机器人多自由度、多感知、可控制的灵丹妙药

机器人多自由度、多感知、可控制的灵丹妙药

0机器人灵明手作为人类活动的有效延伸，该机器人手可以开展灵活、精细的采样操作。自20世纪初以来，它一直是机器人领域的研究方向之一。相对于简单的末端操作器,机器人灵巧手具有通用性强、感知能力丰富、能够实现满足几何封闭和力封闭的精确、稳固抓取等优点。灵巧手作业能力的不断提高,其代价是增加了系统的复杂性和研究难度。目前灵巧手的研究和技术进步主要集中在结构设计、传感系统、运动学和动力学、控制及抓取规划等几方面。1基于医疗的灵手sd各灵巧手的发展是一个阶段性的发展过程,主要原因是其发展受到其他相关技术的影响,如驱动技术、机械传动技术、传感技术、电子技术以及控制方法,以及社会需求、社会认知、设计思想等非技术性因素的影响。灵巧手的发展具有阶段性特征,如表1所示。20世纪60年代及以前,属于灵巧手的混沌期,没有形成真正意义的灵巧手,只是为残疾人制作假手,在手指的数目、自由度配置以及感知能力等方面没有明确的目标,功能上能够完成一些简单的夹取操作。1962年Tomovic和Boni研制的Belgrade手最初就是为南斯拉夫的一位伤寒病患者而设计的,它被认为是世界上最早的灵巧手。20世纪70年代,随着工业发展中对灵巧手需求这一趋势的显露,灵巧手在手指数目、自由度方面有所提高,如日本的Okada手、Asada手、通用公司Handyman手等。20世纪80年代是灵巧手发展的一个里程碑,随着机器人技术以及相关学科飞速发展,机器人灵巧手的应用领域不断扩大,很多国家加强了机器人多指灵巧手的研制开发,取得了许多很有应用价值的成果,以多自由度、多感知、可控制为标志的现代灵巧手产生。如Utah/MIT手、Stanford/JPL多指灵巧手、styx手、NYU手、UBII手、Belgrade/USC手、Barret手、Hitachi手等。这些作为现代意义的多指灵巧手除了具备多指、多自由度外,更重要的是具备了位置、力/力矩等基本传感功能,研究者基于灵巧手进行了控制、多指协调抓取等理论的研究,对后续灵巧手的发展产生了重要的影响。20世纪90年代研制了的DLRI手、NASA手、DIST手、UltralightHand、BH-3、Tokyo手等。这些灵巧手在构型方面有所提高,能够根据抓取操作的需要进行灵巧手构型,感知能力也更加丰富,指尖6维力/力矩传感器、滑/触觉等。DLR-I手(图1)由4个完全相同的手指组成,每个手指有4个关节,手指末端的两个关节同人手类似,存在着近似1∶1的耦合运动,使用一个驱动器进行驱动。采用直线电机(“人工肌肉”)驱动、腱传动,所有的电机集成在手掌内。NASA多指灵巧手(又称Robonaut手),是一种用于国际空间站上,进行舱外操作的装置,如图2所示,它具有较高的可靠性和稳定性,可承受大约9kg的力和500N·m的力矩。NASA手由1个用于安装电机和电路板的前臂、1个手腕和5个手指组成,共14个自由度。NASA手使用无刷直流电机实现整个手的驱动。除了触觉以外,整个手共有43个传感器,关节位置传感器、电机增量编码器。该手在外形和尺寸上与人手相似,且有冗余关节,在机器人灵巧手领域得到了一致的认同。21世纪初研制的Shadow五指手、Karlsruhe手、DLRⅡ手、GIFUⅡ手、东京大学的快速手、KAWABUCHI手、LMS手、MA-1手、OttoBockSeneorHand、HIT/DLRⅠ手和II手、BH-4手、UBH3手等。系统的集成度、机电一体化程度有很大的提高,在灵巧手的手指数、自由度以及外观等方面更加拟人手化,具备了人手的模样,能够更加准确地完成一些人手的基本功能。基于全数字机电集成化概念,DLR于2000年设计了DLR-Ⅱ手,如图3所示,4个相同结构的手指,拇指具有外展/内收的运动,采有直流无刷电机驱动、谐波减速器减速、齿形皮带传动,手的引出线从第一代手的400根减少到12根,每个手指指尖的输出力从10N增加到30N。DLR灵巧手具有高度集成、多传感器、模块化设计等突出特征。Shadow手是英国Shadow机器人公司于2004年开发的五指仿人灵巧手,外形上接近人手,共具有19个自由度,具有位置传感器、触觉传感器及压力传感器,采用气动肌肉作为驱动元件,如图4所示。Shadow手本体的外形尺寸很小,主要是由于将驱动部分及电气部分等放置在前臂内,采用绳索传动方式。日本Gifu大学于2002年研制了GifuII,如图5所示,有5个手指、16个自由度,每个手指有3个自由度,末端的两个关节通过连杆耦合运动,拇指另有一个相对手掌和其余4指开合的自由度,类似人手的拇指。采用集成在手内部的微型直流电机驱动,具有指尖6维力/力矩、触觉等感知功能。HIT/DLR手是哈尔滨工业大学(HIT)和德国宇航中心(DLR)合作开发的多指多感知机器人灵巧手,分别于2004年和2008年研制成功了HIT/DLRI手(图6左)和HIT/DLRII手(图6右)。HIT/DLRI手由4个相同的模块化手指组成,每个手指有4个关节、3个自由度,拇指另有一个相对手掌开合的自由度,共有13个自由度,采用商业化的直流无刷电机驱动,具有位置(电机/关节)、关节力矩、指尖6维力/力矩、温度等多种感知功能,所有的驱动、减速、传感及电气等都集成在手掌或手指内,具有拟人手形的外观,基于多层FPGA和DSP实现了灵巧手的高速串行通讯和实时控制,重量1.8Kg,体积大约是人手的1.5倍。HIT/DLRII手由5个相同的模块化手指组成,共具有15个自由度,采用体积小、重量轻的盘式电机驱动和谐波减速器+齿形皮带的传动方案,具有CAN、PPSECO(点对点高速串行通讯)、Internet等多种通讯接口,将I型手的PCI-DSP控制卡集成到手掌内,利用更高容量的FPGA芯片和NIOS双核处理器,实现灵巧手的实时通讯和多种通讯接口,重量1.5Kg,体积与人手相当,在手指数目、体积、重量、集成度、电气接口等方面,相对I型手有较大的提高,更加仿人手化。2有助于完善机器人技术机器人灵巧手作为机器人领域的一个重要研究方向,其研究和发展受到机械、电气等诸多方面的影响,其中的关键技术可以总结为如下几点:(1)驱动源在机器人灵巧手的发展中,驱动器的形式主要有电磁(电机)驱动、液(气)压驱动两种方式,个别采用如记忆合金等其他驱动形式。现在在灵巧手的研究中,电机驱动(主要是小而轻的微型电机)逐渐成为主要的驱动方式,包括旋转电机和直线电机。一方面,电机设计、加工技术以及电子技术等的进步,能够为灵巧手提供体积小、输出力大的微特电机;另一方面,电能的获取(特别是在空间环境下)、存储相对容易,为电机提供了应用基础。(2)传感技术传感器是机器人灵巧手可靠地抓握物体并且完成各种灵巧、精细作业的重要保证,具有丰富的传感器是机器人智能化的重要特征。多指灵巧手一般具有以下几种类型的传感器:力/力矩传感器、位置传感器、触觉传感器,此外有些配置有视觉、加速度、滑觉等传感器。由于受到传感技术的限制,灵巧手的传感器还没有达到我们期望的应用目标,在点上能够较好地实现测量,如关节、指尖等的位置、力矩,而没有实现类似人手的全面感知能力。(3)控制技术为了使机器人灵巧手能够真正灵巧地进行各种精细操作,单有出色的硬件结构是不够的,控制系统的设计也占据重要位置。多指灵巧手可以看作相互之间以及与被操作物体之间存在一组约束的多机器人系统,在进行抓取和操作时具有闭链多环特征,存在控制的不唯一性、力的对抗和合作、运动协调等问题。灵巧手的控制可以分为底层的单手指控制和上层的多指协调层。目前,基于机器人控制基础的底层单手指控制技术比较成熟,能够实现位置、力等控制策略;多指协调控制,将成为灵巧手控制研究的主要研究方向。(4)电子技术电子系统在灵巧手系统中有着重要的位置,是对机械、驱动、传感等系统支撑和补充,也为这些部分的设计提供了更大的空间和柔性。电子系统实现的功能,包括电机驱动、传感测量原理及传感信息采集、通讯以及实时控制等。3感官控制方面目前灵巧手的发展,5指、多自由(≥15)、多感知(位置、力/力矩)等已被广泛地实现,灵巧手具备了人手的基本模样,能够实现人手的某些抓握操作,但在传感、灵活性、集成度、小型化、可靠性、实际应用等方面还需要进一步的提高,机器人灵巧手的发展趋势主要有以下几个方面:(1)仿人手的目标人手经过几千年的进化,已经成为小巧、灵活、敏感的操作工具。灵巧手发展的趋势之一是向人手靠近,在外形尺寸、手指数目、自由度的分配、感觉、抓握功能等方面。这一趋势不仅仅是灵巧手技术水平的展示方式,更重要的是从灵巧手的实际应用出发。当灵巧手在结构、尺寸、感知等方面达到人手的程度,两者具有1∶1的对应关系,那么它将真正地是人手的延伸,通过遥操作,能够很方便地用我们的手去控制远处的灵巧手完成抓取。同时,灵巧手的仿人化将为灵巧手用于残疾人假手提供条件。(2)智能作业传统控制理论,包括经典反馈控制和现代控制,在灵巧手的实际控制、抓取操作中遇到不少困难:首先,由于灵巧手系统(手本体及被操作物体等)存在的非线性、变结构、多因素以及各种不确定性、不完全性等,一般无法获得精确地灵巧手系统模型,影响了传统控制系统的控制效果;其次,在对灵巧手系统进行研究时,必须提出并遵循的假设条件,比如抓取操作中手指与物体的接触模型等,而这些条件往往与实际情况并不完全吻合。提高灵巧手的智能控制水平,较少人为的干预使灵巧手完成预定的操作任务。(3)工业化应用由于受到成本、生产制造工艺、可靠性、系统性等因素的影响,当前灵巧手的应用只限于实验室,还没有广泛地运用到工业