欠驱动机器人手指实验平台的设计

Ｖ Ｉ Ｃ Ｏ Ｎ 红外光点三维运动分析 系统组成。 平 台机构采用海顿直线步进电机驱 动导轨 滑块 ， 从 而牵引绳索控 制手 指弯曲
和伸展 ； 平 台控制 系统采 用 ＤＳ Ｐ Ｆ ２ ８ １ ２作为主控 制器 ， 通过驱动器控制 直线步进 电机 的转 动 ； Ｖ Ｉ ＣＯＮ 红外光点三 维运
及优 化 设计 提 供测试 平 台和测试 数据 。
实验平台控制系统 、红外光点三维运动分析 系统及 数据存储与处理模块。其总体架构如 图 ２ 所示 。 实验平 台机 械结构 为整 个平 台提 供 了硬件 基 础 ，
１ 三关节 绳索驱 动的欠驱 动机器人手指结构
以Ｄ Ｓ Ｐ — Ｆ ２ ８ １ ２为核心的控制系统为直线步进电机 的 本实验平 台的实验对象是三关节绳索驱动 的欠 驱动提供了保障 ， 当电机牵引绳索驱动手指弯 曲或伸 驱动机器人手指 ， 该手指有三个指关节 ， 分别为近指 展时 ， 手指各个关节标记点的空间运动被分布式的六
Ｓ ｔ ａ ｎ ｆ ｏ ｒ ｄ ／ Ｊ Ｐ Ｌ手【 １ － 等， 但是这些手的系统复杂 ， 质 量 在其 内部进行有规则的绕线和固定 。直线步进 电机
偏重 。为了同时兼顾灵活性和轻便性 ， 国内外的专家 通过牵引和释放钢丝绳 ，在弹性扭簧和限位元件的 学者提出了欠驱动机构阁 。 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 的机 构［ ６ １ 。欠驱动手指通过弹簧和限位元件实现手指的自
适应抓握川 ， 其拥有驱动少 、 质量轻 、 能耗低等优点 ， 但 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 难度嘲 。
配合下， 完成手指的弯曲和伸展动作。
图１ 欠 驱 动 手 指 三 维 模 型
本实验平 台以三关节绳索驱动 的欠驱动手指为 ２ 实验平台架构 研究 对象 ， 通过 模 块 化 和可 替 换性 的设 计 ， 可完 成 手 指在不同位姿下的抓取实验 ，对其抓取性能进行检 实验平台的设计 目的和原则是 ，为欠驱动机器 测； 同时通过红外光点三维运动分析系统 ， 对手指上 人手指提供性能检测 、 轨迹跟踪 和优化设计的平 台， 的关键点进行运动捕捉 ， 其数据可导出至 Ｐ Ｃ端进行 基于此 目的和原则 ，笔者设计了实验平台的总体架 处理 ， 为 欠 驱 动机 器 人手 指 的精确 控 制 、 轨 迹跟 踪 以 构。实验平 台由四个部分组成 ： 实验平 台机械结构 、
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随着机械工艺 、伺服驱动和生机 电一体化技术 示。手指 内部采用弹性扭簧作为弹性元件 ， 采用机械 的发 展 ，机 器 人 手指 的研究 和应 用 已经 成 为机 器 人 外壳作为限位元件 ， 使其具备欠驱动机构的特性 ， 单 领域 的重要发展方 向。作为机器人手 的基本单元 ， 机 个手指的控制只需一个直线步进电机 ，减少 了驱动
动 分析 系统采用 ６台 ＶＩ Ｃ ＯＮ 红外摄 影机对标记点进行运动捕捉 ，其数据通过 ＶＩ Ｃ ＯＮ 资料 处理 器导 出至 Ｐ Ｃ 端进 行
处理 。 实验 平台可以对三关节欠驱 动机 器人手指进行抓取性能和运动轨迹 的分析 。 关键词 ： 欠驱动 ； 机器人手指 ； 实验平 台； 运动捕捉
关节 、中指关 节和远指关节 ，其三维模型如 图 １ 所
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — １ １ － ０ ９
台Ｖ Ｉ Ｃ Ｏ Ｎ摄影机捕捉 ， 其数据可通过 Ｖ Ｉ Ｃ Ｏ Ｎ资料处
作者简介 ： 张 鑫（ １ ９ ８ ８ 一） ， 男， 湖北十堰人 ， 硕 士研究生 ， 研究 方向为机械 电子工程。 ２１
器 人 手指 的灵 巧 程度 、运动 性 能 和空 间 结构 很 大 程 度 上 影 响 了整 个 机器 人 手 的性 能 。有 一 些智 能 程 度 高 的 手 已经 问世 ， 如Ｕ ｔ ａ ｌ ｄ ＭＩ Ｔ手 、 Ｎ Ａ Ｓ Ａ手 、 Ｄ Ｌ Ｒ手 、 电机 个 数 ， 减 轻 了机 械 结 构 的质 量 ， 同 时 动 作灵 活 ， 能够 自适应 抓握 物体 。 该 欠 驱 动机器 人 手 指采 用 绳 索 驱动 ，将 钢 丝绳
《 装备制造技术） ２ ｏ １ ３ 年第 ２ 期
欠驱动机器人手指 实验平 台的设计
张 鑫， 陈文锐 ， 张可科
（ 华中科技大学 机械科学与工程学院， 湖北 武汉 ４ ３ ０ ０ ７ ４ ）
摘 要： 基 于三关节绳 索驱 动的欠驱动机 器人手指 。 设 计 了手指 实验平 台。该 实验平 台 由平 台机 构 、 平 台控 制 系统 和
Ｅｑ ｕ ｉ ｐ ｍｅ ｎ ｔ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｎ ｏ ． ２ ， ２ ０ １ ３
理器导 出至 Ｐ ｃ端进行存储和处理。 整个平台集性能 轨 ｌ ｌ 的直线运动。 该直线运动牵引钢丝绳 ７ ， 通过欠 检测 、 运动捕捉 、 数据处理于一 体 ， 为三关节绳索驱 驱动机器人手指 ８ 内部的绕线机构 ， 带动手指弯曲或 动的欠驱动机器人手指提供综合测试 的平 台。 伸展。同时该直线运动具有双向可控性 ， 即当电机正 转时， 导轨滑块 １ ２向左运动 ， 并通过绳索固定座 ５ 带 动 钢 丝绳 ７向左 拉 紧 ，此 时欠 驱动 机 器人 手 指 ８弯 曲； 当 电机 反转 时 ， 导 轨 滑块 １ ２向右运 动 ， 由于 欠 驱 动机器人手指 ８ 内部弹性元件 的作用 ， 钢丝绳保持拉 紧状态 ， 而并非随滑块 ｌ ２向右的运动而变松弛。 ２ ． ２ 实验平 台控 制 系统