力反馈主从仿人机械手的结构设计
许俊军，龚文，杨决宽
(东南大学机械工程学院，江苏 南京 211189)
摘要：为了实现遥控操作机器人系统中的力反馈，设计了主从式仿人机械手结构。主从手均采用绳传动欠驱动方式，每根手指由1个电机带动，力反馈装置均设置在两个机械手结构的指尖处。实验结果表明，该主从手结构能实现仿人灵活操作和力反馈，并能将反馈力的误差控制在1.5N以内。
关键词：仿人主从手；力反馈；欠驱动
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：2095-509X(2019)05-0031-04

目前，对大多数主从式机器人的操作只能依靠视觉反馈，即操作者只能通过摄像设备观察现场的情况，并依据观察到的现场情况发出操纵指令。然而，在很多应用中，仅仅依靠视觉反馈并不能保证操作者做出最佳的操纵决策。例如应用广泛的救援机器人，在没有力反馈的情况下，救援机器人在实施救援过程中，容易给伤者带来二次伤害。因此，在遥操作系统中增加力觉反馈系统，可以提高操作者的临场感和操纵决策的精确度。
近年来，力反馈主手的结构得到了广泛的研究。Virtual Technologies公司于1991年推出的CyberGlove数据手套是迄今为止商业化最成功的力反馈数据手套。哈尔滨工业大学研制的平行四边形力反馈数据手套采用平行四边形关节，相邻关节之间通过两根钢丝绳连接，每根手指都由一个电机单独驱动。
目前，国内外对仿人从手也进行了深入的研究。仿人从手根据驱动器的数量可以分为全驱动和欠驱动机械手。在全驱动机械手中，驱动器的数量等于机械手自由度；欠驱动机械手中驱动器数量少于机械手自由度，能够简化从手结构。多伦多大学研制的欠驱动手的食指、中指、无名指和小指结构相同，通过连杆机构实现手指的弯曲运动；清华大学研制的COSA仿人机械手通过齿轮齿条的相互运动来实现手指的弯曲，以欠驱动的形式完成对物体的抓握。
尽管力反馈主从手系统已取得了长足的发展，但也存在一些问题。例如，现有的力反馈主手结构复杂、外形尺寸大、零部件多、质量较大，给操作者带来的负重感较强，影响遥操作临场感；力反馈从手功能少，不能像人手那样做出大量的抓取动作，只能实现简单的张合运动。本文将对仿人主从机械手的这些缺点进行改进，提出一种能够提供力反馈的主从仿人机械手，并且能将力反馈误差控制在1.5N以内。

1 主从手结构设计
1.1 主手结构设计
如图1（a）所示，作为外骨骼的力反馈主手通常与操作者手指平行布置，主手指尖与人手指尖可以近似看作固连在一起。如果主手的指节和关节是固定的，当操作者手指弯曲运动时，该机构必然会和手指产生干涉，破坏机构的运动，如图1（b）所示。因此，要使佩戴在操作者手上的力反馈主手能够跟随人手一起运动，实现弯曲和伸展运动，力反馈主手的旋转中心必须和人手关节的旋转中心重合或者接近，并且主手各指节的长度能按照关节角位移的比例延长，如图1（c）平行关节所示。
根据上述力反馈主手运动要求，哈尔滨工业大学设计了平行四边形关节，其外骨骼机构由3组相同的平行四边形机构串联而成，平行四边形关节之间用两根钢丝绳连接。香港理工大学在外骨骼装

作者简介：许俊军（1992—），男，硕士研究生，主要研究方向为机器人学，958314660@qq.com.