腱驱动仿人型五指灵巧手的设计

来 淼， 李宪华，2， 王殿博， 谢玮昌， 凤志雄

(1.安徽理工大学 机械工程学院， 安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大学 人工智能学院， 安徽 淮南 232001)

机器人技术的主要目标是代替人类完成一些危险、复杂、繁重的任务，提高工作效率。灵巧手作为机器人末端的执行器，外形和工作结构以仿人为主，模仿人手进行抓取等操作。相对于传统的夹持器，灵巧手在自由度、灵巧性和工作空间上都有着很大的优势，可以完成更加复杂的操作。比如：灵巧手可以用于康复训练(作为假肢治疗残疾患者)、采矿环境、水下环境以及太空环境等[1]。

要实现对物体的抓取功能，至少要有2个手指和1个自由度。在工业领域中常见的两指或三指夹持器，可以进行简单的装卸料操作，大多通过连杆或者是气缸来实现动力的传递[2]。但是，夹持器缺乏灵活性，对物体的适应性较差，需要对物体的形状进行设计。因此，仿人手的灵巧手出现了。Okada手的出现，不仅实现了抓持物体，还可以对物体进行操作，这个灵巧手有3个手指，共11个自由度，采用直流电机驱动，钢丝绳传动[3]。美国宇航局的Robonaut手是Robonaut空间机器人系统中的灵巧手部分，有14个自由度，采用了腱传动的方式，有着张力传感器增加控制的稳定性。德国宇航局(DLR)发明的DexHand手[4]是一只五指灵巧手，具有空间工作的能力，电机驱动而且驱动器外置，主要传动方式为腱传动，DexHand手有着丰富的传感器系统，如位置、力矩、温度等传感器。国内的高校和研究所也相继开展了灵巧手的研发工作，较为有名的是哈工大的HIT/DLR HandⅡ灵巧手[5]。目前，灵巧手无论是运动还是抓取都无法与人手比拟，昂贵的成本和复杂的控制传感系统依然是需要解决的难题。针对以上问题，设计了一种腱驱动的仿人灵巧手。

1 灵巧手的设计

1.1 手掌骨骼结构分析

手部作为人体重要的器官，有着27块骨骼，从手腕到手指排分别是腕骨、掌骨和指骨，腕骨由8块骨组成，排成近远两列，每列4块，如图1所示。这些小骨赋于腕灵活性。掌骨，由5块掌骨构成。每块掌骨包括一体和两端。远侧端或掌骨头与近节指骨相关节，并且形成拳的指节；近侧端或掌骨底与腕骨相关节。指骨分为近节、中节、远节指骨。掌指和近指构成MP关节，近指与中指骨构成PIP关节，中指骨与远指骨构成DIP关节。手指可以实现灵巧运动主要依靠指上的肌腱，通过肌腱实现了手指的俯仰和侧摆运动。

图1 人手骨骼关节图

1.2 结构分析

根据人手的功能，采取了相似人手的设计，包括5个手指和一个1手掌，每个手指包含3个关节，3个自由度，手指依靠腱绳的拉动可以实现俯仰运动。灵巧手的结构简图如图2所示。

图2 灵巧手结构简图

1.3 传动设计

灵巧手的传动方式有很多，常见的有齿轮传动、连杆传动和腱传动。连杆传动和腱传动的强度较高，传动平稳，但灵活性差，主要的传动元件都内置在手指内，重量和体积都集中于手指处，导致灵巧手较为笨重。腱传动使用钢丝绳模仿人手的肌腱部位，将驱动器外置于手掌或者手臂处，用腱绳实现远距离传动，精简了手指处的结构设计，相对齿轮和连杆，钢丝绳的重量和摩擦更小[6]。

MP关节和PIP关节的驱动由腱绳带动其转动，DIP关节驱动由PIP关节实现近似1∶1的耦合传动，既可减少驱动器的数量，也可以降低结构的复杂性。对末端指尖采用耦合传动模仿了人手的手指。

耦合传动如图3所示，A1、A2轮代表手指的PIP关节和DIP关节，S1、S2为钢丝绳，分别在轮的两侧固定；l1为A1轮和A2轮的传力结构；l2为手指部位，随着A2轮的转动而运动。当传力结构l1受到外力绕着A1轮的轴逆时针转动时，钢丝绳S1会逐渐收入A1轮的槽中，由于钢丝绳固定的原因，在轮槽内没有相对滑动，钢丝绳S1在A2处必须放出等同于A1收入的长度来保持平衡，于是在钢丝绳S1的拉动下，钢丝绳S2随动，A2轮转动，带动了远指节的运动。耦合运动的传动比取决于两轮的直径大小，两轮的直径保持一直，耦合传动比即可保持在1∶1。

图3 耦合原理图

1.4 结构设计

手指的腱绳分布如图4所示，除了腱绳c1、c2，其余绳一端连接着各关节并带动其转动，另一端由驱动电机提供动力，MP关节通过绳a1、a2实现俯仰运动，DIP关节通过b1、b2实现俯仰运动，PIP关节通过绳c1、c2的耦合机构完成俯仰运动。

图4 手指腱绳分布图

灵巧手在solidworks中的建模如图5所示，灵巧手有5个手指，每个手指3个关节对应3个自由度，共15个自由度。将单个手指拆分可以看见手指各部位的结构和腱绳分布，如图6所示。远端指节和中端指节的结构，腱绳分别由螺丝固定在两端，PIP关节的运动带动了指尖的运动。近端指节的结构设计由腱绳驱动着MP关节带动其转动，腱绳的左端由螺丝固定，右侧连接到驱动器上带动关节转动。

图5 灵巧手建模示意图

(a)手指前端 (b)手指后端

手指的整体图如图7所示，为了方便测量和设计，指节长度全部采用整数。远端指节长度为20 mm、中端指节长度为30 mm、近端指节长度为45 mm，灵巧手各指节的长度符合人手的比列，总体长度不会超过100 mm。MP关节由腱绳a1和腱绳a2驱动，腱绳穿过MP关节的轮槽固定在其上面，带动近端指节的俯仰运动。中端指节的运动由腱绳b1、b2驱动，腱绳穿过PIP关节的轮槽带动中端指节的运动。同时，由s1、s2耦合运动实现指尖的俯仰运动。

图7 手指结构图

2 灵巧手手指的运动学分析

灵巧手的运动学主要是研究每个手指各关节间的位移关系，通过运动学求解，求出指尖的在基坐标系的位置和姿态。由于本次设计的灵巧手手指关节长度相似，仅需对其中一指进行运动学分析。采用典型的D-H法进行运动学分析，如图8所示。O0-x0y0为基关节坐标系，对应手指MP关节；O1-x1y1、O2-x2y2对应PIP和DIP关节；O3-x3y3为指尖处坐标系。单个手指的DH参数表如表1所示，可以看到关节的运动状态，进行运动学分析，计算指尖的坐标系。

(a)手指建模图 (b)手指坐标图

表1 手指DH参数

连杆的通式为

(1)

每根关节的坐标系变换矩阵为

(2)

(3)

手指指尖坐标系与基座坐标系的转换矩阵为

(4)

(5)

式中：si=sinθi，ci=cosθi，sij=sin(θi+θj)，sijk=sin(θi+θj+θk) ，cijk=cos(θi+θj+θk)，i、j=1、2、3、4。

矩阵第4列即为指尖在基坐标系中的坐标(x,y,z)：

(6)

3 工作空间分析

灵巧手工作空间指的是指尖所能到达的区域，区域的大小可以衡量手指的工作能力和性能，用D-H参数来建立连杆参数，在Matlab里的Robotic Toolbox建立手指模型。工作空间的求解方法采用蒙特卡洛法，手指的工作空间如图9所示。由图9可以清楚地看到手指的工作范围，它有各个关节的长度和关节可旋转的角度来决定。

图9 指尖工作空间示意图

4 结 语

相对于传统的机械结构，腱传动灵巧手结构简单、重量轻，在驱动器外置于手指后，手指内部的空间得到了解放，为传感器的使用带来了便利，可以对温度、力矩和腱绳的张力进行分析和计算。本文的灵巧手采用模块化的设计，将五指设计为相似结构，节约设计成本，方便零件更换。建立灵巧手的结构模型，分析耦合运动的原理，建立坐标系对其运动学进行分析，运用Matlab对指尖的工作空间进行分析，得到指尖的工作范围。