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1、论文翻译 轻量仿真机器手的模块化设计摘要：这篇文章中提出了人造机器手的模块化设计。基于人体协助机器人工程之一的人造仿真手原型，提出了的模块化的概念。机械手的模块化机构和维修原型的资料 模块化械手原型的细节应特殊关注。文章同时提出了设计原型的组成部分、灵活的功能、技术特性以及仿真手控制系统。此外，在总结中介绍了两只仿真机械手原型，这两只机械手与仿真机器人及首次操纵经验相关。一 引言最近服务机器人的发展经历了快速的增长。根据美国经济委员会（UNECE）与国际机器人联盟于2005年十月合作的一项关于机器人的统计报道中，预测出2005-2008年专业服务机器人增长的稳定因素。报道声称超过一百万家用机器
2、人在使用，在几年后家用机器人的需求量将达到数百万一些服务机器人已经能够与人类相互配合，但他们应能够自主地帮助人们。因此，类似多感应知觉、认识、机动性、以及能够用户设置的仿真机器人，可能成为人机交流方向的关键技术。人造终端受动器的控制能力是机器人交流的重要部分，并且已经设计出了许多人造机械手和夹子。总之，大量特殊的应用建立了人造操纵系统。通常，执行机构被放置在机械手的前肢里。研究人员在建立系统时，通常试图遵守可靠性的观点。比如，包括了可靠性、可维护性、安全性等特性。尽管如此，应该以用户的观念去改进具有操纵功能的服务机器人的设计观念。最近，一些如运动能力、操纵能力、适应能力、感应能力等人机交流的方
3、向，对服务机器人特别是操纵器非常重要。这篇文章描述的是人造仿真手发展获得的进步。它是仿真机器人研究工程的一部分。人造机械手是如何多功能以及怎样获得多功能的呢？这些将在文章中论述。二 设计机械手A 模块化设计最新的人造机械手在第一部分已介绍。机械手的设计原型包括拟人机械框架、柔性流体传感器、8门阀门以及一个电子元件。人造构架使一个人造手的框架成型，它具有一个拟人的特征，类似于人手的尺寸，以及包含由高抗张强度的铝做成的5个手指以及人造掌骨。拇指的结构不同于其他手指，允许反向运动。手指由人造骨头和关节构成。以模块化设计整个系统，所有的关节与骨头相同，并且共用通用配件。利用元件去安排和修复不同部位元件
4、，而不用任何特殊通道，从而使机械手的框架以不同方式安装好。例如各种长度的手指或指骨的长度，以这样方式去设计机械手。这允许设计各种型号和各种形状的机械手，并且减少生产成本。总之，执行机构的数量具有多种，或者被动关节能够取代活动关机，而不用执行构件。因此在测试中，机械手的动力能够优化，以适应不同的抓取活动。模块化机械手的设计规定所有元件是紧凑的装置。基本的界面允许利用机械手不同平台以完成的服务。手指的直接刺激节省空间，在机械手的掌骨中，阀门和电子设备相互协调。除了6个大气压和7.5V直流供电，人造手不能依赖于外界的元件或设备。这给予一个机器手的轻量化结构。为了完成人造机械手的设计，研究人员正在研发
5、和优化一个新等级的流体执行机构。这个流体执行机构将推动人造机械手。柔性流体执行机构装置在机械手里，相类似于其他直接储存弹性能量的执行元件。引用文13描述了像这样的执行机构的原理。为了确保机械手指拟人的表现，关节的机械结构被微型化。在应用压力和张力的运动中，手指关节的弹性腔体将被拉伸。因此，人造手只需要空气供应去实现功能。柔性流体执行元件提供了优良的能量，以实现重量比例、动力性能、紧凑小巧以及轻量化。由于众多的标准，流体执行元件已经被广泛地应用在微型机器人，就像其他高科技的执行机构一样。人造机械手在抓取过程中的位置设置为微型阀口8-2-2通道微型阀口，以独立控制而又不相互影响。因此，在不同的抓取
6、类型中，阀门能够独立地控制。电子元件被整合在一块单独的微型多层电路板中。它包括由引导阀门、数模转换器、一系列RS232接口功能的一个微型程序控制器PIC16F877构成。RS232接口被用于识别个人电脑或传输特殊指令到整个机械手控制系统，例如位置或压力传感信号传输到机器人中。在同一平台上，执行末梢周围到电子设备直接连接微型链接器。B 控制系统表2描述了机械手的基本控制系统概念。整个系统有三层体系。利用位置和能量传感器、阀门和执行机构，最底层负责完成原始抓取取样。最高层和中间层依次地设置为选择合理的抓取样本和协调手臂的功能。利用特殊软件，底层的机械手控制系统与末梢元件进行相互接通。CCS公司曾利
7、用PCW编译程序设计这个软件。高层控制系统和底层控制是通过RS232接口传输信号。这个信号从机械人传到机械手和控制器，机械手的位置控制信号以200赫兹传送。C 关节位置传感器 利用10比特免接触磁性旋转译码器AS5040，可实现关节传感角度。在引用文15中，描述此芯片的机械性能。用于角度测量的免接触磁性旋转译码器，是由在一个装置里的环形门电路元件和数字信号处理电子元件构成。把具有两个洞的磁铁放在芯片和高分辨率的角度测量设备的旋转中心上，以便进行360度测量。利用每次旋转0.35或1024位置，可使门电路元件增加磁体的磁场；磁场分布在图3中。D 应力传感器 由于传感器利用了圆顶形传导聚合物，因而
8、能够选择和改进压力传感器（型号FRS149）。这些传感器由于小尺寸（0.5*0.75）而能够整合在手指的指骨中。在传感器的应用中，FRS的接触抗力与能量互成比例。电压分配器调试用于测量更低的接触应力（从1N-5N），并且当接触应力达到100N时，能够以合理方式去测量它。E 压力传感器利用压电-压力传感器去控制柔性流体传动机构压力（表5）。这种设计方案使传感器非常小巧紧凑，所以能够整合到每个阀门中。这种传感器包含了一个硅测量电池，他们是线性（0.25%FS），拥有1mv的线性稳定性，当压力从2-1000bar变化时，强度仅变化0.01%/。F 性能 由于拇指的特殊设计，仿真机械手能够表现出大量的
9、手势和抓取类型。比如抓取圆筒电池、侧面、三角台、曲面、球面等六种抓取手法，这些都被定义为机械手程序化前的标准抓取类型的原型。其他抓取手法也可程序化前设计。例如，按按钮或操纵开关时，其他手指弯曲，食指可以伸长。由于模块化的设计，机械手能够获得大量的手势。一个15厘米跨度接近一个新的设计原型。在抓取过程中，利用11自由度和柔性传动机构，机械手能够使手指适应各种形状的物体。因此，在抓取中需要低接触应力，并且接触应力类似于人手那样分布。此外，在抓取过程中，为了确保抓取物体的平稳性，增加了手和物体的接触面积。只有在原型中利用轻量化材料，机械手运动时才能充满动力；并且在1秒内，所有的手指都能够弯曲。为了获
10、得优良的重量比，整只机械手的重量只有245克；就像其他机构的机械手结构，例如在8中的装置发动机。三 应用程序Karlsruhe大学灵活机器人的发展，是Collaborative研究中心588工程“仿真机器人-多种方式学习与合作”的主要目标。这个灵活的机器人是仿真设计的服务机器人。根据这项工程的主要目标，这个机器人应装备2个人造机械手，并且能够直接在厨房中和用户合作，以帮助老人或残疾人。机器人特征系统包括拟人运动系统和智力系统。它能够与用户以说话、手势、接触的形式交流。在服务机器人的责任与任务中，也计划了自学和在人类帮助下学习的能力。图6是机器人在厨房中首次测试表演。这个实验展示了机械手能够抓拿物体。类似瓶子、杯子、抽屉把手、洗碗机把手等物体，都是普通的测试抓取对象。四 总结人造机器人手的雏形，展示了一个轻量的人造机器人系统的模块化设计。这个结构有许多特点。仿真机械手集成高功能化，以及可实现和预编程明确的运动方案（抓取类型）。应用柔性传感器，使机械手具有高柔度和灵活性。，为了确保在精确抓取和保持物体上，加入了传感协助控制和适应器，并且能够得到精确的接触应力分布。轻量化元件以及智能控制系统得加入，使机械手对用户足够安全。模块化的设计、简单的维护、方便的安装，以及可应用在仿真机器人上，这些都展示出人造机械手的多功能性。
