機器人的多手研究

0多種作業技術的應用隨著機器人技術的快速發展和不同領域的廣泛應用，最終執行器作為機器人環境相互作用的最終執行文件，在提高機器人智能和工作水平方面發揮著非常重要的作用。機器人末端執行器的工作能力的研究受到了極大的重視。近二十幾年來,由于傳統的工業機器人末端夾持器靈活性差、缺少感知能力和精確的力控制等缺點,多指機器人手的研究受到很多學者的關注。多指手從結構與功能上模仿人手,可以實現對多種物體的靈巧操作和精確的力控制,因此具有解決一些復雜作業問題的可能性。其主要應用范圍有:作為智能機器人的手、危險環境下的精密操作及空間機器人技術等。人類手的進化是通過不斷的勞作而緩慢漸進的,經歷了數百萬年才成為現在這雙最具靈活特性的靈巧手。由于人手的靈巧特性,現已成為機器人學者進行機器人手設計及實現其靈活控制的思考源泉。為了使機器人的末端操作器能象人手一樣對不同形狀和不同性質的物體具有抓、握、夾、拿等功能,可以把人手的動作劃分抓型、握型和夾型,如圖1所示。為了提高機器人的智能化水平和作業水平,越來越多的機器人學者對多手指靈巧手感興趣,機器人多指靈巧手抓取和操作的研究已經成為當今科技領域中一個重要的研究主題。多指靈巧手的飛速發展,使得其在農業生產中應用成為可能。由于在農業生產中作業對象是果實、苗、家畜等離散個體,因為生產環境不同,他們的形狀也不同,所以農業機械手不僅要考慮作業對象的基本特性(大小、形狀、質量)和力學特性(彈性、粘性、壓縮性、剪切性、摩擦性等),還要考慮其聲音特性、光學特性等。其采摘傳送應采用柔性動作處理技術。即這只手需要慣量很小,能快進而又平穩工作。這正是目前許多學者感興趣的重要研究方向:既靈敏又柔性的多指靈巧手——農業機器人手。1危險的作業環境隨著機器人應用領域日益擴大,自動化水平不斷提高,特別是在水下、高空及危險的作業環境中,迫切希望能給機器人末端賦予一個類似人手的通用夾持器,以便在危險、復雜及非結構化的環境中,適應抓取任意形狀物體完成各種復雜的細微操作任務的要求,機器人多指靈巧手正是為適應這一需要而提出的。1.1utah/vmt手機多指手的研究始于20世紀70年代,其中具有代表性的早期靈巧手有:日本“電子技術實驗室”的Okada靈巧手,如圖2所示。該手有3個手指和一個手掌,拇指有3個自由度,另外兩個手指各有4個自由度,手指關節由電機驅動,通過鋼絲和滑輪實現運動和動力的傳遞。能進行擰螺栓等動作。Okada靈巧手采用電驅動腱式關節,靈活性受到一定限制,只能進行簡單的重復性動作。進入20世紀80年代,由于機器人應用領域的不斷擴大,各國都加強了機器人多指靈巧手的研制開發,取得了許多很有應用價值的成果,一些著名的多指靈巧手也應運而生。20世紀80年代初美國斯坦福大學研制成功了Stanford/JPL手,如圖3所示,該手有3個手指,每指各有3自由度沒有手掌,采用12個直流伺服電機作為關節驅動器,采用N+1型腱驅動系統傳遞運動和動力,與Okada手相比,Stanford/JPL手的靈活性有較大的改善,可以抓取不同形狀的物體如方塊或雞蛋等,其控制系統也更為復雜。美國麻省理工學院和猶他大學聯合研制了Utah/MIT手,如圖4所示。該靈巧手的4個手指完全相同,每個手指有4個自由度,手指關節采用氣動伺服缸為驅動元件,采用2N型腱驅動系統傳遞運動和動力,配上數據手套可以擰燈泡等動作。1984年日本研制成功了的Hitachi手,如圖5所示。該靈巧手共有3個手指,每指4個自由度,采用形狀記憶合金驅動方式,驅動速度快、負載能力強。進入20世紀90年代,以意大利和德國為代表的歐洲在多指靈巧手方面取得了很大進展。由意大利熱那亞大學研制的DIST手有4個手指,每指4個自由度,大小跟普通人的手差不多,手指的每個關節都能屈伸90°,每個手指通過5個直流電機和6根直徑為0.4mm用聚酯制造的腱進行驅動。該手加上20個電機總質量不超過10N,可以很方便地裝在各種機械臂上,如圖6所示為該手裝在PUMA260機械臂上。自1985年以來意大利博洛尼亞大學先后研制成功了UB-Ⅰ和UB-Ⅱ靈巧手,其中UB-Ⅱ為博洛尼亞大學聯合帕爾馬大學和比薩大學共同研制成功的,該手有3個手指,共11個自由度,安裝在配有前臂和手腕的PUMA560的實驗平臺,如圖7所示,以實現在關節有感應器的機器人手上。德國宇航中心先后研制成功了DLR-Ⅰ和DLR-Ⅱ靈巧手,其中DLR-Ⅰ有4個完全相同的手指,每個手指有4自由度,采用微型直線驅動器作為驅動元件,將所有的驅動器集成在手指或手掌中,每個手指集成有25個傳感器,包括類似人工皮膚的觸覺傳感器、關節扭矩傳感器、位置傳感器和溫度傳感器等,指尖力有11N,整個手重1800g,如圖8所示。DLRⅡHand靈巧手是在DLRⅠHand的進一步的發展,其最終目標是能完全的自主的操作,包括遠程操作中聲像反饋和和力反饋,以及以最短時間進行最佳抓取規劃?，F已能實現的動作如圖9所示。20世紀末,美國國家航空和宇航局利用國家基金研制用于國際空間站艙外作業的NASA靈巧手,如圖10所示。該手完全模擬人手的結構與動作,由1個前臂、1個手腕和5個手指組成,共14個自由度(手腕2個自由度,拇指、食指和中指各3個,無名指、小指和手掌各1個自由度)。目前該手可以拿起一些常用工具進行操作,如圖11所示。其外形、功能與靈巧性已經比較接近人類的手。1.2多次電子功能手20世紀80年代后期,國內一些機器人研究機構和部分高等院校相繼開展了機器人多指靈巧手的研究工作,如哈爾濱工業大學、北京航空航天大學、國防科技大學、北京理工大學、北京科技術大學等都在多指靈巧手方面做了大量的工作,圖12所示為哈爾濱工業大學機器人研究所研制的HIT-1四指仿人手靈巧手,該手有4個完全相同的手指,其中大拇指與另外3指相對放置,每個手指4個關節,12個直線驅動器集成在手掌,通過腱傳動系統傳遞運動和力。北京航空航天大學機器人研究所先后研制了BH-1、BH-2、BH-3、BH-4四種型號靈巧手,圖13所示為3指每指3個自由度的BH-3型靈巧手,沒有手掌,仿美國的Stanford/JPL靈巧手。圖14為4指16自由度的BH-4靈巧手抓取動作。該靈巧手主要用于靈巧操作研究及為相關技術開發與應用提供有效的實驗平臺。靈巧手可以在計算機的控制下用手指靈巧地彈奏簡單的樂曲;研究人員佩帶具有多個傳感器的數據手套后,可以通過數據手套中手指的動作,利用計算機網絡通訊,對靈巧手進行距離控制操作,比如遠距離遙控機器人靈巧手抓物、倒水等等。綜上所述,多指靈巧手從機構形式上看大都是多指多關節手,并且最普遍的是其手指數目為3～5個,而且各手指的關節數目也多為3個轉動關節,自由度為3～5個,具有冗余自由度,手指關節的運動副都是采用轉動副,并從幾何、運動學、動力學及結構關系等不同角度進行了研究和探討,提出了各種協調控制、抓取規劃系統,來模擬人手的抓取運動。多指靈巧手的設計不論在外形方面,還是功能方面,都越來越逼近人手。在上面討論的多指靈巧手中,采用了多種關節驅動系統。下面討論一下多指靈巧手的關節驅動系統。2靈活機動的驅動系統模型驅動系統是機器人靈巧手的重要組成部分,對系統的性能和操作能力具有決定性的作用。在一般情況下,靈巧手的驅動系統由驅動器和傳動系統兩部分組成。驅動器是驅動系統的核心部件,用以產生運動和力;傳動系統將運動和力從驅動器傳遞到靈巧手手指的關節。2.1價值電驅動技術靈巧手用驅動器的技術指標主要包括輸出力矩、速度、質量、體積、可靠性、控制性能和功耗等。到目前為止,多指靈巧手絕大多數采用了電驅動,部分采用了電液驅動、氣壓驅動和形狀記憶合金等驅動方式。少數的靈巧手采用了一些新型的驅動技術,如壓電陶瓷驅動,可伸縮性聚合體驅動等。驅動形式基本上都是通過旋轉型驅動器或直線型驅動器帶動腱傳動系統進行手指關節的遠距離驅動。2.1.1旋轉型/直線型兩種驅動方式的選擇電驅動是技術最成熟、應用最廣泛的一種驅動方式,為大多數靈巧手所采用。從電機的靜態剛度、動態剛度、加速度、線性度、維護性、噪音等技術指標來看,電驅動的綜合性能比氣壓驅動和液壓驅動要好。電驅動的靈巧手的驅動形式可以分為旋轉型驅動和直線型驅動。采用旋轉型驅動的靈巧手以Stanford/JPL手為代表,其驅動系統由直流電機和齒輪減速機構組成,因而體積較大,驅動系統只能放在手掌部位,通過腱進行手指關節的遠距離驅動。近年來,微型驅動器和減速器的發展為手指驅動系統的微型化和集成化創造了條件。德國的DLR靈巧手就是用這種直線型驅動器來驅動關節,其直線驅動器將旋轉電機、旋轉直線轉換結構和減速機構融為一體,如圖15所示。2.1.2簡單的設備液壓驅動具有很好的穩定性和可靠性、很高的力矩/體積比、很強的阻轉能力,驅動器的結構簡單并且價格便宜等。但是,在靈巧手中采用液壓驅動方式有很大的難度和弊端,如:存在較大的泄漏流量,微型閥對污染物十分敏感等。雖然近年來市場上出現了一些微型的液壓驅動器,但是仍然不能改變電驅動在靈巧手驅動中的主導地位。2.1.3環境自然在生物環境保鮮方面的應用與電傳動和液壓傳動的驅動器相比氣動驅動器有如下特點:能量存儲方便;傳動介質空氣來源于大氣,獲取很方便;氣壓傳動具有抗燃、防爆及不污染環境;且具有柔性。如美國Utah/MIT靈巧手所采用的就是氣壓驅動。近年來發展的熱點,人工肌肉驅動器和氣動肌肉。人工肌肉驅動器的體積不大,但是輸出力很大,其結構如圖16所示。氣壓驅動的主要優點是:由于通常使用壓縮的空氣作為能源,所以價格比較便宜,并且對環境的要求不嚴格。主要缺點是:驅動器的剛度和空氣的可壓縮性有關,通常是很低的,并且驅動器的動態性能較差。2.1.4形狀記憶合金SMA(形狀記憶合金)驅動,如Hitachi靈巧手的驅動系統。形狀記憶合金是一種能記住自身形狀的一種合金,當其發生永久變形后,若加熱到某一溫變形前的形狀。其特點是驅動速度快、負載能力強。但與其他金屬一樣,存在疲勞和壽命問題。2.1.5其他新驅動程序壓電陶瓷驅動、可伸縮性聚合體驅動等。2.2電效率與鞋件傳動的比較,可將限制下的下一步發展以帶動加快7.機器人靈巧手傳動系統把驅動器產生的運動和力以一定的方式傳遞到手指關節,從而使關節做相應的運動。傳動系統的設計與驅動器密切相關。基于腱的傳動方式仿效人手的驅動原理,被大部分靈巧手所采用。如Stanford/JPL手、UTAH/MIT手、UB手、DIST手、DLR手、HIT手和BH手等。腱傳動的優點是:1)可以使驅動器和手指本體分離,對手指關節進行遠距離驅動,從而減小手指的尺寸和質量;2)與其它傳動方式相比,腱傳動在結構的緊湊性、研制的靈活性、成本和維護的低廉性方面具有很好的綜合指標;3)腱傳動使一種零回差的柔順傳動方式,因而可以簡化力控制器的設計。腱傳動系統的缺點是:1)由于腱的剛度是有限的,所以驅動系統表現出一定的滯后,從而影響了位置精度;2)必須對腱進行預緊,這增加了結構的復雜性和裝配的難度;同時預緊程度對驅動系統的性能有很大的影響;3)腱的張力和波動如果很大,可能會激發系統的振蕩,從而引起腱的不穩定或者造成腱的損壞。在腱傳動系統中,腱的機械特性、數量以及在手指中的路徑設計對于靈巧手的性能具有較大的影響。綜上所述,目前多指靈巧手的驅動系統絕大多數是采用了電驅動器及腱傳動系統的組合,并取得了豐碩成果,但其驅動系統的缺點也一時難以完全克服。其他一些驅動器一時難以成為主流。隨著氣動控制技術的不斷發展,很多機器人研究學者對氣壓驅動感興趣,氣動驅動一時成為研究的熱點。一旦氣動傳動的缺點被克服,氣動驅動器的前景將一片光明。3仿人機器人靈敏度手的發展方向隨著計算機技術、智能控制技術的飛速發展,機器人技術越來越受到人們的重視,國內外教育科研機構都投入大量人力物力開展相關領域的研究。機器人的應用從傳統的針對工業應用發展到目前為工業、農業、服務業等領域服務,其研究也向高精度、精巧靈活、柔順性好等方向發展。要達到這樣的要求,主要是靠多指靈巧手的開發研究。文中總結了國內外在多指靈巧手研究方面的成果,分析其特點和不足,從而推斷出多指靈巧手的設計正日趨復雜化、精巧