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(shí)，手指運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)。另一個(gè)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(gè)電動(dòng)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(gè)手指的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)則只有采用相應(yīng)的曲臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)。

　　人工手擁有9個(gè)或更多的自由度，這需要人工手具有很復(fù)雜性的運(yùn)動(dòng)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(gè))，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(gè)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(gè)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　大姆指可以在兩個(gè)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(gè)位置上運(yùn)行。當(dāng)姆指處于中間位置時(shí)，三指平行抓具和三指定心抓具可以運(yùn)行。在做抓持動(dòng)作過程中，姆指是固定的，不向抓持的目標(biāo)物運(yùn)動(dòng)�；�本方案規(guī)定，“姆指調(diào)整”和“手指轉(zhuǎn)動(dòng)”的功能分別通過手指抓持運(yùn)動(dòng)之一進(jìn)行耦合。
 　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 人工手運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(gè)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(dòng)機(jī)構(gòu)僅配有兩臺(tái)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置。通過變速器實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，變速器可以使每個(gè)指頭有兩種動(dòng)作：一個(gè)是手指在抓持力的方向上打開和關(guān)閉，另一個(gè)是手指圍繞其垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)。IPA人工手的重要部分是變速器，是它把手指和驅(qū)動(dòng)裝置耦合起來。手指運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的各個(gè)零部件見圖3。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將手指和電動(dòng)機(jī)聯(lián)接起來
　　兩個(gè)手指當(dāng)中的每個(gè)指頭都過錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與電動(dòng)機(jī)相連。錐形齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)使每個(gè)手指均可圍繞自己的垂直軸任意進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，并由此進(jìn)行閉合運(yùn)動(dòng)。因此，每個(gè)指頭的安裝都是可以圍繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的。手指的閉合運(yùn)動(dòng)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(dòng)。打開時(shí)做反時(shí)針方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，閉合時(shí)做順時(shí)針方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　上述的手指軸承安裝可導(dǎo)致抓持物體時(shí)將抓持力轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。為了避免這一點(diǎn)，每個(gè)手指在抓持運(yùn)動(dòng)時(shí)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(dòng)的兩個(gè)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(dòng)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(dòng)，則大姆指移動(dòng)到其相應(yīng)的另一個(gè)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(gè)自適應(yīng)手指的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。自適應(yīng)手指的運(yùn)動(dòng)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(gè)關(guān)節(jié)內(nèi)裝有轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧，彈簧負(fù)責(zé)指頭的回位。

　　根據(jù)傳力運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置，指頭向需要抓持的物體貼近，因而對一個(gè)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(dòng)機(jī)構(gòu)的參數(shù)有關(guān)節(jié)的數(shù)目、運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)對一個(gè)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(tái)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(dòng)器和各種外圍設(shè)備。這塊板子的標(biāo)志為Devi-Lan，裝有一個(gè)以太網(wǎng)存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器可以經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。所用的驅(qū)動(dòng)裝置是無刷直流驅(qū)動(dòng)裝置，它們可以通運(yùn)動(dòng)作控制器進(jìn)行操作。若干終端開關(guān)以及一臺(tái)用于手指圍繞垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的位置傳感器采集人工手運(yùn)動(dòng)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(gè)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(dòng)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(gè)指令。而且打開時(shí)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(gè)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(tái)僅采用2個(gè)電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)而具有4個(gè)自由度的靈活的三指人工手。利用這種運(yùn)動(dòng)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(dòng)配貨。
● 用于服務(wù)機(jī)器人，比如用于移動(dòng)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)。