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肌腱驱动机制设计

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LEARNING OBJECTIVES

本模块目标

  1. 理解肌腱驱动机制的基本动力学结构及关节模仿原理。
  2. 学习用于精密机器人手的肌腱材料(Dyneema SK78)的特性。
  3. 掌握肌腱的张力传递路径及绞盘设计时的摩擦与磨损防护方法。
  4. 计算执行器的失速转矩及肌腱驱动时的机械增益。

肌腱驱动机制基础

肌腱驱动(Tendon-driven)系统是通过远程执行器将张力通过肌腱（线）传递到关节进行驱动的方式 [S9]。模仿生物手指的肌腱结构，将执行器移至手掌或前臂，从而减轻手指自身的质量并实现精密运动 [S10]。

1. 肌腱的选择与张力传递

本设计采用高强度低延伸率纤维 Dyneema SK78 [S16]。该材料在直径 1.5 mm 时具有 230 daN（约 230 kgf）的断裂载荷，工作伸长率小于 1%，适合精密位置控制 [S16]。

2. 机械增益与执行器选型

XM430-W350-T 智能执行器提供 4.1 N·m 的失速转矩 [S11]。由于肌腱通过旋转轴的绞盘半径转换力，执行器的转矩输出被转换为肌腱的张力。整个系统使用 11 台执行器，峰值电流合计可达到约 25.3 A [S11]。仅凭保险丝与负载/电源额定的对比并不能保证安全性或动作顺序。需结合保险丝制造商的时间-电流曲线及电源 OCP 特性确认保护协调 [S15, S24, S25]。

3. 安全与防护设计

各 12 V 电源分支通过独立保险丝运行 [S15, S24]。 3 个电源适配器额定电流各为 11.5 A，总电流容量达到 34.5 A，足以承载系统峰值电流 25.3 A [S11, S15]。确保分支合计额定值超过执行器总峰值电流，以保证运行安全。

WORKED EXAMPLES

讲解示例

  1. 示例 1: 肌腱驱动时的张力计算 当执行器转矩(τ)为 1 N·m 且绞盘半径(r)为 0.01 m 时，肌腱张力(T)为 T = τ/r = 1/0.01 = 100 N。需考虑对比 Dyneema SK78 的断裂载荷 230 daN（约 2300 N）的安全系数进行设计 [S16]。
  2. 示例 2: 电源分支分配与防护 总共 11 台执行器的失速电流合计为 25.3 A [S11]。若将其分配给 3 个分支，分别为 4 台、 4 台、 3 台，则各分支最大负载分别为 9.2 A、 9.2 A、 6.9 A。仅凭保险丝与负载/电源额定的对比并不能保证安全性或动作顺序。需结合保险丝制造商的时间-电流曲线及电源 OCP 特性确认保护协调。结合保险丝制造商的时间-电流曲线及适配器 OCP 特性确认保护协调 [S24, S25]。

LAB PROTOCOL

肌腱张力及关节摩擦测量实习

  1. 1

    使用提供的连杆和轴承组装手指关节模型。

  2. 2

    连接肌腱并使用张紧器设置初始张力。

  3. 3

    将万用表设为 DC 电压模式，物理断开并确认各分支的 12 V 电源适配器输出。

  4. 4

    通电前手动测量并记录关节的旋转摩擦力。

安全检查
  • 维护与接近前，必须物理断开 3 个绝缘电源适配器，并用万用表确认 DC 电压低于 1 V。
  • 通电期间绝不可接近手指的活动范围。
  • 务必佩戴防冲击作业护目镜。

实验提交物

  • 随关节旋转角度变化的肌腱张力测量数据
  • 摩擦力分析报告
  • 最终安全计量记录

ASSIGNMENT

5 仿生机器人手肌腱路径设计

提交物

评分标准

  • 肌腱路径设计是否最大限度减少了弯曲处的摩擦？
  • 是否考虑了 Dyneema SK78 的物理特性？
  • 3 个电源分支的负载分配是否适当反映了执行器失速电流？
  • 保险丝及电源短路防护设计是否遵守了 BOM 规范？

KNOWLEDGE CHECK

理解检查

1使用 Dyneema SK78 肌腱的主要优点是什么？
2使用 3 个 12 V 电源适配器（各 11.5 A）的原因中，最恰当的是？

FIELD CHECK

完成标准

  • 所有实验数据和图纸必须包含在最终报告中。
  • 物理断开电源后，必须通过计量验证 3 个分支的 DC 电压低于 1 V。
  • 肌腱路径设计中必须包含考虑绞盘摩擦的解析。

MODULE SOURCES

本模块参考资料

  1. Ruka-v2: Tendon Driven Open-Source Dexterous Hand with Wristarxiv.org · paper
  2. US11325264B1 - Tendon-driven robotic handpatents.google.com · patent
  3. D-Pro 1.5 mmliros.com · technical_documentation
  4. XM430-W350 e-Manualemanual.robotis.com · datasheet
  5. GST160A12-R7B Enclosed Desktop Power Adaptermeanwell.com · datasheet
  6. ATO AFH Series In-Line Fuse Holderlittelfuse.com · datasheet
  7. ATOF 287 Series 10 A Blade Fuselittelfuse.com · datasheet