- I -基于多傳感器的空間機器人手爪結構設計摘要人類的空間活動己經(jīng)由單純的空間考察和研究時代進入開發(fā)利用空間資源的時代，獨特的太空環(huán)境為人類提供了特定的科研場所和空間生產(chǎn)基地?？臻g機器人不僅可以取代人去完成某些特定工作，也可以完成某些人所不能夠完成的工作。世界各空間大國均充分認識到空間機器人在未來空間活動的重要作用，都在加緊進行空間機器人的研制工作，并投以巨資加以支持，但是建造一種全自主式的智能機器人系統(tǒng)，而采用多傳感器智能手爪系統(tǒng)賦予空間機器人局部自主能力的方案己得到專家們共識。將多種傳感器集成在機器人手爪上構成多傳感器集成手爪系統(tǒng)能最有效地反映外界環(huán)境及工作對象的狀態(tài)，最直接的描述工作對象及其所在的外界環(huán)境、操作工具及其所操作的對象的關系，基于多種傳感器信息通過信息融合技術將這些信息合并成統(tǒng)一的綜合信息，從而準確、全面地描述和識別環(huán)境中物體的特征，供機器人進行識別、判斷、決策和規(guī)劃，進而在高層次上進行控制，因此研制空間多傳感器智能手爪成為空間機器人關鍵技術之一空間機器人智能程度的高低很大程度上平?jīng)Q于先進的傳感器技術、多傳感器集成技術以及多傳感器信息融合技術?？臻g機器人多傳感器智能手爪的研究正式致力解決多傳感器集成技術及其多傳感器信息處理技術。同時，該項目的研究是在跟蹤世界先進水平，掌握國際上空間機器人多傳感器智能手爪最新技術，縮短同國外先進水平差距的背景下進行的，該項成果對加速我國空間機器人的發(fā)展發(fā)揮了積極作用，并將推動我國空間機器人技術的發(fā)展。關鍵詞 空間機器人；傳感器；結構設計；三指手爪 - II -Structural Design of Space Robot with Three Refers to Gripper Based on SensersAbstractMankind's space activities have been purely through the era of space exploration and research into the development and utilization of space resources of the times, the unique environment of space for human provide a specific place and space scientific research production base. Space robots can replace people to complete certain work and to be completed by some people not able to complete the work. The world's space powers are fully aware of space robots in the future the important role of space activities, are stepping up the development of space robots, and voted to huge amounts of money to support it, but the construction of a fully autonomous intelligent robot system And the intelligent use of multi-sensor system gives space robot gripper partial autonomy of the programme has been the experts consensus. Will be integrated in a variety of sensors on a robot gripper Gripper integrated multi-sensor system can most effectively reflect the external environment and the objects of the state, the most direct description of the objects of their work and where the external environment, and its operational tool operated by the object of the Relations, based on a variety of sensor information through the integration of information technology will be merged into a unified comprehensive information to accurately and comprehensively identify and describe the characteristics of objects in the environment for robot recognition, judgement, decision-making and planning, then at the top On the control and therefore more room for development of smart sensors Gripper become one of the key technologies of space robots for space robots smart-level summary to a large extent the level in advanced sensor technology, multi-sensor integration technology and multi-- III -sensor data fusion technology. Space Robot multi-sensor smart gripper of official efforts to solve the multi-sensor integration technology and its multi-sensor information processing technology. At the same time, the project's research office in tracking the world's advanced level, grasp the international space robot gripper as intelligent multi-sensor technology to shorten the gap with foreign advanced level in the context of, the results of speeding up the development of China's space robot Play a positive role in promoting China's space and the development of robot technology.Keywords Space Robot ；Sensors；Structural Design；three refers to gripper- IV -目錄摘要 .IAbstractII第 1 章 緒論 11.1 課題研究的背景和意義 .11.2 國內外研究現(xiàn)狀 .11.2.1 德國 ROTEX 計劃中多傳感器智能手爪系統(tǒng)概況 .11.2.2 日本 ETS_VII 計劃中的多傳感器智能手爪系統(tǒng)概況 .21.2.3 哈爾濱工業(yè)大學多傳感器集成手爪系統(tǒng) 41.3 本文選題的意義及主要內容 .51.3.1 選題的意義 51.3.2 本文的主要內容 6第 2 章 多傳感器集成三指手爪的機械設計 72.1 三指手爪系統(tǒng)的組成 .72.2 三指手爪本體機械模塊組成 .72.3 手指部件的設計 .82.3.1 設計原則 82.3.2 電機的選取 92.3.3 齒輪的設計 102.3.4 其他零件的設計 102.4 Pro/engineer 繪制手爪三維圖 .11第 3 章 三指手爪傳感器設計 143.1 多傳感器系統(tǒng)的配置 .143.2 三指手爪機器人多傳感器系統(tǒng)的配置 .153.3 三指手爪多傳感器系統(tǒng)的結構設計 .163.3.1 傳感器系統(tǒng)設計的必要性 163.3.2 六維剛性力/力矩傳感器的結構設計 .163.3.3 六維柔性腕力傳感器的結構設計 183.3.4 陣列式觸覺傳感器的結構設計 223.3.5 激光測距傳感器的結構設計 243.3.6 小型 CCD 攝像機 27結論 28致謝 29參考文獻 30- V -附錄 A 31附錄 B 34- 1 -第 1 章 緒論1.1 課題研究的背景和意義建造一種全自主、自身健全并具有近似人類智能水平和靈活操作能力的機器人系統(tǒng)，就目前技術而言還很不現(xiàn)實，如何滿足現(xiàn)階段空間任務要求能夠完成空間操作和太空移動的機器人的需要，空間機器人界經(jīng)過認真分析找出了新的出路，即利用先進的遙操作系統(tǒng)，建造具有一定自主能力的機器人，充分利用現(xiàn)階段可行的技術并結合人的高智能，構成一種人機交互系統(tǒng)，即所謂的智能遙操作技術（intelligent teleoperation)，是當前的最佳選擇 [1]。目前，國外一些技術先進的國家已研制出多種手爪系統(tǒng)，而采用多傳感器智能手爪系統(tǒng)賦予空間機器人局部自主能力的尤以德國 ROTEX 計劃，日本 ETS-VII 為代表，下面就德國、日本空間機器人計劃中多傳感器智能手爪進行簡要介紹，從中可以了解國外空間機器人多傳感器智能手爪的發(fā)展狀況和發(fā)展趨勢 [2]。1.2 國內外研究現(xiàn)狀1.2.1 德國 ROTEX 計劃中多傳感器智能手爪系統(tǒng)概況德國參加歐洲宇航局空間實驗的主要項目為“人參與的自由飛行” ( MTFF Man Tended Free Flyer )，該項目的主導思想是宇航員只須每隔半年去照看空間機器人室，而其余的時間，通過監(jiān)控自主方式進行工作。就整個歐洲來說，1985 年以前，并沒有任何有關空間機器人方面的研究經(jīng)驗，所以 1985 年德國宇航院提出了一項研究計劃 ROTEX(Robot Technology ExPeriment)，對空間機器人作探索性實驗 [3]。這是自動化領域在空間進行的首次實驗，并于 1993 年搭載美國哥倫比亞航天飛機成功地完成了一系列空間作業(yè)。ROTEX 計劃的主要技術之一是成功地采用了多傳感器智能手爪系統(tǒng)實現(xiàn)機器人的局部自主。ROTEX 計劃的主體特征：一個工作范圍為 l 的六自由度機器人安裝在空間艙某處，其末端裝3m有多傳感器集成的智能手爪；作業(yè)任務：包括機械結構件裝配，電子插頭的聯(lián)接和分開以及浮游物體的捕捉；- 2 -操作模式：主要包括自動地面預編程和再編程，利用立體電視監(jiān)控器的宇航員太空搖操作，利用預測計算機圖形的地面遙操作以及遙遠傳感器編程 [4]。ROTEX 計劃的主要目標：在機器人的加速運動規(guī)劃的關節(jié)控制模式；檢驗 DLR 的基于傳感器六維控制球在零重力情形下的應用；檢驗一個復雜的具有強大人機接口能力的多傳感器機器人系統(tǒng)的功能。ROTEX 計劃中多傳感器智能手爪的重要特征是多傳感器集成。手爪配置的傳感器屬于新一代的 DLR 機器人傳感器，這些傳感器是基于所有模擬處理和數(shù)字運算操作均在各個傳感器至少在手爪腕部完成的概念下研制的，這意味著傳感器的電子部件 SMD 化，傳感器的預處理、預放大、數(shù)字補償?shù)榷技稍谑肿Ρ倔w內，它是一個高度集成化、智能化的傳感器系統(tǒng)，可以說是目前世界上最復雜的一個手爪。ROTEX 計劃中的智能機器人手爪為單自由度、平行雙指型手爪，其上的傳感器配置如下：9 個激光測距傳感器，其中一個中距離掃描測距傳感器，其測距范圍為 3~35cm ，其余 8 個短距離測距傳感器的測距范圍為 0~3cm，它們均等地安裝在兩個手指指尖部位；2 個為 個感應單元的二進制觸覺陣列傳感器；2316,4m?一個基于應變片測量的剛性六自由度力/力矩傳感器；一個微型 CCD 攝像機；手指驅動器，即驅動手爪開合的步進電機，盡管它不是傳感器，但在整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸中，它也被作為傳感器處理。該手爪采用先進的通訊結構，從整個手爪引出的線只有 4 條，其中兩條為電源線，兩條為各種傳感器的信息輸出線，采用 375K 波特率的串行通訊總線完成這種通訊，最終將提高到 10M 波特率的通訊頻率，該手爪安裝在一個工作空間為 l 的六自由度機器人上，全部實驗在航天飛機的3m空間實驗艙進行。1.2.2 日本 ETS_VII 計劃中的多傳感器智能手爪系統(tǒng)概況ETS-VII(The Engineering Test Satellite）計劃由日本宇宙開發(fā)事業(yè)團(NASDA)承擔，主要研制一種自由飛行服務系統(tǒng)— 技術實驗衛(wèi)星 VII 型機器人，預計在太空完成燃料加注，更換電池等衛(wèi)星服務工作，也要完成目標星的捕捉和固定等任務 [5]。為了能使空間機器人在軌道上完成精密復雜的作業(yè)，MITI(Ministry of International Robotic Trade and Industry) 正在研制一種多傳感器智能手爪ARH(Advanced Robotic Hand）參與 ETS-VII 空間機器人飛行實驗。該智能- 3 -手爪的研制基于以下兩個出發(fā)點：一為通用性和遙控末端能力是空間使用單一機器人完成多項任務的前提，下一代空間機器人要求具有多自由度，靈活的手爪；二為基于傳感器控制的局部自主能夠克服從地面到空間的時間延遲和通訊能力缺乏造成的遙操作的困難，手爪的感知功能和智能是提高自主的關鍵 [6]。1. ARH 空間實驗簡述ARH 空間實驗的目標為：I)驗證多自由度多傳感器智能手爪對于靈活軌道服務的潛力；II）開發(fā)和測試空間機器人關鍵的機電部件；III）精密裝配；VI）材料樣本的采集；V）浮游物體的捕捉；VI)ARH 與 ERA 之間的物料傳遞。ARH 的操作模式：I) 借助數(shù)據(jù)通訊衛(wèi)星 COMET 從地面遙控操作；II)自主操作；III）遙控與自主混合操作。2. ARH 系統(tǒng)多傳感器智能手爪安裝在長約 40cm 的 5 自由微型手臂的末端，手爪具有更換功能，即手爪在軌道上通過編程控制即可以與微型手臂脫開，又可以與手臂聯(lián)接。實驗目標物體如插頭、螺栓、裝配物體等安裝在工作臺上。工作臺上有手爪鎖緊裝置，用以發(fā)射時固定手臂和手爪，該裝置還用于手爪的更換平臺。見圖 1-1[7] 所示。3．多傳感器智能手爪日本學者認為多自由度多指手爪缺乏機械的可靠性和實用性，并且存在著抓取穩(wěn)固性和控制復雜性的問題，在空間手爪必須可靠地抓取和作業(yè)，不能出差錯，在微處理器防輻射能力有限的情況下，很難可靠地控制多自由度。多手指手爪。從這點出發(fā)，研制了一種使用簡單、可靠的機械機構稱為半靈活性（Semi-dexterous ）三指手爪，見圖 1-2 所示。圖 1-1 ARH 系統(tǒng) 圖 1-2 ETS_VII 多傳感器智能手爪該手爪共配置五種傳感器，具體如下：- 4 -3 個測距傳感器，安裝在手爪的外殼上，主要用于接近工作臺控制，也用于始終面對工作臺的姿態(tài)控制；一個 CCD 眼在手上（ Hand-in-eye)攝像機，主要用于目標物體的測定、微細定位及監(jiān)視；握力傳感器，通過握力反饋控制執(zhí)行三指抓取目標物體。一方面通過監(jiān)視握力傳感器為地面操縱者確定抓取狀態(tài)提供幫助，另一方面可以準確地確定三個手指抓取物體接觸點的位置；一個六自由度力／力矩傳感器，主要用于微型手臂的力控制，也用于基于任務知識庫通過模型匹配技術（Pattern-matching technique）監(jiān)視空間任務的執(zhí)行情況；一個柔順力／力矩傳感器，該傳感器比六自由度力／力矩傳感器更敏感，用于監(jiān)視微細作業(yè)的執(zhí)行。該手爪包含了用于空間遙控機器人微細作業(yè)所需的傳感器、機構和控制等多項技術，單使用傳感器融合技術，為空間機器人在空間完成多種任務奠定了基礎 [8]。1.2.3 哈爾濱工業(yè)大學多傳感器集成手爪系統(tǒng)該手爪系統(tǒng)由手爪機械模塊和電路模塊組成。共集成了 14 個傳感器，該系統(tǒng)同空間機器人克服了實驗綜合平臺中氣浮機械臂作用空間的限制。其它作業(yè)如自動抓取、物體捕捉、電路板拔插等由多傳感器集成手爪與PUMA562 機器人組成的實驗系統(tǒng)完成。手爪本體外觀如圖 1-3 所示。1. 多傳感器系統(tǒng)集成及控制技術，包括機器人傳感器、多傳感器集成及信息融合技術等研究；2. 基于 Internet 網(wǎng)絡機器人遙操作技術，研究多操作者多機器人遙操作，包括人機交互界面、機器人協(xié)調作業(yè)、系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性等方面的研究；3. Haptic interface 及臨場感技術，研究信息感知設備、臨場感、虛擬人機交互以及虛擬傳感器信息融合技術；4. 自重構模塊化機器人技術，研究機構、控制及自重構算法。具體如下：- 5 -圖 1-3 多傳感器集成手爪本體的外觀圖及各模塊的位置9 個測距傳感器組成測距傳感器組，其中 1 個為長距離掃描／測距傳感器，8 個指尖短距離傳感器。2 個觸覺傳感器，位于兩個手指內指面。1 個六自由度力／力矩傳感器。2 個滑覺傳感器。1 個帶有過載保護功能及自動鎖緊機構的柔順 RCC 裝置。1.3 本文選題的意義及主要內容1.3.1 選題的意義人類的空間活動己經(jīng)由單純的空間考察和研究時代進入開發(fā)利用空間資源的時代，獨特的太空環(huán)境為人類提供了特定的科研場所和空間生產(chǎn)基地?？臻g機器人不僅可以取代人去完成某些特定工作，也可以完成某些人所不能夠完成的工作。世界各空間大國均充分認識到空間機器人在未來空間活動的重要作用，都在加緊進行空間機器人的研制工作，并投以巨資加以支持，但是建造一種全自主式的智能機器人系統(tǒng)，而采用多傳感器智能手爪系統(tǒng)賦予空間機器人局部自主能力的方案己得到專家們共識 [9]。將多- 6 -種傳感器集成在機器人手爪上構成多傳感器集成手爪系統(tǒng)能最有效地反映外界環(huán)境及工作對象的狀態(tài)，最直接的描述工作對象及其所在的外界環(huán)境、操作工具及其所操作的對象的關系，基于多種傳感器信息通過信息融合技術將這些信息合并成統(tǒng)一的綜合信息，從而準確、全面地描述和識別環(huán)境中物體的特征，供機器人進行識別、判斷、決策和規(guī)劃，進而在高層次上進行控制，因此研制空間多傳感器智能手爪成為空間機器人關鍵技術之一，空間機器人智能程度的高低很大程度上取決于先進的傳感器技術、多傳感器集成技術以及多傳感器信息融合技術?？臻g機器人多傳感器智能手爪的研究正是致力解決多傳感器集成技術及其多傳感器信息處理技術。同時，該項目的研究是在跟蹤世界先進水平，掌握國際上空間機器人多傳感器智能手爪最新技術，縮短同國外先進水平差距的背景下進行的，該項成果對加速我國空間機器人的發(fā)展發(fā)揮了積極作用，并將推動我國空間機器人技術的發(fā)展 [10]。1.3.2 本文的主要內容空間智能機器人多傳感器集成手爪系統(tǒng)是一項工程實際意義很強的基礎研究課題，研究內容主要包括：在兼顧體積小、重量輕、操作靈活、并能集成多種傳感器的基礎上選取手爪執(zhí)行機構。結合多傳感器集成技術中傳感器選擇原則，基于具體任務合理選擇傳感器配置。傳感器的配置包括：傳感器種類的選擇；傳感器數(shù)量的確定；各傳感器的安裝位置。機器人手爪所需傳感器的結構設計。- 7 -第 2 章 多傳感器集成三指手爪的機械設計2.1 三指手爪系統(tǒng)的組成多傳感器手爪系統(tǒng)是基于模塊化思想設計的，由手爪機械模塊（包括傳感器模塊）和電路模塊組成。本設計僅對機械部分和傳感器部分進行研究，本章和下一章將分述這兩部分的研制過程。2.2 三指手爪本體機械模塊組成手爪本體高 250mm，最大外徑為 176mm，重量小于 2.5 公斤。多傳感器集成手爪系統(tǒng)的機械模塊主要由以下部分構成：1．三指末端執(zhí)行器模塊2．六維柔性力／力矩傳感器模塊六維柔性腕力傳感器與剛性腕力傳感器都是利用測量彈性體在力／力矩的作用下產(chǎn)生的變形量來計算力／力矩的，它們之間的根本區(qū)別就在于彈性體變形量的大小，由此決定了其他諸如傳感裝置、結構等方面的差別。剛性腕力傳感器由于起步早，彈性體的變形很微小，因此其設計大同小異，己經(jīng)比較成熟。柔性腕力傳感器彈性體變形大，加之應用環(huán)境往往各不相同，因而設計往往比較復雜。3．短距離激光測距傳感器模塊4．長距離激光測距（含掃描）傳感器模塊5．陣列式觸覺傳感器模塊6．六維剛性力／力矩傳感器模塊六維剛性力／力矩傳感器有多種形式，如簡式結構、馬爾提斯十字梁(Maltess Cross）結構、徑向三橫梁結構、八角環(huán)等，本項目中考慮到空間的要求，即在該傳感器的可利用空間中要安裝一些處理電路，因此選取馬爾提斯十字梁結構。7．攝像機模塊圖 2-1 給出了多傳感器集成手爪本體的外觀圖及各模塊的位置。- 8 -圖 2-1 多傳感器集成手爪本體的外觀圖多傳感器手爪本體包含了七個模塊，而陣列式觸覺傳感器模塊，短距離激光測距傳感器模塊各由兩個子模塊構成，安裝在平移手指末端執(zhí)行器上；感應觸覺傳感器模塊由一個子模塊組成，安裝在旋轉手指末端執(zhí)行器上；長距離激光測距傳感器和攝像機模塊安裝在三指手爪的中環(huán)上。由于采用了模塊化設計原則，各模塊間易于拆裝。多傳感器集成手爪本體各模塊間裝配關系見圖 2-1 所示。同時多傳感器集成手爪中大部分傳感器是基于模擬及數(shù)字信號處理操作在每個傳感器或至少在手爪本體內部完成的思想研制的，因此其機械上的裝配還包含了傳感器信號處理電路板的安裝。2.3 手指部件的設計2.3.1 設計原則手指部分的設計是指三指手爪區(qū)別于兩指手爪和多指手爪的最重要之處，本文所設計的三指手爪采用一指平動，兩指轉動的形式，是為了保證在手爪的動作易于控制的前提下，盡量增加手爪的靈活性。手爪將應用在空間站的工作中，因此手爪的設計必須小而輕。- 9 -2.3.2 電機的選取根據(jù)設計意圖，三個手指中一個為平動，兩個為轉動，設計采用三組電機和減速器的配合完成此項工作。其中兩個電機對稱的放在手爪模塊的兩側，通過減速器直接帶動兩個手爪轉動；另一個電機通過減速器帶動絲杠轉動，由絲杠螺母副的運動實現(xiàn)手指的平動。電機的選用不僅要滿足設計任務中抓取力的要求，還要符合手爪外形尺寸的要求，本文選用德國 Maxon[11]公司生產(chǎn)的 A2522 系列 936 型直流電機，與步進電機相比，直流電機有如下優(yōu)點：1．調速范圍廣，且易于平滑調節(jié)；2．過載起動、制動轉矩大；3．易于控制，控制裝置的可靠性高；4．調速時的能量損耗較小。936 型直流電機的外觀如圖 2-2 所示，它的主要參數(shù)如下：圖 2-2 電機外觀簡圖幾何尺寸：電機本體： ??23輸出軸： 16性能參數(shù)：額定電壓：15V額定功率：5W最大轉速：13600r/m額定轉矩：4N m?減速器選用與之配套的 Maxon 公司生產(chǎn)的 GP 系列 134188 型減速器，它的外觀圖如 2-3 所示，它的主要參數(shù)如下：- 10 -圖 2-3 減速器的外觀簡圖幾何尺寸：減速器本體： 23??性能參數(shù)：減速比：1014：1手指的轉矩=電機轉矩 減速比=4 1014=4056mN/m=4.056N m，而設?計要求的最大抓取力為 50 牛，轉矩=力 力臂=50 0.07=3.5N m，因而滿?足設計要求。2.3.3 齒輪的設計本設計中的齒輪不擔任加速或減速的作用，而只起到傳遞運動的作用，故選用了兩個齒數(shù)一樣的齒輪，因為傳遞的力很小，齒輪的大小與電機的大小相似即可。選取的齒輪參數(shù)如下：分度圓直徑 =27mm1d模數(shù) m=1.5齒數(shù) z=18齒頂圓直徑 1271.530amm????齒根圓直徑 62.4ffdh?2.3.4 其他零件的設計各零件的擺放要考慮空間安排合理且方案可行，見圖 2-4 所示。本文采用一個“幾 ”字形的電機支架來固定與旋轉手指相連的減速器、電機。電機的支架兩側與外殼底部的接觸部分凹進去是為了節(jié)省空間。該手爪工作力較小，因而可以使用減速器輸出軸直接帶動手指旋轉。與絲杠相連的減速器、電機的固定采用一塊豎起來的鋼板。三個減速器、電機與齒輪的連接使用了緊定螺釘，因為該裝置承受的力較小，用此種形式可以減輕重量- 11 -并節(jié)省空間。平動的手指由絲杠提供運動的動力，同時加兩根鋼棒起到圖 2-4 三指部件剖視圖導向作用。鋼棒和絲杠兩端用兩個支架固定，以增加剛度。連接手指部件各個部分的支撐體選用 4-5mm 的鋼板，并在不必要存在的部分采用鏤空的形式，盡量減小系統(tǒng)的重量。三指部件中底板與側板的聯(lián)接使用了四個小的突起，同時具有聯(lián)接和定心的作用。三指部件與柔性傳感器相連的部分做出一個圓筒形，以增加手指與柔性傳感器的接觸面積，提高柔性傳感器的靈敏度 [12]。整個三指部件為不對稱結構，為使之表達的更清楚，沒有從中間剖開，而是采用了如裝配圖所示的剖視方法，并增加了許多局部剖。2.4 Pro/engineer 繪制手爪三維圖隨著計算機輔助設計 CAD（Computer Aided Sesign）的飛速發(fā)展和日益普及，越來多的工程設計人員開始利用計算機進行殘品的設計和開發(fā)，Pro/E 作為一種流行的高端三維 CAD 軟件，功能強大，應用廣泛，越來越受到工程技術人員的青睞。除了完成畢業(yè)設計要求的 AutoCAD 繪制平面圖外，我還學習了利用pro/e 繪制三指手爪的立體圖。見圖 2-5 所示。- 12 -圖 2-5 三指手爪外觀圖Pro/engineer 是美國 PTC(Parametric Technology Corporation）公司推出的工程設計軟件。它功能非常強大，其中最顯著的特征就是使用參數(shù)化的特征造型。與 AutoCAD 相比，它的技術特點就是參數(shù)化管理，所有的算法都是矢量化的，三維與二維圖形元素間具有關聯(lián)性，是一種非常好的計算機輔助設計軟件，它在國內的研究所、大專院校和一些工廠研究部門得到了越來越廣泛的應用。繪制三維圖可以把三指手爪的結構說明的更加清楚，使讀者有一個清晰直觀的概念，對三指手爪的整體外觀，各部分的空間位置有更加明確的了解。手爪的繪制主要分為五大部分，即本體的繪制、攝像機模塊的繪制、長距離激光測距傳感器的繪制、旋轉手指和平移手指的繪制。Pro/e 與我們平時使用的 AutoCAD 區(qū)別很大，不僅界面不同，繪制方式和指導思想也大相徑庭，它的界面不直觀，命令繁雜，開始學習時確實感到很不容易，但在熟悉了一段時間后，就會發(fā)現(xiàn) Pro/e 的功能之強大，使我們完全可以在學會幾個常用命令之后就能完成大多數(shù)繪圖任務。因為 Pro/e 圖主要起到示意和輔助理解的作用，所以繪制的線條比較簡單，出圖時也沒有按照1: 1 的比例，零件的各部分的詳細尺寸請參照二維平面圖。- 13 -第 3 章 三指手爪傳感器設計3.1 多傳感器系統(tǒng)的配置智能機器人應具備的最主要功能是系統(tǒng)在限定的條件下，理解周圍環(huán)境的變化，并作出正確的反應和決策。多傳感器集成系統(tǒng)中各種傳感器性能上的差異提示我們在多傳感器系統(tǒng)中，即使某個傳感器提供的信息有一定的誤差和不確定性，通過綜合分析來自各個傳感器的信息以及有效的融合可以獲取比任何單一傳感器獲取的信息更可靠、更完整的信息。本章基于任務對多傳感器系統(tǒng)中傳感器的種類、數(shù)量及安裝位置進行了配置。傳感器的選擇是傳感器集成技術的一個重要組成，它使多傳感器系統(tǒng)從適合于系統(tǒng)的傳感器中選擇最合適的傳感器結構。目前選擇傳感器的類型和數(shù)量有兩種不同的方法：基于環(huán)境的優(yōu)化原則選擇法和基于任務選擇法?；诃h(huán)境的優(yōu)化原則選擇方法，以設計階段的預選擇以及適合環(huán)境和系統(tǒng)狀態(tài)變化的實時選擇為代表，前者給出了恰當?shù)膫鞲衅鲾?shù)量和操作速度之間的關系，該關系可決定多傳感器系統(tǒng)中傳感器單元的優(yōu)排列，后者通過貝葉斯方法利用任何先驗的物體信息決定傳感器的定位，使傳感器對目標假設的不確定性最小?；谌蝿盏倪x擇法主要思想是基于任務將完成任務的過程按時間及感召范圍劃分為若干段，即將任務分解，根據(jù)每個階段所需的傳感器信息合理地選擇傳感器的種類和數(shù)量。兩種方法各有其優(yōu)缺點，無法斷言哪種方法更具有優(yōu)勢，然而對于智能機器人系統(tǒng)而言，所完成的任務千差萬別，但任務的操作過程存在著一定的共性，故本文選用了基于任務選擇法。通過對一個通用智能機器人系統(tǒng)一般任務的分析，將完成任務的過程按時間及感知范圍大致分為四個階段，即“遠距” 、 “接近”、 “接觸”、 “操作”階段，見圖 3-1 所示。每個階段是以感知范圍、所需的典型傳感器，更重要的是通過所獲取信息的種類加以區(qū)分的。在“遠距 ”階段，所關心的只是環(huán)境的全局信息，該階段典型的傳感器信息如物體在整個視場中的大致位置及特征后，機器人手爪移向物體以獲得更加詳細的信息，進入“接近” 階段，通常該階段所關心的并不是全局，而是局部范圍內更詳盡的信息，該階段的信息將“遠距 ”階段中有用的信息進行細化，剔除“ 遠距”階段中無用的信息，因此采用非接觸式傳感器，如安裝在手爪上的“ 接近” 階段獲得的信息比“遠距”階段更詳實、精確，但并不能獲得物體的整個特征，如物體的硬度、彈性、磨擦特性等，這些信息是無法通過非接觸式傳感器獲得的，只有通過“接觸 ”階段才能獲得，在 “接觸”階段所采用的傳感器為接觸式傳感器，如觸覺傳感器，該階段的傳感器本身具有很強的敏感能力，可以直接- 14 -測量目標物體的各種性質和特征。 “操作” 階段反映了機器人與物體及環(huán)境相互作用的關系，體現(xiàn)出的傳感器信息諸如力／力距、滑動及重量等，故采用力／力距傳感器，滑覺傳感器 [13]。圖 3-1 基于任務的傳感器選擇框圖上述每個階段選擇的傳感器種類不同，其工作范圍也有差別，但每個階段所獲得的傳感器信息均包含兩種，即所有階段共有的信息（如物體的位置、姿態(tài)等和某一階段所特有的信息。3.2 三指手爪機器人多傳感器系統(tǒng)的配置依據(jù)上述多傳感器系統(tǒng)配置策略，考慮到多傳感器集成手爪系統(tǒng)解決的只是空間機器人局部自主問題，故“遠距” 階段不是其所涉及的范疇。它只涉及“接近 ”、 “接觸”、 “操作 ”三個階段。多傳感器集成手爪集成了 9 個傳感器，具體如下：5 個測距傳感器組成測距傳感器組，其中 2 個為指尖短距離測距傳感器，3 個長距離測距傳感器；1 個整列式觸覺傳感器，位于平移手指內指面；- 15 -1 個剛性六自由度力／力矩傳感器；1 個柔性六自由度力／力矩傳感器；1 個微型 CCD 攝像機。3.3 三指手爪多傳感器系統(tǒng)的結構設計3.3.1 傳感器系統(tǒng)設計的必要性空間智能機器人多傳感器集成手爪要求集成傳感器體積小、重量輕、集成化程度高，并且適合空間環(huán)境。目前多數(shù)產(chǎn)品化的傳感器不能滿足其要求，為提高系統(tǒng)的集成度，基于模擬處理和數(shù)字運算操作應盡可能在各個傳感器至少在腕部完成的思想，來設計傳感器系統(tǒng)，包括傳感器模擬信號的放大處理、數(shù)據(jù)采集、傳感器的標定以及傳感器信息的傳輸均在手爪體內部完成。因此，開發(fā)設計手爪所需傳感器成為多傳感器集成手爪系統(tǒng)的關鍵。上一節(jié)中對手爪傳感器系統(tǒng)進行了配置，本章將對使用的各種傳感器的設計加以介紹。3.3.2 六維剛性力/力矩傳感器的結構設計1．六維剛性力／力矩傳感器工作原理六維剛性力／力矩傳感器有多種形式，如簡式結構、馬爾提斯十字梁(Maltess Cross）結構、徑向三橫梁結構、八角環(huán)等，本項目中考慮到空間的要求，即在該傳感器的可利用空間中要安裝一些處理電路，因此選取馬爾提斯十字梁結構，其工作原理如圖 3-2 所示 [14]。傳感器采用電阻式應變片原理，整個傳感器共有八個應變全橋，即1～4，5～8，9～12，13～16，17～20，21～24，25～28，29～32。每組橋路應變片在各種受力下的工作情況見表 3-1。表 3-1 中列出的均為正向承受載荷的情況，對負向承受載荷，每組橋路應變片應變情況正好相反。- 16 -圖 3-2 六維剛性腕力傳感器工作原理表 3-1 每組橋路應變片在各種受力下的工作情況每 組 橋 路 應 變 片 在 各 種 受 力 下 的 工 作 情 況`1 2 3 45 6 7 89 10 11 1213 14 15 1617 18 19 2021 22 23 2425 26 27 2829 30 31 32X 受正向力 X X X X X X X X X X X X X X X X - -+ + X X X X - -+ + X X X XY 受正向力 X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X + +- - X X X X + +- -Z 受正向力 + +- - + +- - + +- - + +- - X X X X X X X X X X X X X X X XX 受正向轉矩 + +- - X X X X - -+ + X X X X X X X X X X X X X X X X X X X XY 受正向轉矩 X X X X + +- - X X X X - -+ + X X X X X X X X X X X X X X X XZ 受正向轉矩 X X X X X X X X X X X X X X X X + +- - - -+ + - -+ + - -+ +注：表中＋表示應變片正向應變；一表示應變片負向應變；X 表示應變片無應變，但實際情況下，由于加工、傳感器工作原理等原因各應變橋間存在一定的耦合，故這些應變片存在一定的應變，不過其相對于工作應變片而言應變較小。2．六維剛性力／力矩傳感器彈性體六維剛性腕力傳感器彈性體采用超硬鋁材料，整體加工成圖 3-3 所示。- 17 -圖 3-3 剛性腕力傳感器應變片采用精密絲繞式應變片，其工作原理是：以電阻應變片（簡稱應變片）作為傳感元件，將其牢固地粘貼在構件的測點上，構件受力后，由于測點發(fā)生應變，應變片也隨之變形而使應變片的電阻發(fā)生變化，再用專用儀器測得應變片的電阻變化的大小，并轉換為測點的應變值。它的主要優(yōu)點是靈敏度高，能測出 10-6 的微小變化；應變片的標距較小，目前己能制造標距為 0.2mm 的應變片，因而所測應變可近似認為是一點的應變；電阻應變法的適應性強，不僅可測量靜態(tài)應變，也可測量動態(tài)應變和旋轉構件的應變；還可以測量高溫或低溫下工作的構件應變；高壓容器內壁的應變；并可進行遠距離測量和無線電遙測等。在這里，應變片的材料選用鎳鉻絲，并采用熱膠粘結工藝，電橋平衡采用匹配電阻式的硬件平衡方式，并采取適當?shù)臏囟妊a償措施，來提高剛性腕力傳感器的測量感應精度。3.3.3 六維柔性腕力傳感器的結構設計1．柔性腕力傳感器的工作原理六維柔性腕力傳感器與剛性腕力傳感器都是利用測量彈性體在力／力矩的作用下產(chǎn)生的變形量來計算力／力矩的，它們之間的根本區(qū)別就在于彈性體變形量的大小，由此決定了其他諸如傳感裝置、結構等方面的差別。剛性腕力傳感器由于起步早，彈性體的變形很微小，因此其設計大同小異，己經(jīng)比較成熟。柔性腕力傳感器彈性體變形大，加之應用環(huán)境往往各不相同，因而設計往往比較復雜 [15]。傳感器在受到外力／力矩作用時，其彈性體產(chǎn)生彈性變形，變形的大小同所受的外力／力矩存在一定的關系。一旦建立起這種關系，便可以反過來利用這種關系得到傳感器所受的外力／力矩?？梢?，在得到力／力矩信息之前必須知道傳感器的變形量。- 18 -圖 3-4 柔性腕力傳感器工作原理圖本文設計的柔性腕力傳感器采用圖 3-4 所示的原理檢測傳感器的位姿信息，傳感器基本的傳感單元包括一個紅外發(fā)光二極管、一個狹縫和與之相垂直的線型位置敏感元件 PSD。移動體上的紅外發(fā)光二極管的光經(jīng)過狹縫后形成一個扇形的光平面，這個平面垂直地照在固定體的 PSD 上，PSD能夠檢測到光點（光平面和線型 PSD 的交點）的位置，六個這樣的系統(tǒng)（互相間隔 60 度）安裝在一個平面上，狹縫間隔地平行、垂直于這個平面而形成六個光點。這六個光點提供了確定移動體位置姿態(tài)的充分必要的信息。位置檢測元件選用 PSD， PSD 器件通過輸出模擬電流信號來反映照射在其敏感面上光點的位置，具有分辨率高，信號檢測處理電路簡單，響應速度快等優(yōu)點。其斷面結構及等效電路見圖 3-5 所示。- 19 -(a) ( b) 圖 3-5 PSD 的斷面結構圖及等效電路光束射到 PSD 表面的位置可以通過下式獲得： 21IxL????根據(jù)柔性腕力傳感器的運動范圍和測量精度選擇 PSD 型號為 S3931，根據(jù) PSD 的敏感波長，本文選擇了鎵鋁砷半導體紅外發(fā)光二極管＃1915作為光源。2．柔性腕力傳感器的機械本體設計如圖 3-6 所示柔性腕力傳感器由內環(huán)、外環(huán)及連接它們的彈簧組成，彈簧一端固定于內環(huán)，另一端與外環(huán)為軸向連接，可根據(jù)需要調節(jié)彈簧為受拉彈簧，同時可以保證內環(huán)與外環(huán)同心，三個限位銷保證內環(huán)沿各方向的運動范圍不超過 2mm，以免損傷彈簧并把柔性腕力傳感器的運動范圍限制在光平面寬度和 PSD 的測量范圍之內。柔性腕力傳感器的設計關鍵在于彈性體設計，彈性體設計的好壞，直接關系到腕力傳感器柔順性和測力／力矩精度。作者在柔性腕力傳感器的設計中使用了矩形截面的線性彈簧，設計的彈簧參數(shù)如表 3-2 所示。與一般彈簧相比，這種彈簧具有如下優(yōu)點：1．彈簧特性的線性關系較普通圓形截面彈簧更為正確；2．當螺旋外徑受到空間限制時，它能采用較圓形截面積為大的材料，能存貯比圓形截面彈簧更大的能量。3．矩形截面彈簧的徑向軸向的彈性比可以通過不改變彈簧個數(shù)的情況下來選擇傳感器的軸向和徑向剛度。- 20 -圖 3-6 柔性腕力傳感器組成表 3-2 彈簧參數(shù)b(mm) ?D(mm) n 2(/)GNm2(/)E(/)aKNm(/)a0.45 1.2 6 5 8000 20000 3.48 2.11表 3-3 柔性腕力傳感器的各向剛度(/)xkNm(/)yk(/)zkN(/)xK(/)yN(/)zKm6.77 16.77 12.63 9140.52 9140.52 18281.04 應該注意到，被動柔順姿態(tài)并不是在任何工作情況都需要的，有時被動柔順甚至影響機器人的作業(yè)效果。在這些情況下，自動鎖定裝置對柔性腕力傳感器進行鎖定，變?yōu)閯傂誀顟B(tài)。所以六維柔性腕力傳感器的狀態(tài)選擇對于手爪的影響是很大的，應該根據(jù)實際情況選擇實際的狀態(tài)。圖 3-7為自動鎖定裝置結構圖。- 21 -圖 3-7 柔性腕力傳感器鎖緊裝置該裝置采用直徑為 25 的步進電機通過兩級齒輪減速后帶動一個具有?滾動支撐的凸輪運動。凸輪推動杠桿使另一端的錐形銷與帶有錐形槽的螺栓配合。錐形槽的導向作用使得鎖定可以在一定的載荷下進行，調整螺栓的位置可以保證鎖定后內外環(huán)同心。鎖定凸輪的末段升角很小，可以使杠桿靠摩擦力自鎖。當凸輪反向旋轉時，杠桿靠彈簧力帶動錐形銷離開錐形槽。傳感器的鎖定和自由狀態(tài)都可以由機構本身保持，電機在這兩種狀態(tài)下可以斷電，減小系統(tǒng)功耗。3.3.4 陣列式觸覺傳感器的結構設計1．陣列式觸覺傳感器的工作原理目前還沒有一種合適的敏感材料既具有高的分辨力，又具有高的位置敏感度。本文根據(jù)空間智能機器人多傳感器集成手爪系統(tǒng)的作業(yè)要求，設計了磁敏 Z 元件陣列式觸覺傳感器。磁敏 Z 元件能輸出隨磁場強度成比例變化的開關信號、模擬信號或頻率脈沖信號。模擬輸出時，磁場對電壓的靈敏度可達 3mV/mT；頻率脈沖輸出時，磁場對頻率的靈敏度可達 20Hz/mT，我們選用模擬輸出方式。模擬電壓輸出應用時，可輸出與磁場強度成比例的模擬電壓信號，特點是磁敏 Z 元件的伏安特性隨磁場增強而向右偏移；磁場減弱又向左偏移。伏安特性如圖 3-8 所示。其工作電路圖如圖 3-9 所示。圖 3-8 磁敏 Z 元件模擬輸出伏安特性 圖 3-9 Z 元件的工作電路- 22 -伏安特性隨磁場強度變化曲線，如圖 3-10 所示； 和 靈敏度曲線thVf如圖 3-11 所示，由圖 3-10 和圖 3-11 可知，隨著磁場強度的增加，伏安特性曲線向右移動， 和 都增大，且其靈敏度有增大的趨勢。thVf圖 3-10 伏安特性隨磁場強度變化 圖 3-11 和 靈敏度曲線thVf磁敏 Z 元件能輸出隨磁場強度成比例變化的模擬信號，且其靈敏度很高，因此只要提供有磁場變化的磁場，Z 元件即可工作。觸覺傳感器的工作原理是檢測接觸面力的大小，因此，用磁敏 Z 元件檢測力值的大小采用的是間接測量法，即通過位移把磁場強度的變化轉化成力值，圖 3-12 為其原理示意圖。圖 3-12 觸覺傳感器工作原理示意圖采用平板磁鐵在空氣中的磁場強度衰減作為 Z 元件的敏感源，通過測頭彈性裝置把力轉換為 Z 元件與磁鐵之間的距離，而 Z 元件與磁鐵之間的距離與磁場強度的變化是對應的，這樣，就通過把磁場強度參數(shù)轉換為位移參數(shù)，再轉換為力參數(shù)，從而達到測力的目的。該傳感器必須經(jīng)過標定才可以檢測力值。圖 3-13 為觸覺傳感器的結構設計圖。- 23 -圖 3-13 觸覺傳感器的結構圖該陣列式觸覺傳感器由 4 6 個陣列點組成，行分辨率為 6.6mm，列分?辨率為 6.4mm，整個傳感器外形尺寸為 27.8 39 18mm。每一陣列點即是?一個彈性檢測機構，該傳感器由三部分組成，即磁鐵、24 個彈性檢測機構和屏蔽外殼。磁鐵提供磁場，與屏蔽外殼采用絕緣膠粘接；彈性檢測機構由測頭、彈簧、鎖緊桿、Z 元件和引線電路板組成；測頭所受抓取力通過彈簧變形轉換為測頭位移，由于 Z 元件用絕緣膠粘在測頭開槽里面，因此測頭將帶動 Z 元件移動，從而實現(xiàn)測量；鎖緊桿用來固定測頭； Z 元件的引線由粘在屏蔽外殼里側的引線板完成。屏蔽外殼用來屏蔽磁鐵產(chǎn)生的磁場，同時用來作為彈性檢測機構的支撐體。設計選用 3mm 厚的磁鐵，材料為欽鐵硼，磁鐵中心處表面磁場強度為 80mT，四邊磁場強度可達 240mT，通過彈簧設計，每一觸點須具有 8N左右的抓取力。3.3.5 激光測距傳感器的結構設計1. 三角法激光測距傳感器原理測距傳感器原則上可分為三角法和非三角法兩種測量原理。三角法通過三角幾何關系計算而得出被測物體的距離，這種方法適用范圍廣，因而得到普遍的應用。三角法測距傳感器基本上可以分為斜射光三角法和直射光三角法兩種。斜射光三角法原理如圖 3-14 所示，直射光三角法測量原理如圖 3-15所示。 - 24 -圖 3-14 斜三角法原理圖 圖 3-15 直射光三角法測量原理激光光束 I 照射在被測物體表面上，經(jīng)漫反射或部分漫反射后，通過透鏡 L 將光點成像在檢測元件的敏感表面 N 上，成像光點位置可以檢測得到，最后經(jīng)過計算就可以得出被測物體的距離。當 時，選取入射光45。??束與透鏡光軸成直角時為參考平面位置。距離計算公式為：(3-1)''S???(3-2)''sinsind????直射光三角法是指入射光束 I 垂直于被測物體表面。檢測元件的敏感表面可以垂直于光軸，也可以不垂直于光軸。相對距離可以通過三角幾何關系計算得到。如圖 3-15 所示，當檢測元件的敏感表面垂直于光軸（圖中T1 方式）時，d 的計算公式為式 3-3，當檢測元件的敏感表面不垂直于光軸（圖中 T2 方式）時，d 的計算公式為式 3-4。(3-3)1sinco’‘Sd??????(3-4)'2' 'ii()S????2. 激光測距傳感器原理及基本結構尺寸的確定本文所設計的激光測距傳感器，其基本原理與直射三角法中 T2 方式相同，只是被測物體表面并不是總能夠與激光光束垂直。如圖 3-16 所示，半導體激光器所發(fā)出的光束經(jīng)發(fā)射透鏡變成近似平行的光束，照射在被測- 25 -物體表面上并被反射，部分反射光經(jīng)接收透鏡將照射光疏漏成像在 PSD 敏感表面上，光點的位置經(jīng) PSD 檢測電路可以得到,根據(jù)此位置經(jīng)過計算就可以求出被測物體與傳感器的距離。圖 3-16 激光測距傳感器原理圖 圖 3-17 傳感器結構尺寸的確定如圖 3-17 所示，CA 為光束的傳播方向，CO 為 PSD 敏感表面所在的直線中心，由透鏡成像公式及相應的集合關系可以得到：(3-5)21cosindL??????(3-6)22ab令 d=1，考慮到透鏡的兩主平面的距離為 B。則設計相關尺寸對應的計算公式為：(3-7)221()sinLab?????(3-8)2co(3-9) 22()ifB??3. 激光測距傳感器結構設計由于在手爪中所需的激光測距傳感器的數(shù)量較多，若要提高多傳感器集成手爪系統(tǒng)的集成度，保證手爪在要求的外形尺寸上，必須在激光測距傳感器的結構設計和選擇元器件上進行優(yōu)化，以保證其體積最小，因此，選擇美國產(chǎn)的紅光半導體激光器，該激光器外形尺寸為 ，其上直接810??集成一組準透鏡和一組聚焦透鏡，該激光器輸出的經(jīng)過準直紅色激光；考慮到國內對非球面透鏡，特別是小型的非球面透鏡的加工工藝原因，選用