ ° ０° ～ ９０ ° ０° ～ ９０ ° ０° ～ ９０ °
每个关节的变换矩阵 Ａｉ 定义为 （ 其中下标 ｉ 代 表关节数，ｉ ＝１ ，２ ，３ ，４ ， ｃ θ ｉ 代表 ｃｏｓ θ ｉ ， ｓθ ｉ 代表 ｓｉｎ θ ｉ ）。 Ｒｏｔ（ ｚ， Ｔｒａｎｓ（ ０， ０， ｄｉ ） Ｔｒａｎｓ（ ａｉ ， ０， ０） Ａｉ ＝ θ ｉ） － ｓθ ｉ ｉ ｃα ｉ ｃθ ｓθ ｃ ｃ θ α ｉ ｉ ｉ Ｒｏｔ（ ｘ， ＝ α ｉ） ０ ｓ ａ ｉ ０ ０ 矩阵的乘积。 ｓθ ｉ ｓα ｉ ｃａｉ ０ ａｉ ｃθ ｉ
２０１４ 年 ８ 月 第 ４２ 卷 第 １５ 期
机床与液压
Ｍ ＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ａｕｇ ２０１４ Ｖｏｌ ４２ Ｎｏ １５
３９６９ ／ ｊ ｉｓｓｎ １００１ － ３８８１ ２０１４ １５ ００２ ＤＯＩ：１０．
欠驱动五指灵巧手及控制系统设计
张习烨 １ ，唐新星 １ ，张楠 １ ，倪涛２