气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的结构设计_彭光正

第26卷　第7期2006年7月北京理工大学学报

T ransactions of Beijing Institute of T echnolog y Vol .26　No .7Jul .2006

文章编号:1001-0645(2006)07-0593-05

气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的结构设计

彭光正,　余麟,　刘昊

(北京理工大学信息科学技术学院自动控制系,北京　100081)

摘　要:研究一种气动人工肌肉驱动的多指仿人灵巧手的结构设计.通过分析正常人体解剖学,针对人类手掌的外形结构、驱动形式及运动规则,设计了一种5指仿人灵巧手.该灵巧手有5个手指、19个自由度,在外观和功能上与人手接近;手指采用气动人工肌肉驱动,以柔索传动.实验结果表明,该仿人灵巧手具有很好的柔顺性,并且整体外形和手指关节的运动范围均能达到拟人的效果.关键词:灵巧手;人工肌肉;仿生学中图分类号:T P 242 文献标识码:A

Structural Design of a Dexterous Hand Actuated by

Pneumatic Artificial Muscle

PENG Guang -zheng ,　YU Lin ,　LIU H ao

(Department of Automatic Control ,School of Info rma tio n Science and T echnology ,Beijing I nstitute

of Technology ,Beijing 100081,China )

A bstract :A structural devise of a dexterous hand w ith multi -fingers driven by pneumatic artifical mus -cle is introduced .By studying the shape ,structure ,driving -model and the rules of movement of hu -man hand from anthropotomy ,a dex terous hand close to a hum an hand in structure and functions w ith 5fingers and 19DOFs is desig ned .Ex peimental results show that the adoption of pneumatic artifical muscle and artifical tendons makes it mo re flexible .Besides ,this so rt of dex terous hand can match up

w ith the effect of personification both in ex ternal shape and the range of movement .Key words :dexterous hand ;pneumatic artificial muscle ;bionics 收稿日期:20051229

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50475163)作者简介:彭光正(1964-),男,教授,博士生导师,E -mail :s mcpeng @bit .edu .cn .

机器人灵巧手是一个高度集成化的机电系统,涉及机械、电子、计算机、控制等多个学科领域.20世纪80年代以来,由于气动人工肌肉技术的发展,将气动人工肌肉作为机器人的驱动装置越来越受到研究者的注意,具有代表性的是英国Shadow 公司研制的人工肌肉驱动的人工假肢[1].将人工肌肉运用于灵巧手的设计,可以使灵巧手更接近于人手.

在国家自然科学基金资助下,作者对人工肌肉

驱动特性做了大量的研究工作,设计出了气动人工肌肉驱动的仿人灵巧手,并对气动肌肉手指关节做

了实验.

1　仿人灵巧手驱动的选择

驱动系统是机器人灵巧手的重要组成部分,用以产生运动和力,对系统的性能和操作能力具有决定性的作用.

到目前为止,绝大多数多指灵巧手采用电机驱动[2-3].但是电机输出功率和它的体积是一对矛盾.大功率电机体积大,不便于集成在灵巧手中,减速和力矩传递也是个难题.体积小的电机输出功率不够,难以提供给手指关节足够的握持力.

气动人工肌肉(PMA )结构简单、紧凑,在小型、轻质的机械手开发中具有突出优势;它的高度柔性使其在机器人柔顺性方面很有应用潜力;它安装简便、不需要复杂的机构及精度要求,甚至可以沿弯角安装;无滑动部件,动作平滑,响应快,可实现极慢速的,更接近于自然生物的运动;同时,它还具备价格低廉、输出力/自重比高、节能、自缓冲、自阻尼、防尘、抗污染等优点,所以在灵巧手的设计中采用PMA 驱动的方式.

在实际应用中一般使用成对的PMA 构成各种形式的驱动关节,其驱动力靠相互抗衡的一对PMA 的压力差产生,不用减速机构,可以直接驱动,也可以将其中一只PMA 用弹簧代替.

2　整体结构设计

灵巧手的整体结构采用一体化设计,将驱动手指的人工肌肉放置于前臂,驱动手腕的人工肌肉放置于上臂,通过人造腱来传递动力和运动,加强了仿生的效果,同时可以有效地减小手掌和手指的体积和质量[4]

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所设计的仿人灵巧手外形如图1所示

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图1　仿人灵巧手外形图Fig .1　A figure of the dexterous hand

作为仿人机械手,所设计的灵巧手有5根手指.虽然4指灵巧手,甚至3指灵巧手同样能出色地完成抓取动作,但是5指灵巧手能更好地完成抓取动作,使得抓取控制更简单.抓取物体时,每个手指所负责的任务就不必划分得十分明确,控制算法自然会比较简单[5]

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驱动装置采用英国Shadow 公司的Mckibben 型气动人工肌肉,传动方式采用人工腱传动.所有

手指由柔索驱动,而人工肌肉则固定于前臂上,柔索

穿过手掌与人工肌肉相连(图2).驱动手腕动作的人工肌肉固定于大臂上.

图2　气动肌肉安装位置示意图

Fig .2　Fixing of PM A

采用一对气动人工肌肉驱动.每根人工肌肉直径6mm ,长150mm ,质量10g ,最大拉力达70N .

灵巧手有5根手指,不包括腕部在内一共有17个自由度(图3).其中拇指4个关节,4个自由度;食指4个关节,3个自由度;中指4个关节,3个自由度;无名指4个关节,3个自由度;小指5个关节,4个自由度,一共由34根气动人工肌肉驱动.腕部2个关节,2个自由度,由4根气动人工肌肉驱动.除拇指外,4指远端的2个关节采用机械耦合,使2个自由度合并为1个,即减少了驱动器的数量,同时又使得手指的运动更像人类的手指[6].

图3　灵巧手自由度示意图Fig .3　DOF of the dexterous hand

灵巧手由手掌、手指组成(图4).手掌由3部分

组成:拇指掌骨、中间掌、小指掌骨,其中中间掌是食指、中指和无名指掌骨的合并掌.这一简化设计使得灵巧手的机械结构简单,同时提供了一个传感器

信号调理电路的空间,而且它不会影响整个手的仿生运动.

5根手指分别是拇指、食指、中指、无名指和小指,其中食指、中指和无名指在结构和长度上均相同,小指与其它3指相比,结构相同,长度略短.当5指伸直且4指平行时,中心线间距20mm ,给佩戴人工皮肤留下足够的空间;拇指与食指呈20°角.拇指有4个关节:拇指指间关节、拇指掌指关节、拇指腕掌关节,其中拇指腕掌关节设计为拇指远端腕掌关节和拇指近端腕掌关节.拇指远端腕掌关节实现拇指横向摆动,拇指近端腕掌关节实现拇指靠掌运动,它们共同作用实现拇指腕掌关节的功能,即将实际

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