黃廣偉 陳浩華 趙天嬋 張攀峰

關(guān)鍵詞：繩索驅(qū)動;擬人機(jī)械手;運(yùn)動仿真

0引言

為滿足肢體缺陷的人群對高仿真性且具有靈巧性的假肢或者替代人手執(zhí)行危險(xiǎn)工作的需求，諸多學(xué)者對擬人機(jī)械手進(jìn)行了研究。宋釗杰、韓建海等通過基于仿生學(xué)相關(guān)理論提出了一種氣壓驅(qū)動扇形柔性關(guān)節(jié)仿人機(jī)械手;李紅淵研究了一種基于Ar-duino語音控制的五指靈巧手，該研究主要針對于擁有說話能力的肢體缺陷人群，通過語音控制實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)物體的抓取;美國麻省理工學(xué)院和猶他大學(xué)聯(lián)合研發(fā)了Utah/MIT擬人手;美國斯坦福大學(xué)研制了Stanford/PL擬人手;Huagen Wan等對手的外觀做了細(xì)致紋理修飾，使其更逼真，并構(gòu)建了幾種抓取手勢。

在諸多復(fù)雜抓取環(huán)境下，擬人手要成功抓取不同尺寸和形狀的物品是較為困難的，為克服該缺陷，本文設(shè)計(jì)了一款在形態(tài)和功能上都與人手相近的繩索驅(qū)動型擬人機(jī)械手，并運(yùn)用SolidWorks的Sim-ulaition插件以及ADAMS進(jìn)行運(yùn)動仿真。從仿真的結(jié)果來看，各個(gè)手指的指尖均出現(xiàn)速度、加速度跳變的情形，為了使擬人手的指尖從起始端到末端運(yùn)動平穩(wěn)，擬人機(jī)械手加減速的控制方法宜采用s型速度曲線控制算法，以有效解決機(jī)械手的速度、加速度跳變問題，優(yōu)化各手指的整體運(yùn)動形態(tài)的連貫性以及平滑性。

1擬人機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過對人手結(jié)構(gòu)人體工學(xué)的探索，合理簡化了手部的自由度，人手是一個(gè)多肢節(jié)體系，大致包含手臂、手指、手掌和手腕4大部分。以人手結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合人手部的實(shí)際及理論尺寸，運(yùn)用Solid-Works構(gòu)建了繩索驅(qū)動型擬人機(jī)械手的三維模型，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括前臂、手腕、手掌、手指部分（拇指、食指、中指、無名指、小指）。

2擬人機(jī)械手運(yùn)動學(xué)數(shù)學(xué)方程建立

2.1運(yùn)用D-H參數(shù)法建立坐標(biāo)系

本文選用了食指為例進(jìn)行分析，利用D-H描述法可得到其等價(jià)的D-H參數(shù)模型如圖2所示。

2.2建立運(yùn)動學(xué)方程

食指指節(jié)之間的坐標(biāo)變化可以通過齊次坐標(biāo)變換求出，兩相鄰指節(jié)坐標(biāo)系間的齊次坐標(biāo)變換矩陣如下式所示：

將表1中的參數(shù)代人式（1）中，則可求出各個(gè)坐標(biāo)系的齊次坐標(biāo)變換矩陣，如式（2）～（5）所示。

3擬人機(jī)械手的運(yùn)動仿真

為了準(zhǔn)確掌握五根手指指尖相對于掌心的運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度、運(yùn)動加速度等變化規(guī)律，運(yùn)用AD-AMS軟件對擬人機(jī)械手進(jìn)行了運(yùn)動仿真。

3.1運(yùn)動軌跡

本文運(yùn)用ADAMS軟件在重力的作用下進(jìn)行仿真分析。首先運(yùn)用ADAMS插件Simulation仿真后獲得擬人機(jī)械手動畫界面;其次在動畫界面中添加各個(gè)手指的指尖運(yùn)動軌跡的追蹤器;最后生成五根手指的指尖運(yùn)動軌跡如圖3所示。

3.2運(yùn)動速度、運(yùn)動加速度

擬人機(jī)械手的運(yùn)動形態(tài)受多種因素影響，為簡化分析過程，現(xiàn)選取各手指的指尖運(yùn)動速度、運(yùn)動加速度進(jìn)行研究，分析其在沒有繩索牽引約束情況下的指尖運(yùn)動特性，為優(yōu)化繩索驅(qū)動型機(jī)械手控制策略提供參考依據(jù)。

運(yùn)用ADAMS插件Simulation生成五根手指指尖相關(guān)參數(shù)的Plot圖解，根據(jù)Plot圖解進(jìn)行運(yùn)動速度、運(yùn)動加速度分析。可得出在一定時(shí)間內(nèi)，拇指、食指、中指、無名指、小指相對于掌心的速度曲線、加速度曲線分別如圖4～8所示。

由圖4中可以看出，在0～0.5 s時(shí)間內(nèi)，拇指指尖速度、加速度在0.05～0.1 s、0.2～0.3 s、0.3～0.4 s內(nèi)有較小幅度跳變，變化較為平滑。而在0.05 s和0.3s時(shí)刻均出現(xiàn)了跳變，速度和加速度雖然連續(xù)，但不平滑。

由圖5中可以看出，食指指尖在0.13s、0.27s、0.28s、0.3s、0.32s時(shí)刻出現(xiàn)速度和加速度的跳變。特別地，在0.27～0.28s短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)2次跳變。

由圖6中可以看出，中指指尖在0.07 s、0.12 s、0.13 s、0.24 s、0.28 s、0.32 s時(shí)刻出現(xiàn)速度和加速度的跳變，0.28 s、0.32 s時(shí)刻跳變程度遠(yuǎn)大于其他時(shí)刻。

由圖7中可以看出，無名指指尖在0.07 s、0.12s、0.13 s、0.24 s、0.28 s時(shí)刻出現(xiàn)速度和加速度的跳變，且0.07 s、0.12 s時(shí)刻跳變較其他時(shí)刻大。

從圖8中可以看出，小指指尖在0.09 s、0.14 s、0.22 s、0.25 s時(shí)刻出現(xiàn)速度和加速度的跳變，其中0.09 s、0.22 s、0.25 s跳變幅度較其他時(shí)刻大。

綜合分析圖4～8所示的速度、加速度曲線，可以看出，啟停時(shí)刻存在慣性力，勢必會對擬人手本體造成沖擊。此外，在運(yùn)動過程中，各手指的指尖均出現(xiàn)速度、加速度跳變的情形，這樣可能會導(dǎo)致手指的各個(gè)關(guān)節(jié)之間出現(xiàn)沖擊或不可預(yù)料的振動，影響擬人手的工作質(zhì)量和工作壽命。基于此，為了使擬人手的指尖從起始端到末端運(yùn)動平穩(wěn)，需要重點(diǎn)分析各手指指尖速度和加速度的跳變時(shí)間段和跳變程度，以對相應(yīng)的過程進(jìn)行加減速控制，從而達(dá)到各手指運(yùn)動平穩(wěn)的效果。

常用的加減速控制算法有梯形速度曲線控制算法、s型速度曲線控制算法、正弦加減速曲線控制算法。通過比較，s型速度曲線控制算法能夠在不同階段實(shí)現(xiàn)速度銜接平滑，能有效解決機(jī)械手的速度、加速度跳變問題，優(yōu)化了各手指整體運(yùn)動形態(tài)的連貫性以及平滑性。

4結(jié)束語

本文運(yùn)用SolidWorks構(gòu)建了擬人機(jī)械手的三維模型，使用ADAMS構(gòu)建了虛擬樣機(jī)并生成各手指的速度曲線、加速度曲線圖。通過對各手指指尖相對于掌心的速度曲線、加速度曲線圖對比分析可以看出，啟停時(shí)刻存在慣性力，運(yùn)動過程中，各個(gè)手指的指尖均出現(xiàn)速度、加速度跳變的情形，為了使擬人手的指尖從起始端到末端運(yùn)動平穩(wěn)，擬人機(jī)械手加減速的控制方法宜采用s型速度曲線控制算法，以有效解決機(jī)械手的速度、加速度跳變問題，優(yōu)化各手指整體運(yùn)動形態(tài)的連貫性以及平滑性。此研究不僅能縮短物理樣機(jī)的創(chuàng)建周期，還為優(yōu)化物理樣機(jī)設(shè)計(jì)和控制方案提供有價(jià)值的參考依據(jù)。