基于绳索牵引的混联机构仿人机械手抓握装置的设计与研究*

侯津博，刘静娜，叶龙飞，胡凯恒，管邦龙，梁 洺，李卓欣

（1.天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津 300384；2.机电工程国家级实验教学示范中心（天津理工大学），天津 300384；3.天津理工大学集成电路科学与工程学院，天津 300384）

机械手[1]是一种模仿人手的某些动作功能，按照固定的程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可以代替人手从事繁重危险的作业，例如在石油勘探、高空架设以及装备制造等诸多领域充当重要角色，但其在功能性、灵巧性、精密性和适应性上通常难以兼顾。因此，研制一种可以完成高难度、高灵敏度和高精密度作业的仿人机械手已经成为当前研究领域的重点课题。

20世纪80年代起，许多研究者开始了对绳索驱动型机构的研究，其中对绳牵引并联机器人的研究最为显著[2]。这种以轻质绳索传递动力的方式赋予机构一定的被动顺应性，使得设计结构简单，有质量负载比大、动态响应好、工作空间跨度大等特点，现已被广泛应用于航空航天、大型轮船舰艇制造、机械加工等领域[3]。基于此，国内外一些机器人研究机构开始了灵巧机械手的研究[4]。在国内，2009年，清华大学基于欠驱动原理开发了欠驱动机械手GCUA Hand[5]，该手共有5根手指，每根手指3个自由度，由弹簧、绳索和电机联合控制手指屈伸。在抓握物体时，末端指节会逐渐向目标物体运动，且手指的中关节可以主动弯曲。因此，抓取、握手、弹钢琴等是GCUA Hand的典型应用[6]。在国外，东京大学开发了一种双指双关节的抓握装置，指尖位置通过高速、高精度近似控制实现精确控制，在物体表面变形之前通过基于近距离的接触检测来停止运动，可以自动适应目标对象的外形，准确地抓住各种柔软的物体。此外，目前开发的机械手已实现搬运[7]、采摘[8]、医疗[9]、演奏乐器[10]等复杂动作。

本文针对欠驱动型机械手[11]进行改进，采用串联和并联[12-13]结合的形式，在手指外部采用套管固定绳索路径，实现外置式驱动，可不受电机尺寸的限制，并克服了电机自重对手指运动灵活性所造成的影响，减少了非必要的力矩输出。因此，此类机械手相比于传统机械手在操作上更加灵活。

1 机械结构设计

1.1 整体结构设计

为实现简单的抓取任务，设计机械手时没有采用十分复杂的结构。参照人手的结构，设计了由手指、手掌和手臂三部分组成的机械手，见第103页图1。以大拇指、食指、无名指为主要抓取手指，中指和小拇指为辅助手指，从而降低抓握动作控制的复杂性。以舵机作为驱动源，绳索作为牵引方式，将绳索一端固定在指节，另一端固定在舵机的输出轴上，并将绳索牵引路径通过套管固定，每根手指通过6根绳索实现弯曲和伸直动作。

图1 机械手三维模型图

1.2 手指与手掌结构设计

手指部分包括5根手指，其三维模型图见第103页图2。每根手指有3个关节，每个关节以单自由度转动连接两段指节，且转动轴线均平行。大拇指由两段指节和一个指跟关节构成，指跟关节与另外两个关节的转动轴线相互垂直，以单自由度转动副连接于手掌。这种设计可以实现大拇指两个方向的弯曲和伸直，使机械手更加灵活，便于抓握物体。手掌部分用于对5根手指进行合理布局，手臂部分用于放置舵机。

图2 手指三维模型图

整只机械手中，每个手指的关节为顺联方式分布，而每个指节由两根绳索的组合运动实现其弯曲和伸直，见图3，因此该机械手装置为混联结构。

图3 手指绳索牵引原理图

为保证指节运动精度，在手指和手掌内部固定有可供绳索伸缩的路径。另外，为保证手指的运动协调性，当一根手指上某个关节转动时，牵引其他关节的绳索也需要进行放线或收线，具体运动参数由SolidWorks软件进行运动仿真后得到。

2 控制程序及电路设计

2.1 单片机的选择与程序设计

选择Arduino开发板[14]作为舵机控制器，该控制器具有多个I/O接口，可以实现机械手的抓握力与关节转角之间的反馈控制。舵机与其所控制的指节对应关系见表1。整体电路接线图见图4。

表1 舵机与指节对应关系表

图4 电路接线图

利用Arduino自带的Servo函数对舵机进行控制，通过调节PWM信号的占空比和进行延时控制，实现舵机在指定时间内转过指定角度，进一步使用判断语句后可实现多个舵机内的伺服电机同时转动，再通过齿轮传动驱动舵盘牵引绳索。

2.2 压力传感器反馈控制

在机械手食指和大拇指每个指节抓握侧表面安装FSR402薄膜压力传感器，其反馈信号可用于判断抓握力是否满足抓握需求[15]。为进一步提高控制系统的稳定性，压力传感器两端并联了一个6.8 kΩ的电阻，能够压缩压力传感器量程，避免系统输出的运动参数出现大幅振荡。仿人机械手抓握装置的闭环控制流程见图5。

图5 压力传感器反馈控制流程图

3 实物搭建与实验

3.1 仿真实验

1）运用SolidWorks软件进行三维建模，然后通过该软件的Motion运动仿真模块在手指的每个关节处设置驱动马达，控制每节手指的转动角度，从而模拟机械手的运动情况以及各个部分在每一时刻的空间位置以及状态。通过测量工具得到手指末端位置的位移、速度、加速度，以此来验证方案的可行性。仿人机械手的模拟抓握见图6。

图6 机械手模拟抓握

2）抓握不同圆柱体各指节转过角度的测量结果见表2，此结果对于实物的搭建以及验证机械手的可行性起到重要作用。

表2 抓握不同圆柱体各指节所转过的角度

3）经过实验得出了仿真结果，进行握拳动作的食指近端指节角位移、角速度、角加速度曲线见图7。其中，运动频率为0.3 Hz，角位移运动范围为-180°～-90°。

图7 食指近端指节仿真曲线

设指节长度为l，指节转过的角度为α。由动能定理进行推导，公式为

得到线速度v的表达式为

进而根据式（2）求得角速度ω的表达式为

因此角加速度和角速度成反比，说明运动方案合理。另外，在角位移曲线单增时控制手指弯曲的舵机进行收线，单减时进行放线，控制手指伸直的舵机则反之，从而实现抓握。

综上所述，该机械手能够实现抓握动作，且运动平稳无干涉，满足设计要求。

3.2 实物搭建

根据仿真结果进行了结构优化，最终设计了一种长265 mm、宽111 mm、厚30 mm的机械手，其手指设计结构与人手指基本一致，单根手指总长137 mm，具体尺寸见表3。

表3 机械手手指尺寸 （mm）

机械手的材料主要为亚克力板、绳索、套管等，实物见图8。

图8 机械手实物模型图

3.3 实物实验

1）根据仿真条件确定所需圆柱体参数，见表4。

表4 圆柱体参数

2）对3种圆柱体进行抓握实验，均能够成功抓握，见图9。取直径为100 mm圆柱体增加其重量，测得该机械手的极限抓握重量为2.25 kg。

图9 抓握实验图

3）对无名指的远端指节进行压力传感检测，设定抓取直径为80 mm的圆柱体，初始返回信号值为0，舵机转动速度为20（°）/s，过程参数见表5。

表5 压力传感器检测数据

根据实验数据分析，在机械手抓握过程中，当压力传感器未检测到压力时，返回信号为0，且舵机持续输出；当检测到压力时，返回信号出现一个阶跃，若此值达到设定值，则保持该值，同时舵机停止转动并保持稳定，否则机械手将继续执行抓握动作。

综上所述，该机械手动作协调，灵敏度较高，且抓握功能可靠，满足设计要求。

4 结束语

该仿人机械手为绳索牵引混联结构，结构简单，且可以在不影响其他关节的情况下控制单个指节的运动，同时通过闭环控制系统采集压力信号对抓握装置的运动进行反馈控制，大大提高了手指的灵活性和功能性。但该设计并不涉及控制算法，仿真中只进行了简单的力位控制用于观察其自适应能力，未来进行控制研发时可更进一步发掘其自适应抓取能力，进一步实现机械智能。

近年来，越来越多的仿人机械手被投入人们的日常生活与工作中。仿人机械手作为灵巧的工具，既可以像人手一样对不规则的物体进行抓握，又可以在生产线上进行单一的流水线生产，还可以作为人身体的一部分为人类提供帮助。相信有朝一日机械手会为人类的发展作出巨大贡献。