机器人手爪的研究现状与进展
    机器人  传动系统  传感器  抓取控制   本文综合分析了现有通用和专用机器人手爪的设计优缺点,以及手爪上应用的传感器和控制的研究现状,并总结提出了今后机器人手爪的研究重点,最后对未来的发展方向做出了展望。

0 引言

    随着机器人研究的深入和各方面需求的巨大增长,机器人的应用领域在不断地扩大,概念也在不断地拓展,不再局限于搬运、焊接以及大批量作业的工业机器人,人类已经研制成功或正在研制用于危险环境作业、海洋资源探测、核能利用、军事侦察以及空间探测中的特种机器人。机器人已经从小说素材和科幻电影中发展为广泛应用于各领域的由计算机控制的智能机电装置系统。在机器人获得巨大发展的同时,机器人关键部件之一的机器人手爪也获得了长足的进步。

    作为机器人与环境相互作用的最后环节和执行部件,机器人手爪既是一个主动感知工作环境信息的感知器,又是最后的执行器,是一个高度集成的、具有多种感知功能和智能化的机电系统,涉及机构学、仿生学、自动控制、传感器技术、计算机技术、人工智能、通讯技术、微电子学、材料学等多个研究领域和交叉学科。机器人手爪正由简单发展到复杂,由笨拙发展到灵巧,其中的仿人灵巧手已经发展到可以与人手媲美,它能捏住一支花,握住一枚鸡蛋,抓取任意一件东西,还能进行一些简单的操作。

    由于机器人手爪的重要性,美国、德国、日本、俄罗斯等机器人研究强国研制成功了多种通用和专用的机器人手爪,手爪的灵活性和可靠性得到很大的提高,加上先进的感知系统,具备一定的自主能力,为机器人的灵活抓取和操作奠定了坚实的基础。我国的机器人的研究开始于70年代,起步较晚,手爪研究也相对落后。从80年代至今,在国家863计划和国家自然基金的大力支持下,机器人的研究被列入重点发展的主题,得到大力的发展,手爪的研究也步入了一个良好的发展时期。

1 手爪的研究内容  

    手爪的应用环境千差万别,抓取可靠、环境适应性好、控制简单、自适应性强、自主能力高是衡量机器人手爪设计水平的重要标志。性能优良的机器人手爪可以实现可靠、快速和精确地抓取。研究和开发一个性能优良的机器人手爪是一项艰巨的任务,包括技术实现和理论研究两个方面。根据机器人手爪已有的研究成果,结合研制的经验,并参阅大量的相关文献,总结出机器人手爪主要的研究内容包括以下几个方面:

    1.1 驱动和传动系统  

    机器人手爪在体积、重量、灵活性和可操作性等各项性能指标上都存在很大的区别,造成这些区别的主要原因是由于手爪采用的驱动和传动方式不同。手爪按照驱动源的方式可以分为电机、液压、气动以及形状记忆合金等,机器人灵巧手传动系统把驱动器产生的运动和力以一定的方式传递到手指关节,从而使关节做相应的运动,动系统的设计与驱动器密切相关。虽然驱动源是影响手爪体积重量的重要因素,但是抓取稳定性和灵活性等重要指标取决于传动系统,这里按照传动和驱动的方式,将灵巧手分为以下几种类型:

    1.1.1 腱传动方式  

    第一类是由腱(钢丝绳、绳索等)加上滑轮或者软管实现传动,其特点是:腱一般具有很高的抗拉强度和很轻的重量,容易实现多自由度和远距离动力传输,节省空间和成本,是一种零回差的柔顺传动方式。但是,腱本身的刚度有限,影响位置精度;控制时需要一定的预紧力,容易产生摩擦;腱的布局容易产生力矩和运动的耦合。这些因素都增加了手爪抓取控制的难度和复杂性。

    1.1.2 连杆传动方式  

    除了腱传动以外,另外一类是采用连杆的传动方式。其特点是采用平面连杆机构传动,优点是刚度好、出力大、负载能力强、加工制造容易、易获得较高的精度,构件之间的接触可以依靠几何封闭来实现,能够较好实现多种运动规律和运动的轨迹的要求,但是设计复杂。

    1.1.3 其他传动方式

    手爪驱动器通过螺纹将旋转变成直线运动,拉动驱动器和手指之间的弹簧来驱动手指产生动作,手指部分采用杠杆连接,各个手指动作相互独立,具有多种的抓取构形,和别的多指灵巧手相比,驱动更加灵活,但是手指的闭合时间较长,手指的结构比较复杂,容易出现故障。

    1.1.4 人工肌肉的驱动方式

    液压驱动和气动的驱动方式是近年来兴起的一种重要的驱动方式,是模拟人肌肉的一种驱动方式,由于材料和技术的限制,这些“人工肌肉”技术还远远不能满足机器人手爪实现可靠、快速和精确地抓取功能。

    1.1.5 形状记忆合金驱动方式

    除液压和气动驱动的手爪外,还有一种是形状记忆合金驱动方式的手爪。有四个手指,每个手指需要12个驱动器。特点是负载能力强,但存在疲劳和寿命问题,手指反应速度也不高。

    1.1.6 欠驱动方式

    从机器人手爪的研究进展来看,多指灵巧手仍然是研究最多的,但是多指灵巧手基于腱和滑轮(或是软管)的传动方式导致出力小、负载能力差、控制复杂,制约着其在服务机器人上的应用。尽管采用了一些新的技术,例如直线电机等,但是其根本的驱动和传动方式并未发生改变,本身的弱点仍然无法克服。对于空间机器人来说,欠驱动手爪是目前空间机器人研究的一个重要的方向。通过欠驱动手指机构、机械限位和弹簧实现无动力关节对被抓取形状的被动自适应,具有驱动元件少,抓取范围广泛、控制简单、出力大、负载能力好等特点。

    1.2 智能感知系统

    1.2.1 传感器的研制

    传感器是空间机器人手爪获取内部和外部环境信息的主要手段,丰富的感知是提高机器人作业水平和自主能力的必要条件。研究内容包括传感器的选择与配置,新型传感器设计,多传感器集成和信息融合。手爪上配置的传感器包括力觉和视觉传感器,此外还有接近觉传感器,距离传感器等。视觉和力觉是空间机器人手爪最重要的信息。

    一般手爪将手眼系统集成在一起,并且具有丰富的力传感器信息,通过视觉信息,可以得到手爪的全局的状态,并且根据信号处理和数据融合的结果判断手爪各个部分的当前运行状态和可靠抓取。在机器人自主抓取的研究中,大多进行基于视觉的控制,例如视觉定位和伺服。比较有代表性的工作有文献。但是他们在视觉不起作用的情况下无法在线调整位姿。

    1.2.2 信息融合和处理  

    如今,智能机器人在发展中面临的一个重要问题是所处的非结构化环境以及自身模型的不精确性所带来的不确定性。解决这种不确定性的关键就是要发展智能传感系统。同时,增强机器人在复杂环境下的感知能力也是提高机器人自主能力和适应性的主要方法。而对传感信息的处理是实现机器人自主功能中最为重要的条件之一。  

    在机器人的研制中,一个关键的未解决的问题是发展机器人所需的传感和感知系统,使其能在未知的复杂环境下动作。但由于各种传感器本质上是不同的,它们的有效性在时空上都存在着差别,这意味着有些传统的传感器集成和融合方法不是很合适,为此Bradley J.Nelson和Pradeep K.Khosla对传统的传感器集成方法做出了改进,提出了力分解和视觉分解的概念使机器人能在不同的控制方式下根据不同的传感模块进行切换。

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    1.3 抓取控制和决策系统

    1.3.1 抓取稳定性研究

    研究机器人手爪多指抓取的目的是通过探索人类的抓取机理,最终开发出一种能够抓取任意形状物体,操作和使用工具,完成多种抓取任务,模拟人手抓取行为的拟人手。到目前为止,机器人手爪的多指协调操作与控制技术还不能满足细微操作的要求,离真正实用化还有一定的距离。抓取稳定性研究在很大程度上是探索多指抓取的机理,分析多指抓取细微运动和力的作用,稳定性分析是抓取控制的基础工作。具体的工作是进行理论分析,总结出能够适应一般条件下的算法。

    1.3.2 规划和决策系统

    自主抓取规划是手爪根据各种传感器的信息,不需要和主机进行通讯,自主进行规划和决策。例如,舱外专用手爪传感器的本地自主能力,根据传感器的信息自主判断手爪和目标之间的姿态和位置。服务机器人手爪遇到一个不规则形状的物体,自主决策采用何种方式进行抓取等。自主规划决策可以提高手爪的智能,减少手爪和主控计算机之间的通讯限量和大延时带来的不便,减少出错的可能性。规划抓取的轮廓布局与力的分布,制定多指抓取的协调控制策略。

    1.3.3 抓取控制

    在稳定性分析和抓取规划研究的基础上,需要研究的是手爪的控制策略。由于目前手爪采用腱和连杆等传动方式,因此,控制仍然比较复杂。复杂的控制策略是机器人采用多指灵巧手遇到的一个最大障碍,其本身具有闭链多环特征,存在控制的不唯一性、运动的协调性等问题。目前手爪的主要控制方法为:阻抗控制,力控制和阻尼控制,位置控制等。

    1.4 其他研究

    对于特殊环境下的机器人如空间机器人或水下手爪设计,每一个细节都需要在模拟的环境下做大量的试验,验证整个手爪系统的可靠性,包括机械结构和控制系统的试验,防辐射试验,高低温试验,机械润滑试验,电路冗余备份以及微重力环境试验。对于空间舱外工作的手爪来说,这种重要性是可想而知的。可靠抓取是所有设计的前提条件,涉及整个手爪分系统乃至整个机器人系统。研究内容包括手爪的机械结构的适应性;控制系统的精确性;空间环境的安全性等。结构和控制的简单化是增加手爪安全可靠性的一个重要措施。一些手爪还采用先捕获后抓取的结构,以增加抓取的可靠性。空间机器人手爪在设计前,需要通过仿真软件对抓取过程的每一个细节进行模拟,发现可能存在的问题。

2 手爪的研究进展

    2.1 通用手爪的研究进展 

    通用手爪分为拟人和非拟人两种,其中,拟人的多指灵巧手是通用手爪的一个重要的研究方向。人类与动物相比,除了拥有理性的思维、准确的语言表达外,还拥有一双灵巧的双手。人手是经过世世代代劳动的演变进化而成,结构小巧紧凑,抓取操作灵活稳定,给人类创造了巨大的财富。让机器人也拥有一双灵巧的手成了许多科研人员的梦想。 

    多指灵巧手最早的研究是为失去手臂的人安装假肢。之后,随着机器人技术的飞速发展,一些研究者试图研制出更加精巧的灵巧手,于是研究的方法和手段层出不穷,主要包含四个方面:人手基本生理结构的研究;手爪模拟人手的结构和功能;手爪感知系统的研究;手爪控制方法的研究,取得了一些有重要的研究成果,相继有一批著名的多关节多指灵巧手问世。

    2.1.1 腱传动的机器人手爪

    1974年,日本成功研制了Okada多指灵巧手,如图1所示。Okada手爪是第一个真正意义上的多指灵巧手。该手具有三个手指,有一个手掌,拇指有3个自由度,另两个手指各有4个自由度。各自由度都由电机驱动,并由钢丝和滑轮完成运动和动力的传递。这种手爪的灵巧性比较好,自身重量也比较小。但是,各个手指在结构上细长而单薄,难以实现校大的抓取力和操作力。

 Okada 多指灵巧手 

    美国麻省理工学院和犹他大学于1980年联合研制成功了Utah/MIT手爪,如图2所示。手爪采用模块化结构设计,手指的配置方式类似于人手,有四个手指:拇指、食指、中指和无名指,四个手指结构完全相同,每个手指有4个自由度。手指关节采用伺服气动缸作为驱动元件,由腱和滑轮传动。为了实现最大的可操作度,采用了2N型腱驱动系统,每个关节通过一对运动相反的腱进行驱动,由气动操作的“膜”及其所驱动的16个活动连杆、184个低摩擦滑轮拉动手指产生动作。此外,手上装有16个传感器、32个张力传感器,大体上能够像人手一样对物体进行抓持和操作,通过手指表面安装的触觉传感器对物体进行初步的特征获取,以实现控制握力的大小。

 Utah/MIT 多指灵巧手 

    美国斯坦福大学1983年研制成功Stanford/JPL多指灵巧手,如图3所示。该手爪采用模块化设计,没有手掌,有三个手指,每个手指有3个自由度,拇指和其他两个手指相对放置,体积和重量较大。关节一和二有90o的运动范围,末关节有135o的运动范围。手指由12个直流伺服电机作为关节驱动元件,采用腱和滑轮的传动方法,采用2N型和N型折中的N+1型的腱驱动系统传递运动和力。手指关节和滑轮由钢衬套铝管制成。

 Stanford/JPL 多指灵巧手

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    1998年Université de Poities大学研制成功了LMS多指灵巧手,如图4所示。该手有四个手指,由16个连杆组成,具有16个可控自由度,能够包络抓取和用指间捏取,同样采用腱和滑轮传输的方式,尺寸接近于人手,该手的特点是传动设计的布局比较合理,结构相对紧凑。不足之处是虽然具有冗余的自由度,但实现的抓取功能不理想。

 LMS 多指灵巧手 

    意大利Bologna大学先后研制成功了UB-I和UB-II手。其中,1992年研制的UB-II手爪如图5所示。该手爪有三个手指,采用绳索(腱)和滑轮的方式进行驱动,手指11个自由度,加上2个腕部自由度共有13个自由度。手的中心具有手掌,尺寸接近于人手。在UB-II手上装有9个内置式触觉传感器,可以检测作用在已知表面的力和力矩,并且在进行适当假设的情况下,可以计算给定表面的接触点的位置。

 UB-II 多指灵巧手 

    DIST手也是意大利研究人员在1998年研制成功的,是由17个连杆组成具有16个自由度的四指灵巧手,如图6所示。为了减轻重量,手指的关节采用连杆组合,关节中部是中空的,因此,抓取物体时不适合采用关节指面的接触方式,每个手指有4个自由度,通过5个直流电机驱动6根腱和滑轮的方式进行驱动,具有体积小,重量轻等优点。

 DIST多指灵巧手 

    在国内,通用手爪的研究最早是在张启先院士的主持下,由北京航空航天大学机器人研究所于80年代末开始的灵巧手研究与开发。最初研究出来的BH-1灵巧手是一种仿JPL的灵巧手,功能相对简单,但填补了当时国内空白。在随后的几年中又不断改进,研制出BH-3型灵巧手,如图7所示。该手爪有三个手指,每个手指有三个关节,共9个自由度。微电机放在灵巧手的内部,各关节装有关节角度传感器,指端配有三维力传感器,采用两级分布式计算机实时控制系统。BH-3手爪能灵巧地抓取和操作不同材质、不同形状的物体,它能够完成装配、搬运等操作,可以用来抓取鸡蛋,既不会使鸡蛋掉下,也不会捏碎鸡蛋。

 BH-3 多指灵巧手 

    哈尔滨工业大学和德国宇航中心合作,2003年研制成功HIT/DLR多指灵巧手,如图8所示,大大促进了我国在灵巧手技术方面的发展。该手爪有四个相同结构的手指,共有13个自由度,手的尺寸略大于人手,手的每个手指能提起1kg的重物,整体重量1.6kg。灵巧手涵盖数量众多的传感器,该手能够实现基于数据手套的远程遥控作业。由于沿用了德国宇航中心DLR四指灵巧手的设计思路,因此,HIT/DLR的优缺点基本上和DLR手爪相同。

 HIT/DLR 多指灵巧手 

    为了执行复杂的舱内空间机器人操作任务,继ROTEX手爪之后,德国宇航中心研制又研制出三指灵巧手和第一代、第二代四指灵巧手,其研制的第二代四指灵巧手,如图9所示。该手具有12个自由度,每个手指的3个独立关节由无刷直流电机、谐波齿轮和基关节锥齿轮组成。不同的关节具有不同的结构,2自由度的基关节采用差分锥齿轮驱动方式。同时,由于尺寸原因,谐波齿轮与电机结合在一起,关节差分方式可以在弯曲或伸展时完全利用两个驱动器的输出,这种方式减轻了每个电机的负担。手爪装备先进的智能传感系统,具有指尖五维力/力矩、位置、温度、类皮肤触觉、关节扭矩、速度传感器。第二代灵巧手比第一代能够进行更加精确的操作,协调性更好。图中进行抓取协调实验:抓取一个茶杯。

 DLR-Hand II

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    2.1.2 连杆传动的机器人手爪

    前南斯拉夫贝尔格莱德大学与美国南加州大学在1984年联合研制成功了Belgrade/USC手爪,手爪的轮廓如图10所示。该手爪是由直流电机通过涡轮、涡杆带动驱动杠杆来驱动。相应地,其结构比较复杂,体积较大,能够操作处理较精细的物体,每个手指在同一个平面运动。

 Belgrade/USC 多指灵巧手 

    美国宇航局(NASA)科学家们也在致力于空间机器人用多指灵巧手的研究,在1999年研制出具有多种抓取功能的NASA多指灵巧手,如图11所示。该手爪包括两个部分:一是用于操作的灵巧部分;另一部分用于在操作中保持抓取的稳定。手爪形状和人手相似,共有五个手指和一个手腕,具有14个自由度,手腕2个自由度,拇指、食指和中指各有3个自由度,末端的两个关节通过连杆传递运动。共有12个无刷电机来驱动整个手爪,具有冗余关节。除了触觉传感器以外,共有43个传感器。整个手爪非常灵巧,可以拿着镊子夹住小金属垫圈,还可以通过改变用力的大小来调节电钻的转速。

 NASA多指灵巧手 

    加拿大Toronto大学在2001年研制成功了被动自适应多指灵巧手TMB,如图12所示。该手爪驱动器通过螺纹将旋转变成直线运动,拉动驱动器和手指之间的弹簧来驱动手指产生动作,手指部分采用杠杆连接,各个手指动作相互独立,具有多种的抓取构形,和别的多指灵巧手相比,驱动更加灵活,但是手指的闭合时间较长,手指抓取的力量仍然较小。

 TMB 多指灵巧手

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    2.1.3 欠驱动的机器人手爪

    加拿大MDROBOTICS公司与Laval大学合作研制了非拟人手通用欠驱动手爪SARAH(Self-AdaptingRoboticAuxiliaryHand),并且作为一种自适应辅助空间换出工具,被放置在称为特殊作用的灵巧操作手臂上,手指的两个任务(开合和换向)由强力和可控的力矩电机控制,可以用来执行多种空间抓取任务,手爪的结构如图13所示。该手爪共10个自由度,3个手指,每个手指有3个关节,另外附加1个转动自由度,整个手爪只用两个电机驱动,一个电机负责手爪的开合,另一个负责手指的转向。采用平面直齿轮差动方式,形成一路输入三路输出,分别去驱动三个手指开合。通过槽轮机构对三个手指中的两个进行位置调整,进行转向,以适合不同形状物体的抓取。

 加拿大研制的欠驱动手爪 

    在国内,清华大学研究出一种具有被动关节的欠驱动仿人型手爪TH-1,结构如图14所示。该手爪追求拟人手的效果,采用片簧和压力传感器实现的变抓取力手指,可使手爪以不同抓取力抓取不同物体。这种变抓取力机构能够应用于各种驱动类型的手指上,采用增速齿轮传动实现手指的驱动。虽然这种手爪具有欠驱动的概念,但是除了大拇指以外,其余手指的关节被固定在一起,手爪的自由度非常少,因此,在包络或者捏取时,对物体的接触约束点变少,因此,抓取不规则物体时的稳定性变差,适应物体形状的能力不强。

 TH-1 欠驱动手爪 

    中国科学院合肥智能机械研究所在2004年研制出舱内服务机器人形状自适应手爪,手爪的结构如图15所示,依靠欠驱动的手指,只需要一个电机或四个电机就可以控制九个关节,手爪在舱内完成多种抓取任务。

  一个电动机驱动的和四个电动机驱动的欠驱动手爪

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    2.2 专用手爪的研究进展

    在一些特定的应用场合,或是特定产品的工业流水线,研究人员设计了一些构思巧妙的手爪,以提高手爪的抓取效率。由于应用对象专一,这些手爪被称之为专用手爪或夹持器。这些手爪的抓取力量较大,多以两指平行对捏为主,一般具有柔顺的功能,使用的传感器也不多。由于自由度少,结构简单,一些手爪便设计了特殊指面和结构来增强适应物体形状的能力,扩大抓取的范围。下面列举的是一些很有特色的专用手爪:

    1997年,日本宇宙事业开发团(NASDA)发射的技术试验卫星ETS-VII(The Engineer Test Satellite),星上搭载一大一小两个机械臂。小机械臂的前端带有三指的多传感器手爪,称为“先进机器人手”(Advanced Robotic Hand,简称ARH),长约0.5m,重约45kg,结构如图16所示。手爪上装有五种传感器,包括一台摄像机、三个接近觉传感器、一对夹持力传感器、一个柔顺传感器和一个力/力矩传感器,具备高度的可靠性和自主能力。手爪能够完成燃料加注、更换电池、浮游物体、螺钉的拧紧和松开等精密抓取和操作任务。

 ETS-VII  三指多传感器手爪 

    ARH手爪是一只半灵巧(Semidexterous)的手爪,共有3个自由度,由混合手指和柔性指面构成。混合手指包括一个由直流电机驱动的平动手指和两个由步进电机驱动的转动手指,完成基本的目标抓取功能。柔性指面采用了可重构形手爪的类似结构,在手指的表面安装一组弹簧压紧的针状物阵列,这些针状物阵列随着物体的表面起伏,具有较强适应物体形状的能力,并且对物体的约束是形封闭方式,防止物体滑落到空间中去。

    文献研究了一种应用于工业零件抓取的两指平动手爪,手爪指面由梯形模块组成,依靠四个斜面的作用,手爪能够引导零件对齐,调整到需要的方向,做到对抓取零件的线接触最大化,对于特定的光滑零件,能形成抓取方向上的形封闭,对于工业手爪设计具有一定的借鉴作用。图17中是手爪抓取物体时姿态的变化过程。该手爪最大的优点是对于特定形状的物体,能够牢固稳定抓取,缺点就是适应性差,抓取时物体的初始姿势都需要设定,只适合在特定的场合使用。

 特殊指面的平行两指手爪 

    加拿大Simon Fraser大学工程学院1997年设计了一种可重构形的手爪,如图18所示。每个手指面由弹簧压紧的针状物阵列构成,具有一定的被动柔顺能力。手爪依靠接触的针状物弹性变形,形成可重构形来适应不同形状的物体,利用没有接触的针状物形成部分形封闭,对物体进行约束,抓取的适应性和稳定性好,但当超过弹簧的变形范围时,手爪的适应能力变差,仍然属于专用手爪。尽管手爪的被动适应能力有限,却是提高专用手爪通用性的一种有益尝试。

 具有可重构形的平行两指手爪 

    1996年,张玉茹等在文献中设计和分析了一种具有高度稳定性和包络强力抓取能力的专用手爪EPG(Enveloping Power Grasp),如图19所示,并研究了手爪的形封闭稳定抓取。这种手爪采用封闭的五边形连杆作为手爪关节,在抓取平面内物体没有运动的自由度,形成形封闭抓取,抓取的稳定性较高。文中提出了抓取稳定的估算标准,采用图形几何的方法,根据物体的尺寸估算连杆的尺寸,具有一定的柔顺性。尽管如此,手爪对抓取物体的形状和尺寸仍然有很大的限制,只适用于柱状物体等的专用对象。

 稳定程度较高的柔性专用手爪 

    2003年,荷兰Delft大学的A.J.G.Nuttall等研究了图20中专用手爪的柔顺性。该手爪具有较大的抓取范围,能够产生较大的夹持力,通过液压驱动齿条和齿轮,带动两个对称的平行四边形手指机构,产生对捏动作。该手爪的最大特点是通过平行四边形机构,可以使得手指在对捏过程中夹持面和手掌面始终保持垂直,这种结构为我们设计形状自适应手爪的精确捏取机构奠定了基础。

 具有平行四边形机构的两指手爪

 机器人  传动系统  传感器  抓取控制   本文综合分析了现有通用和专用机器人手爪的设计优缺点,以及手爪上应用的传感器和控制的研究现状,并总结提出了今后机器人手爪的研究重点,最后对未来的发展方向做出了展望。

    加拿大SPAR公司与美国宇航局从1975年开始联合研制大型的遥控机械臂SRMS(Shuttle RemoteManipulator System,SRMS),后来以加拿大臂著称,见图21。1984年,SRMS正式被用于协助宇航员进行舱外活动,标志着空间机器人进入使用阶段。SRMS被安装在航天飞机的货舱口上,具有6个自由度,中间两臂长达7米,采用主从操作和局部自主操作。SRMS已在空间多次成功地进行了轨道飞行器的组装、维修、回收、释放等操作,并将承担国际空间站初始组装阶段的主要装配任务。

 SRMS末端执行器与结构体 

    中国科学院合肥智能机械研究所在2003年研制出平行两指舱外移动机器人手爪EMR/IIM,手爪的结构如图22所示,依靠两个相同的手爪在舱外的工字梁上交替行走和抓取,完成抓取任务。手爪由一对平行指面构成,只有一个对捏的夹持自由度。该手爪具有以下几个特点:具有自锁功能,在断电情况下能够保持抓紧状态;手指作平行运动,手指中心位置在夹持过程中保持不变;手爪至腕部距离较短,有利于提高刚度和承载能力;具有一定的被动柔顺功能,依靠两个特殊的微动指面调整和吸收一定范围内的机械臂姿态偏差,自适应能力强;具有视觉、力觉、接近觉等多种感知功能。目前,该手爪已经应用到我国空间机器人舱外行走的地面演示系统中。

 EMR/IIM专用手爪 

3 手爪的关键问题和未来发展

    机器人手爪研究的关键在于:安全可靠性、自适应性和更高的智能。安全可靠性研究确保整个机器人系统工作万无一失,因此,要求其手爪结构和控制系统要简单化。对于舱外专用手爪,需要设计机械柔顺结构弥补自由飞行机器人控制系统精度误差,吸收存在的微小位置和角度偏差,有利于自动对接或捕获目标。对于服务机器人手爪,需要提高通用性,使得手爪具备适应各种被抓物体形状的能力。由于受到遥操作通讯大延时和限量影响,手爪智能化研究可以提高手爪决策的本地化,减少通讯量,减少地面干预,减少出错的可能性。

    机器人手爪的未来发展具有以下几个趋势:

    1)小型化,集成化技术的发展;

    目前手爪的体积和重量是制约手爪应用的一个重要的指标,如何缩小手爪的尺寸和重量是摆在世人面前的一个重要研究内容。

    2)仿生技术的发展;

    制造出像人手一样的机器人手爪是研究人员不懈的追求,因此无论是驱动和传动系统,还是制造类皮肤传感器,人们都试图从仿生的角度进行模拟,比如对于皮肤传感器的模拟,对于人工肌肉的模拟等。

    3)主动信息获取技术的发展;

    机器人传感器的研究正从被动感知向着主动感知的转变,被动感知的信息是局部的信息,而盲人对环境信息的感受是通过手臂,大脑记忆等协同完成的,从而使人们认识到主动式的感知过程是一种更好地获取外部环境和内部信息的方式。

    4)信息的融合技术的发展。

4 结论

    本文总结了国内外在多指灵巧手研究方面的成果分析及其特点和不足,从而推断出多指灵巧手的设计正日趋复杂化、精巧化和控制的精确化,并逐步接近人类手的造型和功能。机器人灵巧手的灵巧程度取决于其驱动系统,而驱动系统的组成部分驱动器和传动系统正在不断创新与发展。人工肌肉驱动器及新型的气压驱动器将是今后发展的热点,具有多种感知功能的仿人机器人灵巧手将有很好的应用前景。例如:依靠空间机器人从事空间站物品搬运、装配及空间站维修等工作,而机器人智能手对于空间机器人的工作能力具有重要意义,仿人机器人灵巧手将用于战场探雷和排雷、核工业设备的检测和修理等危险作业及水下机器人的水下作业。此外,仿人机器人灵巧手还可以应用于残疾人假手、老人院生活服务等领域。

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    收录时间:2015年10月22日 16:28:58 来源:e-works 作者:匿名
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