机器人灵活手的力学原理分析

□郝东晖 赵 杰 熊禧强

一、引言

机器人发展由20世纪60年代开始，最初应用于工业加工的仅仅是一个机械臂，然后在添加一定程序的基础上进行简单重复的工作，外形模仿人类手臂由此开始[1]。20世纪80年代随着传感器的应用，使得机器人机械手拥有触觉，能够在工作过程中不断地修正自己的状态，精确度大大提高[2]。

直到21世纪，智能机器人开始取得发展，结合前人在外形与感官两个方面的研究成果，此时的机器人越来越“似人”，具有着比第二代机器人更加完善的对周围环境的感知能力，超强的逻辑思维、判断和决策能力[3]。机械手开始模仿人手的形状，从仿生学的角度使其能够完成更多更为复杂的工作。机械手能够完成更加精确复杂的工作，这与机械手结构的一步步精细化完善有很大的关系，它所涉及的复杂运动、力与力之间的传递关系比普通机器人更为复杂[4]。

本文从机器人灵活手在实现抓持过程中的抓持约束力、接触点处的摩擦力与摩擦方式两个角度分析了机器人灵活手的基本力学性能，并应用于机器人综合技能竞赛中，实现了机械手稳定抓持、快速抓持，完成一系列动作，为机器人灵活手抓持过程的点摩擦与抓持力度的分析提供了一定指导。

二、机器人灵活手基本力学原理

(一)什么是机器人灵活手。

图1 四指灵活手示意图

灵活手，即多指机械手，基于三个手指以上，多于九个自由度，设计原理是以模仿人手的关节，手指形状为外形基础，通过对抓持受力进行分析，从而设计出的酷似人手的机械手指型机器人末端执行器。一个四指灵活手示意图如图1所示，可将人手的关节以微型电机代替实现多个灵活度。图2所示为五指灵活手的实体图，其外形已经酷似人手，如加以人工皮贴在手指与手掌，从而实现仿真机械手的外表和功能。

图2 五指机械手

机器人实现操作是由机械臂与末端执行器两个部分来完成，机械臂进行大致的定位功能，然后由不同的末端执行器来实现。其主要有吸盘型、有焊接型等，为了完成不同功能设计了不同的样式，而这些具有具体功能的末端执行器，仅仅只能单一地完成某个功能。

对于人类完成的技能大部分都是以手为主要操作的执行器，故功能更为强大的灵活手就可以展现它能够完成多项功能的特别优势而取代单一末端操作器，完成各种常见操作的同时又能稳定地抓持形状各异的物体。其涵盖抓持力学与运动学相结合的部分是其获得发展的一个重要的突破点，通过分析有无摩擦点对其进行分类，构建与之对应的力平衡方程，实现机器人灵巧手的稳、准的抓放功能。

(二)灵活手抓持功能的约束力。最简单的抓持功能，是靠两个手指和一个自由度实现，就是通常所说的“夹”。随着智能化机器人的发展，更多手指数、更多自由度逐渐成为众多机器人追求的目标。以NASA研发的Robonaut手为例，其是有5个手指，12个自由度的合理分配成的，其中拇指、食指以及中指各自都有三个自由度，实现操作；而无名指、小指各有一个自由度实现抓持，手掌也有一个自由度[4]。

而实现驱动主要是靠电动机，由于柔绳系统与人工肌肉过于庞大，需要借助手臂来实现整个系统的安装，显然不是最优方案。若想将其置于内部，限于手比较小，可采用尺寸小、力矩大的微型电动机来完成，例如瑞士Maxon公司生产的直径为6mm，额定功率有1.2W的电动机。

一般来说，实现抓持最稳妥的方式是过约束。此时两者之间的抓持力而作用在物体表面产生的最大静摩擦力大于或等于物体重力，以保持物体可以实现稳定的抓持。

(三)接触点处的摩擦方式与摩擦力。手指与物体有三种基本的接触方式——点接触、线接触和面接触。而产生接触约束的又与接触方式和接触面的摩擦方式有关。例如假若手指与物体为点接触并且两者的表面均光滑则约束力会沿接触点的法线方向，其力矩为零。

Gf=w

(1)

JTf=τ

(2)

其中G——抓持矩阵，J——雅克比矩阵

实现稳定抓持，就需要一方面能够平衡外力，另一方面在各个接触面上满足摩擦约束，且通常情况下满足这两种条件的抓持力并不是唯一的。所以，将二力平衡转化为多力平衡就能够很好地解决这个问题，从多个方向即灵活手多个手指来固定有效的抗外力影响。并且多个点的摩擦力会使整体产生更大的摩擦约束，从而使得抓持更加稳定，在机器人综合技能竞赛中灵活手的功能取得了较好的反响。

三、结语

机器人灵活手是机器人整个硬件体系中重要的组成部分，其所涉及的力学原理与应用是最难解决的问题。机器人灵活手的发展离不开以力学原理为基础的指导，未来智能机器人将会继续发展得越来越好，灵活手也会有越来越多的功能。一方面智能的机器人可以为人类生产生活、各类行业提供大的便利，另一方面智能机器人技术的成熟是一个国家尖端科技水平以及综合实力强盛的表现。灵活手作为机器人发展水平最直接的表现，它的发展能够使得机器人代替人类完成更多危险、复杂的工作，最大限度地保证人的安全。参加机器人综合技能竞赛，深刻体会到作为力学专业的“火苗”，应当把国家重任为己任，努力扩充自己的力学知识结构体系，从多个角度应用力学来解决难题，使得多个行业技术获得发展。