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灵巧机械手的机械系统和控制系统
摘要: 最近,全球内带有多指夹子或手的机器人系统已经发展起来了,多种方法应用其上,有拟人化的和非拟人化的。不仅调查了这些系统的机械结构,而且还包括其必要的控制系统。如同人手一样,这些机械人系统可以用它们的手去抓不同的物体,而不用改换夹子。这些机械手具备特殊的运动能力(比如小质量和小惯性),这使被抓物体在机械手的工作范围内做更复杂、更精确的操作变得可能。这些复杂的操作被抓物体绕任意角度和轴旋转。本文概述了这种机械手的一般设计方法,同时给出了此类机械手的一个示例,如卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ。本文末介绍了一些新的构想,如利用液体驱动器为类人型机器人设计一个全新的机械手。
关键词:多指机械手;机器人手;精操作;机械系统;控制系统
4. 控制系统
机器人手的控制系统决定哪些潜在的灵巧技能能够被实际利用,这些技能都是由机械系统所提供的。如前所述,控制系统可分为控制计算机即硬件和控制算法即软件。
控制系统必须满足以下几个的条件:
1. 必须要有足够的输入输出端口。例如,一具有9个自由度的低级手,其驱动器至少需要9路模拟输出端口,且要有9路从角度编码器的输入端口。如再加上每个手指上的力传感器、触觉传感器及物体状态传感器的话,则端口数量将增加号几倍。
2. 需具备对外部事件快速实时反应的能力。例如,当检测到物体滑落时,能立即采取相应的措施。
3. 需具备较高的计算能力以应对一些不同的任务。如可以对多指及物体并行执行路径规划、坐标转换及闭环控制等任务。
4. 控制系统的体积要小,以便能够将其直接集成到操作系统当中。
5. 在控制系统与驱动器及传感器之间必须要电气短接。特别是对传感器来说,若没有的话,很多的干扰信号将会干扰传感器信号。
控制硬件
为了应对系统的要求,控制硬件一般分布在几个专门的处理器中。如可通过一个简单的微控制器处理很低端的输入输出接口(马达和传感器),因此控制器尺寸很小,能轻易地集成到操纵系统中。但是较高水平的控制端口则需要较高的计算能力,且需要一个灵活实时操作系统的支持。这可以通过PC机轻易地解决。
因此,控制硬件常由一个非均匀的分布式计算机系统组成,它的一端是微控制器,而另一端则是一个功能强大的处理器。不同的计算单元则通过一个通信系统连接起来,比如总线系统。
控制软件
机器人手的控制软件是相当复杂的。必须对要对手指进行实时及平行控制,同时还要计划手指和物体的新的轨迹。因此,为了减少问题的复杂性,就有必要将此问题分成几个子问题来处理。
另一方面涉及软件的开发。机器人手其实是一个研究项目,它的编程环境如用户界面,编程工具和调试设施都必须十分强大和灵活。这些只能使用一个标准的操作系统才能得到满足。在机械人中普遍使用的分层控制系统方法都经过了修剪,以满足机械手的特殊控制要求。
Ⅱ的控制系统
,对于卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ的控制硬件,采用了一种分布式方法(图7所示)。一个微控制器分别控制一个手指的驱动器和传感器,另外一个微控制器用于控制物体状态传感器(激光三角传感器)。这些微控制器(图7左侧和右侧的外箱)直接安装在手上,所以可以保证和驱动器及传感器之间较短的电气连接。这些微控制器都是使用串行总线系统和主控计算机连在一起的。这个主控计算机(图7、图8中的灰色方块)是由六台工业计算机组成的一个并行计算机。这些电脑都被排列在一个二维平面。相邻电脑模块(一台电脑最多有8个相邻模块)使用双端口RAM进行快速通信(图7中暗灰色方块所示)。一台电脑用于控制一个手指。另一台用于控制物体状态传感器及计算物体之间的位置。其余的电脑被安在前面提到的电脑的周围。这些电脑用于协调整个控制系统。控制软件的结构反映了控制硬件的架构。如图9所示。

图7. KDH II的平行主计算机
一个关于此手控制系统的三个最高层次的网上计划正在规划。理想的物体位移命令可由优越的机器人控制系统得到,并可用作物体路径的精确规划。根据已产生的目标路径就可规划可行的抓取行为(手指作用在物体上的可行抓取位置点)。现在知道了物体的运动计划,就可以由手指路径规划得出每个手指的运动轨迹,并传递给系统的实时能力部分。如果一个物体被抓取了,那么其手指的运动路径就传递给了物体的状态控制器。这个控制器控制物体的姿态,它由手指和物体状态传感器所决定,用以获得所需的物体姿态。如果一个手指没有跟物体接触,那么它的移动路径将会直接传递给手控制器。这个手控制器将相关的预期手指位置传递给所有的手指控制器,以协调所有手指的运动。这些在手指传感器的帮助下又反过来驱动手指驱动器。
图9. KDHⅡ的手部控制系统
5. 实验结果
为了验证卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ的能力,