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一种齿轮—腱欠驱式三指灵巧手的研制

温礼刚  
【摘要】:近年来,机器人技术获得快速发展,大大拓展了其应用领域。其末端执行器是机器人与外界环境交互的关键部件,机器人智能化水平和作业能力的提高,很大程度上取决于其末端执行器的灵活度和可靠性,因此对于机器人末端执行器进行研究,以提高其灵活性,具有十分重要的意义。一般来讲,机器人末端执行器分为两种,一种是机器人末端夹持器,工业中比较常用,其结构较为简单,但仅能实现较单一的动作,另外一种是具有多自由度、多关节的多指灵巧手,它模仿人手的功能,可实现对各种复杂形状物体的灵活抓取和精细操作,可应用于助老助残领域的辅助器具、危险环境下的任务作业等,解放人的双手,大大拓展了其应用领域,发展前景广阔。本文基于“大连市智能服务机器人技术与装备工程实验室”建设项目,研制一种齿轮-腱欠驱式三指灵巧手,主要研究内容如下:基于人手的基本功能及解剖学结构,设计一种齿轮-腱欠驱式三指灵巧手,新型的弹簧-滑块机构很好的实现了手指的欠驱动方式,采用双腱绳传递方式,有效的实现了手指的张开-闭合动作,三个手指基于模块化设计的思想,结构完全一致,其安装位置采用直角三角形结构,可实现捏、包络等预期抓取动作。接着,设计了灵巧手的控制系统,搭建了实验平台,为接下来的研究提供了基础。提出一种基于逆运动学的单指工作空间分析方法,该方法只需求解两自由度关节的逆运动学,在此基础上再分析第三指节的运动空间,相较于传统的基于正运动学的单指工作空间分析法,其数学计算量小,具有良好的应用价值。基于V-REP机器人仿真软件,进行了运动学正解下的三指灵巧手工作空间仿真,并分析仿真结果,指出其存在的问题和不足。基于欠驱动三指灵巧手实验样机,进行非工作条件下的手指顺从能力实验,验证了灵巧手的自我保护能力。进行灵巧手的单指控制实验,包括速度及位置控制,确定出合适的抓取速度及控制模式。对不同形状的物体进行抓取实验,包括捏抓取及包络抓取,以验证灵巧手的抓取性能,并对实验结果分析。针对灵巧手结构存在的问题,对滑轮传动系统进行参数优化设计,结果表明,样机传递机构得到简化,传递效率得到提高。基于欠驱动三指灵巧手实验样机,在分析、确定灵巧手控制系统架构的基础上,进行其控制系统的集成化设计。首先,进行集成控制系统的硬件设计,包括主控制模块STM32F103C8T6、电机驱动模块DRV10970等等,所制作的PCB控制板的尺寸仅为50mm×70mm,与成年人手掌尺寸近似。其次,编写三指灵巧手集成控制系统软件,根据每个电机所在手指指节,设置运动动作,同时设置了多指联动的组合动作,以验证样机结构的可行性。


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