仿人机器人欠驱动灵巧手研究

摘要

多指灵巧手是一个高度集成化,智能化的小型机构,其设计与研究涉及机械、计算机、自动化、电子、材料等多门学科,它作为末端执行器,在一定程度上也体现了承载它的机器人的工作能力。由于灵巧手的内部空间较小,采用欠驱动结构是未来的发展趋势,所谓欠驱动结构是指独立驱动器数目少于自由度数的结构。本文以应用在打乒乓球机器人上的多指灵巧手为研究对象,从它的结构、运动和功能三个方面进行了深入研究。
　　 首先,介绍了多指手研究的发展历史和国内外现状,对一些具有代表性的多指手模型,比较了它们在结构、自由度配置、驱动方式等方面各自具有的特点,然后以大多数手指采用的欠驱动结构为重点,结合具体图例,详细介绍了几种采用此种结构的手指模型,并分析了它们的传动原理和优缺点,接着介绍了一种拇指“十”字差动结构和一种多指欠驱动结构。
　　 其次,参考已有灵巧手的大小和结构以及仿生学原理,建立了单个手指以及整个仿人灵巧手的模型,并分别对它们的运动学问题进行了分析和仿真,然后根据该模型,通过综合考虑被抓取物体、抓取的任务要求和两种常用抓取方式的优缺点,研究了四指灵巧手的具体抓取规划方法,并对灵巧手抓取乒乓球系统进行了静力学分析。
　　 第三,提出了一种基于欠驱动原理的腱传动手指机构,采用模块化设计和腱绳欠驱动结构传动,结构简单,能够实现弯曲和张开动作,而且通过此种类型手指组成的多指手具有自适应物体形状抓取的能力,然后具体介绍了该机构的实现方法,主要包括手指构型设计、关节驱动及其转角分析、扭簧设计、电机功率计算、位置/力传感器选择和自动控制系统设计等内容,并通过手指实物模型验证了此方法。
　　 最后,设计了一个单电机驱动的仿人四指灵巧手装置,由于在手掌内安装了一个单电机驱动四根腱绳移动的传动装置,并且它可以很好的和腱传动手指机构相连接,从而使整个多指手的驱动电机减少到一个,大大降低了制造成本和重量。最终的灵巧手不仅能够实现包络抓取,还能够实现精确抓取,而且通过在手指上安装限位开关以及在手掌上安装压力传感器等信息采集结构,使它能够进行可靠的自主抓取。