形形色色的机器人手让人看得眼花缭乱,究竟该如何分类呢?
A. 机器人手分类
(1)软体手与刚性手
机器人手还可以按照手指的柔软程度分为两种,一种是软体手,一种是刚性手。
软体手:哆啦A梦手、水袋手。
刚性手:五连杆手、斯塔克手、i-Limb手、bebionic手、John Hopkins手。
(2)仿人手与非仿人手
机器人手按照与人手相似程度可以分为仿人与非仿人两大类,后者也称为特种手。
非仿人手:哆啦A梦手、水袋手、五连杆手。
仿人手:斯塔克手、i-Limb手、bebionic手、John Hopkins手。
其中,五连杆手介于仿人手与非仿人手之间。
(3)多指手与特种手
此外,还可以根据是否带有多个手指,分为多指手、特种手。
多指手:五连杆手、斯塔克手、i-Limb手、bebionic手、John Hopkins手。
在多指手中又进一步可以分为:工业夹持器、欠驱动手、灵巧手。
还可以有很多不同的角度去分类。
B. 按多指仿人手分类及其特点
驱动器驱动的关节称为主动关节。机器人手一般是电机驱动或气力驱动。
没有驱动器驱动的关节称为被动关节。被动关节往往利用弹簧、限位装置配合来实现动作。
根据使用主动关节与被动关节的情况可以将机器人手分为:
工业夹持器、欠驱动手和灵巧手。
(1)工业夹持器(Industrial Gripper)
具有1-2个主动关节,具有2个以上的手指,关节一般在手指根部,手指的中部没有关节。
德国Schunk公司工业夹持器:
车床上使用的三爪卡盘就是一种工业夹持器:
工业夹持器结构简单,出力大,工作性能稳定可靠,使用寿命长,精度高,工作效率高,设计、制造和维护成本低,更换方便,易于大批量地标准化生产制造。
工业夹持器的缺点是缺少对不同形状尺寸物体的更大适应性,抓取范围有限。
(2)灵巧手(Dexterous Hand)
机器人灵巧手由斯坦福大学Salisbury教授在1980年代撰文给出了定义:
具有3个以上手指和9个以上主动关节的多指仿人手。
上述定义来自于该手能够达到对物体抓取与手内操作的完全自由度。已得到证明:能够达到完全的灵巧度。
机器人灵巧手具有灵巧度高的优点,抓取范围大,抓取姿态多,手内操控灵活。
灵巧手在实践应用中存在结构复杂、设计、制造与维护成本高,使用不便,传感、控制系统需求高,实时性计算要求大,另外限于目前零部件设计制造水平,灵巧手一般出力小、易损坏。
DLR/HIT-I手、DLR/HIT-II手属于灵巧手,由哈尔滨工业大学与德国宇航中心联合研制。
英国Shadow公司Shadow手:
(3)欠驱动手(Underactuated Hand)
驱动器数量少于关节数量的手。
欠驱动手的优点是具有较多的关节,于是外观可以比较拟人,具有更加逼真仿人手特点;具有较少的电机或气泵驱动器数量,控制容易;形状适应能力较好,抓取效果好,传感、控制需求低。
欠驱动手进一步可以分为:
a) 耦合手(Coupled Hand)
例如:折纸手、i-Limb手、bebionic手、Robonaut手。
哈佛大学受折纸启发研制的在水下抓取生物体耦合手(简称折纸手)是一种耦合手。
美国宇航局研制的的Robonaut宇航机器人(该手的控制方式是人手戴着数据手套进行控制):
Robonaut手采用12个电机驱动,每个手指采用连杆机构,核心是:采用串联的两套四连杆机构实现多关节耦合运动(三个关节的联动):
手指伸直的时候:
手指弯曲的时候:
b) 平夹手(Parallel Hand)
例如:四连杆平夹手。
常见的一种四连杆平夹手如下图。核心是采用了平行四边形的四连杆机构(称为平行四连杆),底杆为固定的基座,末端杆因为平行四边形原理,始终保持平行于基座底杆。
c) 自适应手(Self-adaptive Hand)
例如:连杆自适应手、带轮自适应手。
欠驱动手中有一种自适应欠驱动手,抓取物体时,从根部到末端的多个指段依次接触物体,具有形状自适应特点,受到广泛的重视和研究。
自适应抓取机构的核心是利用传动机构+弹簧+限位装置实现。
下图为自适应手指的机构原理。
一个四连杆机构+弹簧+限位装置:
结合上图,介绍自适应抓取的工作过程为:
电机驱动底杆转动,由于弹簧的作用,整个四连杆机构保持固定的相互姿态不变,整体像个刚体一般绕近关节轴转动,
直到近指段接触物体,此时电机继续转动底杆,四连杆发生变形,弹簧变形量增加,两个限位块分开,末端指段绕着远关节轴转动,
直到末端指段也接触物体为止。
上述过程依次转动了近指段和末端指段,对不同形状、尺寸物体均可以获得两指段接触的抓取——即自适应抓取功能。
将连杆机构更换为带轮传动也可以实现自适应抓取效果。
2008年我和邱敏申请了带轮式自适应欠驱动手指的发明专利,获得授权。
之后,我们研制出带轮式自适应手指。
d) 耦合自适应手(Coupled and Self-adaptive Hand)
例如:斯塔克手、ASIMO手。该类手抓取过程是多关节联动的,动作拟人化高,此外还具有自适应抓取功能。
日本本田公司研制的ASIMO机器人的手就是耦合自适应手。
采用弹簧来达到自适应效果,采用类似Robonaut手的8字形连杆机构实现耦合联动多关节效果。
e) 平夹自适应手(Parallel and Self-adaptive Hand)
例如:SARAH手、Robotiq五连杆手。该类手既可以完成平夹抓取,也具有自适应抓取功能。
加拿大Laval大学SARAH手:
(4)特种手
特种手为无明显手指的手。
工业中常用的特种手有:
a) 吸盘手
物流行业经常采用吸盘手(或多个吸盘阵列)抓取纸箱。
b) 磁铁手
钢铁相关行业经常采用磁铁手(电磁、永磁或混合式磁性手)抓取钢铁零件。
c) 静电手
打印机中采用静电吸附的方式来完成纸张的吸取和释放。
瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)研制出使用静电吸附方式的柔性抓持器。
该抓持器有两个手指,每个手指都是薄片状,其中藏入了柔性电极,可以抓取不同形状、尺寸的物体,抓取物体比较轻柔,特别适合易碎的物体,可能得到广泛应用的行业是食品加工自动化生产线上。
d)伯努利手
利用伯努利原理来实现对平面光滑物体的抓取,在芯片制造中对晶圆薄片的抓取。
这是芯片制造过程中的晶圆:
此外还有:攀岩用的千刺手和千爪手,通用抓取的哆啦A梦手和水袋手。
C. 举例说明
1. 软体手
1.1 美国康奈尔大学仿哆啦A梦的颗粒阻塞气动抓持器(简称哆啦A梦手):
1.2 德国FESTO公司仿蜥蜴舌头的流体驱动柔形抓持器(简称水袋手):
1.3 北京软体机器人公司(SRT公司)软体手(简称SRT手)
1.4 北航与FESTO联合研制的软体手(简称章鱼手)
原理是利用抽气与吹气结合来,分别驱动吸盘抽气和软体手指弯曲。
1.5 中科大开发的带吸盘的腱绳驱动软体手(简称为STU手)
中国科学技术大学陈小平团队研制出带吸盘的腱绳驱动软体手:
1.6 其他形形色色的软体手举例
2. 刚性手
2.1 加拿大Robotiq公司的五连杆平夹自适应手(简称五连杆手)
2.2 美国斯坦福大学密刺阵列攀岩抓持器(简称千刺手)
2.3 加州理工学院零重力环境微孔岩石抓持器(简称千爪手)
2.4 美国马克·斯塔克研制的弹簧自适应腱绳杠杆传动假手(简称斯塔克手)
2.5 英国Touch Bionics公司生肌电控制的i-Limb耦合手(简称i-Limb手)
2.6 德国Ottobock公司生肌电控制的bebionic耦合手(简称bebionic手)
2.7 美国约翰·霍普金斯大学智能假肢(简称John Hopkins手)
挂一漏万,还有许多重要的机器人手在本文中没有介绍。
还有许多机器人手正在陆陆续续被开发出来……
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