鄭顯華，劉新華，張 霖，李生鵬

（中國礦業(yè)大學 機電工程學院，徐州 221116）

0 引言

機器人的出現(xiàn)為工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥、軍事、航空、科研等領域做出了巨大貢獻[1~3]，是實現(xiàn)工業(yè)自動化的關鍵技術。圍繞仿人機械靈巧手的研究也日益受到各國學者的重視和關注，尤其是在結構仿人化、多自由度、運動和動力學的分析、傳感控制等方面[4~6]。其中，一些學者就如何更好的建立仿人機械靈巧手動力學模型及其求解做了大量研究，余麟等[7]基于New ton-Eu ler方法對五指仿人靈巧手進行了逆動力學分析，得出了靈巧手的動力學方程，基于此開展了機械手的主從控制實驗。王華等[8]采用切片理論對水下靈巧手手指的動力學進行了分析，考慮水阻力、附加質(zhì)量力的影響，建立了較為精確的動力學模型，并采用Sim Mechanics進行了動力學仿真驗證。李立全等[9]運用拉格朗日動力學方法建立了沒有考慮摩擦影響下的動力學模型，并結合相應計算機算法完成該機械手的動力學逆解仿真計算。Joseph C.Chan[10]提出了一種解決碰撞、接觸及滑動等問題的統(tǒng)一框架動力學模型，并用一種3D動態(tài)靈巧手模擬器來驗證其正確性。

根據(jù)仿人機械靈巧手動力學的研究現(xiàn)狀，一般包括三種基本模型[9,11,12]：1）牛頓—歐拉方程；2）拉格朗日力學方程；3）凱恩方程。本文基于拉格朗日動力學方程給出了仿人機械靈巧手的動力學模型，并對食指進行了Adam s動力學仿真，研究成果對于深入地研究機械手的抓持姿態(tài)及其控制系統(tǒng)的設計具有重要意義。

1 仿人機械靈巧手的結構設計

仿人機械靈巧手遵循了仿人手設計的理念，由手掌、五指（拇指、食指、中指、無名指和小指）、手腕以及安置于假手本體內(nèi)部的驅(qū)動組成。每個手指具有3個指節(jié)和3個關節(jié)，與人手一致，拇指具有4個自由度，其余手指各具有3個自由度，加上腕關節(jié)整手具有17個自由度，仿人機械靈巧手總體結構示意圖如圖1所示。手指機構桿長參數(shù)的選取參考了人手指節(jié)的比例關系，通過實際測量和樣本分析發(fā)現(xiàn)，人手指的近指節(jié)、中指節(jié)和遠指節(jié)長度之間的比例關系接近于a1 : a2 :a3 = 2 : 1.35 : 1，設計時以此作為手指機構各指節(jié)近似長度之比，大拇指的總體長度為112mm，其余各手指為87mm。仿人機械靈巧手的手掌及各手指的布置參數(shù)也與人手相仿，其仿人機械靈巧手的三維模型如圖2所示。

圖1 仿人機械靈巧手總體結構示意圖

圖2 仿人機械靈巧手 的三維模型圖

在人手結構功能上，自然人手指的彎曲、伸展功能起主要作用，而側(cè)擺功能作用較小，因此為簡化手指結構、減輕假手重量，假手手指只保留彎曲、伸展功能而忽略側(cè)擺功能（大拇指保留）。各手指均采用微型直流電機驅(qū)動，通過減速箱、傘齒輪傳動減速和耦合四連桿機構把運動和力傳遞給各個指節(jié)，實現(xiàn)手指各指節(jié)的運動和物體抓取。

2 仿人機械手的動力學模型

各手指分別由電機驅(qū)動，力和力矩由各關節(jié)傳遞到手指和指端，為了研究仿人機械手的動力學特性，本文運用拉格朗日法給出了仿人機械靈巧手的動力學模型。由于各手指結構相似，研究單個手指動力學特性即可，以食指為例，食指運動關系結構如圖2所示。

圖3 食指結構示意圖

根據(jù)拉格朗日方程的分析，得出食指的動力學方程為：

式中：

其中 可表示為：

式中：

在給出食指動力學模型的過程中，沒有考慮手指與物體的作用力，故需要對模型進行修正，假設手指與物體有力的作用為，則修正的動力學模型為：

3 基于Adam s的動力學仿真分析

在對仿人機械靈巧手的食指動力學模型分析基礎上，為了更直觀的分析手指與物體接觸時作用力與各關節(jié)驅(qū)動力矩之間的關系，利用虛擬樣機仿真軟件Adam s對手指進行動力學仿真分析。以食指為例，首先將食指三維裝配體模型轉(zhuǎn)換成x_t格式文件，并導入到Adam s工作環(huán)境中；建立各關節(jié)和指節(jié)之間的約束關系，設置相關參數(shù)，并對指尖法向施加一個5N的作用力；最后，利用so lver對食指進行動力學仿真，仿真過程如圖4所示。

圖4 食指動力學仿真過程

得到仿真結果后，利用Adam s的后處理模塊輸出各個關節(jié)的驅(qū)動力矩，如圖5所示。分析可知，遠關節(jié)的力矩最小變化范圍從30N.mm到130N.m m，且變化平穩(wěn)；中關節(jié)的力矩變化范圍從110N.mm到265N.mm，其變化范圍較遠關節(jié)來說稍大一點；基關節(jié)的力矩變化范圍最小，從404N.mm變化到401N.mm再到433N.mm，其變化幅度總的來說較為平穩(wěn)。

綜上動力學仿真分析結果，各關節(jié)運動力矩變化較為平穩(wěn)，沒有突變，具有線性特性，從而提高了手指運動的穩(wěn)定性，也符合人手的運動規(guī)律。

圖5 食指各個關節(jié)力矩圖

4 結束語

本文首先分析了仿人機械靈巧手的運動規(guī)律，建立了其總體結構；給出了基于拉格朗日力學方程的食指動力學模型，并考慮手指與物體的作用力，進而對模型進行了修正；在動力學分析的基礎上，運用虛擬樣機仿真軟件Adam s對食指進行動力學分析。結果表明：手指運動是穩(wěn)定的，且符合人手運動規(guī)律；研究結果對仿人機械靈巧手的設計及其在工業(yè)自動化中的應用具有十分重要的意義。

[1] 姜杉,楊志永,李佳.醫(yī)用機器人研究、應用與發(fā)展[J].機床與液壓,2005,(5):1-5.

[2] 王鵬,李鑫,江文浩.地震搜救機器人構型設計綜述[J].哈爾濱理工大學學報,2012,17(1):15-19.

[3] J. G. Chand ler, 陳石卿. 機器人在維修中的應用[J].航空維修與工程,2010,(6):24.

[4] 趙大威,姜力,黃海,金明河,劉宏.多自由度仿人型假手設計[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2008,40(7):1067-1070.

[5] LUQUE N. R, GARRIDO J. A, RALLI J, et a l. From sensors to sp ikes: evolving recep tive fields to enhance sensorim otor inform ation a robot-arm [J]. International Journal o f Neural System s,2012,22(4):1250013.

[6] 劉伊威,金明河,樊紹巍,蘭天,陳兆芃.五指仿人機器人靈巧手DLR/HIT Hand II[J].機械工程學報,2009,45(11):10-17.

[7] 余麟,劉昊,彭光正.五指仿人靈巧手運動學與動力學模型[J].北京理工大學學報,2008,28(10):880-884.

[8] 王華,孟慶鑫,王立權.基于切片理論的水下靈巧手手指動力學分析[J].機器人,2007,29(2):160-166.

[9] 李立全,龐永剛.空間五自由度機械手動力學的研究及仿真[J].機械設計與制造,2009,(9):150-151.

[10] CHAN J.C, LIU Y. Dynam ic sim ulation of multi-fingered robot hands based on a unified m odel [J]. Robotics and Au tonom ous System s. 2000, Vo l.32-2: 185-201.

[11] 楊武,蔣梁中.采用牛頓-歐拉法的排爆機器人機械手動力學分析[J].現(xiàn)代制造工程,2010,(6):140-143.

[12] 王洪瑞,呂應權.BH—1靈巧手運動學和動力學建模研究[J].系統(tǒng)仿真學報,1997,9(3):44-50.