于鸿宇，李月峰，于嘉豪，刘洋洋

（哈尔滨理工大学，山东 荣成 264300）

0 引言

对于机械手的发展，机械手的灵活性、精确性、可控性以及柔顺性决定机器人的性能[1]。传统的机械手由于自由度少的原因，且控制方法和传感器发展不是很成熟，故灵活度和柔顺性并不是很好。因此，通过多自由度和智能算法的机械手是一个发展趋势。另一方面，在火灾、危险工业区和深海探测等危险场合，人们需要设计良好的机械手代替人工，故对机械手的要求和功能的使用越来越严格，因此设计智能多功能机械手是该领域的热点。另一方面，具有多关节和多自由度的机械手应用的领域较为丰富，其中最有代表性的是仿人机械手[2]。它的工作原理是模仿人类手指的运动规律来进行物体的抓取和运动。仿人机械手在医疗、服务和娱乐等企业应用较为广泛[3]。因为该机械手的结构与人类的手相似，因此能灵活、有效的进行人类从事的相关活动。

1 仿人机械手运动学研究

1.1 仿人机械手结构设计

对于人手结构组成，可以设计气动肌腱驱动的机械手，其中机械手含有5个手指和一个手掌，由气动人工肌肉进行控制运动，并且每个肌腱控制一个手指运动，即一根肌肉的一端连接到钢丝绳，支架固定在铰接端的滑轮上，然后再连接到另一根肌肉，以便使滑轮可以驱动关节通过拉伸和伸展来实现运动。另一方面，每个手指关节处有滑轮，通过牵引线绕在关节处来驱动机械手的伸缩。每个手指所设计的自由度为3，整体的设计尺寸按照成年男性人手的近似平均尺寸设计，使用三维软件Pro/E建立模型，其整体设计如图1所示。

图1 机械手整体结构

整体的结构设计，使用增材技术[4]（3D打印）进行加工，因为机械手的大部分零件非标准件且形状不规则，故只有3D打印加工可以对机械手进行加工和制造。另一方面，材料选择PLA材料[5]进行打印，因为该材料的应用较广，并且价格便宜。而连接的部分可使用相应尺寸的螺栓组装。

1.2 机械手正运动学分析

对设计的机械手进行运动学分析是基础[6]。本文主要分析各个手指的关节角度和最后运动坐标的关系。首先对手指建立坐标系，再根据坐标的关系来进行正运动学的分析[7-8]。机械手的正运动学是根据角度的变换来得出末端手指的运动状态。因此，本文以一个手指为例进行分析。手指的坐标系如图2所示。

图2 手指D-H坐标图

正运动学的求解是根据手指各个关节的角度θ1，θ2和θ3求解手指末端的位置坐标和姿态。机械手的相关参数如表1所示，ai为手指关节i的扭转角度；li为手指关节的长度；ai为在关节轴i上的连杆偏距；θi为与连杆i的角度，其中，i=1，2，3。

表1 手指连杆参数

运用D-H参数法得出D-H变换矩阵为：

将建立的矩阵进行D-H变换得出相对于基坐标变换 的矩阵为：

其中，对于矩阵中的c代表cos，s代表sin，并且，由公式（6）可以得出最后的手指运动的坐标为：

由公式即可计算出手指运动的最后的坐标和姿态。

1.3 机械手逆运动学

机械手的逆运动学[9]是根据已知的手指最后坐标来计算出机械手各个关节的运动角度，本质上是正运动学求解的逆过程。根据上述所建立的坐标进行分析，公式为：

公式中的T为变换的矩阵，为手指尖相连接的杆相对于X轴正方向的方位角度，根据矩阵可以得出：

通过计算可得出正弦和余弦的关系：

最后得出的角度为：

2 气动回路设计

2.1 气动人工肌肉的选择

本文使用Fluidic Muscle。通过测试选取的压力范围在0-0.6Mpa，长度为150mm，直径为5mm。在Festo公司官网所提供的产品可知，肌腱分为两个连接方式，其中一个是带压配接口（DMPS），另一个是带螺纹接口（MAS）。对于仿人机械手所需要的是压配式接口。该人工肌腱的结构图可见图3所示，其中，1代表螺母材料是镀锌钢，2代表是法兰材料是透明阳极氧化精制铝合金，3代表是套管材料是透明阳极氧化精制铝合金。4代表膜片。

图3 人工肌腱结构图

本文选取VPPE型号的调压阀。它的价格较为便宜，并且它有一个屏幕可以看见气压参数。调压阀所选择的三位比例阀，气压范围在0-10Mpa，这和气动人工肌腱的压力控制范围相似。并且输入的压力范围在6-11Mpa，标准额定流量在1250l/min，此外，设定点输入为模拟量电压信号的范围在0-10V。

2.2 气动回路设计

根据机械手的结构可知，每个手指需要一个气动人工肌腱来控制，而且每个肌腱的控制压力需要气动调压阀来进行控制，并且每个肌腱配置一个气压阀。因此，本论文采用气动调压阀、气动肌腱和气泵来进行设计气动回路，气动回路图如图4所示。

图4 气动回路原理图

气动回路的工作原理是需要通过气泵将气体运输到气动比例阀中，对其进行气压的控制，达到运动所需要的气压即可。然后通过电气比例阀将气压运输到气动人工肌腱来进行肌腱的压缩。其中，弹簧的作用是和气动肌腱的运动达到平衡。当肌腱运动后，尼龙线会让机械手的关节进行运动，从而达到运动目的。

3 机械手控制原理

控制的主要思想是将数字信号和模拟信号进行转换。为了将控制的信号输入到调压阀中，需要对控制的数据进行A/D转换，对于嵌入式板有8个输入和输出物理通道，因此将所需要控制机械手角度的数据输入到嵌入式板中，然后将信号转换为电压信号来控制气动调压阀的输出压力，从而控制气动人工肌肉的伸缩程度，从而达到运动的目的。

A/D转换就是要将模拟量V（如V=5V）转换成数字量D（如D=255）。模/数（A/D）转换的形式较多，如计数比较型、逐次逼近型、双积分型等等。在集成电路器件中普遍采用逐次逼近型。在启动信号控制下，首先置数选择逻辑电路，给逐次逼近寄存器最高位置“1”，经D/A转换成模拟量后与输入模拟量进行比较，电压比较器给出比较结果。如果输入量大于或等于经D/A变换后输出的量，则比较器为1，否则为0，置数选择逻辑电路根据比较器输出的结果，修改逐次逼近寄存器中的内容，使其经D/A变换后的模拟量逐次逼近输入模拟量。这样经过若干次修改后的数字量，便是A/D转换结果的量。

4 结论

仿生机器人一直具有较大的研究意义，不论从改善现有机器的结构功能或提高生产力等方面。本文所设计的基于气动人工肌肉的仿生机械手，在设计过程中从零件绘制，使机械手在结构上尽可能的接近人手；到控制原理推敲，使控制过程能够平稳可靠；再到数据采集，尽可能精确的进行采集和数据处理，以保证控制的准确性，同时保证了具有较好的灵活性和柔顺性。采用可控的气动人工肌肉进行驱动，该设计可避免复杂的电气驱动。对于机械手的设计和制造，使用STL材料和3D打印技术有利于减轻机械手的重量和成本。结构方面使用拉伸方式来进行驱动，减少运动的复杂性，并且避免了大量的摩擦力和非线性特性。