一种双连杆混合传动的机器人手指设计

2018-02-20高瑞祺

现代制造技术与装备 2018年12期

高瑞祺

(首都师范大学附属育新学校，北京 100096)

人类的双手从行走中解放后变得越来越灵巧，灵巧的双手不仅让人类能够适应复杂多变的自然环境，更赋予了人类改造自然的能力。如同人类一样，机械手在机器人操作中也起着重要作用，作为机器人重要的执行部件，机器手执行抓持指令已发展为机器人领域的一个重要分支，手指设计对机械手抓取方式、灵活性、控制难度等都有极大影响。

目前许多科研机构对机械手及其手指部件设计做了大量研究，并研制出一批具有代表意义的机械手，如NASA的Robonaut R2机械手、DLR的DLR HASy机械手、意大利的iCub机械手、英国的Shadow机械手以及SARAH机械手等。本文将借鉴现已有的机械手先进设计理念，设计一种机器人手指，采用连杆传动，它对操作物体有较强的适应性，能够对不规则物体进行抓取。

1 机器人手指设计

机器人手指由指节和关节组成，关节通过指节进行连接。根据关节上有无驱动源，可将机器人手指分为直驱和欠驱动两种。手指直驱一般通过在手指关节上设计电机等驱动源来实现，直驱手指具有操控灵活的特点，但其对控制水平要求较高，同时对抓取物体的外形适应性较差，为了使各指节能够完全与操作物体贴合，需要传感器的辅助；手指关节采用欠驱动时，在其关节上没有驱动源，关节只起到转轴的作用，由于欠驱动手指驱动源数少于关节数，故其具有抓取目标外形适应能力强、控制简单等优点，同时也存在自由度较少、操控灵活性较差等问题。

参照常见机器人的操作能力，确定手指设计指标，如表1所示。

表1 机器人手指设计指标

机械手抓取主要分为包络抓取和精确捏取两种，本文所设计手指既可实现包络抓取功能，也可实现精确捏取功能。包络抓取是指机器人手指各个关节依次与被抓物体接触，最终所有关节均与物体接触，从而达到限制物体运动而实现抓取操作的过程；精确捏取是在手指靠近物体的过程中，只有第三指节，即指尖与被抓物体接触。

根据设计需求，指尖力不小于30N，手指长度依据人手尺寸确定为140mm，则手指根部关节最小输出力矩为30×0.14=4.2N·m。综合分析输出力矩、关节角速度需求，同时考虑手指轻量化，手指驱动源采用电机加减速器的方式实现，本文电机选择大功率密度的Maxon直流无刷电机EC-i 40电机，电机后端配置有码盘，其长时间工作力矩为84N·m，减速器选择Harmonic小体积谐波减速器，减速比为100。考虑传动效率时，该传动系统长时间输出力矩为5.8N·m，满足设计需求。

综上所示，本文所设计手指为利用连杆进行传力的欠驱动单自由度手指，该手指共有三个指节，三个转轴，各指节之间通过转轴相连，转轴上设计扭簧，手指设计有两套四连杆机构，分别为驱动四连杆和平行四连杆。手指设计图如图1所示，驱动四连杆由电机通过锥齿轮驱动手指运动，平行四连杆配合扭簧实现指尖姿态保持，保证手指精确捏取时指尖姿态不变。

图1 机器人手指设计

手指包络抓取过程如图2所示，参与抓取的手指各关节均与被操作的物体相接触。

精确捏取过程如图3所示，精确捏取在扭簧、驱动连杆以及平行四边形连杆共同作用实现。具体步骤如下：首先第一、第二指节在机械限位和扭簧共同作用下，构成指面共面，形成一个整体转向物体；其次，第三关节指面在平行四边形连杆和驱动连杆作用下，平行移动靠近物体；最后，在两个手指相向运动下达到力平衡，实现精确捏取。

图2 包络抓取实现过程

图3 精确捏取实现过程

2 手指参数分析

本文设计机器人手指参数核心是连杆参数，手指连杆参数直接影响手指抓取效果，手指连杆参数定义如图4所示。

图4 手指驱动连杆简图

分析不同杆件受力情况，为使机器人手指能对多种尺寸物体形成有效包络抓取，需要满足：b1+c1＞a1+d1、b2+c2＞a2+d2，依据手指长度、抓取物体尺寸以及机械干涉约束，各参数取值情况如下a1=62mm、b1=30mm,c1=55mm,d1=13.6mm,a2=43mm,b2=22mm,c2=42mm,d2=11mm，手指总长度为140mm，指尖长度a3取36mm。

本设计机器人手指为欠驱动手指，只有一个驱动源，各手指指节之间依靠转轴上的扭簧传递动力。建立图4所示的惯性坐标系，在该坐标系内，对手指指尖O3的运动进行分析。

机器人手指进行抓取操作时，当a1与被抓物体接触后，该指节将不再发生转动，剩余a2、a3指节继续转动，转动一定角度后当a2与被抓物体接触后，a2停止转动，a3继续转动，直到a3与被抓物体接触。因此指尖O3的运动分为三段。

第一阶段，a1、a2与被抓物体未接触，a3与被抓物体接触时，运动轨迹计算方法如式（1）所示。