探讨仿生机械手的结构及运动副自由度

仿生机器人必须有手，称之为仿生机械手，如图8-1所示。仿生机械手不仅是执行命令的机构，还应该具有识别的功能，这就是我们通常所说的“触觉”，对物体的软、硬、冷、热等的感觉是靠触觉传感器识别，并将所获得的信息反馈到大脑（计算机）里，以调节动作，使动作适当。

仿生机械手一般由手掌和手指组成。为了使它具有触觉，在手掌和手指上都装有多种传感器。如果要感知冷暖，还可以装上热敏元件。当触及物体时，传感器发出接触信号，否则就不发出信号。在各指节的连接轴上装有精巧的电位器，它能把手指的弯曲角度转换成“外形弯曲信息”，把外形弯曲信息和各指节产生的“接触信息”一起送入计算机，通过计算就能迅速判断机械手所抓物体的形状和大小。

图8-1 仿生机械手

a）三指机械手 b）四指机械手

1.仿生机械手的机构组成

（1）仿生机械手机构的运动副及自由度 仿生机械手的机构一般为开链机构，由若干构件组成。构件之间通过某种连接来产生确定的相对运动，称两个构件间的可动连接为运动副。运动副所允许的两构件间的相对运动的个数称为运动副的自由度。

自由构件在三维空间中有6个自由度。那么，运动副的自由度数为0＜f＜6。运动副的分类方法有两种，一是按照运动副提供的自由度分类，二是按照运动副提供的约束数来分类。在仿生机械的结构分析中，常采用按照运动副约束数的分类方法。常见的运动副见表8-1。根据运动副提供的约束数目，可把运动副分为五类，分别为I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V类副。

表8-1 常见的运动副

在仿生机械手中，由于各运动副中的运动变量都要借助于各种驱动器来实现，而无论是转动的或移动的驱动器又均为一个自由度，所以在仿生机械手中所采用的运动副类型，实际上常用转动副、移动副两种，个别被动运动副有时也可采用球面副。

多个构件用运动副连接后组成的可动构件系统称为运动链。如果形成运动链的各构件组成一个封闭的系统，则称为闭式运动链，如果运动链的各构件没有形成首尾封闭的系统，则称为开式运动链。在运动链中，如果有一个构件被指定为相对固定件或机架，则该运动链便成为一个机构。为了使机构具有确定的运动，必须使输入参数或输入构件的个数等于机构的自由度数。否则，机构的几何运动将不确定，或者将无法运动，甚至遭到破坏。

从仿生的观点出发，机械手、机器人较多地采用了空间开式运动链的机构。

（2）仿生机械手机构自由度 一个自由构件在空间具有6个自由度。若机构具有n个运动构件，那么，它们在未用运动副连接之前，共有6n个自由度。但是，当它们通过各种运动副连接起来组成为机构之后，构件的运动就要受到运动副的约束，其自由度数也随之减少。自由度减少的数目，应等于运动副引入的约束的数目，运动副约束数目则取决于运动副的种类。于是，空间机构的自由度可用下式计算：

式中 F——机构的自由度；

n——运动构件数；

k——每个运动副引入的约束数；

p_k——相应的运动副数目。

图8-2所示为人的手臂示意图。肱骨与肩部以球面副相连；尺、桡骨通过一个Ⅱ级副（球槽副）SR彼此相连，并分别用转动副和球面副与肱骨相连，形成肘关节；手掌简化成一个构件，它与尺、桡骨和5个手指骨均用能做两个相对转动的Ⅳ级副相连；各手指指骨间均用转动副彼此相连接。从工程的观点看，把人的手臂视作一个机构，或认为它是一种由许多构件组成的空间开式运动链。求解手臂机构的自由度。

由图8-2可知，人的手臂机构中，n=19，p₁=0，p_Ⅱ=1，p_Ⅲ=2，p_Ⅳ=6，p_Ⅴ=11，故F=6×19-（2×1+3×2+4×6+5×11）=27。(www.xing528.com)

同理可求得手指部分的自由度为F=6×15-（4×5+5×11）=20。

由计算得知，人体上肢是自由度最多的一种开式运动链，适应能力很强。仿生机械手要模仿人的一个上肢有32块骨骼，由50多条肌肉驱动，由肩关节、肘关节、腕关节构成27个空间自由度，肩和肘关节构成4个自由度，以确定手的位置；腕关节有3个自由度，以确定手心的姿态。手由肩、肘、腕确定位置和姿态后，为了掌握物体做各种精巧、复杂的动作，还要靠多关节的五指和柔软的手掌；手指由26块骨骼构成20个自由度，因此手指可做各种精巧操作。

2.仿生机械手实例

人类与动物相比，除了拥有理性的思维能力、准确的语言表达能力外，拥有一双灵巧的手也是人类的骄傲。正因如此，让机器人也拥有一双灵巧的手成了科研人员的工作目标。如今，机器人的手具有了灵巧的指、腕、肘和肩胛关节，能灵活自如地伸缩摆动，手腕也会转动弯曲。通过手指上的传感器还能感觉出抓握的物体的重量，可以说已经具备了人手的许多功能。

图8-3所示为北京航空航天大学机器人研究所研制出的灵巧手，有三个手指，每个手指有3个关节，3个手指共9个自由度，由微电动机控制其运动，各关节装有角度传感器，指端配有三维力传感器，采用两级分布式计算机实时控制。该灵巧手配置在机器人手臂上充当灵巧末端执行器，扩大了机器人的作业范围，可完成复杂的装配、搬运等操作，如可以用来抓取鸡蛋，既不会使鸡蛋掉下，也不会捏碎鸡蛋。

在实际应用中，许多时候并不一定需要复杂的多节人工指，而只需要能从各种不同的角度触及并搬动物体的钳形指。1966年，美国海军就是用装有钳形人工指的机器人“科沃”把因飞机失事掉入西班牙近海的一颗氢弹从750m深的海底捞上来。

图8-2 人的手臂示意图

a）人体上肢骨骼 b）人体上肢骨骼机构

1—肩关节 2—肱骨 3—肘关节 4—尺、桡骨 5—腕关节 6—拇指骨 7—腕骨 8—掌骨 9—指骨

图8-3 灵巧手抓取鸡蛋

从仿生学的角度出发，探讨生物体灵巧运动的机理、生物体的运动特性，除了与生物体所具有的形状、特征有关外，还与它们内部特有的骨骼—肌肉系统以及控制它们的神经系统密切相关。为实现骨骼—肌肉的部分功能而研制的制动装置称为人工肌肉制动器。为更好地模拟生物体的运动功能或在机器人上应用，已研制出了多种人工肌肉。一类称为机械化学物质（mechanochemicals）的高分子物质（如高分子凝胶），它在电刺激下能反复伸缩将化学能直接转化为动能产生机械动作；形状记忆合金（SMA）受温度影响会像肌肉那样伸缩，并根据通过合金丝中电流总量的大小调节刚度。另一类也是目前大量开发应用的人工肌肉——气动人工肌肉（Rub—be-rActuator）。1975年日本Bridgestone公司推出一种寿命达106次的人工肌肉产品，如图8-4a所示，它有两层，里层是橡胶管，外层是纤维编织网套。两端用金属夹箍固定。夹箍内有气路，由此传导压缩空气。管内压力上升时，肌肉沿径向膨胀，并沿轴向收缩，于是产生收缩力。此外，1984年一种具有高度柔顺性的、采用气动人工肌肉的致动器开始问世，其结构原理如图8-4b所示。

图8-4 人工肌肉简图

a）人工肌肉的构造图 b）人工肌肉致动器

1988年，日本东芝会社开发出一种尺寸更小的、供微型机器人和多指多关节手使用的微型气动人工肌肉，如图8-5所示。它的长度通常为数厘米，外径为数毫米，管壁采用硅橡胶并添加芳族聚酰胺增强纤维（arimidfiber）。管内有三个相互隔离的空腔，可分别送入压缩空气形成压力室。增强纤维编织线的走向，使肌肉具有明显的各向异性力学特征。通过选择这种微型人工肌肉编织纤维的螺旋角α，调节其内压匹配可以实现任意方向的弯曲、曲率和伸长量、绕轴线的扭转3个自由度的运动控制。据报道，已有一台用微型人工肌肉制成的7自由度操作手实验样机问世。还有一种三指11关节手与人手尺寸相近，质量仅600g。全部致动器容纳在手掌空间中，结构十分紧凑。

图8-5 微型气动人工肌肉结构图

加拿大Mac Donald Dettwiler＆As—sociates公司在1987年发布了一种名为ROMAC（Robotic Muscle Actuator）的人工肌肉制动器专利（见图8-6），它更像一个可变形气囊，由压缩空气驱动也能进行位置和力的独立控制。它在功率重量比和响应速度上比Rubber-Actuator更高、更快，滞回更低，而最大收缩率高达50%。

图8-6a、b分别表示了ROMAC在伸长和收缩时的形状。