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超声电机驱动五指灵巧手的设计与仿真日期：
2007年 10月 机械科学与技术㈨盯2007篁丝童篁!!塑 竺!兰型:竺塞兰竺竺!竺!!!竺呈竺竺竺!竺坠墅!竺!些 !!!:兰!::!!郭语 超声电机驱动五指灵巧手的设计与仿真 郭语,孙志峻,黄卫清(南京航空航天大学.南京210016)摘要:设计一个由超声电机驱动的仿人五指灵巧手,由于起声电机的一些优点,使得该五指曼巧手 与人手相仿,共有20个独立自由度,重量不足1000g。为了检验设计方案是否能达到预期的效果,运 用ADAMs分析软件对模型进行了运动学和动力学的仿真,仿真结果表明设计方案夸理可行。关键词:超声电机;五指灵巧手;ADMAs中图分类号:TM356文献标识码:A 文章编号:07)lO—12“—04Desi2n and Simula垃on of Five-Engered DexterollsHand Driven bv UtrasoIlic MotorGuo Yu.Sun Zhi{un.Huang Weiqing(N叫吨unive商‘y 0fA肿nautic5&A8咖㈣d∞,N蚰jill9210016)Absh曩ct:we desi驴a 6ve一6ngeredd哪emus haIld艄v曲by如ultrasonic motor,who∞power is c∞veyed to va-dous ioin【s by elastic belb of【he ultr8sonic啪tor placed at tlle palm of tlle dexter叫s h如d.TheuI岫姗ic lnotor takes small 8pace矾d c矾p∞duce low.印eed kr辨moment of torque.Therefbre。【he 3i醴0f me h们d i8alIrl08t that 0f B bum雠h肌d蚰d its wej小t is k站血蛐l000昏Anotller simil8rity of tlIe dextemus h如d witlI h啪an h鲫d j5 m砒it h聃20independent degrees of fmodom.1b veri母Ille reasonabl朋e鹪0f me desi毋l,we Bimulatc me kine啪t. ic8蛐d d”mmics 0f t11e dexterous h卸d using ADAMS.The giIlluladon resul协show th砒血e mo眦nt pro、,ided by岫 ulⅡasonic motor can satisfy the mod帆M町LliremeHt of the dexte阳u8hand.Key w盯ds:ul岫ic啪6ve-fmgered de咖rous h衄d;ADA舾随着科技水平的不断进步和新兴交叉学科不断 涌现,如太空探索、核能开发、医疗器械等都对机器 人技术提出了更高的要求,而传统的工业机器人末 端夹持器有一些缺点,如灵活性差,感知能力低下, 力的控制精度不高等。近二十几年来,多指灵巧手 的研究工作得到了迅速的发展。并已逐渐成为一个 专门的研究领域。 ’ 多指灵巧手依照驱动器的位置分为两类:内置 型和外置型。内置型多指灵巧手的手部关节的转动 是由安装在手指或手掌内的电磁电机驱动。一般一 个关节就是一个自由度。典型的内置型多指灵巧手 有wEmlY灵巧手“’和DLRⅡ灵巧手”1。内置型 灵巧手的最大优势在于:由于采用独立的手部结构, 灵巧手可以安装在各种类型的机器人手臂上。但它 也存在着不足,其中尺寸上的限制尤为突出。外置型多指灵巧手的驱动器全部被放置在灵巧 手之外。典型的外置型多指灵巧手有NASA娃m“t 灵巧手”1和utah/Mrr灵巧手”o。外置的驱动器通 过线或者带驱动关节转动。其优势在于:可以利用高 功率的驱动器产生非常大的驱动力,如气压驱动;驱 动器的外置可以使手指结构变得简单,从而使得多关 节多自由度的灵巧手成为可能,然而,由于驱动器的 外置,这种灵巧手很难和各种机器人手臂相联,而且 手的工作空闯变得有限,工作灵活性降低。随着科技的不断发展,特别是与传统电磁电机 有着不同驱动机理和结构的超声电机(1lltra90nic mo协r。USM)的出现,使得这一领域有可能突破。超 声电机具有低速大扭矩、体积小和重量轻等特点。它 适合作为机构受到约束的灵巧手的驱动器;其快速 响应特性和静音运转,也是用其来研制灵巧手的优 势。尤其是超声电机的自锁力矩大,可以实现断电 后仍然可以抓住物体。这些都是传统电磁电机所无 法比拟的。采用超声电机,可以像内置型灵巧手那 样.将超声电机全部置于手掌内。形成独立的手部结裴穑日辩:2∞6—10一20基金项目:国家白然科学基金项目()资助作者简介:郭语(1984一),男(汉).安徽,博士研究生.和岬I】.娜 　 万 方数据第10期 郭语等:超声电机驱动五指灵巧手的设计与仿真构;同时可以借鉴外置型灵巧手的方式.采用线驱动 方式使手指结构变得更加简单,从而使灵巧手可以 和普通人手一般大小,获得与人手一样多的关节和 自由度数量。本文设计的五指灵巧手将采用主从控制方式, 由主手遥控控制从手(五指灵巧手)的运动,从手采 用超声电机作为驱动单元,由弹性线作为传动装置, 带动各关节的转动。该灵巧手的基本设计指标是各 手指能不相互干涉地作出各种手势,每个手指的承 载能力大约为5N。 动).掌指关节(MP)和指间关节(IP)的弯曲I{申展 运动。与食指相比,拇指的各关节和对应电机之间 的关系较为简单,这里就不再赘述。l机械结构设计五指灵巧手的整体外观如图l所示。该手有5个手指,每根手指有4个自由度,分别由4个ⅢtUM-30超声电机驱动(南京航空航天大学精密驱动研究所研制),图中黑色部件为超声电机,这样整 图2食指机械结构 个灵巧手具有20个自由度,与人手的自由度相仿。由于超声电机体积小,能提供低速大扭矩,不需要配备减速齿轮箱,因此整个手的体积可以接近于人手,重量估计将不超过1000g。田I五指灵巧手机械结}弩图2所示为食指的具体机械结构.它与人的手指 具有相同的自由度。人的食指有4个自由度,从指根 向外分别是掌指关节(MP)的两个自由度(弯曲.伸展 运动和内收-外展运动),近端指闻关节(PIP)和远端 指问关节(Dm)的弯曲.伸展运动。电机和驱动轮之 间用弹性线传动。DP关节由轮l驱动,usM.通过 过渡轮2将驱动力矩传递给轮l以带动指头关节转 动。P口关节由轮3驱动,UsM:通过过渡轮5,将力 矩传递给轮3,带动中间关节的转动。MP关节的弯 曲一伸展运动由US%直接驱动轮4而产生。MP关 节的内收?外展运动是由usM4驱动的。中指、无名指和小指与食指的机械结构完全一 样。拇指的结构则有所不同,如图3所示。人的拇 指也有4个自由度,从指根向外分别是拇指根关节 (1M)的两个自由度(弯盥啪晨运动和内收崭展运固3拇指机械结构2运动学仿真利用ADAMs和铀jdw融￥二者之间共同支持 的图形交换格式Par∞olid格式。把蛳dworI【s中五 指灵巧手的三维模型导人到ADAMS中”J。然后添 加约束和力,并适当简化模型结构,即可得到AD. AMs下的仿真模型,如图4所示。为了验证机械设 计的可行性,我们选用机械系统动力学分析软件 ADAMs对五指灵巧手进行了各种手势和瓠取动作 的仿真。限于篇幅,本文以让灵巧手仿真做中国人。八” 的习惯手势为例,对其运动学仿真进行阐述。鉴于 本文设计的五指灵巧手的控制方式为主从式结构,所以以人手做。八”手势为参考,直接给各输出电机 　 万 方数据1266机械科学与技术 第26卷一定的转角,如表l。灵巧手的初始位置如图4所 示,各手指处于伸直状态。图4五指灵巧手初始位置仿真模型表1灵巧手各关节转角位移手指 食指 中指 无名指 小指 DIP PIP 080080。 800MP(弯曲—申展) 070。 70070a MP(内收.外展) 10000O五指灵巧手摹仿人手作“八”的最终位置手势 如图5所示,中指、无名指和小指弯曲并贴紧手掌, 食指和大拇指外张形成一个“八”的手势。在运动 学仿真时,我们可以清楚的观察灵巧手每个手指和 关节的运动变化过程。在运动过程中,灵巧手的手 指没有发生运动的干涉和碰撞,这不仅部分证明了 机械结构设计的合理性,也为后续的动力学分析和 控制器的设计提供一定的依据。图5。八”手势最终燕置仿真图 3动力学仿真3.1单手指动力学为了后续控制器的开发和设计,有必要分析灵 巧手单指的动力学模型。首先建立单手指的笛卡尔 坐标系.如图6所示。r2%h1、瑚I妇?p图6单指笛卡尔坐标系具有n个主动关节(对于本灵巧手手指来说n =4)的机器入的动力学关系通常可以用拉格朗日 法n,来表示D(窖)卓+c(q,圣)西+g(g)+q(乎)=r—n (1) 式中:D(g)为4×4维的惯性矩阵;c(口,0)为4×1维 的离心力和哥氏力;g(9)为4x l维的重力向量;r,为 4×1维的等效关节空间的摩擦力矩向量汀为4x l维 的关节驱动力矩向量;L为4×l维的指尖外力向量。 引人雅可比矩阵,(口),设作用于指尖的广义外 力为,,则关节驱动力矩与灵巧手指尖所受外力的关 系为:f=.,r,+D(q)口+c(口,口)0+g(g)+钉(0),将 此式代入式(1)褥单手指封镪形式的动力学方程 r=,r,+D(口)茸+c(鼋,毒)圣+g(口)+r,(寸) 该机器人动力学方程表示了一个高度非线性、 耦合和多输人多输出的系统,模型很难精确知道,因 此,我们采用软件实现灵巧手的动力学分析。3.2动力学仿真先以灵巧手做”八”手势时的小指弯曲过程作 为研究对象,分别研究了手掌处于水平和竖直位姿 时。小指的DIP关节,PIP关节和MP的弯曲-伸展关 节的受力情况,如图7所示.横坐标为时间单位 “s”,纵坐标为力矩单位“N-删“a由于MP的内 收-步卜展关节运动角度范围很小,且在抓取过程中几 乎不会承受载荷,所以未将其列为研究对象。图7中实线是手掌处于竖直位姿时的相应关节 电机的输出力矩曲线,虚线是手掌处于水平位姿时 的相应关节电机的输出力矩曲线。由于手掌的竖直 位姿和水平位姿相差90。,所以手指各关节的力矩 曲线偏移了大概1/4个周期。在水平初始位姿状态时,灵巧手手指各关节要承受的力矩较大;而在竖直 　 万 方数据第10期 郭语等:超声电机驱动五指灵巧手的设计与仿真 1267初始位姿状态时,由于手指各部分的重力延长线与 手指各关节相交,因此它们几乎不承受力矩,该分析时间fG)(a)DlP关节 与仿真结果一致,即在图中实线的初始值几乎为零, 而显示虚线的初始值是力矩的最大值。(b)PlP关节 (c)MP关节 图7竖起和水平位姿各电机力矩圈图7中各力矩曲线在开始和结尾部分的力矩波 动。是由仿真程序中手指起动加速过程和结尾减速 过程的速度变化较快所导致的。图中采用了力矩绝 对值表示法。力矩曲线中的零值拐点表示力矩的方 向发生了改变。从图中可以看出,承受力矩最大的关节出现在 MP的弯曲一伸展关节,力矩最大值可达10N?m。 我们所选用的TRuM-30型超声电机额定输出最大 力矩为200N-m,可见手指在空载状态下,电机 完全可以满足动力需求。下面以手指头处受力5N情况为例,测量各个 电机所需的输出力矩。在手指弯曲的过程中.在手 指头处始终施加一个垂直于手指尖的力,力大小为 5N,各个电机输出力矩随时间变化的曲线如图8所 示。手指受5N压力时,加?关节处的usM,仍是承 载力矩最大的电机,最大值达到130N?m左右, 这也小于TRUM.30型超声电机所输出的额定最大 力矩200N?Im。图8受力5N时的各电机力矩输出4结束语本文设计了一个由超声电机驱动的具有20个 自由度的五指灵巧手。采用弹性带传动方式,将动 力由放置在手掌中的超声电机传送到各个关节。由 于超声电机体积小,能提供低速大扭矩,不需要配备 减速齿轮箱,因此整个手的体积可以接近于人手,重 量估计将不超过1000g。为了验证设计的合理性, 运用ADAMs分析软件对五指灵巧手进行了运动仿 真研究,分别对灵巧手做。八”手势和指头受力5N 两种情况下,进行了运动学和动力学分析,由于机构 内部摩擦力和弹性带的阻力矩比较小以及仿真的难 度,本文忽略了它们的影响。通过仿真后的数据分 析,可以得出所选电机提供的力矩可以满足五指灵 巧手的运动要求,同时运动学仿真也表明设计方案 是合理可行的。进一步的工作是进行主系统的设计 以及单手指物理样机和控制系统的实现。【参考文献】[1】M“诅T,#吐Huf哪!卵I山iolic T曲瞳d吲驴b-5ed硼d陆i∞ -玎d uⅡ‰lti叩0f fIlIm6衄d。eqIlhm叫b[^】.n口。蛐乎H恤e 2000m耽hte哪叫如叫C仰fe件哦佃R洲a蝴^肛 t吼B如Ⅱ[c】,20∞:22凹一2234[2]跏t噼缸B J,d缸.DLR抽ndⅡlⅡ喇鲥v∞IⅡ∞《-出衄Ⅻ 幽hj丑d[^】.h佻悻曲学of恤e抛1眦h搬瑚删con把唧帅R曲。岫-埘A蛐吐叫【c】.2∞ltl∞一114 [3】伽h缸c s.Difd盯M九T',eIol瑚衄I h∞d:?dc毗cI伽l咖 huldh叩?科A】.h州h替时恤19钟衄Ⅻ咖gdo小u 0蛳f岫∞∞R曲删a蝴Amm蜊∞[c】,1妫:907—912[4】舢b|哺sc.d讲.D晡;萨。fllleuwMTr由蛐酬[^】.n佻托d砸肇0f也e 1986唧h蛔锄mo蚺I cI叫ht驸呻 h妯廿a-ⅡdA毗咖均血m[c】,19断;[5】 刘小平,郑建荣荨.s0Iid‰与^DAM洲iw之间的图形数 据交换研究[J】.机械工程师。2003.(12)[6】熊有伦.机器人技术摹础【M].华中科技大学出版社.1996 098765432●0一;}埭　 万 方数据超声电机驱动五指灵巧手的设计与仿真作者:郭语 , 孙志峻 , 黄卫清 , Guo Yu, Sun Zhijun, Huang Weiqing作者单位:南京航空航天大学,南京,210016刊名:机械科学与技术英文刊名:MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY FOR AEROSPACE ENGINEERING年,卷(期):)被引用次数:2次 参考文献(6条)1. 熊有伦 机器人技术基础 19962. 刘小平;郑建荣 SolidWorks与ADAMS/View之间的图形数据交换研究 [期刊论文]-机械工程师 . Jacobsen S C Design of the Utah/MIT dexterous hand 19864. Lovchic C S;Diftler M A The robonaut hand:a dexterous robot hand for space[外文会议] 19995. Butterfass J DLR-hand Ⅱ:next generation of a dexterous robot hand 20016. Morita T Human symbiotic robot design based on division and unification of functional requirements[外文会议] 2000 引证文献(2条)1. 王健 . 孙志峻 . 郭语 . 黄卫清 单超声电机驱动两足行走机器人的设计分析研究 [期刊论文]-传感器与微系统 2010(6)2. 罗建国 . 何茂艳 . 薛钟宵 . 黄真 仿人竖笛演奏机器人手设计 [期刊论文]-机械设计 2009(6) 本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jxkxyjs.aspx本文由(www.wenku1.com)首发，转载请保留网址和出处！
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