北京理工大学科技成果——一体化柔性关节及仿人柔性机械臂

2024年第48卷第2期Journal of Mechanical Transmission仿人机械手臂结构设计与运动学分析杨亚昆张小俊秦康（河北工业大学机械工程学院，天津300401）摘要针对真人在驾驶员注意力监测系统性能测试中重复性执行单一动作存在易疲劳等问题，设计了一种模拟驾驶员接打手持电话和抽烟等行为动作的仿人机械手臂。

首先，基于外骨骼的设计方法，进行机械臂和仿生手的结构设计；然后，利用改进的D-H法建立机械手臂运动学模型，进行正逆运动学求解和工作空间分析，并在Adams软件中对机械手臂进行动力学仿真，获得了其运动特性与负载特性。

仿真结果表明，该机械手臂结构设计合理，关节柔性执行器选型满足要求。

关键词机械手臂结构设计运动学工作空间Structural Design and Kinematic Analysis of Humanoid Robot ArmsYang Yakun Zhang Xiaojun Qin Kang(School of Mechanical Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)Abstract Aiming at the problem that human beings are prone to fatigue when they repeatedly perform a single action in the performance test of the driver attention monitoring system, a humanoid robot arm is designed to simulate the driver's behaviors such as answering and making handsets and smoking. Firstly, based on the exoskeleton design method, the structure of the robot arm and the bionic hand is designed. Secondly, the im⁃proved D-H method is used to establish the kinematics model of the manipulator; the forward and inverse kine⁃matics are solved, and the workspace is analyzed; the dynamics simulation of the robot arm is carried out in Ad⁃ams software to obtain its motion characteristics and load characteristics. The simulation results show that the structural design of the manipulator is reasonable, and the selection of joint flexible actuators meets the require⁃ments.Key words Robot arm Structural design Kinematics Workspace0 引言随着汽车智能化程度的提升，越来越多的汽车开始搭载各类驾驶辅助系统，与之而来的是，与智能驾驶汽车相关的交通事故也呈逐渐上升趋势。

北京理工大学机器人研究概况北京理工大学智能机器人研究所黄强提纲一、研究所机器人方向二、仿人机器人研究工作一、研究所机器人方向•移动机器人•微小型机器人•空间机器人•传感器、驱动控制•仿人机器人移动机器人微小型机器人微小型机器人光电传感器人体热释电传感器摄像头仿人机器人研究工作•仿人机器人的国内外研究现状•仿人型机器人仿真平台•仿人型机器人步行规划与控制•仿人机器人设计特点：人类生活环境的适应能力工作环境：办公室、医院等运载工具：小汽车、飞机等仿人机器人具有双脚、双手、头部、躯干的机器人作业的通用性：不需改造环境，可代替人完成各种作业北京理工大学”汇童”仿人机器人国外研究现状•1973年加藤一郎教授为首的日本早稻田大学•1992年日本早稻田大学及工业界组织•1997年日本本田技术研究所（10年秘密研究）–仿人机器人P2、P3、ASIMO相继问世（目前总投资近100亿日圆）•1998年日本通产省国家专项（5年50亿日圆）•2000年日本索尼公司国外研究现状•现在其它组织–德国慕尼黑军事大学–美国麻省理工学院–法国INRIA国家研究所–韩国国家科学技术研究院–日本富士通公司–日本科学技术厅早稻田大学仿人形机器人1985年弾銅琴机器人WABIAN仿人形机器人日本通产省国家专项仿人形机器人国内研究现状•起步较早的研究单位–国防科技大学–哈尔滨工业大学•现在研究行列–清华大学–上海交通大学–上海大学–中科院沈阳自动化所–北京理工大学–等仿真平台的重要性•软件–控制方法评价–系统软件开发•硬件–机械机构设计–电机性能的评价•降低成本•缩短研究周期建立与实际的仿人机器人具有一致性的仿真系统仿真平台构成•机器人动力学模型•电机数学模型•传感器数学模型•外界环境模型•控制器•等基本环境：DADS（Dynamics Analysis andDesign System)地面反力接触模型建立杨氏系数模量原理:⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧>+-±±=+-±<+-+=tp 1.52r 2r m t p 1.52r 2r mt p 1.5r p 2r 2r m c v v )]δC 1C 1([1r 10.733E v v )]δC 1C 10.99([1r 10.733E v v )]δv v )tanh(2.5C 1C 1([1r 10.733E F E m : 杨氏模量C r : 弹性系数: 相对位移r : 接触半径δ•优点：–计算精度高–实际接触变形等同F = KX + DX.K : 6×6 线性弹性矩阵D : 对角色阻尼矩阵X : 相对位移量和旋转量⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡--=l I 4E 0l I 6E 00l I 4E 0l I 6E 0000l I G 0000l I 6E 0l I 12E 00l I 6E 000l I 12E 000000l A E K z b 2xb yb 2y b x b 2y b 3yb 2x b 3xb b 力/力矩传感器模型建立•优点：–计算简单–和实际传感器等同单梁理论:电机模型建立•根据目标运动算出电机所需技术指标•根据所用的实际电机算出机器人的运动性能电机参数:能量、力矩和时间常数仿真平台实验3维步行确定速度2km/h时所需电机力矩2. 仿人型机器人步行规划与控制稳定步行方面前人的工作1.基于机器人动力学的离线步态规划–First design ZMP, then derive body motionTakanishi: ICAR’85; Shin: ICRA’90;Hirose: ICRA’98; Dasgupta: ICRA’99, etc.–Derive body motion by maximizing stability margin Huang: ICRA’99难以应付实际环境的不确定性稳定步行方面前人的工作2. 基于机器人模型的在线控制–Control based on full dynamics including footcontact forcesFurusho: IJRR’90; Fujimoto: ICRA’98–Control based on simplified dynamicsYamaguchi: ICRA’96; Zheng: IEEE TransR&A’90; Kajita: ICRA’96; Takanishi: IROS’91;Hirai: ICRA’98, Gienger at ICRA’01•环境突发变化的快速响应•传感信息的局部反馈固有步态反射动作•通常环境的周期韵律动作•不断学习和练习而获得人类的韵律步行•环境突发变化的快速响应•在线的局部传感反馈•已知环境的周期运动•离散的动力学方程计算而获得传感反射仿人型机器人的步行动态步态动态步态规划•足部运动:适应路面条件（凹凸路面，楼梯等）•躯干运动:维持稳定性(平衡作用)创新点:(Huang et al, IEEE Trans. R&A 2001)–不事先规定轨迹ZMP–同时考虑躯干运动范围和ZMP稳定区域•ZMP反射控制踝关节以保持期望的ZMP位置•着地相位反射控制脚以合适时间着地•躯干姿势反射控制大腿关节以保持期望的躯干姿势HipKneeAnkl e∆θa(t)∆θh(t)∆Z (t)传感反射创新点:(Huang et al, IEEE Trans. R&A 2005)–不需要机器人模型易于对付环境突发变化的快速响应ZMP反射o o∆θa(n T s)= Sδθa(j T s)δθa(j T s) ={K ac*d zmp(j T s)-K as*∆θ ((j-1)T s)F z> 0F z= 0∆θa控制踝关节以保持期望的ZMP位置ooo 控制脚以合适时间着地∆Z f (nT s )= S δZ f (j T s )δZ f (j T s ) ={K fc *F z -K fs *∆Z f ((j-1)T s )F z > 0F z = M r∆Z f着地相位反射o ∆θ h (n T s )= S δθh (j T s )δθh (j T s ) ={∆θ actb (j T s )-K hs *∆θh ((j-1)T s )F z > 0F z = 0∆θ h 控制大腿关节以保持期望的躯干姿势躯干姿势反射基于传感器的实时仿真未知凹凸路面步行3. 仿人机器人设计机构设计•材料轻型–铝镁合金•机构刚性–谐波减速器–机构形状•传动机构连接–传动器件特制及特殊加工控制系统•多计算机动体系结构：动作规划、运动控制、信息处理、遥操作等多级计算机•分布式处理：视觉、语言、力觉、平衡觉等采用分布式DSP处理•多种通讯方式：Memory Link内存共享、无线网络和有线网络传输•计算机控制结构复杂动作设计人体运动获取运动学匹配动力学匹配实验Humanoid Robot BHR-2 （2005年）•Degrees of Freedom:32•Weight63[kg]•Dimension–Height: 1.6[m]–Width:0.5[m]–Depth:0.3[m]•Sensors–Gyrometers–G-sensors–6 force/torque sensors–Vision–Sound“Sword ” MovementHuman actorRobot Model汇童参展创新中国“十五”重大成就展凤凰卫视科技创新成就展谢谢！。

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:AStructural Design of a Dexterous Hand Actuated byPneumatic Artificial MusclePENG Guang -zheng ,　YU Lin ,　LIU H ao(Department of Automatic Control ,School of Info rma tio n Science and T echnology ,Beijing I nstituteof 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 upw 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].所设计的仿人灵巧手外形如图1所示.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].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594北京理工大学学报 第26卷关节在两个自由度方向分解并分别设计;其它4指均有4个关节:远端指间关节、近端指间关节、指掌关节、横向摆动关节,其中指掌关节和横向摆动关节共同作用实现指掌关节的功能.图4　灵巧手背面与正面示意图Fig .4　Back and palm of the dexterous hand 拇指远端腕掌关节横向摆动范围为0°～60°,4指指根横向摆动关节运动范围为-15°～+15°,其它关节运动范围均为0°～90°.灵巧手的尺寸与人类的手接近,如表1所示.表1　灵巧手主要尺寸表Ta b .1　Main size of dexterous handmm拇指食指中指无名指小指掌宽掌长掌厚80106106106879090203　手指的结构设计3.1　设计思想目前灵巧手手指的设计有两种主流设计思想,即内骨骼设计和外骨骼设计.外骨骼设计的手指外部只能安装很薄的用于增加摩擦力的橡胶皮,用于柔性接触的厚衬垫只能装于手掌上,而且难于安装触觉传感器;内骨骼设计有利于安装触觉或力传感器以及柔性衬垫.仿人灵巧手采用内骨骼设计.肌腱是人手实现运动的关键.仿照人类手指的自然设计采用两条PMA 驱动一个关节,一根PMA 的收缩力通过柔索传到手指腹面,做屈指运动,另一根的PMA 收缩力通过柔索传到手指背面,做伸指运动.人手的肌腱穿过附着于骨骼上的内部具有润滑脂的腱鞘,腱鞘具有很好的弹性,在骨骼弯曲时具有良好的适应性,最大限度地减少了关节连接处的部件.在仿人灵巧手的设计中运用了这种思想,所有的柔索(人工腱)均带有腱鞘,靠腱鞘的柔性变形来适应各种弯曲,使柔索能顺利地将人工肌肉的运动从小臂传递到手指上.在灵巧手的设计中,采用橡胶软管作为柔索的腱鞘,以减少关节旋转给柔索带来的摩擦.3.2　设计结构拇指是最灵活的手指,其外形如图5所示.图5　拇指外形图Fig .5　Figure of the thumb拇指的结构如图6所示,可以看到,拇指由远端指节骨、近端指节骨和拇指侧掌骨构成.在5指并拢时,拇指指肚与手掌掌心面成45°,4指指肚与掌心面平行.这样设计的好处是,在抓取物体时,拇指可以用正面来接触物体表面,可以更好地传递力,使触觉传感器更好地反馈接触面上产生的信号;另一方面也符合人手的形状[7].图6　拇指的结构Fig .6　S tructure of the thumb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595第7期 彭光正等:气动人工肌肉驱动仿人灵巧手的结构设计拇指腕掌关节的功能.人手拇指腕掌关节是一个可以绕2个自由度方向转动的关节,而所设计的拇指腕掌关节将实际关节在2个自由度方向分解并分别设计,这样既降低机械结构的复杂性,又能实现所需的功能.拇指远端腕掌关节横向摆动的范围在0°～60°之间.如果加上拇指伸直时与4指的20°夹角,可以做到几乎垂直地竖起大拇指,这样设计的目的可使灵巧手更像人手,做出像张开5指、竖起大拇指等动作.第1指节与第2指节之间由滑轮与轴承连接,构成拇指指间关节,驱动该关节的柔索在第1指节的滑轮上缠绕2到3圈,起到固定的作用(图7),并向后穿过第2、第3指节以及手掌和手腕,最后与固定于小臂上的人工肌肉相连.拇指上其它关节的驱动方式同拇指指间关节的驱动方式,每个关节由一对人工肌肉驱动.图7　指关节柔索驱动示意图Fig .7　Finger joint driven by flexible rigging其它4个手指均各有4个关节,3个自由度.这4个手指采用相同的结构,只是小指在长度上比食指、中指及无名指短一些(图8).图8　其它4指外形图Fig .8　A figure of the other fingers以中指为例,共有远端指骨间关节、近端指骨间关节、掌指关节以及横向摆动关节4个关节.人类手指的掌指关节有2个自由度,所以近端的2个关节实际上是对人类手指的掌指关节的分解.远侧2个关节由柔索实现联动,有1个自由度.其它关节各由一对人工肌肉驱动,各有1个自由度.其中横向摆动关节的自由度用于实现手指的横向摆动,它与指掌关节的转轴是相互垂直的,可以使指端在空中画圆.在日常生活中人们都有这样的经验,在没有外力作用的情况下,手指远侧的两个关节几乎不可能独立运动,它们在弯曲或伸直过程中,两个关节转角存在着某种联动关系.在仿人灵巧手的设计上(图9),绕R 1的柔索固定在中指节骨上,绕R 2的柔索固定在远指节骨上,R 3固定于近指节骨上,当人工肌肉产生X 1方向上的形变量时,柔索带动R 2即近端指间关节转动产生θ1角度.R 3是通过轴承和R 1同轴的,它不随R 1转动,实际上可以说R 3根本不转动,它只是提供一个比较光滑的柔索通道.R 3轴和R 2轴通过交叉型的柔索串联起来,所以,当近端指间关节转动时,交叉型柔索在R 3上的切点会相对于原来的位置发生移动,从而带动R 2即远端指间关节转动θ2角.图9　单个手指运动示意图Fig .9　M ovement of a finger仿人灵巧手的抓取动作是靠整只手来完成的,手指、手掌都会参与到这一动作中.考虑到掌骨和腕掌关节在抓持物体时起到重要的作用,在拇指和小指侧各设计有掌骨,由此带来的腕掌关节使得灵巧手的动作更加丰富,在对物体包围抓握时可以与物体贴合得更好些,有助于手中所抓物体的稳定,物体不会轻易从手中滑落.食指、中指和无名指近侧的掌骨被设计成一个整块,构成了手掌,并且可以提供安装传感器信号调理电路的空间.图10　柔索在手掌中的布局Fig .10　Tendons in palm4　柔索的布局手掌内部主要包含柔索挡件,它们用于连接并支撑手掌上下2片,起到限制柔索的活动范围、引导柔索走向的作用(图10).596北京理工大学学报 第26卷5　结　论仿人灵巧手在设计上尽量体现了仿生的要求,其外形小巧,结构简单.由于采用气动人工肌肉作为驱动装置,该手具有很好的柔顺性.针对所设计的机器人灵巧手,建立了以工控机为核心的控制系统,采用SMC公司ITV0050比例阀控制每根肌肉的动作,对手指的驱动进行了实验.实验结果表明采用一对气动人工肌肉驱动手指关节是可行的,而且关节联动部分的设计是可行的,此种灵巧手在外形和手指关节的运动空间方面达到了拟人的效果.参考文献:[1]W alker R.Shadow dextrous hand technical specifica tio n[M].London:The Shadow Robot Company,2005. 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