靈活的三指機(jī)械手

　　對幾何形狀變化不定的物體，也就是說對形狀和尺寸各不相同的物體的抓取，技術(shù)研究的重點(diǎn)放在一種靈活的低成本抓具(即IPA抓手)的研發(fā)上。

　　在許多技術(shù)領(lǐng)域，工業(yè)抓具大多結(jié)合操作任務(wù)來設(shè)計(jì)。除了大部分做成兩爪式或三爪式的機(jī)械抓具之外，也經(jīng)常采用真空抓具。人工手原則上有兩種基本的結(jié)構(gòu)方式,即一體化的結(jié)構(gòu)和模塊化的結(jié)構(gòu)。

　　采用模塊化結(jié)構(gòu)時，手指運(yùn)動所需要的所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)都安裝在手掌和指頭上。這樣，手可以適應(yīng)任意的操縱機(jī)構(gòu)或搬運(yùn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)。另一個特點(diǎn)是，由于部件的結(jié)構(gòu)尺寸大，因而這種人工手大部分都明顯大于人手。
 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 僅用兩個電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)即可對變化中的物體幾何形狀做出反應(yīng)

　　內(nèi)置式結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是集中安裝在一個手指的運(yùn)動部件里，也就是說安裝在手掌外殼之外。力的傳導(dǎo)大多采用牽引繩索或聯(lián)動杠桿。這種手在尺寸和形狀上往往與人手近似。不過，手的運(yùn)動則只有采用相應(yīng)的曲臂運(yùn)動機(jī)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)。

　　人工手擁有9個或更多的自由度，這需要人工手具有很復(fù)雜性的運(yùn)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)和很高的控制技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)抓手由于自由度數(shù)目小(大多數(shù)只有1個)，因而對于物體變化不定的幾體形狀來說，其靈活性顯得不足。人工手由于自由度數(shù)目大(9～22個之間)而顯得非常復(fù)雜，因而造成零部件數(shù)目多。由此得出的結(jié)論是，根據(jù)目前的技術(shù)水平，使用這種人工手往往不夠經(jīng)濟(jì)合算。

　　IPA人工手的大體方案是由三指平行抓具、三指定中心抓具以及二指抓具的組合構(gòu)成的。這三種基本的抓持分別用在商業(yè)和工業(yè)用途上。另外，從經(jīng)濟(jì)效益上考慮，這種抓具僅裝配兩個電動驅(qū)動裝置。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　大姆指可以在兩個位置上運(yùn)行。在圖1中描繪的位置上，大姆指正對面是手指1。二指抓具從這個位置上運(yùn)行。當(dāng)姆指處于中間位置時，三指平行抓具和三指定心抓具可以運(yùn)行。在做抓持動作過程中，姆指是固定的，不向抓持的目標(biāo)物運(yùn)動。基本方案規(guī)定，“姆指調(diào)整”和“手指轉(zhuǎn)動”的功能分別通過手指抓持運(yùn)動之一進(jìn)行耦合。
 　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 人工手運(yùn)動機(jī)構(gòu)的配置情況：三種基本抓持：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　 a) 二指抓持, b) 三指平行抓持；c) 三指定中心抓持

　　IPA手的運(yùn)動機(jī)構(gòu)可以將二指抓具、三指平行抓具和三指定心抓具等三個基本抓具的手指進(jìn)行配置(圖2)。為了滿足經(jīng)濟(jì)上合算以及減少技術(shù)復(fù)雜性，手的運(yùn)動機(jī)構(gòu)僅配有兩臺電動驅(qū)動裝置。通過變速器實(shí)現(xiàn)傳動，變速器可以使每個指頭有兩種動作：一個是手指在抓持力的方向上打開和關(guān)閉，另一個是手指圍繞其垂直軸轉(zhuǎn)動。IPA人工手的重要部分是變速器，是它把手指和驅(qū)動裝置耦合起來。手指運(yùn)動機(jī)構(gòu)的各個零部件見圖3。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

錐齒輪傳動機(jī)構(gòu)將手指和電動機(jī)聯(lián)接起來
　　兩個手指當(dāng)中的每個指頭都過錐齒輪傳動機(jī)構(gòu)與電動機(jī)相連。錐形齒輪傳動機(jī)構(gòu)使每個手指均可圍繞自己的垂直軸任意進(jìn)行轉(zhuǎn)動，并由此進(jìn)行閉合運(yùn)動。因此，每個指頭的安裝都是可以圍繞垂直軸轉(zhuǎn)動的。手指的閉合運(yùn)動通過軸座上的擋塊受到限制。舉例來說，假如手指1碰到了其限位裝置，則圍繞其垂直軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。打開時做反時針方向的轉(zhuǎn)動，閉合時做順時針方向的轉(zhuǎn)動。

　　上述的手指軸承安裝可導(dǎo)致抓持物體時將抓持力轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。為了避免這一點(diǎn)，每個手指在抓持運(yùn)動時必須加以鎖定。在實(shí)際的總體系統(tǒng)方案中，這一點(diǎn)是通過離合器實(shí)現(xiàn)的，離合器是經(jīng)過偏心輪進(jìn)行控制的。偏心輪位于手指根部。它們在抓持運(yùn)動的兩個終端位置上操作離合器。

　　手指1的離合器可導(dǎo)致上述的鎖定。手指2的離合器負(fù)責(zé)與大姆指隨動裝置的結(jié)合。該離合器一旦被操作，也就是說手指2位于后面的終端位置上，并通過手指1導(dǎo)致手指的轉(zhuǎn)動，則大姆指移動到其相應(yīng)的另一個位置上。為了繼續(xù)提高手的靈活性，而且不必繼續(xù)添加執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以采用一個自適應(yīng)手指的運(yùn)動機(jī)構(gòu)。自適應(yīng)手指的運(yùn)動機(jī)構(gòu)由若干關(guān)節(jié)組成，這些關(guān)節(jié)被安排成三角形，并且各有一根橫撐。各個關(guān)節(jié)內(nèi)裝有轉(zhuǎn)動彈簧，彈簧負(fù)責(zé)指頭的回位。

　　根據(jù)傳力運(yùn)動機(jī)構(gòu)的位置，指頭向需要抓持的物體貼近，因而對一個固定的指頭也產(chǎn)生更大數(shù)目的接觸點(diǎn)。觸點(diǎn)的增加又導(dǎo)致指頭與物體之間的摩擦貼合，因而導(dǎo)致抓持得更加牢靠。自適應(yīng)手指運(yùn)動機(jī)構(gòu)的參數(shù)有關(guān)節(jié)的數(shù)目、運(yùn)動機(jī)構(gòu)的長度以及與指頭根部的距離。通過適當(dāng)選擇參數(shù)，可使運(yùn)動機(jī)構(gòu)對一個級別的物體達(dá)到優(yōu)化。

　　控制裝置的基礎(chǔ)是單片PC，一臺80X86兼容計(jì)算機(jī)。芯片一體化安裝在一塊板子上，板上裝有驅(qū)動器和各種外圍設(shè)備。這塊板子的標(biāo)志為Devi-Lan，裝有一個以太網(wǎng)存儲器，該存儲器可以經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。所用的驅(qū)動裝置是無刷直流驅(qū)動裝置，它們可以通運(yùn)動作控制器進(jìn)行操作。若干終端開關(guān)以及一臺用于手指圍繞垂直軸轉(zhuǎn)動的位置傳感器采集人工手運(yùn)動機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)狀態(tài)。

指頭的配置可以簡單進(jìn)行控制
　　控制裝置的編程非常巧妙，它可以使用三種手指配置僅在幾個指令的控制下從三指平行抓具的基本位置進(jìn)入到別的抓持動作。這樣就可以使用簡單的指令對三種基本的抓持方式進(jìn)行控制。而且，抓具的打開和閉合只需要一個指令。而且打開時還可以設(shè)想采用兩種方式。

　　有一種可能性是力控操作。為此必須將力傳感器至少內(nèi)裝于一個指頭內(nèi)。假如采用敏感的傳感器外殼，這種傳感器不僅可以提供力的數(shù)量大小，而且還可以提供位置的分辨，那么就可以進(jìn)行極為靈敏的抓持。假如把力傳感器內(nèi)裝于手指根部，則最終測量到的是轉(zhuǎn)矩。如果不知道力的切入點(diǎn)，就不可能對作用于抓持目標(biāo)物的力得出結(jié)論。

　　另一種可能性是位置控制操作。這種工作方式在實(shí)際的總體系統(tǒng)方案中已經(jīng)得到應(yīng)用。不過，使用這種方式需要知道物體的幾何形狀。這些數(shù)據(jù)可以利用圖像處理系統(tǒng)求出。

　　研制工作的目的是，開發(fā)一種靈敏的低成本抓具。結(jié)果是研制出了一臺僅采用2個電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)而具有4個自由度的靈活的三指人工手。利用這種運(yùn)動機(jī)構(gòu)，可以對變化中的物體幾何形狀做出反應(yīng)。結(jié)合使用分散的控制單元，可以順利而簡單地內(nèi)裝到機(jī)器人系統(tǒng)中。

　　用IPA人工手所做的試驗(yàn)證明，采用這種方案可以抓持幾何形狀變化不定的物體。演示機(jī)的可靠性可與工業(yè)抓具不相上下。研制的新產(chǎn)品仍具有必要的潛力，可以用于下列用途并可帶來經(jīng)濟(jì)效益：

● 用于搬運(yùn)技術(shù)，特別是在各行各業(yè)的加工設(shè)備上輸送和抓取零部件。
● 用于商業(yè)中的自動配貨。
● 用于服務(wù)機(jī)器人，比如用于移動式家用機(jī)器人取送東西的服務(wù)。
● 在工業(yè)環(huán)境中用作輔助系統(tǒng)(工人的第三只手)。