徐培培1，刘 旭1，翟佳星1，邱泽成2，王国庆1
（1. 长安大学 工程机械学院，陕西 西安 710064；2. 天津大学 机械工程学院，天津 300073）
［摘要］针对目前塑胶类组装生产线机械手存在的制造成本高、结构复杂、难以大规模推广的问题，设计了一种用于塑胶类组装生产线的抓取灵巧机械手。采用远端步进电机集中布局和空间柔索传动的方式，可以在大大降低成本的同时提高传动系统布局的灵活性，降低驱动电机的力矩及抓取物件的重量限制，增强灵巧手的柔性和控制精度与实时性。在结构设计方面，采用了4指结构，每个手指拥有2个关节，整体外形近似人手，便于操控。最后进行了仿真分析和驱动测试，系统达到了预定目标。
［关键词］塑胶组装；灵巧手；柔索传动；手指
目前，用于塑胶类组装生产线的机械手存在制造成本高、结构复杂、不能实现精准灵活地操作，难以实现大规模的生产和发展等问题。
国外研究学者从20世纪50年代就开始了多关节抓取灵巧手的相关研究。文献［1］研制的C6M灵巧手与文献［2］研制的EH1 Milano灵巧手均采用电机驱动，电机和肌健耦合传动，并且其外形和功能更接近人手，可以进行类似人手的抓持操作，提高了抓取的稳定性和准确性。
对于塑胶类组装生产线上的机械手，由于目标物体较脆弱，对灵巧手柔性要求较高，而电机驱动的多指灵巧手缺乏柔性，且电机成本高，质量重，体积大，不能满足要求。本文采用远端步进电集中布局和空间柔索传动的方式，可以很好地解决这一问题。
本文研究的灵巧手在结构方面，采取4指结构（中指、食指、无名指、拇指），每个手指设置2个关节（保留近指关节与中指关节），关节运动的实现采用四连杆机构设计，同时满足近指节与中指节2个手指关节的运动要求，每个关节由1个步进电机驱动。这样的结构设计在简化手指结构的同时，也便于控制，降低成本。
在电机驱动以及传动方面，采用步进电机远端集中布局以及空间柔索传动的方式，增强了灵巧手的柔性，提高了传动系统布局的灵活性，降低驱动电机自身所需要的力矩以及灵巧手抓取物品的重量限制。而且独立旋转轴的设计可以实现每个手指独立灵活的运动。灵巧手内部结构和实物分别如图1、图2所示。
图1 灵巧手内部结构图
1. 手指远指关节驱动部分 2. 定滑轮（1） 3.定滑轮（2）4. 旋转轴 5. 软轴预紧块 6. 软轴固定支架 7. 手指近指关节驱动部分 8. 指间挡板 9. 拇指手指 10. 拇指基部关节
该机械手主要由4指、手掌、底座、软轴顶紧装置、转轴支架、舵机、软轴、旋转轴、指间挡板等组成。
图2 灵巧手实物设计图
2.1 拇指部分设计
2.1.1 拇指基部关节设计
拇指活动的范围主要由基部侧摆关节和近指节提供，拇指基部关节采用了纯横向侧摆的设计，不考虑人手侧摆关节与手掌中心线的偏角。这样既简化了结构，又增加了灵巧手的工作空间，将基部侧摆关节的偏角运用在近指节上，拇指部分就能实现在较大的空间范围内灵活转动。在考虑加工及装配后，拇指基部关节拆分为2个，同时加入了软轴预紧装置，与基部关节结构件合为一体。
2.1.2 拇指手指部分设计
在拇指基部关节设计完成后，开始对拇指手指部分进行设计。由于拇指基部关节部分的尺寸限制和传动难度增加，仅保留拇指手指的近指节，而将远指节锁止固定，并向内略微弯曲，以便于其余手指进行配合。
2.2 其余手指部分设计
在不考虑作为随动关节的远指节的转动后，1个手指含有近指节与中指节2个活动关节，需要2个舵机驱动2根软轴控制。关节运动的实现采用传统且经典的四连杆机构设计，同时满足近指节与中指节2个手指关节的运动要求，结构示意图如图3所示。
图3 手指关节四连杆结构示意图
手指关节本质上是由a、b、c、d4个零件组成的四连杆机构。其中a、c2个杆件连接在固定支架A上，分别受驱动力矩M1、M2绕固定支架转动，为摆动副。d杆件为一个三副构件，b与c拥有相同的长度，因此a杆件转动的角度会等效地引起d杆件的转动。c杆件与固定支架的转动关系代表手指的近指节，当c杆件受驱动力矩M1驱动时，会引起整个手指向内转动。a杆件与固定支架A的转动关系代表手指的中指节，当a受驱动力矩M2的驱动时，会导致杆件b的复合运动，使杆件d向内弯合。在人类手指的基本尺寸的基础上适当增加，确定中指最大长度为107mm，食指和无名指尺寸小于中指尺寸且完全相同，最大长度为98mm。
2.3 手掌部分设计
在手掌部分的设计中，不能仅是单纯的平面拉伸，还要根据人手的实际结构，形成与之相似的曲面设计。一是能够更加接近人手的结构特点，二是能够通过手掌拱形的设计增大手掌与手指进行抓取操作时的空间，增强抓握的稳定性。
可以总结出手掌由手心、手背2个零件装配而成，内部为软轴及软轴预紧装置和固定支架的设计留空，同时在手指位置切除材料，以便于各手指部分的安装。具体设计结果如图4和5所示。
图4 手背设计图
图5 手心设计图
在手背的设计中，考虑到拇指部分的安装与运动，设计了供软轴穿过的孔隙，同时可考虑到拇指部分的运动范围，设计了挡块对其加以限制。
手心手背经过装配之后，内部留出的空间为软轴的通过及钢丝绳的预紧和固定装置提供了更加灵活的设计选择。
2.4 固定底座的设计
底座用于安放所有的舵机，作为动力原件驱动软轴，软轴从底座中穿出进入手掌连接在手指关节上，传递运动与力矩。
设计选用的是SR430P型舵机，灵巧手需要由8个舵机驱动，因此底座应能安装8个舵机，同时尽量减小尺寸，所以采用对称布置的方式，保证舵机之间互不干涉的原则即可。另外，考虑到软轴的通过，应在底座上方留空，具体设计结果如图6所示
图6 底座结构图
3.1 空间柔索传动
灵巧手采用空间柔索传动方式，该方式可以将动力源输出的动力传送到距离较远的位置，而中间不需要刚性连接件，从而减少了运动环节。可以从原理上避免了间隙等非线性因素，使得工作系统的结构更加精简紧凑。以手指为例，对传动原理进行分析，具体设计原理如图7所示。
图7 柔索传动原理图
由图7所示每个手指的运动都需要2个定滑轮，每个定滑轮上有2个孔来固定2根柔索，从而步进电机可通过柔索控制其正反转。近指关节定滑轮与旋转轴固定连接，旋转轴的转动控制近指关节转动，中指关节定滑轮与手指四连杆机构的驱动杆固定连接，驱动杆转动控制中指关节转动。由图1可知，每个手指都有1个旋转轴，则可以实现每个手指独立灵活运作，而且还可在运作时任意位置停止（即保持抓握动作），同时与步进电机配合使用来驱动关节转动，可以增强灵巧手抓取物件的柔性。拇指的传动原理与其相似。
3.2 电机远端集中布局设计
灵巧手手指每个关节的运动是由电机驱动。电机通过控制柔索传动机构来驱动手指各个关节实现手指基本运动，而柔索传动相对需要的力矩有限，因此手指的驱动采用步进电机即可满足要求。因此，手指的驱动采用42步进电机，型号为BS42HB47-01，其参数如表1所示。
表1 所选步进电机参数
与其他驱动方式相比，步进电机驱动可以避免能量的中间转换，这就使得整个系统的体积减小，在可靠性和通用性方面也有很大提高。并且采用步进电机更能节约成本，再加上试验中抓取物的质量有限，因此对机器人的功率要求不高，所以相比较传统的具有大扭矩的伺服电机，采用步进电机并不会对组装的效果产生影响。
由图1可知，柔索通过定滑轮穿过预紧块，软轴固定支架，手掌留空处，进入底座与电机相连，实现步进电机远端控制。
通过ADAMS对模型进行仿真模拟。
通过ADAMS/Postprocessor模块得到手指运动关节的运动参数，这里需要手指关节运动的位移、速度以及加速度值，详见图8-10。由图可知，手指在进行仿真运动时，灵巧手的运行平稳正常，速度与加速度曲线平滑，没有剧烈的振动与异常现象，手指的运动轨迹与速度加速度特性均满足设计要求，验证了三维模型的合理性。
图8 中指近指节的位移曲线
图10 中指近指节的加速度曲线图
针对目前塑胶类组装生产线机械手成本高、刚性大、结构复杂且笨重等问题，提出了空间柔索传动与远端电机集中布局的设计方式，其设计特点如下：
（1）该机械灵巧手摆脱传统电机直接驱动的模式，采用“步进电机+柔索传动”的方式，不仅降低了所需电机的力矩以及抓取物件的重量限制，而且使用柔索传动使灵巧手运作更加精准灵活，且增强了灵巧手的柔性以及控制精度，最终使得电机布局灵活，可有效解决机械手成本高、笨重、结构复杂等问题。
（2）每个手指独立旋转轴的设计可使得4指独立灵活运动，可在运作时任意位置停止（即保持抓握动作）。
（3）设计了灵巧手的机械结构，包括4指、手掌、底座以及预紧装置等，并做出了实物。
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Design of multi-joint grasping dexterous hand
XU Pei-Pei，LIU Xu，ZHAI Jia-Xing，QIU Ze-Cheng，WANG Guo-Qing
［中图分类号］TP241
［文献标识码］B< class='emphasis_bold'>［文章编号］1
［文章编号］1001-554X（2017）01-0063-04
DOI：10.14189/j.cnki.cm1981.2017.01.007
［收稿日期］2016-12-30
［基金项目］陕西省工业公关项目（2016GY-003）
［通讯地址］徐培培，陕西省西安市南二环路中段
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