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题目：模块化欠驱动机械手控制系统设计

[摘要]:

在工业生产中，为了提高劳动生产率和自动化程度，工业机械手被广泛应用。工业机械手可以用于机床间传送工件;各类有自动夹紧、进刀、退刀和松开功能的半自动车床;还可以用于一些对人体有害的工作环境。它具有对环境适应性强、持久耐劳、动作准确、通用性好、灵活性好等优点。而工业机械手技术的高低更是一个国家工业发展水平的标志。工业机械手的设计能较鲜明地体现机电一体化的设计构思。所谓机电一体化技术，是机械工程技术吸收微电子技术、信息处理技术、传感技术等而形成的一种新的综合集成技术。工业机械手的设计更是对所学知识的综合运用。

传统机械手控制部分以可编程逻辑控制器、继电器控制为主,然而PLC控制成本较高、兼容性不好,而继电器控制效果不佳。为此,选取AT89C51单片机进行机械手控制,在硬件控制部分需要确定红外光电传感器与舵机信号,在控制系统程序设计中,在主程序外需要一些报警子程序、控制舵机响应速度的子程序。由标准的相互独立的制造模块组成，每个模块有驱动部分、动力源。而欠驱动是为了节省成本以及更加简洁的实行特定的动作。利用Labview虚拟环境控制系统，完成机械手的控制与仿真。

关键词：模块化 欠驱动 机械手 虚拟环境

1. 前言

欠驱动系统是指控制输入个数少于广义坐标个数的系统，一般都具有一阶或二阶非完整性、不能完全反馈线性化等复杂特性;一般情况下，多自由度机构的驱动元件数应与自由度数一致;当驱动元件数少于机构自由度数时，称为欠驱动机构。

仿生机构学是将生物运动机理与机构学的分析与综合理论相结合而形成的一门交叉学科，为了动作的灵活性，人体以及其它动物在运动过程中均为多自由度系统，通常很多关节都处于近似非驱动状态。机械手是一种能模仿人手的某些工作机能，按给定的程序、轨迹和要求，实现抓取、搬运工件，或者完成某些劳动作业的机械化、自动化装置。国外把它称为:操作机、机械手，目前，仿生机械手日益成为生产机械化自动化的重要手段。

由于目前的技术还不能够将驱动电机做到十分轻巧，为了降低电机的质量与能耗，人们开始尝试省去一些仿生机械手中不是特别重要的驱动，一些关节就会退化成为自由运动的被动关节，含有被动关节的欠驱动仿生机械手由此产生。在省去仿生机械手的部分零件之后，其质量明显减轻，能耗也迅速下降，从而更加适合一些能源相对紧张而对驱动要求又不是很高的场合使用,比如深海、天空或者核工业作业环境等。另外，如果仿生机械手某个驱动关节失灵又无法及时更换时，就可以把它转化成被动关节以满足应急需求，欠驱动仿生机械手的研究具有很大的现实意义。

多关节机械手相比常规的欠驱动仿生机械手存在一些较为突出的优点,例如多关节机械手能够在十分狭窄的空间作业，且可以灵活的避开各种阻碍。正是如此，多关节机械手受到了业内的广泛重视,同时在对其进行更加深入的研究中也发现了一些难题需要解决，尤为重要和突出的问题就是手臂的质量，质量问题的核心就是驱动单元问题。机械手自20世纪60年代初问世以来,经过60多年的发展,现在已经成为制造业生产自动化中重要的机电设备^[1]。 目前,机械手技术有了新的发展,出现了机械手化机器、微型机械手、仿生机械手^[2]等。

1. 国内外研究概况

2.1国外研究现状

机械手控制系统是伴随着机械手的发展而进步的。机械手是在早期出现的古代机器人基础上发展起来的，机械手研究始于20世纪中期，随着计算机和自动化技术的发展，特别是1946年第一台数字电子计算机问世以来，计算机取得了惊人的进步，向高速度、大容量、低价格的方向发展。同时，大批量生产的迫切需求推动了自动化技术的进展，又为机器人和机械手控制系统的开发奠定了基础。另一方面，核能技术的研究要求某些操作机械代替人处理放射性物质。在这一需求背景下，美国于1947年开发了遥控机械手控制系统和遥控机械手，1948年又开发了机械式的主从机械手控制系统和机械手。机械手控制系统首先是从美国开始研制的。1954年美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并中请了专利。该专利的要点是借助伺服技术控制机器人的关节，利用人手对机器人进行动作示教,机器人能实现动作的记录和再现。这就是所谓的示教再现机器人控制系统。现有的机器人控制系统差不多都采用这种控制方式。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手铆接机器人控制系统。作为机器人产品最早的实用机型是1962年美国AMF公司推出的'VERSTRAN”和 UNIMATION公司推出的'UNIMATE”。

欠驱动系统是一种利用少于自由度数目的动力源来驱动机械装置的系统。自1991年Oriolo 证明欠驱动系统非完整性定理之后,欠驱动欠驱动仿生机械手开始得到关注，因其难度较大而进展缓慢。2009 年 Laliberte 和 Gosselin等人研制了一欠驱动的机械手SARA如图1-1，该机械手由3个三节手指构成，并作为国际空间站中加拿大机械手臂的末端执行器。2011年Carrozza等人研制了另一高欠驱动的机械手SPRING Hand，如图2所示该机械手由3个三节手指构成，通过肌腱驱动^[3]。