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仿人手机器手指设计
仿生人工关节系统
Zhe Xu, Vikash Kumar, Yoky Matsuoka and Emanuel Todorov
摘要——我们描述了一个新的机器人手指组成仿生关节的生物力学和动力学属性是接近他们的人同行。通过使用六气动缸，手指被驱动通过一系列简化的对立筋的插入点和瞬间手臂模仿人类的解剖。我们开发了运动学和空气动力学仿真模型，并用实验数据验证了它们。初步结果还描述了手指的控制。
- 简介
人类的手已被作为一种不可替代的模式由于其不同的机械手的发展令人印象深刻的合规性和灵活性，可以容纳各种各样的喘息和操作条件。朝着为此，拟人机器人的手已被广泛研究，因为其固有的相似性的人手，可能会带来很多好处的领域从手假肢医疗机器人空间勘探。目前的人工手往往是由几个作为一种方法，以更好地提供的自由度舒适的重量和大小的人的手的外观。个人的协助，而不是复制一个灵巧的人类的手，工业风格的夹持器通常采用专注于执行任务的精度和鲁棒性。作为对于太空探索，太空行走仍然是一项例行工作为宇航员执行太空舱的维修或太空舱。人工/机械手从这些类别中的每一个往往设计的限制，不仅造成的技术的局限性，也来自我们的理解关于人类的手。为了设计一个拟人化与外形和功能相似的机械手我们自己，有许多重大的挑战需要要克服，就在这里，我们专注于调查的内在生物力学特性需要复制的依从性人类手指的运动学。
人类手的手指有几个生物难以模仿的特性。这些包括：（1）在关节处的骨头的独特形态，这决定关节囊的自由度；（2）关节囊由精细的韧带组成，为这一系列的运动设置了一系列的运动关节；（3）软骨和滑膜液，使低摩擦双铰接式表面接触[ 1 ]；（4）非线性肌腱和骨的拓扑结构之间的相互作用，动态地确定的手指的运动。通常研究者没有设计拟人机器人的手将这些生物特征或是正确的解剖学。
在过去的几十年里，已经开发了许多机械手为服务于不同的目的。最相关的拟人化的手，几个重要的功能已被实现，包括高度的模块化[ 2 ]，[ 3 ]，光重量[ 4 ] [ 6 ]，电缆[ 4 ]，[ 7 ] [ 13 ]，齿轮传动连锁机构[ 14 ] [ 16 ]。这些机器手经常需要联合机制如铰链复杂，框架，联系，或齿轮和皮带，以达到正确的数字自由度和模仿人类的运动特性手。然而，很少有人把内置的合规性这是必要的一个人的手，探索不确定性在非结构化的现实世界中。相反，欠驱动夹持器/手[ 17 ] - [ 19 ]可以符合不同的形状在把握对象，但只保留基本的自由度。由于不同的设计约束，似乎是一种妥协必须在建立合规性和高自由度了。虽然取得了巨大的进展，但能力大多数现有的机械手来执行人的水平操作任务仍然是有限的。
虽然标准的设计方法，如上述，可以模仿手指关节的运动行为，它几乎没有照亮的突出特点，使人类的手不可替代许多灵巧的任务。因此，它是必要的基于精确的生理学发展人工手指关节，为了定量地识别这些特征提供洞察的拟人机械手的设计。
一种具有挑战性的替代传统的机械手设计是发展直接利用独特的机制铰接的人体关节的形状，以及一个腱罩结构驱动各个手指。一个生物受启发的设计也可以减少个别的总数组件，导致一个优雅的设计。
拟人机器人手指的讨论（如图1所示）是根据先前所描述的人工手指关节[ 20 ]的自由度，范围运动和动态特性是接近人类的手指，在本文中，我们有兴趣在设计一个封闭人食指的复制与气动驱动，并准备通过基于运动模型的仿真。在下面的章节中的拟人化的机械创新设计机器人手指的详细，空气动力学模型的气动系统的推导，然后建模和仿真结果通过实验数据验证。
二、一个拟人化的机器人的发展
手指
虽然人类手的解剖提供了详细的静态模型的来源，如关节结构，肌腱路由和分层的皮肤，如何有机地结合国家的最先进的工程进展为一个充分的功能机械手系统是我们想要实现的。本节介绍了机械设计和原型设计我们手指的过程。骨骼和关节的仿生设计在人类的手，手指关节的骨头几个生物学特性（如图2所示），包括在MCP的骨头形状独特、PIP、DIP关节，这决定了关节的自由度；沿肌腱路径的手指骨的形状为不同关节的肌腱创建一瞬间的手臂角，一个精确的手部功能的行为的关键[ 21 ]。这个可变力臂实现人性化是必要的关节肌肉运动关系[ 22 ]。发展解剖学正确的机械手，可以帮助研究人员找到更重要的人的手功能，可以只显示通过与对象的动态交互。为了准确匹配的大小和形状的人指骨。我们用食指从Stratasys公司人的左手骨激光扫描模型STL格式提供，进口细分方面进亲和/工程师，并建立了实体模型，为每个骨配件扫描几何曲面。详细参数机器人手指列于表1和2。
在每个关节的人的手指，关节囊形成的细韧带，密封的关节空间，并提供被动通过限制运动通过其韧带的稳定性设置关节活动范围。如图3所示，我们已经开发了一个人工关节，使用三个主要组件：一个三维打印关节与真实的生命骨拓扑结构，钩编的韧带来实现运动的权利范围和提供被动柔顺性硅橡胶套管对于人工关节。这种人工手指关节设计方式具有类似的刚度和阻尼性能人指[ 20 ]。在这两者之间的关节表面的人手指、软骨和滑膜液能实现低摩擦接触。在我们的设计中，采用热塑性涂层在手指关节处提供低摩擦表面。虽然，当遇到了长期的撕裂和磨损，通常工程材料不能再生，如生物组织，我们相信通过低成本、快速成型技术模块化设计可以使我们的建议的维护机器人手指/手经济再生。
B. 腱索设计及其简化系统
在背侧的人类手指的皮肤下面
手指骨，手指的伸展运动的实现通过一个复杂的网络结构，在左边的图片图4（一）。在手指的掌侧，拮抗“屈肌腱从骨插入连接指向位于前臂的外在肌肉使能屈曲运动。
在此之前，我们设计了一个手部的肌腱罩模仿人类手指的伸指（如图所示4（一）的中间画面。人工伸指用钩针编织尼龙复合模拟几何尽可能密切的人的功能。而不是采用相同的伸趾设计，在本文中，我们应用我们所学到的东西，并保持肌腱必需的食指屈/伸和外展/内收为了集中精力调查我们手指的性能。如图4的右边的图片（一），机器人的插入点和字符串引导的位置手指都继承自手。肌腱是由0.46毫米光谱R纤维（联信，莫里森，NJ）。纤维被选中是因为它的强度（200N断裂强力），高刚度，柔韧性，和能力顺利通过字符串引导。在这种情况下人的手，从三伸肌腱插入点都在MCP关节的伸肌腱帽合并，因此，一个滑轮系统是用来确保每个人肌腱不断紧张（见图4）。
三、驱动系统
我们的机器人手指系统借助“pullingonly气动驱动系统”（图5A）。因为其鲁棒性，光滑动力学和固有阻尼性能，气动驱动似乎是有前途的建模肌肉行为。机器人指系由五双作用气缸Airpel气缸（防粘，模型m9d37.5nt2）均匀地安装在圆柱的周长
梁通过五个滑动支架。使用钢瓶模块是专为低摩擦防粘连操作。静摩擦和摩擦的价值是如此之小，如果气缸不是水平的话，活塞就属于它本身的重量。滑动支架的设计，以消除任何潜在的肌腱与执行器之间的松弛。活塞的五缸连接到中央伸，外展内收肌腱，DIP和PIP关节，分别。每个气缸的前腔室连接到一个5 / 3比例压力阀（FESTO、模型mpye-5-m5—010-b）。当加压的前端室类似于肌肉收缩和后室是左打开的像筋不能推动手指的气压（拉动）。阀门接收命令伏—从一个国家仪器公司的年龄/董事会。此电压（0—10V）指定阀门内部的线性致动器的位置，这反过来又设置了光圈连接前室对压缩机（90磅以上的大气压力）。这个控制命令（伏）5 - 10加压系统
5 - 0排气。前室内的压力与固态压力传感器测量（SMC，模型pse540-im5h）。传感器的数据被采样在50千赫，和平均在500个批次产生一个非常干净的信号100赫兹。两者之间的压力差每个气缸的腔室（表示三维）是成比例的活塞上施加的线性力。为了保护手指，每缸活塞收缩是有限的它作用于肌腱。
四、空气动力学模型
理想情况下，我们将能够控制活塞的力量以最小的延迟。这是很难实现的气动系统，因为空气动力学具有不可忽略的时间依赖于多个因素，如压缩机的常数压力，阀的吞吐量和响应时间，长度空气管之间的阀门和气缸，体积的室，空气温度。这些影响很难模型准确地说，但为了控制目的，有一个重要的是有一个模型，使控制器能够预测结果延误和补偿。我们做了严格的制度识别的空气动力学模型。
系统辨识痛斥模型，压力一阶（对）和第三级阀电压（五），这是清楚的
的非线性和延迟我们提到的指示以上。有趣的是，我们的模型是独立的缸容积。与气动模型[ 25 ]，[ 24 ]，该帐户的腔容积，是为汽缸长度在50厘米的顺序。我们使用的是紧凑型气缸（3.75厘米长）与高流量阀。效益从占商会的数量是如此之低，我们选择忽略它的简单模型。我们的模式是能够说明R2＞0.9在很宽的范围内的空气动力学在不同频率下收集的看不见的数据。为了研究空气动力学的延迟，我们采用了步进电压与2.5秒的时间序列。允许磷在一开始就要解决它的一个极端值一步，然后被驱动对一些中间值使用中间电压指令。活塞固定在这些实验中，使腔体积变化不影响结果。我们发现，空气动力学约50毫秒的延迟达到其最大的效果如图所示在图7。气动潜伏期和非线性的肌腱在骨段进行路线和包装我们的问题在同一时间挑战和有趣。
五、空气动力学模型
理想情况下，我们将能够控制活塞的力量以最小的延迟。这是很难实现的气动系统，因为空气动力学具有不可忽略的时间依赖于多个因素，如压缩机的常数压力，阀的吞吐量和响应时间，长度空气管之间的阀门和气缸，体积的室，空气温度。这些影响很难模型准确地说，但为了控制目的，有一个重要的是有一个模型，使控制器能够预测结果延误和补偿。我们做了严格的制度识别的空气动力学模型。dp／dt = A0 a2v2以某3V3 的B2P b0p B1p V V 2 b3p V 3系统辨识痛斥模型，压力一阶
（对）和第三级阀电压（五），这是清楚的的非线性和延迟我们提到的指示以上。有趣的是，我们的模型是独立的缸容积。与气动模型[ 25 ]，[ 24 ]，该帐户的腔容积，是为汽缸长度在50厘米的顺序。我们使用的是紧凑型气缸（3.75厘米长）与高流量阀。效益从占商会的数量是如此之低，我们选择忽略它的简单模型。我们的模式是能够说明R2＞0.9在很宽的范围内的空气动力学在不同频率下收集的看不见的数据。为了研究空气动力学的延迟，我们采用了步进电压与2.5秒的时间序列。允许磷在一开始就要解决它的一个极端值一步，然后被驱动对一些中间值使用中间电压指令。活塞固定
在这些实验中，使腔体积变化不影响结果。我们发现，空气动力学约50毫秒的延迟达到其最大的效果如图所示在图7。气动潜伏期和非线性的肌腱在骨段进行路线和包装我们的问题在同一时间挑战和有趣。骨骼和肌腱的运动模型我们构建了一个手指骨骼的运动模型和肌腱路径。这是由用于3D打印手指CAD文件以numericdata做，和在一个XML文件中输入它（见附录），然后阅读通过我们的建模软件。我们的软件–称mujoco多关节动态与接触的立场是一个功能齐全的新物理引擎，具有许多独特的功能
包括肌腱驱动的模拟能力。在这论文中，我们只使用了运动学建模功能的发动机，以及内置的OpenGL可视化。骨骼建模方法是标准的：系统模型—比喻在关节空间的表达，和正向运动学用于在每个时间步来计算全局位置与任何对象的身体段的方向依附于他们。肌腱建模是不太常见的，所以我们详细描述我们的方法。肌腱的路径确定由一个序列的路由点（或网站），以及几何包装对象，可以是球体或钢瓶。软件计算通行的最短路径通过所有被定义为一个给定的网站，并没有渗透任何的包装对象（即路径包裹顺利曲线曲面。后者的计算是基于一种以前开发的生物力学障碍的方法。让问题表示关节角度的向量，并且S1（Q），···，Sn（Q）表示的三维位置（全球一个给定的肌腱的路由点的坐标）。这些位置计算每个时间使用正向运动学一步。当肌腱长度为
被概括的术语只是欧氏向量规范KSN 1minus;SNK，但是我们已经写了他们的明确下面的推导过程如下。当肌腱路径遇到一个包装对象，其他网站是动态创建的点，肌腱路径是切线到包装表面。这些网站也考虑在内在长度和力矩的计算中。力臂是经常使用的几何直觉的定义在简单的情况下工作，但很难实现在通用软件中，必须处理任意空间
安排。相反，我们使用更一般的数学力矩臂的定义，这是肌腱的梯度关于关节角度的长度。使用链规则，为我们的肌腱矩臂的矢量是
这种表达可以评估一次现场的雅可比矩阵part;/part;Q是已知的。我们的软件会自动计算所有雅可比矩阵，所以力臂的计算涉及很少的开销。
我们手指的指伸肌腱使用一个滑轮机构，这是仿照如下。总腱长度等于单个分支的总和，加权在这种情况下的系数是1 / 2的长期路径和1 / 4的短路径。一旦被定义，那一刻手臂矢量通过分化来计算。
计算的弯矩的数值计算模型在休息手指配置显示在表这些值在一个复杂的手指结构的变化方式，并自动重新计算在每一个时间步。力矩臂是有用的计算的肌腱速度给定的关节速度：
并计算关节力矩矢量tau;所应用于肌腱的标量张力线性执行器：
请注意，这些都是相同的映射，为熟悉的映射在关节空间和端部效应空间之间雅可比part;L /part;问这里的计算方式不同。另一个差异当然是筋只能拉，所以Fle;0。在我们最初的控制实验之后，我们意识到肌腱不能移动手指在所有方向上所有姿势。为了分析这种现象，我们扩大了我们的研究软件计算指尖的三维加速度从每个肌腱的激活造成的。结果是图8中显示的红线。注意这些行李靠近一个二维平面，这意味着将手指移动这架飞机很难，需要很强的合作近拮抗剂。这促使我们加入另一个执行器（一个二次侧）和重新排列的肌腱附着点，旨在使肌腱行尽可能的行动。在图8中的模型该问题在一定程度上缓解了仍然保持。潜在的困难是，屈伸肌作用在distlal接头也有大型的时刻手臂上的近端关节。唯一的办法，以避免这将是路线，肌腱远端屈肌/伸肌近到近端关节的中心
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