集成联动驱动仿人机器人手

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原文–https://doi.org/10.1038/s41467-021-27261-0
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摘要

机器人手执行一些类似人类手的重要功能,因此在执行任务方面具有高度的灵活性。然而,在维持重要功能例如人类级别的灵活性和抓握力的同时,开发没有额外驱动部件的集成式手是具有挑战性的。驱动部件使将这些手集成到现有的机械臂中变得困难,从而限制了它们的适用性。基于联动驱动机制,开发了一种称为ILDA hand的集成式联动驱动仿人机器人手,该手集成了所有所需的驱动和传感组件,并具有高度的灵活性。它的特点如下:具有15个自由度(20个关节),指尖力为34N,紧凑型设计(最大长度:218毫米)没有额外的部件,重量仅为1.1千克,并具有触觉传感能力。使用商业机械臂安装的机器人手执行涉及日常生活中使用的工具的实际操作任务。

概述

在机器人领域中,解释人类手的极其复杂的职能仍然是一个未解的挑战。特别的是,人类手的动作涉及到相当高的灵活度水平,这对于从微小物体抓握到工具操作的各种各样要求高抓握力的任务是非常合适的。在人体206块骨头中,有54块骨头在手上,占到了总骨头数的四分之一;驱动它们的肌肉结构也是非常复杂的。此外,能够感知触觉的触觉小体大多分布在手上,这有助于执行微妙的任务。特别的是,因为大多数触觉小体在指尖上大约是以1mm为间隔分布的,所以指尖很容易执行微妙的任务。

为了使用机器人实现这些功能,已经开发了许多灵巧的仿人机器人手。为了执行高效的抓握动作,已经开发了许多有效的机器人手,它们具有适应性的抓握或低自由度(DOF)的形式;然而,我们的分析主要集中在具有高灵活性的多DOF的手上。因此,灵巧机器人手的核心代表机制可以分类为(1)电动机直接驱动,(2)肌腱驱动和(3)联动驱动机制。

基于电动机直接驱动机制所开发的机器人手是直观地将电动机定位在关节上,以直接驱动关节或使用齿轮或同步皮带。这种结构可能具有很高的关节驱动效率,并且很容易将关节安排在所需的位置。特别是,约翰霍普金斯APL开发的MPL v2.0具有22个自由度的主动性和紧凑的设计,集成了驱动器和电子设备。这只手能够实现人类级别的自然运动和触觉反馈。然而,机器人手的大小和性能高度依赖于电动机,特别是手指部分。使用高端规格的电动机或驱动力量传递部件会导致成本增加。此外,由于电动机的重量,手指的惯性会很高,因此需要复杂的控制机制。此外,手指之间的空间很窄,这使得很难将力量传感器连接到手指上。因此,如果不进行驱动器技术的创新,就很难实现紧凑和高性能。

基于肌腱驱动机制所开发的机器人手与人类驱动机制最为相似。一般来说,它们的驱动器位于前臂上,通过肌腱连接到关节以传输驱动力。美国宇航局开发的Robonaut手、DLR开发的David手和Shadow Robot Company开发的Shadow灵巧手可以被认为是具有这种机制的代表性手。根据肌腱的连接配置,这种机制可以实现与人类手几乎相似的运动并产生高指尖力。对于开发单一人形机器人来说,这是一个非常合适的方法。然而,将这些机器人手与许多现有的商业机器人臂或正在开发中的机器人臂结合是非常困难的,因为驱动机器人和电子部件是以相当大的前臂的形式附加上的。对于几个肌腱连接的独立驱动关节,肌腱需要一种穿过关节旋转轴的结构或特殊的肌腱连接结构。这导致组装和维护的复杂性,从而导致成本增加,而且即使一个肌腱断裂或松开,也很难修复它。此外,如果两个肌腱连接到一个人关节用于像人类关节驱动那样的对抗机制,应该对肌腱施加预应变,这会导致由于摩擦增加而导致驱动效率下降。此外,当只有一个肌腱连接到一个人关节时,会安装一个回力弹簧来向相反方向移动。在这种机制中,弹簧侧的力量控制变得困难。

联动驱动机制在日常生活中经常使用。基于这种机制开发的机器人手通过将几个连杆从执行器传输力量并组合在一起的结构,促进关节在所需方向上运动。Schunk开发的Schunk SVH 5-finger hand可以被认为是这种机制的典型例子。它包括一个简单杆和圆柱连杆的组合,具有诸如关节双向控制、健壮性以及易于制造和维护等优点。然而,使用这种机制实现多自由度的运动并保持大的工作空间是困难的,特别是在一个串联机械臂中,如手指所使用的机械臂。肌腱是细而柔韧的,因此可以通过旋转轴独立驱动每个关节,但连杆相对较厚且坚硬,使得这种配置难以实现。因此,这种配置经常应用在并联机构如Stewart平台或delta机器人中,以及自由度较低的机构中。

基于上述分析,我们得出以下结论:机器人手具有以下优势特征非常重要:灵巧性、指尖力、可控性、稳健性、低成本、低维护和紧凑性。这些特征的定义在补充文本1中给出。此外,有必要开发一种机器人手,其中所有部件都嵌入到手本身中,并包括上述所有功能。

在本次研究中,开发了一种集成联动驱动仿人机器人手(ILDA)。为了包含上述特征,为机器人手开发了一种手指机制。该机制通过融合并联和串联机构,以在掌指关节(MCP)实现2-DOF运动,在近端指间关节(PIP)实现1-DOF运动,通过连杆组合来实现。在设计中,考虑选择能够起到每个关节作用的小部件、部件放置和配置以实现所需的DOF运动和驱动角度,以及高效的动力传输结构以获得高指尖力和其反向驱动力。此外,通过将六轴力/扭矩(F/T)传感器连接到指尖来确保手的力感知能力。
设计了具有15个自由度和20个关节的五指机器人手。为实际使用,解决了电路板布局和布线问题以确保电子设备的紧凑性。所有电机都集成在具有五个指尖传感器的手掌中(图1a,b)。因此,它可以很容易地与具有简单连接配置的通用机器人臂一起使用(图1c)。
为评估所开发手的功能,通过几个实验对其性能进行了分析。进行实验以确定能否抓取各种形状的物体、为压碎罐头提供强有力的抓握力以及确保握持鸡蛋时的精细程度。最后,通过测试剪刀切割纸和用镊子捡起小物体来复制日常生活中进行的工具操作,从而验证了手的高利用率(图1d)。
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图1 ILDA的概述。a由具有指尖传感器的五个机器人手指、手掌侧集成的执行器、控制器和附件组成的ILDA手的配置。b ILDA手带盖子。c ILDA手容易连接到开发的机器人手臂上。d使用ILDA手执行的操作,例如抓握和操作日常生活工具,显示精细和强有力的抓握

结论

联动驱动机构的设计。联动驱动机构具有固有的优势,如坚固、易于制造和维护;然而,它们也有缺点,例如在狭小的工作空间中执行多自由度运动时难以保持足够的工作空间。
因此,重要的是实现一种联动驱动的机器人手指机构,其具有类似于人类手指的3-DOF运动,同时具有狭小的手指工作空间以确保机器人手的灵巧性。为了克服上述缺点并包括优势特征,根据图2所示的示意图设计了机器人手指机构。
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图2 机器人手指的提出机制的运动学结构。a机器人手中解释的机制。b手指的运动学结构。c由三种线性运动产生的手指的3-DOF运动。d可以不受MCP关节运动影响的PIP关节的屈曲和伸展。e MCP关节的屈曲和伸展。f MCP关节的外展和内收。

机器人手指手指的运动学设计(图2a)如图2b所示。为简化结构,三个串联链被放置在同一基座表面上。前面的两个PSS(平面球面球面)链构成一个2-DOF并联机构,具有一个通用接头,产生一个虚拟三角形结构。三角形的顶点被固定到执行2-DOF MCP运动的通用接头。为了实现PIP关节的一个自由度的运动,PIP关节必须独立于MCP关节进行驱动。大多数联动驱动的机器人手指只实现了两个关节从属的1-或2-DOF运动。因此,到目前为止,尚未研究过具有3-DOF的联动驱动机器人手指,如图补充表138-43所示。

棱柱-球-万向(PSU)链穿过三角形的内部。链末端的V形摇臂部分作为旋转关节与三角形的一侧相连。在这里,摇臂部分使得驱动力的传输高效。关于摇臂设计的详细信息见补充文本344-46。将一个交叉四杆机构串联连接到摇臂部分,以实现1-DOF PIP运动。构建额外的四杆机构对PIP和DIP关节的运动进行耦合。因此,整个机构由并联机构产生的2-DOF MCP运动和串联机构产生的单个-DOF PIP组成。通过三个棱柱关节的线性位移(d1、d2和d3),可以形成手指3-DOF运动的组合,如图2c所示。为方便理解每个自由度手指的运动,对每个关节的独立运动进行了分析(图2d-f)。在发生线性运动(d3)期间,PSU链向下移动,固定在三角形一侧的钟形曲柄旋转并使四杆机构移动,从而实现PIP关节的独立屈曲和伸展(图2d)。对于MCP关节的屈曲和伸展,两个线性运动(d1、d2)同时以相同方向发生相同运动而形成(图2e)。此时,MCP的移动不会影响与d3相连的PIP关节的运动。当d1和d2朝相反方向移动时,手指表现出MCP关节的外展和内收运动(图2f)。

最终,通过旋转电机和滚珠丝杠的组合产生三个线性位移,并且三个电机可以同时产生3-DOF运动并产生高输出力。

联动驱动机构的运动学分析。为了理论上分析所提出的机构,我们将该机构分为四种运动学模型(图3),即MCP关节的两个PSS链(图3a)、PIP关节的一个PSSU链(图3b)、PIP关节的一个四杆机构(图3c)和DIP关节的一个四杆机构(图3d)。基于这些模型,分析了该机构的逆运动学,这对于验证该机构及其运动控制非常重要。

MCP关节进行逆运动学分析时使用的参数如图3a所示。全局坐标系O-xyz固定在固定框架上。局部坐标系P-uvw固定在三角形的移动框架上。在MCP关节处,有两个与手指屈曲/伸展和外展/内收运动相关的旋转(d1、d2)。这里,移动框架的旋转矩阵可以写成
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其中Sqi和Cqi分别是qi的正弦和余弦函数。在图3a中,Ai表示第i个棱柱关节的中心与xy平面之间的交点,Bi表示移动框架上第i个球形关节的中心。di是第i个棱柱关节的位移输入。根据式S2,可以推导出d1和d2。

在这里插入图片描述

其中di是使用电机和滚珠丝杠的角位移θim计算的。θim=2πdi,其中p是滚珠丝杠的螺距。
与PIP和DIP关节运动相关的机构由一个PSU链和两个交叉的四杆机构组成(图3)。式S6可以按d3的降序整理,因此结果如下所示:
在这里插入图片描述
由于存在额外的四杆机构,DIP和PIP关节表现出从属运动,其关系在补充文本S2中进行了说明。因此,三个关节角度和三个线性位移之间的逆运动学关系可以表示为封闭形式方程。

为了检查所设计的机器人手指的工作空间,对机器人手指的可到达工作空间进行了分析,结果如图3e-g所示。图3e显示了由手指末端可到达的点组成的可到达工作空间的3D视图,其中dr为手指末端与固定MCP关节之间的距离,该距离被视为起点。最远的点以红色表示。在这种情况下,手指的PIP和DIP此时都被拉伸至最大。由于机器人手指的三个指节的长度易于调节,因此从设计的角度来看,分析了在相同条件下的类人手指三个指节的长度,以便进行对比。图3f显示了机器人手指和类人手指工作空间的侧视图。其中,T1-T5、Ta和Tab表示手指的轨迹。从T1到T2的轨迹显示MCP关节从全伸(0°)到全屈(90°)的运动,同时PIP和DIP处于拉伸姿势。从T2到T4的轨迹是在MCP关节处于全屈状态、同时移动PIP和DIP时生成的,T3表示该轨迹在z轴上的最低点。当MCP关节处于全伸状态、同时保持PIP和DIP处于全屈状态时达到T5点。类人手指的轨迹用虚线表示。图3f显示出与两个手指类似的工作空间。当MCP关节处于全伸状态时,外展/内收运动最大(30°),当MCP关节处于全屈状态时,外展/内收运动最小(0°)。因此,如图3g所示,在MCP关节下面的工作空间体积相对较小,并且其右下角的部分变得尖锐,如图3e、g所示。

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图3 手指的提出机制的运动学分析。a两条PSS链用于MCP关节的2-DOF运动。b PSU链用于PIP关节的1-DOF运动。c与PSS链结合的交叉四杆机构驱动PIP关节。d通过将另一交叉四杆机构连接到PIP关节来实现DIP关节的从属运动。e-g手指和人类手指的可到达工作空间。

机器人手指底部的工作空间形状与人类手指相似。原因是当MCP关节处于完全屈曲状态时,外展/内收运动受到限制,因为近端指骨与两个球形螺钉的顶部相接触,如图2e所示。Ta和Tab是人体和机器人手指每个关节完全伸展时最大外展/内收运动的位置。机器人手能够进行35°运动以执行外展/内收。因此,机器人手指和人类手指的工作空间形状非常相似,每个工作空间的体积分别为188,740和119,800mm³。机器人手指和人类手指的详细比较见补充表2。

ILDA手的结构。为实现提出的联动驱动机制,主要考虑以下因素:(1)选择和配置适当大小的零部件以实现期望的DOF运动:为了在手指形状的狭小空间中实现上述运动学模型的功能,应该从设计角度适当安排模型的配置。因此,从设计角度选择适当大小的零部件是重要的。(2)高效的传动结构以最小化组装部件之间的摩擦。为实现指尖的高作用力,需要减小动力传输部分摩擦力的紧凑型结构。(3)易于制造和组装。为了提高所开发的机器人手的市场渗透率,从成本和维护方面对其进行评估也很重要。因此,设计简单而稳健的机器人手结构是重要的。

图4a示出了拟人机器人手指的设计结构。机器人手的三指节、指尖和手掌与人类手的结构相似。该手包括指尖部分和指尖传感器。手掌侧有3个电机、3个联轴器、3个球形螺钉用于产生线性运动、3个LM导轨和1个手指框架。近端指骨由MCP关节的角位移驱动,中节指骨和指尖由PIP关节的角位移驱动。图4b显示了手指手掌侧的爆炸视图。获得高驱动效率的同时,尽量减小组装部件之间的摩擦是很重要的。

图4c展示了动力传输部分上部分的爆炸视图。杆端是本机构实施中重要的关节。首先,可以在不使用杆端盖的情况下,使其在轴向方向上连续旋转。在MCP关节的全范围(0-90°)屈曲和伸展过程中,杆端起着球关节的作用,并不限制其运动。一般来说,球轴承由于座套和球的接触,允许有限的范围。另外,在MCP关节的全范围外展和内收(±35°)过程中,杆端起着球关节的作用,并不会阻碍运动。因此,手指的3-DOF运动是可接受的,并且不妨碍实现期望的驱动角度。其次,如果仪器输出力量较大,使用高强度且不会损坏的零件就非常重要。因为连杆驱动机构可以配置为简单的金属轴或杆,因此很容易开发出高刚度和稳固的设计。同时,多自由度关节很容易强度较低。为了经受健身器材的高负载,器材中使用杆端作为关节。由于球轴承的本质是通过分配负载来承受高负载的同时也能够实现运动。因此,使用杆端能够实现高强度。

为了实现一个具有五个手指和指尖传感器以及15个电机的机器人手,所有手指都设计为相同结构(图4d)。仅拇指和小指的长度有所不同。这种配置在手指的模块化方面是有意义的,可以实现成本降低和提高利用率。

对于机器人手实用化来说,接线和电路板配置极其重要。虽然开发出高效的机器人手,但如果电子元件没有正确配置,使用起来会非常不便。此外,对于机器人手来说,几个电机和传感器的接线要尽可能紧凑。如图4d所示,三个接线板、一个电机驱动板和一个主微控制器单元(MCU)板构成了机器人手的电子部分。

图5a、b分别展示了所开发的ILDA手的前视图和后视图。所有动力传输部件和电机都集成在手背侧。配置的手指部分每个指尖都安装了5个F/T传感器,并且完成了传感器布线以便手指运动时不互相干扰。最后,研制出了长度最大为218mm、重量为1.1kg的一体化机器人手。表1总结了所开发手的规格。关于手的具体尺寸详细信息见补充图3。关于实际部件和组装过程简单性的信息在方法部分进行了解释。

性能评估。为了验证ILDA手性能,我们评估了(1)工作空间内的灵巧性、(2)指尖力和(3)触觉传感能力。
图5c-e显示了五指在手上的动作。自然的手部动作见补充视频1。手指的工作范围如图5f-i所示。MCP关节可以从0°驱动到90°,PIP关节也可以从0°操作到90°;此外,PIP关节可以独立于MCP关节进行操作。手指的外展和内收被证实可以达到±35°。手指的动作见补充视频1。此外,通过高效驱动部件设计实现了反向驱动能力。MCP关节中可反向驱动动作的扭矩为25.9mNm,PIP关节中该扭矩为6.3mNm。

为了评估指尖力和触觉传感能力,将ILDA手固定在墙上,并将手指施加到位于商用参考传感器(Nano25,ATI工业自动化公司)上方半球形部件上(图6a)。通过指尖传感器确定接触点处的接触力大小,并将相同的力量施加到指尖和参考传感器上。指尖传感器的性能见之前的研究报道50。手指施加的力按步骤依次增加,每隔2s将25mA电流增加一次。通过指尖和参考传感器测量得到的每个力的大小计算为Fmag=(Fx2+Fy2+Fz2)q,以便比较两个值(图6b)。手指伸展时测得的最大力量为28N,弯曲时为34N。手指施加的静态力量的精度得以验证,平均误差为0.9N。在5s周期内以振幅21N施加的每个动态力量都由传感器记录,如图6c所示。其响应大体上吻合良好,平均误差为0.53N。指尖力和传感能力表现表明机器人手在执行精细任务时具有实现力控制的巨大潜力。

所开发的机器人手被用于压碎铝罐。补充视频2和图6d展示了使用机器人手通过动力抓握进行铝罐压碎的过程。此时,测得每个手指的最大力量为25N。如图6e所示,鸡蛋可被机器人手安全地抓握。最后,使用耶鲁-卡内基梅隆-伯克利(YCB)物体进行了涉及各种形状物体抓握的实验,详情见补充图6和视频3。进行了数个实验以验证所开发机器人手的可靠性和稳健性,例如长时间操作测试、长时间抓握能力评估测试、重复性测试、高负载测试以及加热/电流测试,如图7所示。这对于机器人的实际使用来说是至关重要的。实验结果的详细分析见补充文本5。

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图4 基于所提机构设计的机器人手指的结构。a机器人手指的构型。b手指手掌侧的爆炸视图。c手掌侧上部的爆炸视图。dILDA手的配置。该手包括五个手指、三个连接板、一个电机驱动板和一个主微控制器单元板。

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图5 ILDA手的制作。 a正视图;b反视图;c-i ILDA手的运动测试情况;c拳手的拳头;d-e 五根手指的动作情况;f-i手指最大3自由度的动作情况。
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ILDA手操作实验。为了确认使用该手部进行工具操作的可能性,将该手部固定到商用机器人操作器上进行了实验。进行了纸切割实验,如日常生活中剪裁等需要高灵巧性的任务(图8a)。此外,用镊子移动小物体以验证手部的触觉传感性能,同时手部精细地抓握工具(图8b)。

在用剪刀进行剪纸实验时,采用了本文“方法”部分介绍的控制策略,以使机器人手在握持剪刀时不发生扭曲。这里所使用的剪刀并非为手部定制的剪刀,而是日常生活中常用的普通剪刀。机器人操作器被定位,以便机器人手握持的剪刀与纸张垂直,同时进行手持操作以提供足够的剪刀运动空间并保持抓握稳定性。通过有机控制,手部成功地实现了剪纸,即操纵器向前移动的同时纸张也随着剪刀一起移动。在手持操作中,利用三种手指有机运动的组合来产生运动,实验过程中的图像见补充视频4。

接下来,进行了用镊子夹持并移动小物体的实验。首先,手部抓握镊子,然后通过手持操作将镊子的位置改变到一个易于夹持的方向以对应小物体(厚度为0.9mm、长为6mm的扁平方块)。这次实验所使用的镊子是家庭和实验室常用的镊子。操纵器移动以使镊子尖端夹住小方块,手部完成抓握动作以使镊子夹住方块的盖并抓起方块。在抓握过程中,通过指尖传感器可以确定在指尖施加的力量。接下来,物体被移动到另一个位置,镊子被松开以完成操作。此时获得的力量数据见补充文本3。该实验见补充视频5。结果表明,这种紧凑型机器人手可以很容易地连接到商用机器人臂上。此外,它具有高灵巧性和力量传感功能,可以完成困难的工具操作。

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图6 手部性能测试。a评估所开发的手指的指尖力、控制能力和力量传感性能的实验装置。b手指施加的力分步增加时的测量力数据。c施加正弦力的测量力数据。d机器人手用强抓握力挤压铝罐。e机器人手用精致的抓握方式拿鸡蛋。

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图7 手部可靠性测试。a机器人手指长时间操作过程中手部接触力和温度的测量值。b手部抓握球体时手部温度和电流的测量值。c、d手指重复全伸展姿势和弯曲姿势时的测量力数据,分别以5s和1s的接触时间进行。e、f手指在5s和1s接触时间上的参考传感器上的接触位置。g、h 用于载荷测试的哑铃夹持和举起。

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图8 将手部固定到机器人臂上的工具操作测试。a手部握住并操作剪刀进行剪纸实验。b机器人抓住镊子并操作镊子尖端以夹住并移动小物体的实验。

讨论

基于联动驱动机制设计了一种灵巧的人形机器人手。所开发的机器人手机制确保保持了联动驱动机制的原有优点,如关节双向控制、稳健性以及易于制造和维护。同时,它确保了具有15个自由度的主动运动,20个关节,手指之间充足的工作空间以及指尖的高力量(34N);并且它的重量更轻(1.1kg),尺寸紧凑(最大长度:218mm),提供了传感器集成空间。由于不需要额外的部件如前臂,所有部件都集成在手中,因此可以轻松将其连接到现有的商用机器人臂或正在开发的机器人臂上。因此,其关键优势在于手部表现出高性能,并且零件配置与手部本身相结合。

现在市面上有许多控制器内置的机器人手,然而这些机器人手大多数自由度很低。不难发现以集成手形式出现的机器人手为实现小驱动数量简单化而被纷纷研制出来。另一方面,为实现高自由度而设计的多数集成机器人手从握力(或指尖力)和负载能力方面讲很薄弱。因此,为了确保高自由度同时拥有较强的握力(和)及负载能力,已经研发了具有类似于前臂形状的驱动部件以肌腱驱动机制为基础的灵巧机器人手。

当ILDA手挤压铝罐和小心翼翼地抓取鸡蛋时,其抓握能力得到了验证。此外,该手可以根据各种物体的形状执行不同类型的抓握动作。剪刀和镊子被用来确定操作日常生活中所用工具的可能性。虽然很难精确量化手部通过剪刀操作工具的有效性,但我们通过手部许多自由度的组合运动和关节双向控制进行了演示。视频中所示,使用剪刀的操作动作与人类非常相似。镊子比剪刀容易操作,因为手的运动稍微简单一些。然而,在夹持小物体、按所需方向转动它们并保持抓握的同时,用手捏住镊子并不容易。在夹持非常小的物体时,通过观察所测得力量的波动情况可以确定物体是否被正确地夹持,这表明该机器人手在未来的应用中具有容易进行力量控制的潜力。

具有高自由度的灵巧人形机器人手的发展仍然是一个悬而未决的问题,需要从科学和工程角度进行多方面的研究。本研究旨在最大限度地提高各种研究领域中机器人手的市场渗透率。为此,我们结合开发机器人手机制的科学问题以及先进工程技术,研制出一种灵巧机器人手。到目前为止,已经研制出了许多灵巧的机器人手,但由于制造过程复杂,维修困难,导致成本较高,其普遍使用仍受到限制。我们期望通过对其功能性和成本的考虑,其应用范围能够扩大到实际的研究领域和工业领域。通过使用所研制的机器人手进行剪纸实验,我们希望能够为机器人家各个领域的发展做出贡献。此外,我们还期望通过镊子夹取芯片的实验为科学研究做出重大贡献。未来,我们将与其他研究人员合作,开拓新的研究领域。

综上所述,所设计的ILDA手可以轻松地连接到机器人手臂上,同时具有各种优势功能,因此可以用于各种领域机器人手部的研究。

方法

ILDA手的制造过程如下:在电机和球螺母之间连接一个用于匹配轴同心度的联轴器(图4b)。固定在手指框架上的法兰轴承防止电机受到轴向力的作用。三个球螺母的每一端都放置在轴承的孔中。一个用于覆盖球螺母螺母的壳体部件被固定到LM导轨的块上。LM导轨的每一根导轨都通过螺栓连接进行固定。壳体部件上部左侧的孔用于将杆端与轴销进行固定。由于球螺母上产生的扭矩会降低球螺母的驱动效率,因此需要布置LM导轨以抵消扭矩。由于LM导轨可以承受扭矩并产生线性运动,因此无需固定球螺母的顶部。这样,MCP关节的运动就能得到进一步保证,部件的装配也变得更容易。由于螺母和块不能从球螺母和导轨上脱落,因此在手指框架上构建了止动器。能够实现三个独立线性运动的功率传输部件被紧凑构建起来。此外,MCP关节部分使用双列轴承进行固定,从而实现外展和内收。杆端通过双面螺栓与壳体进行固定,杆的另一端则被固定到螺栓的另一侧。这些连接形成了PSS链。杆端通过销钉与近端指骨进行固定,而内杆端则通过带万向节的螺栓进行固定,从而形成PSU链。如图4c所示,万向节通过销钉与钟形连杆和上述四杆机构的一侧相连。它由连杆中的旋转关节的销钉组件构成此外,由于结构中存在许多空隙,因此传感器布线比较容易。

以下是对制造手部中关键元件手指的加工过程的描述。手指部件的所有部分在补充图3a中展示。灵巧手手指部分零件较少,易于制造。通过加工一个球形丝杠(SR0401K,KSS),去掉法兰以与壳体连接。壳体通过螺栓与LM导轨(LWL3,IKO)连接。最坚固的手指框架和近端指骨、MCP关节部分和可能损坏的轴均由SUS303钢制成。其余部分主要由铝6061制成。使用一个直径为8mm的小型电机(DCX 8 M,Maxon),搭配一个减速比为16:1的齿轮箱(GPX8,Maxon),以及一个编码器(ENX 8 mag,Maxon)。所使用的电机无负载电流为2.74mA,最大堵转电流为0.13A,额定电压为12V。因此,15个电机的最大堵转电流为1.95A。使用硅胶材料(KE-1300,Shin-Etsu)通过覆盖内部来增加摩擦并创建指尖形状。手指各部分的组装过程在补充图3b中显示。

电子部件的配置:15个电机连接到电机连接板上,该板用五根合并的柔性PCB基板线连接到集成连接板上。集成连接板和电机驱动板通过针脚和插座连接。电机驱动板和主MCU板以同样的方式连接。此外,五个指尖传感器连接到传感器连接板上,并且整体接线连接到主MCU板上。通过底部盖子后部安装的四脚连接器完成配置。该接线板可以同时控制所有电机和指尖传感器的通信,并且为主机器人手提供紧凑且高度完整的接线配置。电子部件手掌下部结构紧凑并且利用四脚连接器完成通信和电源供应。

实验设置:在电机和力传感器之间的通信方面,八块双全桥电机驱动器(A3909,Allegro Microsystems)驱动十五个DC电机,并且八块从MCU芯片(STM32F411,STMicroelectronics)向驱动器发送控制指令并安装于电机驱动板上。主MCU板包括一块主MCU芯片(STM32F407,STMicroelectronics),用于通过SPI总线与从MCU芯片进行通信。指尖传感器通过I2C通信与主MCU进行通信。主MCU设置为与顶层控制器桌面上的CAN总线进行通信。

实验环境包括所开发的ILDA手部、具有控制器以及作为顶层控制器的商业机器人操作器(UR-5,Universal Robots)。操作器的有效载荷为5千克,由控制器进行控制,使用数字输入/输出信号对手部进行同步。为了向手部发送指令并从编码器和传感器收集数据,在桌面上使用Visual Studio 2019进行MFC编程。此外,为了监测手部的运动以及所测量的接触力,使用OpenGL作为跨平台编程接口与MFC编程结合来渲染3D矢量图形。

控制策略:机器人手指具有多个自由度,直观地控制所有关节是困难的。手部协同是指根据抓握类型调整关节角度轨迹。根据抓握类型确定的总体关节运动可以用一些主成分(PC)表示。使用协同矢量的关节角度表示为:q=Sσ,其中q是机器人手的关节角度,S是协同矢量,σ是协同矢量的系数。协同矢量是人类通常执行抓握类型的主成分。在制造业中,Cutkosky提出了通用抓握类型。Feix等人提出了33种可以代表所有人类手部运动的抓握类型。通过手部协同策略用于抓取和操作各种对象。首先,针对给定对象收集协同信息,协同信息包括合适类型的抓握和协同系数,协同系数与对象的大小或运动量成正比。从Feix的抓握分类中选择了14种用于抓取各种对象的本质抓握类型。每种抓握类型的关节角度向量由ILDA手的视觉模拟器预测。通过分析模拟器中不同大小对象和运动关节角度向量的主成分,计算手部协同矢量。然后,利用对象协同信息定义手的每个动作。根据动作命令,利用协同信息计算关节轨迹和所需电机位移。因此,使用位置控制器的电机受到控制,机器人手指运动以抓取物体。为了抓取和操作工具,建立了抓取和操作策略。人类手的动作针对特定操作任务进行分析。

触觉感知能力:机器人手的微妙功能需要具备触觉感知能力。在抓握或操作各种形状的物体和工具时,几种类型的外部力被施加到手指尖上。因此,安装了一个六轴F/T传感器以测量作用在机器人指尖上的各种力。该F/T传感器可以测量三个正交力(fx、fy和fz)和三个正交扭矩(tx、ty和tz),这些可以用来推导出作用在指尖上的位置和三轴接触力。这种用于测量指尖力的微型传感器由Kim开发,详细信息请参考Kim文章。为了向机器人手提供触觉感知能力,指尖被设计成如补充图5所示的结构。刚性内部零件集成在传感器上,以便在没有变形的情况下施加正确的外部力。表面覆盖一层橡胶材料,可以增加抓握物体所需的摩擦力。这是一个合适的机器人指尖传感器,因为它可以测量不同类型的力。连接结构中的传感器布线确保与手部运动无干扰,并且使用了算法来确定接触力参数,包括接触位置和作用在指尖上的三轴力。有关力感测算法的详细描述请参考补充文本4。

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