机械灵巧手设计与控制研究

机械产品创意设计灵巧手集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）评分：_________SHANGHAI UNIVERSITY课程论文COURSE PAPER学院机电工程与自动化学院专业机械工程学号学生姓名课程机械产品创意设计研讨课程名：机械产品创意设计研讨HW2：产品创新设计建议书机器人灵巧手的设计张奇负责的部分：1学号电子邮件电话负责的部张明远分：2学号电子邮件com电话牛军负责的部分：3学号电子邮件.com电话易乾川负责的部分：4学号电子邮件电话严俊钦负责的部分：5学号电子邮件电话1、背景随着制造工艺和传感器及控制技术的发展，作为智能制造应用领域中机器人与环境相互作用的重要环节，其末端执行部件已逐渐由原来的简单夹持器向多任务智能多指灵巧手过渡。

智能灵巧手具有多个多关节手指，能够和人手一样具有很高的灵巧性和适应性，执行不同的抓取和操作任务。

因此，智能灵巧手可以使工业机器人在非结构环境中与目标物近距离安全接触，具备对未知目标进行智能操作的能力。

同样，智能仿人型灵巧手对于服务型机器人在特殊环境诸如危险品检测、设备检修、水下作业、空间站物品搬运及装配、残障辅助等领域具有重要应用价值。

灵巧手作业能力的不断提高,其代价是增加了系统的复杂性和研究难度。

目前灵巧手的研究和技术进步主要集中在结构设计、传感系统、运动学和动力学、控制及抓取规划等几方面。

灵巧手技术的发展大概经历了以下四个阶段：(1)早期阶段。

多指手最先是从假肢开始的。

将这些手分为装饰型、被动型、身体驱动型和外部动力型4种。

(2)初期阶段。

从20世纪70年代开始,国际上开始进行机器人多指灵巧手的系统化研究。

1974年日本研制成功的Okada手, 各个手指在结构上细长而单薄,难以实现校大的抓取力和操作力。

它们是初期灵巧手的典型代表。

(3)中期阶段。

Utah/MIT手,是一种仿人的手,其大小、形状、功能都与人手相似,只比人手少一个手指。

机械灵巧手的设计与控制研究近年来，机器人技术的快速发展使得机械灵巧手的设计与控制研究备受关注。

机械灵巧手是一种模拟人手的机械装置，具备复杂的运动能力和灵活的手抓能力。

本文将从设计和控制两方面探讨机械灵巧手的研究。

一、设计：仿生学的应用在机械灵巧手的设计中，仿生学是一种常见的方法。

仿生学是一门研究生物体结构、功能和行为的学科，将自然界的智慧运用到机器人系统的设计中。

通过对人手结构和运动机理的研究，可以有效地提高机械灵巧手的操作能力。

首先，机械灵巧手的设计需要兼顾结构的轻巧和刚性。

轻巧的结构可以降低机器人自身的负载，提高操作的灵活性；而刚性的结构则可以保证机械灵巧手在运动过程中的稳定性。

为此，研究人员常借鉴人手的骨骼结构，结合轻型材料和刚性材料，设计出既轻巧又刚性的机械结构。

其次，机械灵巧手的设计需要考虑手指的灵活性和精确度。

人手的灵巧性来自于手指关节的灵活度和力学特性的精确控制。

因此，在机械灵巧手的设计中，必须兼顾机械结构的自由度和关节的力学特性。

通过采用柔性材料和可控机构，可以实现机械灵巧手手指的高灵活度和精确控制。

最后，机械灵巧手的设计需要考虑手抓的力度和稳定性。

人手的抓握能力取决于手指间的协调运动和力量调节。

因此，在机械灵巧手的设计中，研究人员通常采用传感器和反馈控制系统，对手抓的力度和力量进行精确控制，以实现稳定的抓取功能。

二、控制：智能控制的应用机械灵巧手的控制是实现其复杂运动和灵活抓握的关键。

传统的控制方法往往只能实现机械灵巧手的简单运动，难以满足复杂任务的需求。

因此，研究人员借鉴人类的智能控制方法，开展智能控制的研究，以提高机械灵巧手的操作能力。

首先，机械灵巧手的控制需要具备感知和决策的能力。

感知是机械灵巧手获取外部信息的能力，决策则是机械灵巧手根据感知信息进行决策的能力。

为了实现这一目标，研究人员采用传感器和图像处理技术，使机械灵巧手能够感知和理解周围环境的特征，进而做出适应性的决策。

仿人灵巧手的结构设计摘要本文介绍了一种五指型仿人灵巧手的的机构设计与实现方法，根据对非规则物品拿取任务的要求，采用转动机构和连杆机构相结合，设计了五指型机器手。

手指弯曲电机与指间平衡电机耦合驱动，实现了机器手的多角度张开、抓握运动方式。

详细分析了机器手手指机构、手掌机构、手指间辅助平衡机构的工作原理，给出了设计方案，并根据总体设计要求选定了关键参数。

通过虚拟样机技术验证了所设计的手指机构传动系统的正确性和自适应抓持的可行性从而为整个仿人手的设计奠定了基础。

关键词：五指型机器手工作原理机构设计虚拟样机The structure designing of and realization of a five-finger arm—and—the demand of fuIfilling the task of of this arm．and—a couple，thus realizing the multi—angle opening and grabbing motion．This thesis gives a detailed analysis on the mechanism of the finger system，the palm system and the aiding finger—balancing system．A design project is also provided，with key parameters according to the general demand．Through virtual prototyping Technology designed to verify the accuracy of finger mechanism and adaptive transmission feasibility of grasping so as to lay the entire design of a —and—；basic theory；mechanism目录1.引言 (1)1.1 研究的背景及其意义 (2)1.2 国内外研究状况 (3)1.3 关键技术 (5)1.3.1 小而强的驱动 (5)1.3.2 丰富的感觉 (6)1.3.3 聪明的大脑 (7)2.仿人灵巧手手指机构的传动方案设计 (8)2.1手指关节的传动方案设计 (8)2.2 仿人灵巧手的整体结构设计 (10)3.手指与手掌结构的设计与制作 (10)3.1 手指关节的设计与制作 (11)3.2 手指关节间连接机构的设计 (13)3.3 手掌的结构设计与制作 (14)3.4 手指基关节的机构设计与制作 (15)4.仿人灵巧手运动学模型 (16)4.1 灵巧手坐标系的建立 (16)4.2 灵巧手正运动学解 (17)4.3 仿人灵巧手动力学模型 (20)5.手指的虚拟样机建立与运动抓持仿真 (21)6.驱动系统的设计 (26)6.1电机的选用 (26)6.2控制系统的选择 (26)1.引言自从40多年前，第一台计算机控制的机械臂出现之日起，人类将机器人概念延伸到了一个新的领域：机器人。

第３２卷第８期中国机械工程V o l ．３２㊀N o ．８２０２１年４月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．９５１Ｇ９５９基于套索传动的五指灵巧手设计与主从控制尹㊀猛１,２,３㊀徐志刚１,２㊀赵志亮１,２,４㊀韩㊀伟１,２,４１．中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室,沈阳,１１００１６２．中国科学院机器人与智能制造创新研究院,沈阳,１１００１６３．中国科学院大学沈阳自动化研究所,沈阳,１１００１６４．东北大学机械工程与自动化学院,沈阳,１１０８１９摘要:为了使灵巧手更加轻质化㊁拟人化,设计了一种由舵机经套索驱动的１９关节灵巧手.参照人手关节确定灵巧手的构型,通过套索传动实现了关节解耦与驱动后置,并分别对关节机构与驱动集成进行了设计.建立灵巧手多指运动学模型并对其工作空间进行了分析;基于弯曲传感器与主从映射算法实现了抓取的主从跟踪控制.搭建灵巧手样机并进行关节运动实验与抓取控制实验.实验结果表明,将套索传动应用于灵巧手具有可行性,基于主从控制可以实现灵巧手对多种物体的抓取.关键词:套索传动;五指灵巧手;关节机构;工作空间;主从控制中图分类号:T P ２４２．６D O I :１０．３９６９/j ．i s s n ．１００４ １３２X．２０２１．０８．００９开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):D e s i g na n dM a s t e r ＧS l a v eC o n t r o l o fD e x t e r o u sH a n d sw i t hF i v eF i n ge r s B a s e do nT e n d o n Ｇs h e a t hT r a n s m i s s i o nY I N M e n g １,２,３㊀X UZ h i g a n g １,２㊀Z H A OZ h i l i a n g １,２,４㊀H A N We i １,２,４１．S t a t eK e y L a b o r a t o r y o fR o b o t i c s ,S h e n y a n g In s t i t u t e o fA u t o m a t i o n ,C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s ,S h e n y a n g,１１００１６２．I n s t i t u t e s f o rR o b o t i c s a n d I n t e l l i g e n tM a n u f a c t u r i n g,C h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s ,S h e n y a n g,１１００１６３．S h e n y a n g I n s t i t u t e o fA u t o m a t i o n ,U n i v e r s i t y o fC h i n e s eA c a d e m y o f S c i e n c e s ,S h e n y a n g,１１００１６４．S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g a n dA u t o m a t i o n ,N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ,S h e n y a n g ,１１０８１９A b s t r a c t :I no r d e r t om a k e t h e d e x t e r o u sh a n dm o r e l i g h t a n da n t h r o p o m o r ph i c ,a １９j o i n t sd e x Ｇt e r o u s h a n dd r i v e nb y s t e e r i n g e n g i n e t h r o u g h t e n d o n Ｇs h e a t h t r a n s m i s s i o nw a sd e s i g n e d ．F i r s t l y ,t h e c o n f i g u r a t i o no f t h e d e x t e r o u s h a n d sw a s d e t e r m i n e db y r e f e r r i n g t o t h eh u m a nh a n d j o i n t s ．J o i n t d e Ｇc o u p l i n g a n dd r i v e p o s t p o s i t i o nw e r e r e a l i z e du s i n gt e n d o n Ｇs h e a t h t r a n s m i s s i o n ．J o i n tm e c h a n i s m s a n d d r i v i n g i n t e g r a t i o n w e r ed e s i g n e ds e p a r a t e l y ．T h e n ,a m u l t i Ｇf i n g e r sk i n e m a t i c m o d e lo fd e x t e r o u s h a n d sw a s e s t a b l i s h e d a n d t h ew o r k s p a c ew a s a n a l y z e d ．T h em a s t e r Ｇs l a v e t r a c k i n g c o n t r o l o f g r a s p i n gw a s r e a l i z e db a s e d o n t h e s e n s o r s a n dm a s t e r Ｇs l a v em a p p i n g a l g o r i t h m．F i n a l l y ,a p r o t o t y p e o f d e x t e r Ｇo u s h a n dw a s b u i l t ,a n d t h e j o i n tm o t i o ne x p e r i m e n t s a n d g r a s p i n g c o n t r o l e x p e r i m e n t sw e r e c a r r i e d o u t ．E x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o wt h e f e a s i b i l i t y o f a p p l y i n gt h e t e n d o n Ｇs h e a t h t r a n s m i s s i o n t o d e x t e r o u s h a n d s ．T h e d e x t e r o u s h a n d sm a yg r a s p a v a r i e t y o f o b je c t s b a s e do nm a s t e r Ｇs l a v e c o n t r o l ．K e y w o r d s :t e n d o n Ｇs h e a t ht r a n s m i s s i o n ;d e x t e r o u sh a n d w i t hf i v ef i ng e r s ;j o i n t m e ch a ni s m ;w o r k i n g s pa c e ;m a s t e r Ｇs l a v e c o n t r o l 收稿日期:２０２００４１１０㊀引言灵巧手与人手功能相似,可以实现类似人手的抓握功能,自问世以来,受到了各研究机构的高度重视[１],尤其是具有高度灵活性的灵巧手已成为机器人研究的热点之一.仿人多指灵巧手可以作为工业领域的末端执行器,也可以作为残疾人的假肢,还可以在太空㊁深海㊁核电站等危险领域代替人手实现精准操作,具有重要的社会应用价值.根据驱动方式的不同,灵巧手可分为电机驱动㊁气动驱动㊁液压驱动和功能材料驱动等,其中１５９ Copyright©博看网 . All Rights Reserved.电机驱动方式较为常见.S h a d o w手[２]为气动驱动的代表,具有５个手指,有２４个自由度,其中２０个气动驱动,４个欠驱动.它的驱动来源于一种叫做 空气肌肉 的气动装置,并且将驱动部分集成放置于前臂,手指的运动更像人手.气动空气肌肉价格较低㊁对环境要求低,但刚度和动态特性都较差.S C HU L Z 等[３Ｇ４]将液压驱动应用于仿人机械手,研制了可以作为假肢的灵巧手.液压驱动的优点在于驱动力矩大㊁传动效率高㊁反应灵敏,可实现过载保护,稳定性好,但它体积大㊁管线复杂㊁密封性要求高㊁制造维护成本高且易对环境造成污染.功能材料驱动是指采用形状记忆合金㊁电活性聚合物等新型材料来驱动手指关节,目前已采用形状记忆合金驱动的有H i t a c h i手[５]以及E NＧG E B E R G等[６]设计的仿人手指.形状记忆合金通过温度改变尺寸长度,变形量难以精确控制,运动精度较差,其可靠性㊁通用性与性价比还有待提高.电机驱动因其具有整体尺寸小㊁噪声低㊁运动稳定㊁易于控制㊁价格适中等优点而广受欢迎.根据电机的安装位置,电机驱动可以分为内置电机驱动与外置电机驱动.D L RＧH I T手[７]是内置电机驱动的代表,每根手指具有３个自由度,共有１５个自由度.电机与谐波减速器等部件集成于手指内部,其集成度较高,具有较强的操作性和鲁棒性,但结构复杂,后期维护成本较高.类似的灵巧手有美国的B a r r e t t手[８]和日本的G i f u手[９].外置电机驱动多采用连杆传动或柔索传动进行间接驱动.R I C手[１０]为外置电机经连杆驱动的代表,所有手指均采用四连杆结构设计,连杆中嵌入有弹性元件来增加机械顺应性,使其运动更加柔顺.它具有４根手指,共有８个关节,只使用一个无刷电机驱动,优点是结构尺寸紧凑以及设计轻量化,但外转子电机与非反向驱动离合器的采用导致其成本较高.R o b o n a u t手[１１Ｇ１２]为外置电机经柔索驱动的代表,整手共有５根手指,共１４个自由度.其中拇指㊁食指㊁中指为灵巧指,每根手指具有４个自由度,剩余二指为抓取指,每根手指具有１个自由度.它被应用于国际空间站,旨在代替人们进行外空间操作,其抓取能力可与穿戴航天服手套的人手运动能力相当.其他采用柔索传动的灵巧手包括意大利U B H３手[１３]和法国L M S手[１４]等.柔索传动[１５Ｇ１６]具有布局灵活㊁高精度㊁轻量化等特点,在灵巧性精密机电装置和伺服机构中应用广泛.但当传动距离较远时,现有的柔索传动机构主要通过传动轮的形式来实现,其布局异常复杂,致使系统的制造和维护成本较高.套索传动[１７Ｇ１９]利用空心套管引导柔索的运动路径,可以克服已有柔索传动机构的缺点,可实现远距离运动与经过运动关节的传递,具有空间适应性强㊁设计成本低等优点,已被运用于仿生灵巧手[２０Ｇ２１]等领域.已有文献多以灵巧手为背景集中研究套索的传动机理与位置补偿,本文主要从结构设计与主从控制方面对套索驱动灵巧手进行相关研究.１㊀五指灵巧手１．１㊀灵巧手构型设计系统的整体方案如图１所示,机械系统由灵巧手和驱动集成组成,系统采用仿生设计,关节布置参照了人手的构型.灵巧手由手掌与五根手指组成,其中食指㊁中指㊁无名指与小拇指分别具有４个自由度,大拇指具有３个自由度,灵巧手共有１９个自由度.图１㊀灵巧手整体方案F i g．１㊀T h e o v e r a l l s c h e m e o f t h e d e x t e r o u s h a n d手指安装于手掌上,手掌底部与驱动集成相连.关节采用套索传动的方式实现了驱动与关节的分离,套索两端分别与关节和驱动模块连接,驱动模块集中安装于驱动集成箱中,套索在手掌与手指内走线并留有长度余量以适应运动.１．２㊀关节机构设计手指关节的运动类型可以分为侧摆和屈曲[２２],人手的掌指关节为球关节,可以等效为屈曲与侧摆两个关节.根据两个关节的排布可以分为两种方案,手指关节布局如图２所示.图２a所示为G i f u手[９]所采用的手指关节布局,其关节１与关节２的轴线互相垂直,模拟掌指关节,关节３２５９中国机械工程第３２卷第８期２０２１年４月下半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.和关节４的轴线与关节２平行,分别实现中指关节和远指关节的屈曲.图２b 所示为D L R 手[７]所采用的手指关节布局,与前者不同之处是最底部关节为屈曲关节,关节２为侧摆关节.考虑到套索的传动特点与灵巧手的外观,本灵巧手采用了先侧摆方案的设计.(a)先侧摆方案㊀㊀㊀(b)先屈曲方案图２㊀单手指关节设计F i g ．２㊀J o i n t d e s i g no f t h e s i n g l e f i n ge r 以中指为例,其结构如图３所示,近指关节㊁中指关节与远指关节均由单套索驱动,每个关节上均安装有扭簧与电位器.关节处的扭簧一方面为复位运动提供动力,另一方面保持手指关节的初始伸展状态.扭簧的扭矩值主要与扭簧的中径㊁材料的弹性模量㊁圈数㊁受力转角等有关.扭簧的扭矩:M t s ＝E d ４φ３６６０D n(１)式中,M t s 为扭簧的扭矩值,N mm ;E 为材料的弹性模量,M P a ;d 为扭簧的线径,mm ;φ为受力转角,(ʎ);D 为扭簧的中径,mm ;n 为扭簧有效圈数.(a)结构示意图㊀(b)结构剖面图图３㊀单手指结构F i g ．３㊀S t r u c t u r e o f t h e s i n g l e f i n ge r 扭簧的最大扭矩出现在手指近指关节处,为保证关节能够有效复位,经计算初步选用碳素钢扭簧,有效圈数为３,线径０．５mm .灵巧手在抓取运动过程中,需要位置传感器的反馈信号进行精确操控.设计的灵巧手需要高度的拟人性,故关节空间较小,因此本文采用了体积小㊁质量轻㊁抗干扰能力强的电位式传感器.灵巧手关节设计如图４所示,食指㊁中指㊁无名指与小拇指均包含４个关节,分别为基关节㊁近指关节㊁中指关节与远指关节.大拇指包含３个关节,分别为基关节㊁近指关节与远指关节.其中基关节为侧摆关节,其余关节均为屈曲关节.５个基关节由双套索机构实现传动,为了简化结构㊁减少套索数量,其余关节均由单套索机构实现传动.图４㊀机械臂关节设计F i g ．４㊀J o i n t d e s i g no f t h em a n i pu l a t o r １．３㊀套索传动设计双套索传动机构主要由套管㊁柔索与预紧装置等组成,如图５a 所示,驱动轮安装在舵机输出轴上,从动轮置于关节中.驱动轮上按顺时针与逆时针方向分别缠绕柔索,两根柔索经过挡板b 后再分别经过套管a 与套管b ,然后经挡板a 后固定在从动轮上,这种传动方式被应用于驱动５根手指的５个侧摆关节.双套索的传动过程如下:当驱动轮顺时针转动时,套管a 中的柔索会跟随向右运动,套管b 中的柔索会跟随向左运动,从而带动从动轮顺时针转动;当驱动轮逆时针转动时,套管a 中的柔索会跟随向左运动,套管b 中的柔索会跟随向右运动,从而带动从动轮逆时针转动.当系统处于静止时,套管a 中柔索上的拉力能够抵消从动轮受到的顺时针方向扭矩,套管b 中柔索上的拉力能够抵消从动轮受到的逆时针方向扭矩.３５９ 基于套索传动的五指灵巧手设计与主从控制尹㊀猛㊀徐志刚㊀赵志亮等Copyright©博看网 . All Rights Reserved.㊀㊀单套索传动机构主要由套管㊁柔索与扭簧等组成,如图５b 所示,驱动轮安装在舵机输出轴上,从动轮置于关节中.柔索一端固定在驱动轮上,绕驱动轮缠绕后经挡板进入套管,经过另一挡板后缠绕并固定在从动轮上,从动轮上安装有扭簧,这种传动方式被应用于灵巧手除５个侧摆关节外的其他关节.单套索的传动过程如下:当驱动轮逆时针转动时,套管中的柔索跟随向右运动,从而带动从动轮逆时针转动,同时扭簧被压缩储能;当驱动轮顺时针转动时,套管中的柔索会跟随向左运动,从动轮在扭簧作用下顺时针转动.当系统处于静止时,柔索上的拉力能够抵消从动轮受到的顺时针方向扭矩,扭簧能够抵消从动轮受到的逆时针方向扭矩.(a)双套索传动机构(b)单套索传动机构图５㊀套索传动机构F i g．５㊀M e c h a n i s mo f t e n d o n Ｇs h e a t h t r a n s m i s s i o n 两种传动机构均安装有螺栓预紧装置,预紧装置可以拉紧柔索来有效减小传动空回.同时,采用编码器与电位器来反馈主动轮与从动轮的角度位置信号,可以实现运动的双闭环控制.套索传动可以实现驱动电机的后置,使多关节串联系统更加轻量化,具有结构简单㊁布局灵活的优点.１．４㊀驱动集成设计驱动集成箱的结构如图６所示,驱动模块由舵机与驱动轮组成,１９个关节的驱动模块与预紧装置被分层安装在不同支撑板上,各支撑板通过支撑架连接.支撑板中心加工有通孔,套索通过通孔与手掌后进入手指.通过紧凑型电机的选用与电机位置的优化布局可以减小集成箱的体积.图６㊀驱动集成箱结构F i g ．６㊀S t r u c t u r e o f t h e d r i v e r i n t e gr a t i o n ２㊀运动学与工作空间分析多指运动学分析的是灵巧手抓取物体运动与各手指运动之间的关系,根据灵巧手运动学特性建立运动学简化模型,通过工作空间仿真验证设计的合理性.图７㊀食指结构简图F i g ．７㊀S t r u c t u r e o f t h e i n d e x f i n ge r 单个手指可以看作是一个多关节串联机器人,以食指为例,各指节长度分别为a １㊁a ２㊁a ３㊁a ４,基于旋量理论建立手的运动学模型.如图７所示,o ０x ０y ０z ０为基坐标系,其余为动坐标系,各指节长度分别为l １㊁l ２㊁l ３㊁l ４.灵巧手各关节均可视为铰接,以旋转中心为轴,定义顺时针转动时角度为正㊁逆时针转动时角度为负.关节处于图７所示的初始位置,其指尖坐标系与基坐标系的变换:４５９ 中国机械工程第３２卷第８期２０２１年４月下半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.g st (０)＝１００L ０１００００１００００１éëêêêêêùûúúúúú(２)L ＝l １＋l ２＋l ３＋l ４定义各个关节的运动旋量:ξ１＝－ω１ˑq １ω１æèçöø÷＝(０,０,０,０,０,１)T(３)ξ２＝－ω２ˑq ２ω２æèçöø÷＝(l １,０,０,０,１,０)T(４)ξ３＝－ω３ˑq ３ω３æèçöø÷＝(l １＋l ２,０,０,０,１,０)T(５)ξ４＝－ω４ˑq ４ω４æèçöø÷＝(l １＋l ２＋l ３,０,０,０,１０)T(６)式中,ω１㊁ω２㊁ω３与ω４分别为各关节转动量;q １㊁q ２㊁q ３与q ４分别为各关节转轴上任意点的坐标.运动方程:g s t (θ)＝e ξ^１θ１e ξ^２θ２e ξ^３θ３e ξ^４θ４g st (０)(７)式中,g s t (θ)为运动变换矩阵;θr ㊁ξ^i 分别为关节r 的运动角度与对应的旋量.记c l ＝c o s θl ,s l ＝s i n θl ,c l m ＝c o s (θl ＋θm ),s l m ＝s i n (θl ＋θm ),c l m n ＝c o s (θl ＋θm ＋θn ),s l jn ＝s i n (θl ＋θj ＋θn ),其中l ,m ,n ＝１,２,３,４.计算得到正运动学方程:g st (θ)＝r １１r １２r １３p x r ２１r ２２r ２３p y r ３１r ３２r ３３p z ０００１éëêêêêêùûúúúúú(８)式(８)中,位置变量表达式为p ＝p x p y p z éëêêêùûúúú＝(a ４c ２３４＋a ３c ２３＋a ２c ２＋a １)c １(a ４c ２３４＋a ３c ２３＋a ２c ２＋a １)s １a ４s ２３４＋a ３s ２３＋a ２s ２éëêêêùûúúú(９)工作空间是评价灵巧手工作能力的重要性能指标,是对指尖工作区域的描述,可以用手指末端到达位置点的集合来描述工作空间.建立灵巧手的坐标系如图８所示,分别在基关节㊁近指关节㊁中指关节㊁远指关节以及指尖处建立坐标系,灵巧手的基坐标设在手掌底部中间位置.基于各个关节的运动范围可以得到灵巧手各指的工作空间,如图９所示.由图９可知,食指㊁中指㊁无名指与小拇指的工作空间与大拇指工作空间均有交集,验证了抓取物体的有效性.其中食指与大拇指工作空间交集最大,中指和无名指与大拇指工作空间交集次之,小拇指与大拇指工作空间交集最小,说明抓取物体时大拇指与食指配合发挥主要作用.由结果可知,灵巧手与人手具有相似的工作空间,末端可以到达设计工作空间的所有点,故构型与尺寸设计合理.图８㊀灵巧手运动学模型F i g．８㊀K i n e m a t i cm o d e l o f t h e d e x t e r o u s h a nd (a)小拇指㊀(b)无名指(c)中指㊀(d)食指图９㊀手指末端工作空间F i g ．９㊀W o r k s p a c e s o f t h e f i n ge r s ３㊀主从控制研究本文采用主从控制方法来对五指灵巧手进行控制,在人手上安装弯曲传感器来反馈手指弯曲角度,建立弯曲角度和灵巧手之间的映射关系,并根据此映射关系实现主手对从手的完全控制.采用弯曲传感器[２３Ｇ２４]来反馈手指弯曲度,传感器串联固定电阻,传感器两端电压作为输入信号接入控制器.如图１０所示,传感器的两端分别固定在指尖和指根上,手指完全展开时传感器电阻最小,手指最大弯曲时传感器电阻值随着手指的弯曲而增大.为了方便比较不同手指弯曲特征５５９ 基于套索传动的五指灵巧手设计与主从控制尹㊀猛㊀徐志刚㊀赵志亮等Copyright©博看网 . All Rights Reserved.的变化规律,采用线性函数对原始输入进行归一化处理至[０ʎ,９０ʎ]范围.具体转换式为yi ＝９０ʎˑx i －x i ,m i nx i ,m a x －x i ,m i n(１０)式中,x i 为弯曲传感器两端的测量电压;y i 为线性函数转换后的值;x i ,m a x ㊁x i ,m i n 分别为测量电压采集数据的最大值和最小值;i ＝１,２, ,５,分别对应大拇指㊁食指㊁中指㊁无名指与小拇指.图１０㊀手势捕捉系统F i g ．１０㊀G e s t u r e c a p t u r e s ys t e m 为了更精确地得到每个弯曲传感器的输出值,考虑到传感器的响应时间特性及实验误差,采用多组实验对式(１０)进行标定,标定实验组序号为j ,n 次实验后取平均值作为实验的有效数据.数据的最小及最大值分别如下:x m i n ＝１n ðnj ＝１x j ,m i n x m a x＝１n ðnj ＝１x j ,m a x üþýïïïï(１１)定义人手弯曲传感器输出值归一化矩阵为Y ,可得人手姿态信息:Y ＝(y １,y ２,y ３,y ４,y ５)T (１２)单根手指只能反馈一个信号,但手指实际控制需要３个关节角度信号.引入主从映射[２５Ｇ２６]来求解关节角度,这里通过比例系数来得到手指i 的r 关节弯曲角度:θ(r )i ＝k (r )i y i(１３)式中,θ(r )i 为手指i 的r 关节运动角度;k (r )i 为将y i 转化为关节弯曲角度的比例系数;关节标号r ＝１,２,３分别对应近指关节㊁中指关节与远指关节.为了更好地实现对体积较小物体的抓取,本文采取远指与中指关节先运动㊁近指关节后运动的抓取控制策略.定义y ᶄi 为y i 变化范围内的临界值,通过k(r )i选取不同的值kѳ(r )i与kң(r )i实现抓取过程中的变比例系数控制,kѳ(r )i ㊁kң(r )i分别为小于与大于临界值时选取的系数.当y i ɤy ᶄi 时,近指与中指关节对应的比例系数k ѳ(r )i选值较大,远指关节对应的k ң(r )i选值较小.当y i ＞yᶄi 时,远指关节对应的k ң(r )i选值增大:k (r )i ＝k ѳ(r )i ㊀㊀y i ɤy ᶄi k ң(r )i ㊀㊀y i ＞yᶄi {(１４)经过实验选取各手指关节弯曲角度的比例系数的转化系数[k (r )i ]矩阵,通过式(１３)即可得到灵巧手人手关节角度[θ(r )i ]矩阵.人手与机器人灵巧手在尺寸上的不一致,会使灵巧手产生运动误差.为了更好地实现对灵巧手的控制,针对主从手尺寸不一致的问题,引入主从手指长度比例关系:θ^(r )i ＝m i θ(r )i(１５)其中,m i 为尺寸比例系数;θ^(r )i为控制器输出用于控制灵巧手关节角度的值.４㊀样机实验４．１㊀样机平台灵巧手样机实验平台如图１１所示,灵巧手结构采用尼龙材料３D 打印制作.驱动电机采用L X Ｇ１６A 串行总线自带减速器的舵机(最大输出扭矩１９．５k g c m ),舵机带有温度监测功能,底部可安装散热装置.柔索采用直径为０．５m m 的钢丝绳,套管采用圆形弹簧丝绕成的外径１．２m m ㊁内径０．８m m 的螺旋套管.图１１㊀灵巧手实验样机F i g ．１１㊀E x p e r i m e n t a l p r o t o t y pe of t h e d e x t e r o u s h a n d 灵巧手的控制系统采用N I Ｇc R I O Ｇ９０６７作为下位机,系统的硬件结构如图１２所示.首先在上位机用L a b V I E W 软件编写控制程序,然后通过C A N 接口下载到运行实时系统的下位机执行.手指弯曲信号由F l e x ４．５弯曲传感器测量后输入N I Ｇ９２０５模块,关节角度反馈信号由电位器测量后输入N I Ｇ９２０５模块,运动控制信号由N I Ｇ９２６４模块输出到电机驱动器.弯曲传感器电阻在６０~１１０k Ω间变化,实时反馈与数据监测的频率设置为１k H z .６５９ 中国机械工程第３２卷第８期２０２１年４月下半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.图１２㊀样机控制系统F i g ．１２㊀C o n t r o l s y s t e mo f t h e e x p e r i m e n t a l p r o t o t y pe ４．２㊀灵巧手运动实验为了测试套索驱动灵巧手的性能,通过直接控制舵机对灵巧手的侧摆关节㊁近指关节㊁中指关节和远指关节进行运动实验,如图１３所示.由实验可知,所设计的灵巧手具有较好的运动灵活性,套索的应用能够有效避免干涉,实现各关节的解耦独立控制.(a)初始姿态(b)两侧张开(c)单侧摆动(d )近指转动９０ʎ(e )中指转动９０ʎ(f )远指转动９０ʎ图１３㊀灵巧手关节运动图F i g ．１３㊀K i n e m a t i c d i a gr a mo f d e x t e r o u s h a n d j o i n t s ４．３㊀抓取控制实验通过实际测量人手与所控制灵巧手的尺寸,对尺寸比例系数m i 进行标定,结果如表１所示.通过人手五指上安装的弯曲传感器作为输入信号,每根手指均进行了１００次伸展弯曲实验,记录传感器反馈电压信号的最大值与最小值,由式(１１)求得各手指反馈电压标定的最大值与最小值,结果见表１.灵巧手手指各关节经主从映射算法控制,大拇指与其他手指相比缺少了中指关节,因此将大拇指中指关节所对应的弯曲角度比例系数k (r )i设表１㊀手势识别相关参数T a b ．１㊀P a r a m e t e r s o f g e s t u r e r e c o gn i t i o n m ix i ,m a x (V )x i ,m i n (V )大拇指１．５２３．８９１．２３食指１．５４４．８３１．１９中指１．４９４．７７１．１７无名指１．５０４．６２１．２０小拇指１．４５４．４５１．１８定为恒值０,其他相关参数初始值均设为１.分别对水瓶㊁苹果与花生进行多次抓取实验(图１４),并不断修改相关参数以优化抓取效果,最终参数见表２.实验过程曲线见图１５.(a )抓取水瓶动作１(b )抓取水瓶动作２(c)抓取水瓶动作３(d )抓取苹果动作１(e )抓取苹果动作２(f)抓取苹果动作３(g)抓取花生动作１(h )抓取花生动作２(i )抓取花生动作３图１４㊀抓取控制实验F i g ．１４㊀E x p e r i m e n t s o f gr a b c o n t r o l 表２㊀主从映射相关参数T a b ．２㊀M a s t e r Ｇs l a v em a p p i n g re l a t e d p a r a m e t e r s 手指k ѳ(１)k ѳ(２)k ѳ(３)k ң(１)k ң(２)k ң(３)大拇指０．８９０１．２３１．１７０１．２５食指０．７３１．０５１．２０１．１５１．０７１．２１中指０．７８０．９８１．１７１．１８０．９９１．１８无名指０．６３０．９７１．２１１．１３０．９８１．２３小拇指０．８１１．０８１．１８１．１２１．１０１．２０㊀㊀如图１５所示,其中０~１０s 为抓取水瓶曲线,１０~２０s 为抓取苹果曲线,２０~３２s 为抓取花生曲线.由曲线可知,抓取水瓶时,各指关节均有明显运动,其中大拇指与食指各关节弯曲均较小,７５９ 基于套索传动的五指灵巧手设计与主从控制尹㊀猛㊀徐志刚㊀赵志亮等Copyright©博看网 . All Rights Reserved.(a)弯曲传感器信号(b)大拇指关节运动(c)食指关节运动(d)中指关节运动(e)无名指关节运动(f)小拇指关节运动图１５㊀抓取实验过程曲线F i g．１５㊀C u r v e s o f t h e g r a b e x p e r i m e n t s中指关节弯曲角度较大,各指均发挥抓取作用;抓取苹果时,各指关节也均有明显运动,其中大拇指与食指各关节弯曲均较小,中指与小拇指关节弯曲角度较大,各指均发挥抓取作用;抓取花生时,大拇指与食指各关节弯曲较大,中指㊁无名指与小拇指关节弯曲角度较小,抓取主要由大拇指与食指配合完成.特别地,在２０~３２s时,y i值小于式(１４)定义的临界值yᶄi,与其他图相比,图１５b 中的绿色曲线与红色曲线更加接近,图１５c中绿色与红色曲线也更加接近且数值明显大于蓝色曲线数值,说明在抓取花生时,大拇指与食指的远指与近指关节相较于其他手指的关节运动更加明显,通过抓取过程的变比例系数控制实现了对体积较小物体的有效抓取.由实验可知,所设计的灵巧手能有效抓取圆柱与圆球等各类物品,通过基于弯曲传感器的主从控制可以实现对五指灵巧手的控制.５㊀结论本文将套索传动应用于灵巧手,提出了一种电机后置的１９ＧD O F拟人轻型灵巧手.参照人手的构型确定了灵巧手的构型,对驱动模块与手指关节进行了设计.建立了灵巧手的多指运动学模型,并对末端运动空间进行了仿真.基于弯曲传感器对主从映射算法进行了研究,实现了抓取的主从跟踪控制.搭建灵巧手样机并进行关节运动实验,验证了所设计灵巧手的运动灵活性.通过抓取实验验证了主从映射控制算法的有效性.实验结果表明,基于套索传动的灵巧手具有可行性,未来可应用于人形机器人以及对灵巧手的灵活性有较高要求的场景,鉴于其成本低的优点,还可以作为科普或者教学工具.齿轮与套索传动的应用使关节控制具有空回迟滞与非线性的特点,主从控制要达到较高的精度也需要非线性补偿,下一步工作将重点对控制算法进行研究.参考文献:[１]㊀R AMÍR E ZR E B O L L O DR,P O N C EP,MO L I N A A．F r o m３F i n g e r st o５F i n g e r sD e x t e r o u s H a n d s[J]．A d v a n c e d R o b o t i c s,２０１７,３１(１９/２０):１０５１Ｇ１０７０．[２]㊀X U D,L O E BGE,F I S H E LJA．T a c t i l e I d e n t i f i c aＧt i o no f O b j e c t s U s i n g B a y e s i a n E x p l o r a t i o n[C]//I E E EI n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o nR o b o t i c s a n dA uＧt o m a t i o n(I C R A)．K a r l s r u h e,２０１３:３０５６Ｇ３０６１．[３]㊀S C HU L ZS,P Y L A T I U K C,K A R G O V A,e ta l．P r o g r e s si nt h e D e v e l o p m e n to f A n t h r o p o m o r p h i cF l u i d i c H a n d sf o ra H u m a n o i d R o b o t[C]//I E E E/R A S I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o nH u m a n o i dR o b o t s．S a n t aM o n i c a,２００４:５６６Ｇ５７５．[４]㊀P Y L A T I U K C,S C HU L ZS,K A R G O V A,e ta l．T w o M u l t i a r t i c u l a t e d H y d r a u l i c H a n d P r o s t h e s e s８５９中国机械工程第３２卷第８期２０２１年４月下半月Copyright©博看网 . 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i o nM a p p i n go fH u m a n H a n dt oD e x t e r o u sR o b o t i c H a n d s[J]．R o b o t,２００３,２５(５):４４４Ｇ４５１．[２６]㊀F E R R O N E A,MA I T A F,MA I O L O L,e ta l．W e a r a b l e B a n d f o r H a n d G e s t u r e R e c o g n i t i o nB a s e do n S t r a i n S e n s o r s[C]//I E E EI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nB i o m e d i c a lR o b o t i c sa n dB i o m e c h aＧt r o n i c s．P i s c a t a w a y,２０１６:１３１９Ｇ１３２２．(编辑㊀王旻玥)作者简介:尹㊀猛,男,１９９２年生,博士研究生.研究方向为套索传动理论与机器人应用.EＧm a i l:y i n m e n g l z＠１６３．c o m.９５９基于套索传动的五指灵巧手设计与主从控制 尹㊀猛㊀徐志刚㊀赵志亮等Copyright©博看网 . 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模块化磁吸五指灵巧手结构设计与控制研究司成俊（长治职业技术学院机电系，山西长治046000）摘要针对目前五指灵巧手自由度低、拆装繁琐等问题，设计出一种模块化、易拆装、直驱式11自由度五指灵巧手。

通过永磁铁实现手指关节间的快速拆装，每个手指关节至少有±90°转动范围；通过对大拇指转动角度的特殊设计，可实现灵巧手左/右手模式直接切换以及双侧同时抓取。

通过3D打印制作了五指灵巧手样机。

针对灵巧手多传感器造成控制系统复杂的问题，提出采用电流反馈控制算法，通过对电机驱动电流进行信号采集和后处理，建立了电流-转角-指尖力之间的数学模型，并进行了抓取实验。

结果表明，设计的模块化灵巧手具有较强的抓取能力，并且通过电流反馈控制算法，可以实现对灵巧手运动状态和抓取力的控制，完成对目标物抓取操作。

关键词模块化磁吸关节电流反馈算法双侧抓取Study on the Structural Design and Control of Modular MagneticSuction Five-finger Dexterous HandSi Chengjun（Electromechanical Department，Changzhi Vocational and Technical College，Changzhi046000，China）Abstract In order to solve the problems of low freedom of five fingers dexterous hand and complicated disassembly and installation，a modular，easy disassembly and installation，direct drive11degrees of freedom five fingers dexterous hand is designed.Each finger joint has a rotation range of at least±90°.Through the spe‐cial design of the rotation angle of the thumb，the left/right hand mode of the dexterous hand can be directly switched and both sides can be grasped at the same time.A five-finger dexterous hand prototype is made through3D printing.Aiming at the complex control system caused by multiple sensors of the dexterous hand at present，the current feedback control algorithm is proposed，through signal acquisition and post-processing of the motor drive current，the mathematical model of current-rotation angle-fingertip force is established，and the grasping experiment is carried out.The results show that the designed modular dexterous hand has strong grasping ability，and the control algorithm of current feedback can control the movement state and grasping force of the dexterous hand，and complete the target grab operation.Key words Modular Magnetic suction joint Current feedback algorithm Double side grasp0引言灵巧手作为重要的人机交互工具之一，其在工业机器人和服务机器人中占据重要的地位。

机械灵巧手指设计及运动控制研究随着科技的发展，机械灵巧手指设计及运动控制研究成为了越来越重要的领域。

机械灵巧手指的设计和控制不仅在工业生产中发挥重要作用，还可以应用于康复医学和人机交互等领域。

本文将介绍机械灵巧手指设计及运动控制的研究现状和未来发展。

一、机械灵巧手指的设计机械灵巧手指的设计是一个复杂而多样化的过程。

首先，设计师需要考虑手指的结构和材料选择。

手指的结构通常由关节、骨骼和肌腱组成，关节的设计应能使手指实现多个自由度的运动。

材料的选择应具备一定的刚度和柔韧性，以满足手指在不同工作负载下的运动需求。

其次，机械灵巧手指的传感器设计也是至关重要的。

传感器可以帮助机械手指实现精确的位置和力量控制。

常用的传感器包括力/压力传感器、力矩传感器和位置传感器等。

这些传感器可以将手指的运动信息转化为电信号，以供控制系统进行反馈和调整。

最后，机械灵巧手指的控制系统设计也是关键所在。

控制系统应能准确地感知手指的位置和外部力量，并根据设定的任务要求对手指进行精确的运动控制。

常用的控制方法包括PID控制、模型预测控制和神经网络控制等。

这些方法可以根据手指的运动需求和环境变化来调整手指的控制参数，从而实现更为精确的运动。

二、机械灵巧手指的运动控制研究机械灵巧手指的运动控制涉及到动力学和控制理论的应用。

为了使手指能够按照设计要求进行精确的灵活运动，研究人员需要通过建立准确的力学模型来分析手指的运动特性。

同时，他们还需要设计合适的控制算法来实现对手指的精确控制。

在手指的动力学建模方面，研究人员通常采用刚体动力学或连续介质力学模型。

这些模型可以帮助研究人员深入了解手指的运动特性、关节力矩和外部负载之间的关系，从而为手指的控制提供理论依据。

在控制算法的设计方面，PID控制是最常用的方法之一。

PID控制可以根据手指的运动误差和变化率来调整控制器输出，以实现对手指的精确控制。

此外，模型预测控制和神经网络控制也被广泛应用于机械灵巧手指的控制。

灵巧机器手的机械系统和控制系统第一篇：灵巧机器手的机械系统和控制系统嘉兴学院毕业设计（论文）外文翻译原文题目：Mechanical System and Control System of a Dexterous Robot Hand 译文题目：灵巧机器手的机械系统和控制系统学院名称：机电工程学院专业班级：机械111学生姓名：xxx 关键词：多指机器手，机器人手，精操作，机械系统，控制系统摘要：最近，全球内带有多指夹子或手的机械人系统已经发展起来了，多种方法应用其上，有拟人化和非拟人化的，不仅调查了这些系统的机械结构，而且还包括其必要的控制系统，如同人手一样，这些机械人系统可以用它们的手去抓不同的物体，而且不用改换夹子，这些机械手具备特殊的运动能力比如小质量和小惯量，这使被抓物体在机械手的工作范围内做更复杂、更精确的操作变得可能。

这些复杂的操作被抓物体绕任意角度和轴旋转。

本文概述了这种机械手的一般设计方法，同时给出此类机械手的一个示例，如卡尔斯鲁灵巧手Ⅱ。

本文末介绍了一些新的构想，如利用液体驱动器为类人型机器人设计一个全新的机械手。

1.引言2010 年7 月在德国卡尔斯鲁厄开展的“人形机器人”特别研究，是为了开发在正常环境如厨房或客厅下能够和人类合作和互动的机器人系统。

设计这些机器人系统是为了能够在非专业、非工业的条件下如身处多物之中，帮我们抓取不同大小、形状和重量的物体。

同时，它们必须能够精细的操纵被抓物体。

这种极强的灵活性只能通过一个适应性极强的机械人手抓系统来获得，即所谓的多指机械手或机器人。

上文提到的研究项目，就是要制造一个人形机器人，此机器人将装备这种机器人手系统。

这个新手将有两个机构合作制造，它们是卡尔斯鲁厄大学的IPR（过程控制和机器人技术研究院）和IAI 公司（计算机应用科学研究院）。

这两个组织都有制造此种系统的相关经验，但是稍有不同的观点。

IPR 制造的卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ（如图1 所示），是一个四指相互独立的手爪，我们将在此文中详细介绍。