機器人行業(yè)五指靈巧手分析

機器人行業(yè)五指靈巧手分析五指靈巧手概述靈巧手屬于機器人末端執(zhí)行器的一種。在機器人學(xué)領(lǐng)域，操作和動作決策的執(zhí)行輸出工具被稱之為末端執(zhí)行器(End-Effector)。一般安裝于機器人腕部的末端，是直接執(zhí)行任務(wù)的裝置。末端執(zhí)行器作為機器人與環(huán)境相互作用的最后環(huán)節(jié)與執(zhí)行部件，對提高機器人的柔性和易用性有著極為重要的作用，其性能的優(yōu)劣在很大程度上決定了整個機器人的工作性能。按其功能可以分為兩大類，即：工具類和抓手類。工具類末端執(zhí)行器是根據(jù)具體工作需求專門設(shè)計并預(yù)留標(biāo)準化接口的機器人專用工具，可以直接實現(xiàn)具體的加工工種、生產(chǎn)工藝或日常動作；抓手類機器人末端執(zhí)行器恰如人的雙手，擔(dān)負著執(zhí)行各種動作、抓持和操作的任務(wù)。從夾持器到靈巧手，根本原因在于，隨著機器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，其應(yīng)用場景、工作對象和任務(wù)日趨復(fù)雜。特別是對于人形機器人而言，其設(shè)計的初衷就是要最大限度上代替人類，與周邊環(huán)境進行交互。而人造世界的各種物品和工具都是以人手的使用方便為基本原則而設(shè)計開發(fā)，所以也只有仿人型機器人多指靈巧手才是最適合的操作工具。五指靈巧手在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用在超低溫、強輻射、高真空、高速度的太空環(huán)境下，利用靈巧手從事各種探測、研究、實驗顯然更具備優(yōu)勢。目前機器人尚不具備取代人類的能力，但可以在重復(fù)或危險任務(wù)中為宇航員提供支持。在遠程操控系統(tǒng)的控制下，靈巧手可以執(zhí)行許多艙外活動，如移除絕緣層蓋、操作螺絲刀等。典型的案例包括：1）美國NASA（美國航空航天局）的Robonaut手和Robonaut2手；2）德國DLR（德國宇航中心）的的DLR-I和DLR-II手；3）中國哈工大的HIT手，及與DLR合作研發(fā)的DLR/HIT手。美國相關(guān)情況1999年，美國宇航中心（NASA）研制出Robonaut手。它是一種面向國際空間站應(yīng)用的多指手，其設(shè)計目的是為了在危險的太空環(huán)境中替代人進行艙外操作。Robonaut手由5根手指、1個手掌、一個2自由度手腕和小臂組成。其拇指、食指和中指具有3個自由度，而無名指和小指各有1個自由度，手掌具有1個自由度，手腕具有2個自由度，共14個自由度。14個電機和驅(qū)動電路分布在長8in、直徑4in的小臂中。Robonuat手是空間機器人系統(tǒng)Robonuat的一個組成部分，該系統(tǒng)的開發(fā)目標(biāo)是用機器人協(xié)助航天員在國際空間站執(zhí)行艙外操作任務(wù)。2010年，在Robonuat手的基礎(chǔ)上，NASA和GM（通用汽車公司）于聯(lián)合研制出Robonaut2手。2011年2月，Robonaut2手作為Robonaut2號機器人的一部分，被NASA發(fā)射到國際空間站，成為世界上第一個在太空服役的五指靈巧手。NASA最初打算將Robonaut操作分為三個不同的階段。第一階段涉及固定操作，并于2013年底使用Robonaut軀干成功完成。第二階段是“IVAMobility”，其中IVA代表“車內(nèi)”。在這一階段，Robonaut需要一種在國際空間站內(nèi)部移動的方法，這就是腿的用武之地。第三階段是“EVA移動性”，腿部升級也是這一階段的關(guān)鍵，該階段將涉及在空間站外的真空中工作，因此需要對機器人進行更多重大硬件升級。由于太空中的失重環(huán)境，Robonaut2號的腿主要用于抓住空間站內(nèi)的扶手，并幫助完成一系列機動與運動規(guī)劃實驗。作為Robonaut手技術(shù)升級的換代產(chǎn)品，Robonaut2具有諸多改進和優(yōu)點。設(shè)計層面：Robonaut2手具有14個自由度（手部12個+手腕2個）；傳動方面：兩者都采用驅(qū)動器外置+腱傳動，但在方式上略有不同。Robonaut手利用軟軸將電機的旋轉(zhuǎn)運動傳遞到手掌的絲杠內(nèi)，軟軸主要作用的是傳遞旋轉(zhuǎn)運動。Robonaut2手的腱傳遞的是直線運動；傳感器方面：Robonaut手只集成了最基本的位置和力傳感器，對外部環(huán)境的感知則采用有觸覺功能的數(shù)據(jù)手套；Robonaut2手直接在手指上安裝位置傳感器、六維力傳感器和腱張力傳感器等多種傳感器，提高了Robonaut2手的精確度和靈敏度。相比Robonaut手，Robonaut2手的供電和通信連接線數(shù)量大幅減少。Robonaut2Hand采用腱繩驅(qū)動，驅(qū)動器與電氣系統(tǒng)集中放置在前臂內(nèi)，腱繩由導(dǎo)管引導(dǎo)，從驅(qū)動器發(fā)出，經(jīng)過腕關(guān)節(jié)，到達手指關(guān)節(jié)。整手的有效負載可以達到9kg，手指在可以承受2.25kg的指尖力，指尖速度可以達到200mm/s。關(guān)節(jié)位置采用霍爾傳感器進行測量，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度所引起的磁場變化影響霍爾電壓的變化，即霍爾效應(yīng)，從而精確測量關(guān)節(jié)角位移的變化；指尖的抓握力采用多維力/力矩傳感器進行控制，每只手布置14個六維力矩傳感器；傳動系統(tǒng)中的腱設(shè)置腱張力傳感器。德國相關(guān)情況德國宇航局機器人和機電一體化研究所致力于正在開發(fā)高度自主的機器人，用于探索遙遠的行星、衛(wèi)星和太陽系的小天體。官網(wǎng)展示的研究內(nèi)容中，包含了機器人本體、手、腿、人機界面、移動平臺等多項內(nèi)容。內(nèi)側(cè)關(guān)節(jié)有一個電機，并通過傳動帶與減速器連接。第一和第二指節(jié)屬于固定耦合關(guān)系。具有兩個自由度的底座接頭為差動錐齒輪類型，由于幾何原因，諧波驅(qū)動齒輪直接與電機耦合。DEXHAND是德國宇航中心(DLR)于2011研制的面向空間應(yīng)用的多指靈巧手，也是目前唯一具備空間工作能力的空間靈巧手。該靈巧手由四根模塊化手指構(gòu)成，每根手指有4個活動關(guān)節(jié)、3個獨立自由度。其中，MP關(guān)節(jié)是一個2自由度關(guān)節(jié)，通過2組驅(qū)動器耦合驅(qū)動；DIP關(guān)節(jié)與PIP關(guān)節(jié)通過“∞”字型耦合，形成1:1的傳動比，由1個電機驅(qū)動。Dexhand的模塊化手指由電機與諧波減速器所構(gòu)成的驅(qū)動單元驅(qū)動，由Dyneema腱繩傳動，可以輸出25N指尖力。Dexhand的傳感器系統(tǒng)十分豐富，主要包括關(guān)節(jié)力矩傳感器、溫度傳感器以及用來標(biāo)定關(guān)節(jié)初始位置的裝置。傳動系統(tǒng)：整體使用諧波減速器+聚乙烯腱，將扭矩傳遞至各關(guān)節(jié)，這避免了手指中出現(xiàn)電子設(shè)備，以提高屏蔽性能和堅固性。MP（基關(guān)節(jié)）含兩個自由度，由兩個電機驅(qū)動，由于MP關(guān)節(jié)中的腱耦合，兩個電機可同時作用于同一個自由度。驅(qū)動單元：RobodriveILM25電機，包含傳動比例為100:1的諧波減速器HFUC8。整體放置在直徑27mm、長17.5mm、重46g的圓柱體。該裝置可提供2.4Nm的連續(xù)扭矩，峰值為9Nm。DEXHAND中電機最大扭矩限制為2Nm，以免電流過大。傳感器：每個驅(qū)動關(guān)節(jié)都有一個位置傳感器，由基于霍爾效應(yīng)的磁鐵組成。關(guān)節(jié)扭矩由基于應(yīng)變橋的扭矩傳感器測量（每個手指3個）。此外還有部分溫度傳感器。傳感器都放置于手指中。為了應(yīng)對復(fù)雜的空間環(huán)境，Dexhand進行了特殊的設(shè)計：1）驅(qū)動器及電氣系統(tǒng)都集中在手掌內(nèi)，并通過2mm厚的鋁質(zhì)外殼來屏蔽電磁干擾，降低溫度影響。2）鋁質(zhì)的外殼經(jīng)過精細的加工，去除了菱角等尖銳的地方防止電荷積聚形成的電磁干擾。3）所有的電氣接頭都經(jīng)過特殊設(shè)計，以便于對接頭進行屏蔽保護，不易脫落。4）所有電子元器件都經(jīng)過電磁兼容性測試。機器人技術(shù)是太空任務(wù)中的一項關(guān)鍵技術(shù)，盡管其要求緊湊性和輕量化設(shè)計，但復(fù)雜的機器人系統(tǒng)必須承受太空的影響（溫度、真空、放射性、潤滑劑、振動和沖擊載荷）。DLR（德國宇航局）正在與歐空局一起研究在國際空間站上使用遠程操作系統(tǒng)來幫助宇航員。為了能夠使用為宇航員開發(fā)的工具，DEXHAND只有一只用于艙外活動的手套大小。其扭矩測量和阻抗控制實現(xiàn)了靈敏的操作，直觀的操作員界面縮短了學(xué)習(xí)時間。中國相關(guān)情況DLR/HITHANDI沿襲了DLRHandII的掌指關(guān)節(jié)錐齒輪結(jié)構(gòu)。錐齒輪由雙電機驅(qū)動，電機直徑16mm，長度28mm，附加減速比159:1的行星齒輪。兩電機同向運動，基關(guān)節(jié)卷曲/伸展；兩電機反向運動，基關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收。近端關(guān)節(jié)與遠端關(guān)節(jié)通過連桿傳動。連桿由直流電機+諧波減速器驅(qū)動。諧波減速器直徑20mm，長13.4mm，減速比100:1。DLR/HITHAND二代基關(guān)節(jié)仍然保留了差動錐齒輪。兩個內(nèi)置位置傳感器的盤式電機（型號：EC-20）和諧波減速器并排橫臥于手指后側(cè)。為了有效減小基關(guān)節(jié)的橫縱向尺寸，保持電機和諧波減速器的最佳傳動效率，在電機和諧波之間及諧波和差動機構(gòu)之間采用了兩套不同類型的同步帶減速機構(gòu)。手指單元的驅(qū)動器同樣是盤式電機，該電機橫臥于第一關(guān)節(jié)內(nèi)部、諧波減速器橫臥于手指第三關(guān)節(jié)J3處。二者之間的同步帶機構(gòu)同基關(guān)節(jié)相同，手指的末端關(guān)節(jié)J4并不是獨立自由度，而是通過鋼絲機構(gòu)實現(xiàn)的耦合傳動把動力傳遞到末端關(guān)節(jié)。力感知傳感器：二維力矩傳感器放置在手指基關(guān)節(jié)差動耦合機構(gòu)的輸出端，十字梁式的彈性體作為手指力矩的輸入端嵌入到手指單元內(nèi)。指尖一維力矩傳感器放置在手指的指尖關(guān)節(jié)處的回轉(zhuǎn)處，同指尖關(guān)節(jié)軸及鋼絲輪構(gòu)成了手指第四關(guān)節(jié)的主體結(jié)構(gòu)。指尖集成了六維力矩傳感器。位置感知傳感器：集成了兩種類型的位置傳感器，一種是絕對位置傳感器，該傳感器直接集成在盤式電機內(nèi)部，用于在電機空間檢測電機的運動狀態(tài)。另一種是集成在手指關(guān)節(jié)處的相對位置傳感器，兩種類型的傳感器能夠提高靈巧手的末端狀態(tài)信息度精確度，提高手指控制精度。為了在最佳位置放置位置傳感器，采用兩種類型的相對位置傳感器。一種是基于電位計式，其中用于檢測電壓變化的雙電阻環(huán)固定在手指基關(guān)節(jié)框架上。另一種基于霍爾效應(yīng)的非接觸式相對位置傳感器。觸覺傳感器：優(yōu)化后的觸覺傳感器的形狀不但完全覆蓋了指尖表面，而且能夠保證壓阻單元點陣列的規(guī)則性。2016年，中國天宮二號航天員與空間機械手的人機進行了協(xié)同在軌維修科學(xué)試驗。天宮二號空間機械手由哈工大研制，包含多感知柔性機械臂、五指仿人靈巧手、控制器及其軟件、手眼相機、人機交互設(shè)備及其軟件等研制任務(wù)。2016年9月15日，空間機械手隨天宮二號發(fā)射入軌。2016年10月19日，天宮二號與神舟十一號對接后，航天員與機械手協(xié)同完成了拿電動工具擰螺釘、拆除隔熱材料、在軌遙操作等科學(xué)試驗。人機協(xié)同在軌維修試驗是天宮二號三大關(guān)鍵試驗任務(wù)之一，航天員地面培訓(xùn)共計10人天、在軌操作共計80人時。截止2016年11月13日，圓滿完成全部試驗任