肖南峰，巢 婭，陳星辰

(華南理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院， 廣州 510006)

仿人機(jī)械手作為仿人機(jī)器人的末端執(zhí)行器，經(jīng)歷了若干代的發(fā)展，目前已進(jìn)入了相對(duì)成熟的發(fā)展階段，但是受其觸覺傳感器和關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)的影響,仿人機(jī)械手執(zhí)行任務(wù)的廣泛性和復(fù)雜性還存在著諸多問題。由于現(xiàn)有的仿人機(jī)械手大多采用基于腱的傳動(dòng)方式和仿效人手的驅(qū)動(dòng)原理，故存在以下缺點(diǎn)：① 腱的剛度有限；② 必須對(duì)腱進(jìn)行預(yù)緊；③ 腱的張力和波動(dòng)很大；④ 腱的機(jī)械特性和數(shù)量對(duì)于手的性能有較大影響。此外，一些高檔仿人機(jī)械手的控制方法基本上是對(duì)手指尖處裝配有獨(dú)立力/力矩傳感器的手指進(jìn)行位置和力反饋控制或阻抗控制。但是，這些控制方法均沒有考慮或控制手指和手掌表面上眾多觸覺點(diǎn)(觸覺傳感器)的接觸力影響，這也極大地限制了仿人機(jī)械手的推廣普及。

觸覺傳感器是仿人機(jī)械手感知外部環(huán)境的重要媒介，它對(duì)于仿人機(jī)械手正確地操作目標(biāo)物體極其重要。在仿人機(jī)械手靈活自如運(yùn)動(dòng)的前提下，要求觸覺傳感器能夠準(zhǔn)確地感知外部環(huán)境，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物體的各種精準(zhǔn)操作。迄今為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)于觸覺傳感器構(gòu)造、柔性敏感材料及其力學(xué)特性、觸覺力數(shù)學(xué)建模和精確解耦等已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的探討[1-15]，目的是研制出具備多種測(cè)量功能的復(fù)合型觸覺傳感器，以便為仿人機(jī)械手提供獲取更多外部綜合信息和更加先進(jìn)的觸覺感知技術(shù)。為此，本文設(shè)計(jì)了一種具有柔性和觸覺力及觸摸檢測(cè)能力的分布觸覺傳感器。同時(shí)，還要利用直流步進(jìn)電機(jī)作為仿人機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并且要研制相應(yīng)的單關(guān)節(jié)及多關(guān)節(jié)并發(fā)驅(qū)動(dòng)控制電路及驅(qū)動(dòng)控制算法。此外，在考慮手指和手掌表面上眾多觸覺點(diǎn)接觸力的情況下，設(shè)計(jì)仿人機(jī)械手位置和力反饋及速度反饋控制等方法，以實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)械手的抓、握、捏、夾、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、貼、牽、拽、磨、削、刨、搓等靈巧作業(yè)功能。

1 分布觸覺傳感器研究現(xiàn)狀

觸覺傳感器研究始于20世紀(jì)70年代，此后有許多物理傳感器開始應(yīng)用于觸覺傳感領(lǐng)域[1]。觸覺傳感器研究現(xiàn)在所面臨的最大問題在于柔性化、多維觸覺信號(hào)檢測(cè)及處理、融合方法。目前，國(guó)外許多學(xué)者從觸覺感知機(jī)理、觸覺傳感材料、觸覺信息獲取、觸覺圖像識(shí)別、傳感器實(shí)用化等方面進(jìn)行了大量的研究，由此產(chǎn)生了很多新型的觸覺傳感器及觸覺信號(hào)處理方法[2-14]。例如，加拿大Simon Fraser大學(xué)Dargahi[2]開發(fā)了由3片PVDF薄膜構(gòu)成的觸覺傳感器；美國(guó)德克薩斯克里斯蒂安大學(xué)Kolesar和Dyson[3-4]開發(fā)了覆蓋PVDF薄膜CMOS器件的8×8矩陣傳感器，它能在50 ms內(nèi)掃描64點(diǎn)數(shù)據(jù)，很適合于仿人機(jī)械手指應(yīng)用，如圖1(a)所示。日本東京大學(xué)Ando和Shinoda[5]利用超聲波原理制作了結(jié)構(gòu)呈柔軟圓球狀的觸覺傳感器，4塊PVDF薄膜片組成的超聲傳感器矩陣鑲嵌在物體重心，如圖1(b)所示。

圖1 國(guó)內(nèi)外的各類觸覺傳感器

近年來，我國(guó)研制成功了以下幾種觸覺傳感器：① 電容式觸覺陣列傳感器[6-7]，其原理是通過受力使得極板間相對(duì)位移發(fā)生變化，從而使電容發(fā)生變化，通過檢測(cè)電容變化量來測(cè)量觸覺力，如圖1(c)所示。② 光波導(dǎo)觸覺傳感器[8]，其中單向力觸覺傳感器原理如圖1(d)所示，當(dāng)外力F作用于物體時(shí)，橡膠墊下部分圓錐觸頭陣列將產(chǎn)生形變，在壓痕處形成光斑，CCD圖像傳感器攝取此光斑圖像并送入計(jì)算機(jī)對(duì)橡膠墊進(jìn)行力學(xué)分析，得到外力F與光斑面積之間的數(shù)量關(guān)系，并檢測(cè)法向力大小。③ 光纖式觸覺傳感器[9]，其對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制使光強(qiáng)度(振幅)、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，通過測(cè)量被調(diào)制過的光信號(hào)從而得出被測(cè)量，原理如圖1(e)所示。④ 基于導(dǎo)電橡膠的柔性陣列觸覺傳感器[10-12]，是由重慶大學(xué)杜彥剛等提出的3維力觸覺檢測(cè)傳感器。中國(guó)科大徐菲等也采用“整體液體成型”技術(shù)設(shè)計(jì)了一種具有柔韌性和測(cè)量多維力特征信息能力的多維陣列觸覺傳感器，如圖1(f)所示。⑤ 壓阻陣列觸覺傳感器[13]，是由杭州電子工業(yè)學(xué)院羅志增等提出的一種由外層薄橡膠、柔性電極、各向異性導(dǎo)電橡膠敏感層、陣列電極底板以及金屬封裝等組成的壓阻式觸覺傳感器，如圖1(g)所示。

2 分布觸覺傳感器硬件設(shè)計(jì)

分布觸覺傳感器是仿人機(jī)械手的核心組成部件，它類似于人手的皮膚。本節(jié)利用30個(gè)FlexiForce壓力傳感器[14](美國(guó)Tekscan公司生產(chǎn)的一種超薄型柔性壓力傳感器)和8個(gè)觸摸開關(guān)傳感器[15]來制作分布觸覺傳感器，以增加仿人機(jī)械手的觸覺探測(cè)范圍和提高探測(cè)精度。由于FlexiForce傳感器的壓迫點(diǎn)阻值受壓后發(fā)生變化會(huì)產(chǎn)生交變電流，因此采用它來作為各個(gè)觸覺點(diǎn)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)。分布觸覺傳感器主要分布在5個(gè)手指和1個(gè)手掌與被抓取物體的直接接觸點(diǎn)處。本節(jié)設(shè)計(jì)分布于5個(gè)手指和1個(gè)手掌上的所有觸覺點(diǎn)配置及其相互關(guān)系，開發(fā)這些觸覺點(diǎn)的觸覺數(shù)據(jù)信號(hào)采集和傳送及融合方法。分布觸覺傳感器設(shè)計(jì)主要解決觸覺信號(hào)檢測(cè)和傳輸及融合等問題。當(dāng)仿人機(jī)械手各個(gè)手指和手掌上的所有觸覺點(diǎn)配置確定后，要根據(jù)觸覺點(diǎn)和導(dǎo)電機(jī)構(gòu)來研制分布觸覺傳感器的檢測(cè)控制電路，以及融合和處理來自于各個(gè)手指和手掌上觸覺信號(hào)的算法。因此，檢測(cè)出分布于各個(gè)手指和手掌上眾多觸覺點(diǎn)的觸覺信號(hào)，融合和處理這些觸覺信號(hào)以及各個(gè)手指尖處觸覺力反饋是本節(jié)要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

2.1 仿人機(jī)械手的觸覺點(diǎn)配置

為了穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)械手的各種靈巧作業(yè)功能，各個(gè)指尖表面采用曲面形式不可欠缺。因此，仿人機(jī)械手指外形采用薄鋁板彎曲成平面，在手指尖及指腹部粘上薄塑料片等使其成為曲平面形狀，如圖2(a)所示。這樣仿人機(jī)械手指可以像人手指一樣抓握物品及完成各種靈巧的作業(yè)。觸覺傳感器和觸摸開關(guān)傳感器主要分布在仿人機(jī)械手的手指指尖和指腹及手掌，以便充分地貼合被抓物體，從而對(duì)物體受力情況進(jìn)行感知，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定抓取。仿人機(jī)械手觸覺點(diǎn)配置為：拇指、食指、中指、無名指、小拇指尖和指腹及指根各設(shè)置1個(gè)觸覺傳感器，手掌上設(shè)置4個(gè)觸摸開關(guān)傳感器，如圖2(b)所示。

圖2 手指表面觸覺傳感器和觸摸開關(guān)傳感器配置

2.2 壓力和觸摸傳感器結(jié)構(gòu)

FlexiForce壓力傳感器[14]具有紙薄結(jié)構(gòu)、靈活性和力測(cè)量能力，可以測(cè)量幾乎任何2個(gè)表面之間的力，以及更好地力感測(cè)性能、線性度、滯后和漂移及溫度敏感性，并且耐用性足以承受大多數(shù)環(huán)境，如圖3(a)所示。它的有效傳感區(qū)域是傳感器末端的圓，由2層基板構(gòu)成，該基板由聚酯膜(或在高溫傳感器情況下為聚酰亞胺)構(gòu)成。在每一層上施加導(dǎo)電材料(銀)，隨后施加壓敏油墨層，然后使用粘合劑將2層基底層壓在一起以形成傳感器。在壓敏油墨頂部的銀圓圈限定“有源感測(cè)區(qū)域”。導(dǎo)電材料(銀)從感測(cè)區(qū)域延伸到傳感器另一端的連接器形成導(dǎo)電引線和可以焊接的方形針腳。此外，每路觸摸開關(guān)傳感器[15]如圖3(b)所示，它是一個(gè)基于觸摸檢測(cè)IC(TTP223B)的電容式點(diǎn)動(dòng)型觸摸開關(guān)模塊。該模塊常態(tài)下輸出低電平，模式為低功耗模式；當(dāng)用手指觸摸相應(yīng)位置時(shí)，該模塊會(huì)輸出+5 V高電平，模式切換為快速模式；當(dāng)持續(xù)12 s沒觸摸時(shí)，模式又切換為低功耗模式。每路觸摸開關(guān)傳感器具有如下特點(diǎn)：① 點(diǎn)動(dòng)型：初態(tài)為低電平，觸摸為高電平，不觸摸為低電平；② 低功耗，供電電源可為2～5.5 V DC；③ 正反面均可作為觸摸面；④ 控制接口有3個(gè)引腳，其中GND為地，VCC為供電電源，SIG為數(shù)字信號(hào)輸出腳，觸摸區(qū)域類似指紋的圖標(biāo)內(nèi)部區(qū)域，手指輕輕觸摸即可觸發(fā)。

圖3 FlexiForce壓力傳感器和1路觸摸開關(guān)傳感器

2.3 壓力和觸摸信號(hào)檢測(cè)電路

1) 壓力傳感器檢測(cè)電路[14]。將FlexiForce傳感器集成到觸覺力檢測(cè)應(yīng)用中的方法是將其結(jié)合到壓力-電壓電路中，將壓力輸出轉(zhuǎn)換為電壓工程單位。根據(jù)設(shè)置可進(jìn)行調(diào)整以增加或降低傳感器的靈敏度。檢測(cè)電路如圖3(c)所示，它由-5 V直流電源驅(qū)動(dòng)。該電路使用反相運(yùn)算放大器裝置，以基于傳感器電阻Rs和固定參考電阻Rf產(chǎn)生模擬輸出?？梢允褂媚?shù)轉(zhuǎn)換器將該電壓轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字輸出。在該電路中，可以通過改變參考電阻Rf或驅(qū)動(dòng)電壓VT來調(diào)節(jié)傳感器靈敏度；較低的參考電阻或驅(qū)動(dòng)電壓將會(huì)使得傳感器不太敏感，難于增加其有效力范圍。在圖3(c)中，F(xiàn)lexiForce傳感器的動(dòng)態(tài)力范圍可以通過改變參考電阻Rf或通過改變驅(qū)動(dòng)電壓Vout來調(diào)節(jié)。經(jīng)過運(yùn)算放大器檢出與壓力對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)Vout后送給(北京瑞博華公司產(chǎn))AD7202板A/D變換器，再由該公司產(chǎn)的IO700板I/O口送PC機(jī)進(jìn)行分析和處理及融合，即可檢測(cè)、融合、處理所有觸覺點(diǎn)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)械手的分布觸覺機(jī)能。

特別要注意的是，F(xiàn)lexiForce傳感器的整個(gè)傳感區(qū)域被視為單個(gè)接觸點(diǎn)。為此，施加的負(fù)載應(yīng)均勻地分布在感測(cè)區(qū)域上，以確保準(zhǔn)確和可重復(fù)的壓力讀數(shù)。如果負(fù)載分布在感測(cè)區(qū)域上變化，讀數(shù)可能會(huì)略有不同。注意感測(cè)區(qū)域僅是傳感器頂部的銀圓。同樣重要的是傳感器被一致地加載，或每次以相同的方式加載。如果施加的負(fù)載覆蓋區(qū)小于感測(cè)區(qū)域，則負(fù)載不應(yīng)該放置在感測(cè)區(qū)域的邊緣附近，以確保均勻的負(fù)載分布。確保感測(cè)區(qū)域是整個(gè)負(fù)載路徑并且負(fù)載不受感測(cè)區(qū)域外部的區(qū)域支持也是重要的。FlexiForce傳感器讀取垂直于傳感器平面的力。若是施加“剪切”力的應(yīng)用，則可能會(huì)降低傳感器的壽命。如果實(shí)際應(yīng)用要在傳感器上施加“剪切”力，則應(yīng)通過采用更具彈性的材料覆蓋來保護(hù)[14]。

2) 一路觸摸開關(guān)檢測(cè)電路。由于一路觸摸開關(guān)傳感器的初態(tài)為0電平，觸摸后變?yōu)?5 V高電平，不觸摸時(shí)為0電平，所以使用時(shí)只需要將其控制接口的3個(gè)引腳(GND、VCC、SIG)分別直接與AD7202板I/O端口相聯(lián)接就可檢測(cè)出觸摸信號(hào)。

3 仿人機(jī)械手關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

本節(jié)確定仿人機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)與人手的構(gòu)造基本一致[16]。其中，每個(gè)手指有3個(gè)關(guān)節(jié)(3個(gè)自由度)，手掌有1個(gè)關(guān)節(jié)(1個(gè)自由度)，整個(gè)仿人機(jī)械手共有16個(gè)關(guān)節(jié)(16個(gè)自由度)。各個(gè)手指第1關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)收和外展，其余關(guān)節(jié)均能完成前屈和翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。仿人機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)影響和制約它的機(jī)構(gòu)尺寸、驅(qū)動(dòng)方式、控制系統(tǒng)等方面。為此，仿人機(jī)械手采取N驅(qū)動(dòng)方式，即手指的每一個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)一個(gè)電機(jī)，每個(gè)關(guān)節(jié)單獨(dú)用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以使手指控制簡(jiǎn)便、累積誤差小，抓取穩(wěn)定性好。每根手指關(guān)節(jié)之間的指段采用整體構(gòu)件式設(shè)計(jì)，手指為中空形式，由指尖貫穿到指根，所有驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其配套減速裝置均嵌入到每個(gè)手指的指節(jié)內(nèi)和手掌內(nèi)部。這樣的設(shè)計(jì)可使仿人機(jī)械手的物理尺寸和結(jié)構(gòu)緊湊、控制方式簡(jiǎn)便。

本文選用國(guó)產(chǎn)直流步進(jìn)電機(jī)[17]作為各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)器，各個(gè)電機(jī)的配置如圖4(a)所示。在5個(gè)手指的遠(yuǎn)指節(jié)(遠(yuǎn)指關(guān)節(jié))處分別使用輸出力矩及體積都較小的24BYJ-48型直流步進(jìn)電機(jī)作為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，如圖4(b)所示。在5個(gè)手指的2個(gè)指節(jié)(近指節(jié)、中指節(jié))及其指掌關(guān)節(jié)和近指關(guān)節(jié)處與手掌關(guān)節(jié)及拇指根部的2個(gè)關(guān)節(jié)處，使用輸出力矩較大的28BYJ-48型直流步進(jìn)電機(jī)，圖4(c)所示為其內(nèi)部減速齒輪結(jié)構(gòu)。該電機(jī)為4相8拍電機(jī)，電壓為DC5V～DC12V。當(dāng)對(duì)其施加1個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)地，步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)將改變1次，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過一定角度(步距角、每個(gè)脈沖轉(zhuǎn)角)。24/28BYJ- 48型步進(jìn)電機(jī)可控制范圍均為0～360°，步距角是5.625°，完全符合手指關(guān)節(jié)角度范圍及控制精度要求。由于360°/5.625°=64，所以64個(gè)脈沖就能步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)1圈。但是，由于電機(jī)轉(zhuǎn)子到輸出軸有齒輪減速器連接，減速比為64，那么電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)64圈，輸出軸才轉(zhuǎn)1圈，所以需64×64=4 096個(gè)脈沖才能使電機(jī)輸出軸旋轉(zhuǎn)一圈。

圖4 仿人機(jī)械手和手掌關(guān)節(jié)電機(jī)配置及驅(qū)動(dòng)電機(jī)

4 仿人機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仿人機(jī)械手控制系統(tǒng)分為硬件子系統(tǒng)和軟件子系統(tǒng)[16,18]，其結(jié)構(gòu)分別如圖5(a)、(b)所示。圖5(b)中的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)層應(yīng)用單關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)算法驅(qū)動(dòng)單個(gè)關(guān)節(jié)；并行邏輯驅(qū)動(dòng)層單獨(dú)作為一層，目的是為了不使并行驅(qū)動(dòng)算法與單關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)算法相混淆，以便進(jìn)一步地?cái)U(kuò)展為多關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)算法；邏輯控制層主要包括運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、手勢(shì)控制等應(yīng)用邏輯控制[16-22]。

1) 單關(guān)節(jié)控制算法[16,18]。單關(guān)節(jié)控制算法可為仿人機(jī)械手的邏輯控制提供簡(jiǎn)單和清晰的控制方式，步進(jìn)電機(jī)控制要依據(jù)它的脈沖控制范圍和關(guān)節(jié)角度限制來確定。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)可控精度得出每個(gè)基本脈沖對(duì)應(yīng)的角度，由需要角度相對(duì)于現(xiàn)有角度的基礎(chǔ)變化值，從而獲得需要發(fā)出脈沖個(gè)數(shù)。單關(guān)節(jié)基本控制算法為：① 獲得脈沖控制范圍PWM- Scope =|脈沖寬度上限-脈沖寬度下限|×δ；② 取得關(guān)節(jié)角度控制范圍Angel-Scope=角度上限-角度下限；③ 計(jì)算脈沖變化數(shù)PWM-Times=PWM-Scope / Δθ；④ 獲得每個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖的控制精度，基本脈沖角度Basic-Pulse-Angle=Angel-Scope/PWM-Times。其中：脈沖寬度范圍δ是擴(kuò)大比例因子，放大控制精度，減少累計(jì)誤差，實(shí)際取δ=10；而脈沖變化數(shù)Δθ是脈沖的變化最小值，通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)測(cè)試獲得可以控制的脈沖變化最小值，取Δσ=0.2。通過上面步驟可計(jì)算出每個(gè)關(guān)節(jié)的控制角度。有了單關(guān)節(jié)電機(jī)的基本控制，對(duì)單關(guān)節(jié)控制進(jìn)行基本擴(kuò)展，本節(jié)使用2種方式定位角度：① 絕對(duì)角度定位：控制端提供需要定位的關(guān)節(jié)名和角度，底層保證定位界限，并返回定位后角度。② 相對(duì)角度定位，在關(guān)節(jié)原有角度基礎(chǔ)上加(減)Δθ度。對(duì)于2種控制方式，底層驅(qū)動(dòng)程序可保證關(guān)節(jié)在所設(shè)的極限位置內(nèi)運(yùn)動(dòng)。

圖5 仿人機(jī)械手控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6 單(多)關(guān)節(jié)控制算法

2) 多關(guān)節(jié)并發(fā)控制算法[16,18]。仿人機(jī)械手控制要達(dá)到人手的靈巧性還需要優(yōu)化控制算法，即要開發(fā)多關(guān)節(jié)并發(fā)控制算法。因此，控制端提供需要定位的關(guān)節(jié)和相應(yīng)的角度隊(duì)列，底層按FIFO序列依次轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)到相應(yīng)角度。在此基礎(chǔ)上有2種控制方式：① 依次到位型控制，每個(gè)關(guān)節(jié)先后定位。如圖6(a)所示，依據(jù)關(guān)節(jié)名稱和需要定位的角度，依次驅(qū)動(dòng)電機(jī)定位到相應(yīng)的角度。該控制方式直觀，但很難滿足靈巧性要求。② 依次單位驅(qū)動(dòng)控制，如圖6(b)所示。這種控制方式中，每個(gè)關(guān)節(jié)切分為單位脈沖次數(shù)，每次驅(qū)動(dòng)數(shù)個(gè)關(guān)節(jié)的單位角度定位，依次驅(qū)動(dòng)每個(gè)關(guān)節(jié)。這種控制算法可以在一定程度上使仿人機(jī)械手的各個(gè)手指聯(lián)動(dòng)和操作靈巧。由于控制角度在精度單位控制內(nèi)，故控制方式非常安全。

實(shí)際設(shè)置每個(gè)指關(guān)節(jié)能屈伸±90°，指尖力為10 N，整個(gè)仿人機(jī)械手的16個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)加上觸覺傳感器的總質(zhì)量不超過1 500 g，仿人機(jī)械手抓握物品的總質(zhì)量不超過3 kg。并且仿人機(jī)械手尺寸大小與成年人的手幾乎一樣，可以很方便地裝在各種機(jī)械臂手腕上。本節(jié)將2只完全一樣的仿人機(jī)械手(左手、右手)分別安裝到2臺(tái)6自由度機(jī)械臂(工業(yè)機(jī)器人)手腕處，以便最終能夠?qū)崿F(xiàn)雙手和雙腕及雙臂協(xié)調(diào)控制。為此，本節(jié)設(shè)計(jì)的直流步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和AD及IO接口板如圖7(a)、(b)所示。

圖7 電機(jī)控制信號(hào)AD接口板和IO接口板

下面根據(jù)每個(gè)手指(配有3個(gè)FlexiForce傳感器)反饋的觸覺力和手掌表面的4個(gè)觸摸開關(guān)傳感器輸出信號(hào)，計(jì)算并導(dǎo)出控制仿人機(jī)械手的各個(gè)手指和手掌關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)角和角速度目標(biāo)值，進(jìn)而對(duì)各個(gè)手指和手掌分別進(jìn)行力和位置及速度反饋控制，以實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)械手的靈巧操作。首先，通過同次變換和代數(shù)學(xué)方法建立仿人機(jī)械手的正(逆)向運(yùn)動(dòng)學(xué)和正(逆)動(dòng)力學(xué)及雅可比矩陣，如圖8、9所示。根據(jù)仿人機(jī)械手的5個(gè)手指和手掌協(xié)調(diào)控制特征，建立各個(gè)手指和手掌關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)構(gòu)造和擴(kuò)展雅可比行列式。接著，根據(jù)每個(gè)手指的觸覺力反饋和手掌表面上觸覺點(diǎn)的接觸力，計(jì)算并導(dǎo)出控制仿人機(jī)械手各個(gè)手指和手掌關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)角和角速度目標(biāo)值，進(jìn)而對(duì)仿人機(jī)械手各個(gè)手指分別進(jìn)行力和位置及速度反饋等控制，原理如圖10所示。

圖8 仿人機(jī)械手結(jié)構(gòu)與指關(guān)節(jié)構(gòu)成[16,18]

5 仿人機(jī)械手仿真實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)仿人機(jī)械手設(shè)計(jì)的有效性和驗(yàn)證整個(gè)仿人機(jī)械手的功能，本節(jié)對(duì)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的仿人機(jī)械手進(jìn)行實(shí)際測(cè)試及仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明：手指和手掌表面的觸覺傳感器檢測(cè)精度高，觸覺信號(hào)穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性好，滿足實(shí)際需要。同時(shí)，手掌表面的觸摸開關(guān)傳感器靈敏度高。仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由前面設(shè)計(jì)的2個(gè)(左手、右手)仿人機(jī)械手構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)程序由VC++6.0等編寫。仿真實(shí)驗(yàn)是通過建立的正(逆)向運(yùn)動(dòng)學(xué)和正(逆)動(dòng)力學(xué)及雅可比矩陣和力、位置、速度反饋控制算法檢驗(yàn)2個(gè)仿人機(jī)械手是否能夠相互協(xié)作完成抓、握、推、夾、托、擠、撕、插、剪、鉗等靈巧作業(yè)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的仿人機(jī)械手能有效地完成作業(yè)，如圖11所示。

圖11 仿人機(jī)械手部分靈巧作業(yè)仿真控制實(shí)驗(yàn)

6 結(jié)束語

本文建立了仿人機(jī)械手的數(shù)學(xué)模型和手指及手掌的控制方法，使用直流步進(jìn)電機(jī)制作了仿人機(jī)械手各個(gè)手指和手掌關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了分布觸覺傳感器和觸摸傳感器檢測(cè)電路，開發(fā)了分布觸覺信息融合和處理算法，實(shí)現(xiàn)了仿人機(jī)械手的分布觸覺功能。通過實(shí)測(cè)和仿真實(shí)驗(yàn)證明了所提出的數(shù)學(xué)模型和控制方法及仿人機(jī)械手裝置是可行的。其次，建立了仿人機(jī)械手的前向(逆向)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和動(dòng)力學(xué)方程及雅可比矩陣，為仿人機(jī)械手各個(gè)手指關(guān)節(jié)和手掌的協(xié)調(diào)控制奠定了基礎(chǔ)。今后的工作是根據(jù)仿人機(jī)械手的協(xié)調(diào)控制特征，控制仿人機(jī)械手各個(gè)觸覺點(diǎn)的接觸力，并且要將混合型位置和力反饋控制算法、速度反饋控制算法和常規(guī)PID控制算法等用于控制一雙仿人機(jī)械手及其手腕和手臂，以便最終實(shí)現(xiàn)雙手及其雙腕和雙臂的協(xié)調(diào)控制，完成現(xiàn)抓、握、捏、夾、推、拉、插、按、剪、切、敲、打、撕、貼、牽、拽、磨、削、刨、搓等靈巧作業(yè)功能。

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