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灵活机械手的机械系统和控制系统

Dirk Osswald, Heinz Wouml;rn

University of Karlsruhe

Department of Computer Science

Institute for Process Control and Robotics （IPR）

Engler-Bunte-Ring 8 - Building 40.28

D-76131 Karlsruhe

email: osswald@ira.uka.de , woern@ira.uka.de

摘要:近年来，世界上发展了许多具有多指夹取手的机器人系统。已经采取了许多不同的方法，拟人的和非拟人的。不仅研究了这种系统的机械结构，还研究了必要的控制系统。以人手为例，这种机器人系统使用它们的手来抓取不同的物体，而不需要改变抓取器。这种机器人手的特殊运动能力，如小质量和惯性，使得可以在手的工作空间内对抓取的物体进行复杂的操作和非常精细的操作。这种复杂的操作可以是围绕任意角度和轴旋转抓取的物体，以及所需的重新抓取操作，而不需要放置物体并再次拾起它。本文概述了这种机械手的设计，并介绍了这种机械手的一个例子——卡尔斯鲁厄灵活手ⅱ。论文最后介绍了一些新的想法，这些想法将被用来为使用液压驱动器的类人机器人构建一个全新的机器人手。

关键词:多指夹取，机器人手，精细操作，机械系统，控制系统

引言

2001年7月在德国卡尔斯鲁厄成立的特殊研究领域“人形机器人”旨在开发一种机器人系统，该系统可以在厨房或客厅等“正常”环境中与人类进行物理协作和互动。这种机器人系统被设计为在非专业、非工业环境中支持人类，它必须能够抓取不同大小、形状和重量的物体。而且它还必须能够精细地操作被抓住的物体。如此大的灵活性只能通过适应性强的机器人抓具系统，即利用所谓的多指抓具或机器人手来实现。

在上述研究项目中建造的人形机器人将配备使用机械手系统。新手将由两个研究所合作建造，一个是卡尔斯鲁厄大学的IPR（过程控制和机器人研究所），另一个是卡尔斯鲁厄研究中心的IAI（应用计算机科学研究所）。这两个组织都有建立这种系统的经验，但是观点略有不同。在IPR建造的“卡尔斯鲁厄灵活手Ⅱ”（见图1），在这里详细描述，是一个四指自主抓取器。IAI制造的手（见图17）是为残疾人制造的假肢。到目前为止所采用的方法将在下面的章节中介绍和讨论，因为它为人形机器人的新型手奠定了基础。

图1:来自IPR的卡尔斯鲁厄灵活手Ⅱ

机器人手的一般结构

机器人手可以分为两个主要的子系统:

• 机械系统
• 控制系统

第3节中进一步描述的机械系统可细分为:

• • 机械设计
  • 驱动器系统
  • 传感器系统

以及第节4中描述的控制系统至少包括:

• • 控制硬件
  • 控制软件

对于每个部分，我们将描述机器人手的一般考虑因素，然后介绍Karlsruhe灵活手Ⅱ的示例性实验。

机械系统

机械系统描述了机械手的样子以及它是由什么样的部件组成的。它定义了机械设计，例如手指的数量和所用材料的种类。此外，还安装了驱动器（例如电动机）和传感器（例如位置编码器）。

构造设计

机械设计决定了手的基本“灵活性”,即可以抓住什么样的物体以及可以用抓住的物体进行什么样的操作。当设计机器人手时，必须解决三个基本方面:

• 手指的数量
• 每个手指的关节数
• 手指的大小和位置

为了能够在手的工作空间内安全地抓住和操纵物体，至少需要三个手指。为了实现完整的6个自由度（3个平移自由度和3个旋转自由度）来操纵被抓握的物体，每个手指至少需要3个独立的关节。这种方法被用于第一只卡尔斯鲁厄灵活手。然而，为了能够重新抓取一个物体而不必松开它然后再拿起它，至少需要4个手指。

为了确定手指的大小和位置，可以采用两种不同的方法:

• 拟人的
• 非拟人化

然后，这取决于要操作的对象以及选择哪一个所需的操作类型。拟人化的放置允许容易地转移抓取策略，但是每个手指的不同尺寸和它们的不对称放置使得构造更加昂贵，并且控制系统更加复杂，因为每个手指必须被单独处理。

当采用非拟人化的方法时，通常相同的手指被对称地布置。这降低了建造成本并简化了控制系统，因为只需要建造和控制一个单独的“手指模块”。

执行器系统

手指关节的驱动也对手的灵巧性有很大影响，因为它决定了关节运动的潜在力、精度和速度。必须考虑机械运动的两个不同方面:

• 运动生成
• 移动转发

文献中描述了这些方面的几种不同方法。例如，该运动可以由液压缸或气压缸产生

或者，在大多数情况下，由电动机驱动。

由于运动发生器（马达）在大多数情况下太大而不能直接集成在相应的手指关节中，所以运动必须从发生器（大多数情况下位于机器人臂的最后一个连杆中）传递到手指关节。同样，可以使用不同的方法，如腱、传动带或柔性轴。手指关节的这种或多或少的间接致动的使用降低了系统的鲁棒性和精度，并且使控制系统变得复杂，因为一个手指的不同关节通常是机械耦合的，并且必须通过控制系统在软件中解耦。由于这些缺点，希望将小型化的运动发生器直接集成到手指关节中。

敏感元件系统

机器人手的传感器系统将来自硬件的反馈信息提供给控制软件。这对于执行手指或抓握物体的闭环控制是必要的。机器人手使用三种类型的传感器:

• 夹持器状态传感器确定手指关节的位置，从而确定指尖的位置以及作用在手指上的力。知道指尖的准确位置使得精确的位置控制成为可能，这对于灵巧的精细操作是必要的。有了手指施加在被抓物体上的力的知识，就有可能抓住易碎的物体而不打碎它。
• 抓握状态传感器提供关于手指和物体之间的接触情况的信息。该触觉信息可用于确定抓握时与物体的第一次接触的时间点，并避免不期望的抓握，如在物体的边缘或顶端抓握。但是它也可以用于检测已经抓住的物体的滑动，这可能导致物体的丢失。
• 物体状态或姿态传感器用于确定抓取器工作空间中物体的形状、位置和方向。如果在抓取物体之前，这些数据不是确切知道的，对象状态传感器仍然对被抓取的对象起作用，那么它也可以用于控制被抓取的对象的姿态（位置和方向）,例如检测滑动。

取决于驱动器系统，可以在运动发生器处或者直接在关节处测量关于手指关节位置的几何信息。例如，如果在电动机和手指关节之间存在刚性耦合，那么关节位置可以由电动机轴上的角度编码器测量（在齿轮之前或之后）。如果联轴器刚度较低并且需要高位置精度，这时是无法测量的。

卡尔斯鲁厄灵活手Ⅱ的机械系统

为了允许更复杂的操作，比如重新抓取，现在的卡尔斯鲁厄灵活手Ⅱ （KDH ）有4个手指，每个手指有3个独立的关节。它设计用于工业环境中的应用（参见图2）并用于操纵像盒子、圆柱体、螺钉或螺母这样的物体。因此，选择了四个相同手指的对称非拟人化配置，每个手指旋转90度（见图3）。

由第一只卡尔斯鲁厄灵活手获得的经验，传动带引起的机械问题或由大摩擦系数引起的控制问题，KDH Ⅱ选择了一些不同的设计决策。每个手指的关节2和3的直流电机集成到前面的手指肢体中（见图4）。这允许使用非常硬的滚珠主轴齿轮来将运动传递到手指关节。角度编码器直接在电机轴上（在齿轮之前）用作非常精确的位置状态传感器

为了感测手指施加到物体上的力，已经开发了六维力扭矩传感器的原型（见图5）。它可以用作最后的手指肢体，并配有球形指尖。它既能抓住轻的物体，也能抓住重达3至5公斤的相对较重的物体。该传感器能够测量x- y-和z-方向的力以及围绕这些轴的扭矩。

此外，3个共线激光三角测量传感器安装在KDH Ⅱ的手掌上（参见图4）。因为有三个这样的传感器，所以如果物体的形状已知，不仅可以测量三个单点的距离，而且可以测量被抓物体表面的距离和方向。如该物体姿态传感器以1 kHz的频率工作，允许检测和避免滑动的物体。

图2:安装在工业机器人上的KDH二号

控制硬件(微控制器)

一根完整的手指

固定框架

3个激光传感器

图3:KDH Ⅱ的俯视图

图4:KDH二号的侧视图

图5: 6自由度力扭矩传感器，应变计传感器用作KDH Ⅱ的最后一个手指肢体

操纵系统

机器人手的控制系统决定了机械系统提供的哪些潜在的灵活技能可以被实际利用。如前所述，控制系统可以细分为控制计算机或硬件和控制算法或软件。

控制系统必须满足几个相互冲突的要求:

• 必须附加许多输入/输出资源，如传感器信号。例如，对于具有9个自由度的最小手，必须估计到马达的至少9个模拟输出和来自角度编码器的9个输入。通过每个手指的力和触觉传感器以及附加的物体状态传感器，输入的数量迅速增加到几十个。
• 需要对外部事件实时做出快速反应。如果检测到被抓物体滑动，必须立即采取应对措施。
• 必须具备针对多种不同任务的高计算能力。例如路径规划、坐标变换、闭合，软件中的循环控制对于多个手指以及对象是并行执行的。
• 需要小的物理尺寸来将控制系统集成到操纵系统中。
• 应该使用控制系统和驱动器和传感器之间的短电连接。这对于传感器尤其重要，否则大量干扰可能会干扰传感器信号。

控制硬件

为了满足这些要求，控制硬件通常分布在几个专门的处理器中。例如，最低层（电机和传感器）上的输入/输出可以由简单的微控制器处理，该微控制器也是小尺寸的，因此可以更容易地集成到操纵系统中。更高级别的控制需要更多的计算能力和灵活的实时操作系统的支持，但这可以通过类似PC的组件很容易地实现。

因此，控制硬件通常由非统一的分布式计算系统组成，一端是微控制器，另一端是更强大的处理器。不同的计算单元必须与通信系统连接，例如总线系统。

控制软件

机器人手的控制软件相当复杂。必须实时和并行地控制几个手指，同时必须同时规划手指和物体的新轨迹。因此，有必要通过将问题分成子问题来降低复杂性。

另一个方面涉及软件开发。由于机器人手通常是一个研究项目，它的大部分生命周期，编程环境，如用户界面，编程工具和调试设施，应该是强大和灵活的。这只有在使用标准操作系统的情况下才能实现。

机器人学中常用的分级控制系统方法必须进行调整，以适应机械手控制的特殊需要。

卡尔斯鲁厄灵活手Ⅱ的控制系统

如第节所述4.1 卡尔斯鲁厄灵活手Ⅱ （KDH ）采用了分布式控制硬件方法（见图6）。一个微控制器用于分别控制一个手指的驱动器和传感器。附加的微控制器用于物体状态传感器（激光三角测量传感器）。这些微控制器（图6中左边和右边的外盒）直接安装在手上，因此保证了与驱动器和传感器的短电连接。微控制器通过串行总线系统（CAN总线）连接到主控制计算机。

KDH Ⅱ的主控制计算机（图6和图7中的浅灰色方框）是由6台工业PC（PC 104标准）组成的并行计算机。这些电脑排列在一个2D平面上。相邻PC模块（一台PC最多有8个邻居）使用双端口RAM （DPR）进行快速通信（图6中的深灰色方框）。

一台PC机分别控制一个手指。一台PC控制物体状态传感器并计算物体的位置。剩余

的PC放置在与前面提到的所有PC相邻的位置。它用于整个控制系统的协调，控制软件的结构反映了控制硬件体系结构。如图8所示。在本地手控系统的三个最高级别上，执行在线规划。

图6:KDH Ⅱ的控制硬件架构

图7:用于控制KDH Ⅱ的并行主计算

手指n执行器

手指传感器

局部目标路径规划

手指控制器

手指控制器1

局部抓取规划

物体运动 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

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