机器人的多手研究

机器人的多手研究

0多种作业技术的应用随着机器人技术的快速发展和不同领域的广泛应用，最终执行器作为机器人环境相互作用的最终执行文件，在提高机器人智能和工作水平方面发挥着非常重要的作用。机器人末端执行器的工作能力的研究受到了极大的重视。近二十几年来,由于传统的工业机器人末端夹持器灵活性差、缺少感知能力和精确的力控制等缺点,多指机器人手的研究受到很多学者的关注。多指手从结构与功能上模仿人手,可以实现对多种物体的灵巧操作和精确的力控制,因此具有解决一些复杂作业问题的可能性。其主要应用范围有:作为智能机器人的手、危险环境下的精密操作及空间机器人技术等。人类手的进化是通过不断的劳作而缓慢渐进的,经历了数百万年才成为现在这双最具灵活特性的灵巧手。由于人手的灵巧特性,现已成为机器人学者进行机器人手设计及实现其灵活控制的思考源泉。为了使机器人的末端操作器能象人手一样对不同形状和不同性质的物体具有抓、握、夹、拿等功能,可以把人手的动作划分抓型、握型和夹型,如图1所示。为了提高机器人的智能化水平和作业水平,越来越多的机器人学者对多手指灵巧手感兴趣,机器人多指灵巧手抓取和操作的研究已经成为当今科技领域中一个重要的研究主题。多指灵巧手的飞速发展,使得其在农业生产中应用成为可能。由于在农业生产中作业对象是果实、苗、家畜等离散个体,因为生产环境不同,他们的形状也不同,所以农业机械手不仅要考虑作业对象的基本特性(大小、形状、质量)和力学特性(弹性、粘性、压缩性、剪切性、摩擦性等),还要考虑其声音特性、光学特性等。其采摘传送应采用柔性动作处理技术。即这只手需要惯量很小,能快进而又平稳工作。这正是目前许多学者感兴趣的重要研究方向:既灵敏又柔性的多指灵巧手——农业机器人手。1危险的作业环境随着机器人应用领域日益扩大,自动化水平不断提高,特别是在水下、高空及危险的作业环境中,迫切希望能给机器人末端赋予一个类似人手的通用夹持器,以便在危险、复杂及非结构化的环境中,适应抓取任意形状物体完成各种复杂的细微操作任务的要求,机器人多指灵巧手正是为适应这一需要而提出的。1.1utah/vmt手机多指手的研究始于20世纪70年代,其中具有代表性的早期灵巧手有:日本“电子技术实验室”的Okada灵巧手,如图2所示。该手有3个手指和一个手掌,拇指有3个自由度,另外两个手指各有4个自由度,手指关节由电机驱动,通过钢丝和滑轮实现运动和动力的传递。能进行拧螺栓等动作。Okada灵巧手采用电驱动腱式关节,灵活性受到一定限制,只能进行简单的重复性动作。进入20世纪80年代,由于机器人应用领域的不断扩大,各国都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,一些著名的多指灵巧手也应运而生。20世纪80年代初美国斯坦福大学研制成功了Stanford/JPL手,如图3所示,该手有3个手指,每指各有3自由度没有手掌,采用12个直流伺服电机作为关节驱动器,采用N+1型腱驱动系统传递运动和动力,与Okada手相比,Stanford/JPL手的灵活性有较大的改善,可以抓取不同形状的物体如方块或鸡蛋等,其控制系统也更为复杂。美国麻省理工学院和犹他大学联合研制了Utah/MIT手,如图4所示。该灵巧手的4个手指完全相同,每个手指有4个自由度,手指关节采用气动伺服缸为驱动元件,采用2N型腱驱动系统传递运动和动力,配上数据手套可以拧灯泡等动作。1984年日本研制成功了的Hitachi手,如图5所示。该灵巧手共有3个手指,每指4个自由度,采用形状记忆合金驱动方式,驱动速度快、负载能力强。进入20世纪90年代,以意大利和德国为代表的欧洲在多指灵巧手方面取得了很大进展。由意大利热那亚大学研制的DIST手有4个手指,每指4个自由度,大小跟普通人的手差不多,手指的每个关节都能屈伸90°,每个手指通过5个直流电机和6根直径为0.4mm用聚酯制造的腱进行驱动。该手加上20个电机总质量不超过10N,可以很方便地装在各种机械臂上,如图6所示为该手装在PUMA260机械臂上。自1985年以来意大利博洛尼亚大学先后研制成功了UB-Ⅰ和UB-Ⅱ灵巧手,其中UB-Ⅱ为博洛尼亚大学联合帕尔马大学和比萨大学共同研制成功的,该手有3个手指,共11个自由度,安装在配有前臂和手腕的PUMA560的实验平台,如图7所示,以实现在关节有感应器的机器人手上。德国宇航中心先后研制成功了DLR-Ⅰ和DLR-Ⅱ灵巧手,其中DLR-Ⅰ有4个完全相同的手指,每个手指有4自由度,采用微型直线驱动器作为驱动元件,将所有的驱动器集成在手指或手掌中,每个手指集成有25个传感器,包括类似人工皮肤的触觉传感器、关节扭矩传感器、位置传感器和温度传感器等,指尖力有11N,整个手重1800g,如图8所示。DLRⅡHand灵巧手是在DLRⅠHand的进一步的发展,其最终目标是能完全的自主的操作,包括远程操作中声像反馈和和力反馈,以及以最短时间进行最佳抓取规划。现已能实现的动作如图9所示。20世纪末,美国国家航空和宇航局利用国家基金研制用于国际空间站舱外作业的NASA灵巧手,如图10所示。该手完全模拟人手的结构与动作,由1个前臂、1个手腕和5个手指组成,共14个自由度(手腕2个自由度,拇指、食指和中指各3个,无名指、小指和手掌各1个自由度)。目前该手可以拿起一些常用工具进行操作,如图11所示。其外形、功能与灵巧性已经比较接近人类的手。1.2多次电子功能手20世纪80年代后期,国内一些机器人研究机构和部分高等院校相继开展了机器人多指灵巧手的研究工作,如哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、国防科技大学、北京理工大学、北京科技术大学等都在多指灵巧手方面做了大量的工作,图12所示为哈尔滨工业大学机器人研究所研制的HIT-1四指仿人手灵巧手,该手有4个完全相同的手指,其中大拇指与另外3指相对放置,每个手指4个关节,12个直线驱动器集成在手掌,通过腱传动系统传递运动和力。北京航空航天大学机器人研究所先后研制了BH-1、BH-2、BH-3、BH-4四种型号灵巧手,图13所示为3指每指3个自由度的BH-3型灵巧手,没有手掌,仿美国的Stanford/JPL灵巧手。图14为4指16自由度的BH-4灵巧手抓取动作。该灵巧手主要用于灵巧操作研究及为相关技术开发与应用提供有效的实验平台。灵巧手可以在计算机的控制下用手指灵巧地弹奏简单的乐曲;研究人员佩带具有多个传感器的数据手套后,可以通过数据手套中手指的动作,利用计算机网络通讯,对灵巧手进行距离控制操作,比如远距离遥控机器人灵巧手抓物、倒水等等。综上所述,多指灵巧手从机构形式上看大都是多指多关节手,并且最普遍的是其手指数目为3～5个,而且各手指的关节数目也多为3个转动关节,自由度为3～5个,具有冗余自由度,手指关节的运动副都是采用转动副,并从几何、运动学、动力学及结构关系等不同角度进行了研究和探讨,提出了各种协调控制、抓取规划系统,来模拟人手的抓取运动。多指灵巧手的设计不论在外形方面,还是功能方面,都越来越逼近人手。在上面讨论的多指灵巧手中,采用了多种关节驱动系统。下面讨论一下多指灵巧手的关节驱动系统。2灵活机动的驱动系统模型驱动系统是机器人灵巧手的重要组成部分,对系统的性能和操作能力具有决定性的作用。在一般情况下,灵巧手的驱动系统由驱动器和传动系统两部分组成。驱动器是驱动系统的核心部件,用以产生运动和力;传动系统将运动和力从驱动器传递到灵巧手手指的关节。2.1价值电驱动技术灵巧手用驱动器的技术指标主要包括输出力矩、速度、质量、体积、可靠性、控制性能和功耗等。到目前为止,多指灵巧手绝大多数采用了电驱动,部分采用了电液驱动、气压驱动和形状记忆合金等驱动方式。少数的灵巧手采用了一些新型的驱动技术,如压电陶瓷驱动,可伸缩性聚合体驱动等。驱动形式基本上都是通过旋转型驱动器或直线型驱动器带动腱传动系统进行手指关节的远距离驱动。2.1.1旋转型/直线型两种驱动方式的选择电驱动是技术最成熟、应用最广泛的一种驱动方式,为大多数灵巧手所采用。从电机的静态刚度、动态刚度、加速度、线性度、维护性、噪音等技术指标来看,电驱动的综合性能比气压驱动和液压驱动要好。电驱动的灵巧手的驱动形式可以分为旋转型驱动和直线型驱动。采用旋转型驱动的灵巧手以Stanford/JPL手为代表,其驱动系统由直流电机和齿轮减速机构组成,因而体积较大,驱动系统只能放在手掌部位,通过腱进行手指关节的远距离驱动。近年来,微型驱动器和减速器的发展为手指驱动系统的微型化和集成化创造了条件。德国的DLR灵巧手就是用这种直线型驱动器来驱动关节,其直线驱动器将旋转电机、旋转直线转换结构和减速机构融为一体,如图15所示。2.1.2简单的设备液压驱动具有很好的稳定性和可靠性、很高的力矩/体积比、很强的阻转能力,驱动器的结构简单并且价格便宜等。但是,在灵巧手中采用液压驱动方式有很大的难度和弊端,如:存在较大的泄漏流量,微型阀对污染物十分敏感等。虽然近年来市场上出现了一些微型的液压驱动器,但是仍然不能改变电驱动在灵巧手驱动中的主导地位。2.1.3环境自然在生物环境保鲜方面的应用与电传动和液压传动的驱动器相比气动驱动器有如下特点:能量存储方便;传动介质空气来源于大气,获取很方便;气压传动具有抗燃、防爆及不污染环境;且具有柔性。如美国Utah/MIT灵巧手所采用的就是气压驱动。近年来发展的热点,人工肌肉驱动器和气动肌肉。人工肌肉驱动器的体积不大,但是输出力很大,其结构如图16所示。气压驱动的主要优点是:由于通常使用压缩的空气作为能源,所以价格比较便宜,并且对环境的要求不严格。主要缺点是:驱动器的刚度和空气的可压缩性有关,通常是很低的,并且驱动器的动态性能较差。2.1.4形状记忆合金SMA(形状记忆合金)驱动,如Hitachi灵巧手的驱动系统。形状记忆合金是一种能记住自身形状的一种合金,当其发生永久变形后,若加热到某一温变形前的形状。其特点是驱动速度快、负载能力强。但与其他金属一样,存在疲劳和寿命问题。2.1.5其他新驱动程序压电陶瓷驱动、可伸缩性聚合体驱动等。2.2电效率与鞋件传动的比较,可将限制下的下一步发展以带动加快7.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。传动系统的设计与驱动器密切相关。基于腱的传动方式仿效人手的驱动原理,被大部分灵巧手所采用。如Stanford/JPL手、UTAH/MIT手、UB手、DIST手、DLR手、HIT手和BH手等。腱传动的优点是:1)可以使驱动器和手指本体分离,对手指关节进行远距离驱动,从而减小手指的尺寸和质量;2)与其它传动方式相比,腱传动在结构的紧凑性、研制的灵活性、成本和维护的低廉性方面具有很好的综合指标;3)腱传动使一种零回差的柔顺传动方式,因而可以简化力控制器的设计。腱传动系统的缺点是:1)由于腱的刚度是有限的,所以驱动系统表现出一定的滞后,从而影响了位置精度;2)必须对腱进行预紧,这增加了结构的复杂性和装配的难度;同时预紧程度对驱动系统的性能有很大的影响;3)腱的张力和波动如果很大,可能会激发系统的振荡,从而引起腱的不稳定或者造成腱的损坏。在腱传动系统中,腱的机械特性、数量以及在手指中的路径设计对于灵巧手的性能具有较大的影响。综上所述,目前多指灵巧手的驱动系统绝大多数是采用了电驱动器及腱传动系统的组合,并取得了丰硕成果,但其驱动系统的缺点也一时难以完全克服。其他一些驱动器一时难以成为主流。随着气动控制技术的不断发展,很多机器人研究学者对气压驱动感兴趣,气动驱动一时成为研究的热点。一旦气动传动的缺点被克服,气动驱动器的前景将一片光明。3仿人机器人灵敏度手的发展方向随着计算机技术、智能控制技术的飞速发展,机器人技术越来越受到人们的重视,国内外教育科研机构都投入大量人力物力开展相关领域的研究。机器人的应用从传统的针对工业应用发展到目前为工业、农业、服务业等领域服务,其研究也向高精度、精巧灵活、柔顺性好等方向发展。要达到这样的要求,主要是靠多指灵巧手的开发研究。文中总结了国内外在多指灵巧手研究方面的成果,分析其特点和不足,从而推断出多指灵巧手的设计正日趋复杂化、精巧