模块化磁吸五指灵巧手结构设计与控制研究
司成俊
（长治职业技术学院机电系，山西长治046000）
摘要针对目前五指灵巧手自由度低、拆装繁琐等问题，设计出一种模块化、易拆装、直驱式11自由度五指灵巧手。通过永磁铁实现手指关节间的快速拆装，每个手指关节至少有±90°转动范围；通过对大拇指转动角度的特殊设计，可实现灵巧手左/右手模式直接切换以及双侧同时抓取。通过3D打印制作了五指灵巧手样机。针对灵巧手多传感器造成控制系统复杂的问题，提出采用电流反馈控制算法，通过对电机驱动电流进行信号采集和后处理，建立了电流-转角-指尖力之间的数学模型，并进行了抓取实验。结果表明，设计的模块化灵巧手具有较强的抓取能力，并且通过电流反馈控制算法，可以实现对灵巧手运动状态和抓取力的控制，完成对目标物抓取操作。
关键词模块化磁吸关节电流反馈算法双侧抓取
Study on the Structural Design and Control of Modular Magnetic
Suction Five-finger Dexterous Hand
Si Chengjun
（Electromechanical Department，Changzhi Vocational and Technical College，Changzhi046000，China）Abstract In order to solve the problems of low freedom of five fingers dexterous hand and complicated disassembly and installation，a modular，easy disassembly and installation，direct drive11degrees of freedom five fingers dexterous hand is designed.Each finger joint has a rotation range of at least±90°.Through the spe‐cial design of the rotation angle of the thumb，the left/right hand mode of the dexterous hand can be directly switched and both sides can be grasped at the same time.A five-finger dexterous hand prototype is made through3D printing.Aiming at the complex control system caused by multiple sensors of the dexterous hand at present，the current feedback control algorithm is proposed，through signal acquisition and post-processing of the motor drive current，the mathematical model of current-rotation angle-fingertip force is established，and the grasping experiment is carried out.The results show that the designed modular dexterous hand has strong grasping ability，and the control algorithm of current feedback can control the movement state and grasping force of the dexterous hand，and complete the target grab operation.
Key words Modular Magnetic suction joint Current feedback algorithm Double side grasp
0引言
灵巧手作为重要的人机交互工具之一，其在工业机器人和服务机器人中占据重要的地位。其具有自由度高、仿生性好等优点，尤其是在服务机器人技术领域，灵巧手是十分重要的一环，所以，近年来多指、多自由度灵巧手的相关技术成为国内外的研究热点[1]。在灵巧手领域有三大重要的研究方向，即：如何使机构的运动更加拟人和灵活；如何使控制系统更加简洁和精确；如何使反馈系统更加完善和便捷[2]。
灵巧手的驱动形式可分为欠驱动和全驱动。由于欠驱动灵巧手自由度少、结构简单、控制方便，近年来得到了广泛研究[3-4]。李霞丽等设计一种连杆式欠驱动仿人手，该机械手由4个电机驱动，具有较好的形状适应能力[5]。蔡宇等设计了一种新型欠驱动仿生灵巧手，并对其实时操作控制算法进行了研究[6]。郝丽娜等研制了一款基于SMA驱动的仿生手指，并对其抓取性能进行了研究[7]。随着人们对抓取
文章编号：1004-2539（2021）03-0171-06DOI：10.16578/j.issn.1004.2539.2021.03.028
操作要求越来越高，欠驱动抓取仿生手已经无法满足人们的抓取需求。
全驱动灵巧手具有自由度多、操作精度高等优点，可以完成复杂的操作任务。其中，比较著名的有：英国Shadow公司研制的Shadow Hand灵巧手[8]，该款灵巧手外形比人手略大，每根手指具有4个自由度，手指的驱动钢丝绳从手腕处引出，并固定在前臂的气动驱动器上；Bridg water等研制的Robonaut 手[9]，该款灵巧手采用气压驱动方式，可以实现手指关节独立控制，但是体积较大、控制系统繁琐、便捷性能差。马凝等利用接触力反馈模型，对全驱动五指灵巧手进行了研究[10]。
针对目前欠驱动灵巧手抓取性能差、全驱动灵巧手结构复杂、传感反馈控制繁琐等问题，本文中设计出一种模块化磁吸式关节的11自由度五指灵巧手。通过采用电流反馈的方式，建立起电流-转角-指尖力的数学模型，实现关节转动角度和抓取压力的反馈。实验证明，通过电流传感器的反馈控制算法，可以实现对灵巧手运动状态和抓取力的控制，实现对目标物的稳定抓取。
1灵巧手结构设计
设计的五指灵巧手由模块化手指关节和手掌模块组成。通过微型驱动电机与手指关节合二为一的设计方式，使电机的主体充当手指关节，微型电机通过金属齿轮减速箱减速后对手指关节进行驱动，通过永磁铁实现手指关节间的快速拆装。由于手指采用电机直接驱动方式，使得手指的转动驱动变得更加直接。在生理学上，人类的手分为左手和右手，多数的设计为左手或者右手，通过单手的操作实现类似人手的抓取功能，在一些复杂的操作场合，需要实现左右手的实时切换功能，目前支持双边抓取的末端执行器较少，在抓取效率和灵巧手的控制灵活性方面显得有些不足。本文中通过电机直驱关节的方式，使每个手指关节转动范围在-90°~90°之间，配合特殊设计的大转角拇指结构，可实现灵巧手的变胞结构，可同时兼容左右手的功能，并能实现双侧同时抓取。灵巧手外形尺寸与人手相似，主体部件采用3D打印制作，实物样机如图1所示。
在稳定的抓取操作中，需要手指和手掌的配合，实现对目标物的包络性抓取。本文中设计的磁吸式模块
化灵巧手可同时兼具左手和右手的能力，因此，手掌的手心和手背需要同时具备包络抓取功能，手掌相对于中心平面需要具备对称特性，并且手掌双侧均需要有防滑胶垫。手掌模型如图2
所示。
图1灵巧手样机
Fig.1Prototype of dexterous hand
图2手掌模型
Fig.2Hand model
本文中设计的磁吸式模块化五指灵巧手共有11个自由度。大拇指具有3个自由度，可以实现大拇指的侧摆动作，增强了手指抓取的灵活性；除大拇指外，每个手指具有2个自由度，手指关节的外形参照国标GB10000—88[11]中手部尺寸进行设计。由于人手的远指节和中指节具有跟随运动的特点，本文中将5个手指的远指节和中指节均采用一体式设计，称为复合指节，5个手指的近指节采用相同的模块化设计方法，便于手指间的维护与拆装。磁吸式模块化灵巧手的结构参数如表1所示。
表1灵巧手参数
Tab.1Parameters of dexterous hand
名称
手掌
复合指节
近指节
手指基座
拇指侧摆关节
长度/mm
95
44
32
40
33
宽度/mm
86
16
19
16
12
厚度/mm
24
20
14
14
14
转角/（°）
-90~90
-90~90
-125~125 1.1模块化手指结构设计
本文中设计的磁吸式五指灵巧手，除大拇指的侧摆关节外，其他手指的手指关节采用相同的结构设计。通过在手掌对应的食指、中指、无名指和小拇指的安装位置处设立不同的安装高度，实现手指相对于手掌的不同长度尺寸；模块化的单根手指可实现双向运动，为此，在手指的前后两个侧面均设置有防滑硅胶垫，在手指的左侧设置手指预紧的交叉弹力绳，可使手指在无电机驱动力时保持当前的状态；在每个手指的关节处设有一对永磁铁，分别
位于两个临近的旋转关节上，通过磁铁安装环上的两个定位柱实现同步传动，采用微型电机关节直驱的方式，具有结构精简、拆装便捷的优点。微型电机的D 型输出轴通过3D 打印的连接盘与直径为8mm 的圆形带孔永磁铁连接，连接盘的直径方向上设置有两个圆形定位孔，在手指的下一关节的圆环盘上有磁极相反的永磁铁以及对应的定位轴，通过轴与孔的配合实现电机转矩的传递。每个模块化手指的手指基座上安装有弹簧针，并在手指基座底部和手掌上有一对永磁铁，通过永磁铁的磁吸力使手指基座上的弹簧针和手掌中的弹簧针母座紧密接触，实现对手指驱动电机的供电。图3所示为食指三维模型
爆炸结构。
图3
食指爆炸结构图
Fig.3
Finger explosion structure diagram
若要实现同时兼容左右手功能，大拇指设计尤为关键。在左手抓取时，要求大拇指与当前手掌面在同侧并与手掌有一定的角度活动范围；在右手抓取时，要求大拇指与当前手掌面同侧并与手掌有一定的角度活动范围。因此，大拇指侧摆关节的摆放方式和转角范围，直接影响灵巧手在实现左右手功能时的灵活性和抓取稳定性。通过对人的左右手抓取动作分析，同时兼顾结构和拟人效果，设计了具有大转动角度的大拇指结构，大拇指的复合手指和近指节分别可实现-90°~90°之间的转动，大拇指的侧摆关节可带动整个大拇指在空间上实现-125~125°之间的转动，并且与手掌的水平横面具有15°的夹角，可更好地实现抓取操作，其具体结构如图4
所示。
图4大拇指结构Fig.4
Thumb structure
1.2
模块化设计家具
手指传动结构设计
微型电机通过交错轴和平行轴复合传动的减速方式，实现电机较大的转矩输出。在微型电机的减速箱上设置有两个通孔，用于安装弹力绳绕线的导向轴，同时在复合指节的同侧设有相同的安装孔位，将弹力绳的一端固定在复合指节上，然后分别交叉绕过上两个关节齿轮减速箱上的导向轴。在不受外力和电机驱动力时，手指关节间一侧的弹力绳在初始状态下具有一定的预拉力，使手指在弹力绳的预紧力下保持当前的位姿。当手指关节向前或者向后屈曲运动时，带动手指关节侧边的弹力绳进行方位的变动；当手指从完全伸直状态到其他状态的转变过程中，在交叉弹力绳的作用下会对物体进行柔性预抓取，避免了手指关节的较大突变力，这在易碎物品的抓取中显得相当重要。手指伸直和弯曲后的传动模型如图5
所示。
图5手指复位传动图
Fig.5Finger reset drive diagram
2电流反馈算法研究
在电机的驱动过程中当驱动电压不变时，电机的驱动电流与输出负载和转速分别成正相关，因此，可以通过电流值来反映电机当前负载和转速情况。通过电流闭环反馈算法，建立电流-指尖力-转角的数学模型，可以实现对手指的位置控制以及指尖压力的检测，从而实现闭环反馈抓取。2.1
手指传动系统模型分析
在手指的传动系统中，驱动力受到驱动电机惯量、转动系统惯量、抓取负载惯量等参数影响。同时，整个驱动系统还会受到不断变化的末端接触压力、传动部件反作用力的影响，本文中设计的磁吸式模块化灵巧手采用关节直驱的方式，避免了由手指关节转动摩擦造成的影响，其传递方程为
T =J s d w s
d t
+RF s
（1）式中，T 为微型电机转矩；J s 为传动部件的总惯量；w s 为驱动电机角速度；R 为关节回转轴心至指节末端
距离；F s 为指面压力。
驱动电机输出的转矩与驱动电机电流存在一定
的关系，其可以描述为
T =FR
（2）
式中，F 为电机驱动力。同时，电机驱动力和功率之
间的关系式为
F =P /v
（3）
式中，P 为功率；v 为速度，且v =2πRn ，其中，n 为转速，故有
P =2πn (J s
d w s
d t
+RF s )
（4）在驱动系统中，通过PWM 调压方式对驱动电压进行调控，可认为在单一驱动过程中驱动电压是不变的，所以，功率与电流之间成正比，则有
I =2πn
U (J s d w s d t +RF s )
（5）式（5）所示为灵巧手关节驱动系统中指尖压力与驱动电流之间的理论模型，为进一步研究压力和转角与电流信号之间的关系奠定了基础。2.2
电流与压力数学模型
通过采集实时电流变化情况从而计算出当前手指压力的大小，需要在手指上添加压力传感器和电流传感器进行反馈信号的采集与标定。为对信号采集系统进行数据采集以及对压力信号和电流信号进行有效的处理，搭建了如图6所示的单手指信号采集标定实验平台，该实验平台由模块化单根手指、电流传感器、压力传感器、PC 机、微控制平台组成。电流传感器选用的是型号为WCS2801的霍尔电流传感器模块，可检测1A 以内的电流，检测线性度为2V/A 。压力传感器选用型号为FSR400的电阻式压
力传感器，重复测量精度可达±2%
。
图6
单手指实验平台
Fig.6
Single finger experiment platform
为了对指尖压力F 与电机驱动电流I 的关系进行建模，通过上位机对灵巧手控制系统发出指令，手指在给定驱动电压下进行转动并与目标物接触。以电流信号脉冲周期为间隔，选取同一时刻电流值和压力值的瞬时值作为一组实验数据，共选取20组驱动电流和指尖压力数据，并在Matlab 拟合工具箱中进行了数据拟合，得到如图7所示的拟合曲线。
由图7所示可知，当驱动电机电流小于120mA 时，抓取力为0N ，说明手指末端未接触被抓取物
体；当驱动电流在121～182mA 范围内，曲线较为平缓，说明此时指尖压力随驱动电机电流变化较平缓，对应的阶段为手指的指面刚开始接触物体，在弹力绳作用下未实现对目标物的完全抓紧；当驱动电机电流在431～639mA 范围内，曲线不断倾斜，对应的阶段为手指已开始夹紧工件，驱动电机输出转矩不断增大，指尖压力也随之急剧上升，最终电机堵转，指尖压力与驱动电流均达到最大值。所以，通过指尖压力和驱动电机电流的关系曲线，即可对
指尖压力进行预测和控制。
图7压力与驱动电流拟合曲线
Fig.7
Pressure and drive current fitting curve
选取不同的拟合方程，最终得到指面压力与电流传感器读数之间的对应方程，即
F s =4.455×10-8C 3d -3.825×10-5C d
2
+0.015C d -1.186（6）
式中，F s 为指面压力，N ；C d 为读取的电流传感器电
流值，mA 。2.3
电流与关节转角数学模型
为了建立驱动电流与手指关节转角之间的模型，需要得到在已知转动负载下，驱动电流与转角速度之间
的关系。在手指接触到目标物之前可认为手指为空载运动，驱动电流不发生变化。算法的基本原理是在不同驱动电流下，使手指空载运动，并且认为该运动过程为匀速运动，记录不同驱动电流下手指驱动时间和手指关节转角之间的关系，从而得到手指碰触目标物电流发生跳变前的驱动时间，进而得到当前手指的转动角度，驱动电流越大，手指转动角速度也越大。
本文中在7~12V 驱动电压下进行了数据获取实验，每种驱动电压进行10次驱动操作并记录下该驱动电压下对应的驱动电流、驱动时间及驱动时间内关节转动角度。将获得的数据去除最大和最小值后，进行取平均值处理，消除偶然因素带来的影响，驱动电流与对应角速度数据如表2所示。
表2
不同驱动电压下驱动电流与角速度关系
Tab.2Relation between driving current and acceleration under
different driving voltage
驱动电压/V 驱动电流/mA 角速度/（（°）/s ）
7
15429
8
18638
9
24257
1035686
1147396
12
584103
为了得出不同驱动电流与角速度的关系公式，将表2中的数据在Matlab 的拟合工具箱中进行了数据拟合，得到如图8
所示拟合曲线。
图8
驱动电流与角速度曲线
Fig.8
Curve of driving current and angular velocity
通过对表2中的数据选取不同的拟合方程，最终得到了驱动电流与角速度之间的关系方程，如式（7）所示，通过获取角速度数据以及驱动时间T d ，就可以确定在对应时间内手指关节的转动角度。w s =-4.47×10-4C 2d +0.503C d -38.27
（7）
式中，w s 为手指关节转角速度，（°）/s 。
3抓取实验
图9所示为实验测试平台，实验装置主要包括灵
巧手样机、控制系统、供电系统。控制板采用Ardui‐no Mega2560，电机驱动板采用L9110S 驱动模块，电流传感器采用型号为WCS2801
的霍尔电流传感器。
图9实验平台
Fig.9
Experiment platform
本文中采用单一电流传感器反馈的方式，通过不同的算法得到了电机驱动电流与指尖力以及关节转角之间的数学关系，可同时检测手指的运动位置和指尖压力大小。通过电流传感器获得电流信号，然后采用电流-转角数学模型得出手指的转动角度，通过电流值是否发生跳变检测是否与目标物接触，
接触后将电流信号代入到电流-指尖力数学模型中，从而实现对目标物的稳定抓取。物体的抓取程序流程如图10
所示。
图10抓取流程图Fig.10
Grasp flow chart
为了对灵巧手的实用性及抓取算法稳定性进行验证，分别对物体质量在3~500g ，外形尺寸在40~120mm 之间的物品进行抓取实验，结果如图11所
示。从图11中可以看出，本文中设计的磁吸式模块化灵巧手不仅具有较强的抓取能力，尤其是可同时实现对目标物的双边稳定抓取，并且通过电流反馈设计的电流-指尖力和电流-转角控制算法具有很强
的抓取实用性，同时具有很高的抓取稳定性。