灵巧手机构形式驱动系统-天津大学研究生e-Learning平台.DOCVIP

灵巧手机构形式、驱动系统、传感系统综述 张春松 天津大学机械学院机械制造及其自动化专业2013级硕士生 摘要：本文对灵巧手的机构形式、驱动系统和传感系统进行回顾与总结，梳理近半个世纪以来机器人灵巧手领域在这三个方面所做的工作和取得的发展，并在此基础上探讨未来的发展方向。 关键词：灵巧手 机构形式 驱动系统 传感系统 0 前言 随着技术的发展，机器人已经在生产、服务、娱乐、家庭生活等各方面得到越来越广泛的应用。机器人末端操作器是执行机器人功能的终端装置，机器人末端操作器性能的优劣直接影响并最终决定着机器人功能的品质好坏。在制造领域，工业机器人因其高效、稳定、精确、安全等一系列优势被广泛地应用于生产的各个环节，尤其可以代替人在一些恶劣工况环境下工作。很多工业机器人因其功能要求末端操作器是机械手抓。机械手抓需要实现安全、稳固、精确、灵活的抓持操作，因此也称为灵巧手。灵巧手的抓持稳定性、精确性等性质的优劣也直接影响着产品质量的好坏。灵巧手的这些性质取决于其机构形式、驱动系统、传感系统和控制系统。本文对灵巧手的机构形式、驱动系统和传感系统进行回顾与总结，梳理近半个世纪以来机器人灵巧手领域在这三个方面所做的工作和取得的发展，并在此基础上探讨未来的发展方向。 1.1 三指灵巧手的基本机构形式 三指灵巧手的3个手指一般分别对应人手的拇指、食指和中指。此类灵巧手有Tokuji Okada等人1974年开发的Okada手[2]、斯坦福大学1983年开发的Stanford/JPL手[4]、美国Barrett技术公司1988年开发的Barrett手[6]等。 纵观所有的三指灵巧手，其基本机构形式大致有3种。 第1种形式每个手指3个关节，3个自由度，所以全手共9个自由度。所有关节轴线相互平行，没有设置模仿人手的往复摆动的关节。这是一种非常容易想象的机构形式，即可简单地看成转动副轴线相互平行的三自由度串联机构。Stanford/JPL手采用的就是这种机构形式， 第2种形式拇指、食指、中指的关节数目分别为3、4、4，对应的自由度数目亦为3、4、4。总所周知人手对应的关节数是2、3、3，此类灵巧手每根手指比人手多一个关节，用于实现类似于人手的往复摆动。多出来的关节处于手指根部或者接近手指根部的地方，并且关节轴线垂直于其它三个关节。采用这种机构形式的三指灵巧手有Okada手，意大利A. Eusebi等人1992年开发的UB II手[7]等。以四关节手指为例，一种典型的机构形式如图1.1所示。图中 表示旋转轴线垂直于纸面的转动副， 表示旋转轴线平行于纸面的转动副。三关节的拇指机构形式与其类似，只是于手指末端少一个关节和指骨。 图1.1.1 四关节四自由度手指典型机构形式 图1.1.2 4自由度三指灵巧手典型机构形式 1.2 四指灵巧手的基本机构形式 四指灵巧手的4个手指一般对应人手的拇指、食指、中指和无名指。此类灵巧手有麻省理工学院和犹他大学1983年联合开发Utah/MIT手[]、德国航天中心1998年开发的DLR I手[]以及中国北京航空航天大学2001年开发的BH-4手[]等。 纵观所有四指灵巧手，其基本机构形式大致有2种。 第1种机构形式，每个手指有4个关节，4个自由度，所以全手有16个自由度。手指有三个关节旋转轴线相互平行，用于实现类似于人手的相对于手掌平面的弯曲与伸直运动，另一个关节位于手指根部或靠近根部的地方，实现类似于人手的相对于其它手指的往复摆动，其轴线通常垂直于其它三个关节轴线。所以该类机构形式下，每个手指可看成3平行1垂直的4R串联机构。采用这种机构形式的灵巧手有Utah/MIT手、意大利热那亚大学Andrea Caffaz等人1998年开发的DIST手[]以及法国普瓦提埃大学大学J.P. Gazeau等人1998年开发的LMS手[]等。该类机构形式典型的机构见图如图1.2.1所示（摘自文献[]）。 图1.2.1 全自由度4指4关节灵巧手的典型机构形式 第2种机构形式，每个手指有4个关节，3个自由度。有时在某个手指根部增加1个自由度，用于改变全手的构型，以改善整手灵活性。所以全手有12或13个自由度。每个手指减少一个自由度是因为3、4号关节（将手指关节按照离手掌由近到远的顺序编号1、2、3、4）转动通过连杆或其它方式相耦合。其余特性与第1种机构形式一致。采用这种机构形式的灵巧手有DLR I手，德国航天中心J.Butterfa等人2000年开发的DLR II手[]以及哈尔滨工业大学和德国航天中心H. Liu和J. Butterfass等人2004年联合开发的HIT/DLR I手[]等。一种实现第3、4号关节转动耦合的方法如图1.2.2所示（摘自文献[]）。 图1.2.2 一种3、4号关节转动耦合的实现方法 1.3 五