一种基于刚柔耦合的仿人机械手：设计与性能验证

一种基于刚柔耦合的仿人机械手：设计与性能验证

随着机器人技术的不断发展，仿人机械手的设计与应用成为研究热点。本文介绍了一种基于刚柔耦合结构的新型仿人机械手，通过结合刚性和柔性材料，实现了结构的优化与性能的提升。

当前，仿生机器人技术的发展离不开灵巧多指手的设计，从而执行各种任务。多指手不仅要模仿人手的形状和结构，还要具备抓握等操作功能。

传统仿人多指机械手的主要结构大多是刚性的，驱动装置通过传动系统将驱动力施加到仿人的关节上，以实现关节的远距离驱动。这种刚性结构的多指机械手功能强大，但结构复杂、对外界环境适应性差和安全性低，在实际应用中通常需要复杂的驱动控制。

此外，仿人多指机械手的研究设计与实际应用之间仍存在一些矛盾，包括仿人手的简单性与灵巧性之间的矛盾，以及制造材料的刚性与柔性特性之间的矛盾。

研究团队从仿生设计的角度出发，结合刚性和柔性结构的相关理论研究，提出一种新颖的刚柔耦合结构设计方法，并对刚柔耦合仿人多指机械手结构的设计进行了分析。通过研究刚柔耦合结构的相互作用关系，推动仿人多指机械手的研究和设计向实际应用迈进。

结构设计

该新型刚柔耦合仿人多指机械手的手指主要由刚性材料和柔性材料构成。整个手指通过将柔性关节与刚性指骨结合而成。手指的尺寸根据人手设计，指关节长度在五到六毫米之间。仿人手指的屈曲动作由手掌手指底部的电机通过缆线驱动完成，具有1个自由度。手指的伸展则通过各柔性关节的回弹作用被动实现。

为了便于模块化结构的装配，本文中的食指、中指和无名指具有相同的形状和尺寸。小指在形状和尺寸上略小一些。拇指由于在人手中的关键作用，设计中赋予了两个自由度，便于拇指的屈曲运动和腕掌关节（CMC关节）的模拟。材料选用了具有高刚度的可3D打印热塑性聚乳酸材料。相反，柔性结构采用3D打印热塑性聚氨酯材料，具有高弹性和高恢复性。

硬件控制组件高度集成在手掌内部，电路板的尺寸与手掌几乎完全匹配，并固定在手掌内部。整个手掌结构包括手掌底座、前壳和后壳。为了实现更高的集成度，电路板被紧密安装在手掌内部，通过6个直流齿轮电机和传感器模块，完成对每根手指的驱动和位置感知。

建模分析

结合前述的刚柔耦合仿人结构，本文引入了一个数学模型，用于描述刚柔耦合手指结构的力-变形特性。该模型基于链式Timoshenko梁约束模型建立。与链式梁结构不同，该刚柔耦合结构可以被分解为多个相互连接的部分，形成一个链条。每个部分由一个梁元件和一个刚体元件组成。

本文使用Abaqus有限元软件对刚柔耦合手指结构进行了仿真和验证。仿真涉及对刚柔耦合手指结构进行有限元模拟计算，主要针对包含1到3个刚柔耦合元件的配置。这些仿真在不同缆线驱动力的作用下进行。

实验测试

在完成有限元仿真计算后，必须通过结合实验数据进一步验证所提出数学模型的准确性。因此，从实验角度系统地对比和验证了由缆线驱动的刚柔耦合仿人手指结构的运动情况。为此建立了实验平台进行物理样机实验。

本文进行了多项实验来验证刚柔耦合手指结构的力学模型和性能。实验内容包括基本性能测试、抓握实验以及模型验证实验。

刚柔耦合手指结构的最大屈曲运动如图所示。在此状态下，手指结构的近端柔性关节、中端柔性关节和远端柔性关节的弯曲角度均能超过90度。此外，使用数显张力计对刚柔耦合手指结构的最大按压力进行了评估。当刚柔耦合手指结构的柔性关节处于初始弯曲状态，且仅发生轻微弯曲变形时，直流减速电机通过缆线向手指末端施加压力。经过五次测试，平均按压力约为15.6 N。

在抓取实验中，刚柔耦合仿人机械手基本能够完成各种抓取分类的测试，因此该机械手在一定程度上能够模拟人手的抓取功能，并具备完成日常物品抓取的能力。

本文提出了一种新型的模块化刚柔耦合仿人机械手设计，依据真实人手比例进行了尺寸设计，并基于梁约束模型建立了力学模型。通过对缆线驱动的刚柔耦合手指结构进行分析，结合有限元仿真与实验，验证了力学模型的可靠性。最终的性能测试结果表明，该机械手在屈曲幅度、屈曲力及抓取能力方面表现出色，充分证明了所提出的设计方法的可行性和有效性，为未来的机械手研究和应用提供了有价值的参考。