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石季平
摘 要 仿生机械手由于其杰出的性能在工业、军事、医疗、科研等领域都得到了广泛应用，师法自然，从生物世界中优化设计进而获取优异的性能，促进仿生学的大力发展。而对于动力来源，液压驱动容易实现无级调速，调速范围较大，且在同等功率条件下体积小、重量轻，因此具备惯性小、动作灵敏，可实现频繁启动和换向的优点。本文就结合这些特点介绍了这一种液压驱动型仿生机械手的设计方案和结构特点，考虑到机械手在实际应用和设计当中，常需要建立动力学方程进行建模仿真，因此也从拉格朗日法出发，从能量的观点分析机械手的动力学问题，为之后设计方案的优化提供参考意见。
关键词 仿生机械手， 液压驱动，动力学，拉格朗日
中图分类号 TH12 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）12-0063-02
近些年来，仿生学因其显著的应用而得到了广泛的发展，并促进了与之密切相关的仿生机械学的诞生和发展。机器人机构在仿生机械领域中发展最快[1]，也是应用最广泛的仿生机构。模仿各类动物的行走﹑爬行的动作，为移动机器人的设计与构思提供了美好的前景。在这类仿生机构中，仿生机械手具备力大无比，灵巧自如，能够完成人们日常生活中的工作的特点，从而受到了广泛关注与研究。
传统的机械手臂大多行为呆板，很难做到与人一样的动作，操作起来不够灵活，而且设计很多机械部件，比较复杂臃肿。而利用仿生原理制作出的仿生手臂，控制成熟稳定[2]，装有滑觉传感器，抓取动作简单、自然。2007 年，英国的David设计出一款应用于临床康复的仿生手i-Limb（图1所示），该假手有5个手指，每个手指有两个关节，每个手指由1个电机驱动，电机置于近指节内。拇指增加了1个被动自由度，用来矫正拇指的外展内收以适应不同的抓取模式。该假手外壳采用高强度塑料制成，重量轻、可靠性高。i-Limb假手是目前为数不多的商业化多自由度假手之一，但价格昂贵，制作成本较高，不适于工业用途。
为了使设计出的机械手能够广泛应用于工业等领域，同时解决设计复杂等问题，本文设计出的基于液压的仿生机械手，采用蜘蛛腿的原理来模拟手部关节的弯曲，利用液压为手臂提供动力，可实现比较灵活的动作。同时，借助拉格朗日法[3]，从能量角度出发，对这种复杂的仿生机械手系统进行模型简化，建立其动力学方程，进而对其运动模式进行仿真，同时为优化设计方案提供参考。
1 液压驱动型仿生机械手的结构特点
液压传动机械手是以液体压力为主要动力源，通过液压装置来驱动机械手运动，液压传动能实现无级调速，调速范围大、工作比较平稳、重量较轻、体积较小。控制装置包括底层的单手指控制和上层的多指协调控制，底层采用plc进行控制，上层为各种液压电磁阀来实现调节控制的作用，相当于本装置中的大脑中枢，调节机械手的动作；手腕处设有万向节，可以实现手腕的转动，相比较人的手腕，转动范围更大，前手臂设有主副液压缸和一个旋转拉杆，实现对手掌的控制；机械手臂伸缩和手指握紧动作由电动机带动油泵从油箱中吸油，并将有压力的油液送入管路推动各油缸工作，实现伸缩和握紧的动作；另外，每根手指具有3个关节，关节由小型电机驱动，当电机启动时，关节可以进行相应方向的运动，当电机转向相反方向时，关节也会进行
调整。
该装置主要由执行机构、液压传动装置、控制装置、舵机云台和金属骨架组成；其整体示意图如图2所示。前臂2为油缸杆和骨架组成，能实现伸缩动作，肘部3下为前后臂支撑装置，能实现上下伸展运动，转向架为最底部，能实现水平面的转动。手部1动作由液压缸驱动，而液压缸又由相应的电磁阀控制。其中，上升/下降和左移/右移分别由双线圈两位电磁阀控制。下降电磁阀通电时，手部下降；下降电磁阀断电时，手部下降停止。只有上升电磁阀通电时，手部才上升；上升电磁阀断电时，手部上升停止。同样，左移/右移分别由左移电磁阀和右移电磁阀控制。机械手的放松/夹紧由一个单线圈控制和手指关节处的单片机共同控制。手指的动作由单片机控制，当单片机给予舵机驱动信号，舵机进行相应角度的转动，实现手指关节的转动，从而抓取或放下物品。主副油缸杆在每根手指的两侧，通过液压电磁阀控制，两端伸缩长度的不同，带动手指的横向转动，带动抓取动作。旋转拉杆在每个手指下面，准确位置在关节三下面，具有两级伸缩功能，能带动手指横向合并和垂直面的转动。通过主副油缸杆、旋转拉杆、舵机、伸缩转动的前臂和舵机云台，能实现手指在三维空间的任意移动，通过各零件的配合，实现抓取动作。机械手的下部是个舵机云台，主要由转向架5和前后臂支撑装置4组成；前后臂支撑装置的后支撑臂可以绕转向架转动，后支撑臂也可以在舵机驱动下实现转动，前支撑臂也在舵机作用下实现转动。
2 仿生机械手的动力学分析
机械手动力学与加速度、负载、质量以及惯量有关，主要討论驱动力或驱动力矩和臂杆运动之间的关系[4]。臂端承受一定的载荷，以规定的速度和加速度按指定的轨迹运动时，确定各驱动器为实现这种要求所需提供的驱动力或驱动力矩的大小便属于动力学的范畴。动力学分析为实现所需要的运动和运动控制提供依据，也为通过机械设计的途径来提高机械手的动态特性提供依据。
机械手是一个非线性的复杂动力学系统，动力学问题求解比较困难，通常需要对系统进行简化。而且针对不同的应用目的，需要获取不同的变量数据，如要实现对机械手的动态控制，了解关节位置、速度与加速度是必须的；若要模拟机械手运动，则需要已知关节驱动力矩。
本文采用拉格朗日法分析机械手的动力学问题，它基于能量进行研究，不涉及约束力，直接建立主动力与运动的关系，在机器人系统动力学特性的分析上有明显的优势。机械手系统的拉格朗日函数L被定义为系统动能K和位能P 之差，即
式中为惯性矩阵，为对应关节的离心力和哥氏力系数矩阵，为重力项矢量。
在关于该系统的动力学方程建立好之后，通过数值求解，便可仿真出其运动路径，对于这种仿生机械手设计的改善具有重要意义和帮助。
3 结论
仿生机械手是机械、力学、材料、仿生等多个学科交叉发展形成的具有深远意义的产物，在工业、军事、医疗等领域得到广泛的应用与发展，针对它的科学研究与方案设计具有重要价值。本文首先介绍了仿生机械手的发展历程以及传统机械手存在的诸多问题，之后提出液压驱动对于机械手设计的改进，并介绍了一种基于液压驱动的仿生机械手的结构特点。最后借助拉格朗日方法对系统进行动力学研究，建立起等效模型的动力学方程，这为对于设计方案的仿真与优化提供了重要参考。
参考文献
[1]郭洪武.浅析机械手的应用与发展趋势[J].中国西部科技，2012（10）：3-12.
[2]陈宏伟，等.外骨骼机械手控制系统设计[J].华中科技大学学报（自然科学版），2009，38（2）：32-36.
[3]崔鹏，等.苹果采摘机器人仿生机械手静力学分析与仿真[J].农业机械学报，2011，2（42）：149-152.
[4]刘淑英，等.五自由度机械手动力学分析与仿真[J].河北工业大报，2009，38（2）：32-36.
