|
形形色色的機器人手讓人看得眼花繚亂，究竟該如何分類呢？ A. 機器人手分類 （1）軟體手與剛性手 機器人手還可以按照手指的柔軟程度分為兩種，一種是軟體手，一種是剛性手。 軟體手：哆啦A夢手、水袋手。 剛性手：五連桿手、斯塔克手、i-Limb手、bebionic手、John Hopkins手。 （2）仿人手與非仿人手 機器人手按照與人手相似程度可以分為仿人與非仿人兩大類，后者也稱為特種手。 非仿人手：哆啦A夢手、水袋手、五連桿手。 仿人手：斯塔克手、i-Limb手、bebionic手、John Hopkins手。 其中，五連桿手介于仿人手與非仿人手之間。 （3）多指手與特種手 此外，還可以根據(jù)是否帶有多個手指，分為多指手、特種手。 多指手：五連桿手、斯塔克手、i-Limb手、bebionic手、John Hopkins手。 在多指手中又進一步可以分為：工業(yè)夾持器、欠驅(qū)動手、靈巧手。 還可以有很多不同的角度去分類。 B. 按多指仿人手分類及其特點 驅(qū)動器驅(qū)動的關(guān)節(jié)稱為主動關(guān)節(jié)。機器人手一般是電機驅(qū)動或氣力驅(qū)動。 沒有驅(qū)動器驅(qū)動的關(guān)節(jié)稱為被動關(guān)節(jié)。被動關(guān)節(jié)往往利用彈簧、限位裝置配合來實現(xiàn)動作。 根據(jù)使用主動關(guān)節(jié)與被動關(guān)節(jié)的情況可以將機器人手分為： 工業(yè)夾持器、欠驅(qū)動手和靈巧手。 （1）工業(yè)夾持器（Industrial Gripper） 具有1-2個主動關(guān)節(jié)，具有2個以上的手指，關(guān)節(jié)一般在手指根部，手指的中部沒有關(guān)節(jié)。 德國Schunk公司工業(yè)夾持器： 車床上使用的三爪卡盤就是一種工業(yè)夾持器： 工業(yè)夾持器結(jié)構(gòu)簡單，出力大，工作性能穩(wěn)定可靠，使用壽命長，精度高，工作效率高，設(shè)計、制造和維護成本低，更換方便，易于大批量地標準化生產(chǎn)制造。 工業(yè)夾持器的缺點是缺少對不同形狀尺寸物體的更大適應(yīng)性，抓取范圍有限。 （2）靈巧手（Dexterous Hand） 機器人靈巧手由斯坦福大學Salisbury教授在1980年代撰文給出了定義： 具有3個以上手指和9個以上主動關(guān)節(jié)的多指仿人手。 上述定義來自于該手能夠達到對物體抓取與手內(nèi)操作的完全自由度。已得到證明：能夠達到完全的靈巧度。 機器人靈巧手具有靈巧度高的優(yōu)點，抓取范圍大，抓取姿態(tài)多，手內(nèi)操控靈活。 靈巧手在實踐應(yīng)用中存在結(jié)構(gòu)復雜、設(shè)計、制造與維護成本高，使用不便，傳感、控制系統(tǒng)需求高，實時性計算要求大，另外限于目前零部件設(shè)計制造水平，靈巧手一般出力小、易損壞。 DLR/HIT-I手、DLR/HIT-II手屬于靈巧手，由哈爾濱工業(yè)大學與德國宇航中心聯(lián)合研制。 英國Shadow公司Shadow手： （3）欠驅(qū)動手（Underactuated Hand） 驅(qū)動器數(shù)量少于關(guān)節(jié)數(shù)量的手。 欠驅(qū)動手的優(yōu)點是具有較多的關(guān)節(jié)，于是外觀可以比較擬人，具有更加逼真仿人手特點；具有較少的電機或氣泵驅(qū)動器數(shù)量，控制容易；形狀適應(yīng)能力較好，抓取效果好，傳感、控制需求低。 欠驅(qū)動手進一步可以分為： a) 耦合手（Coupled Hand） 例如：折紙手、i-Limb手、bebionic手、Robonaut手。 哈佛大學受折紙啟發(fā)研制的在水下抓取生物體耦合手（簡稱折紙手）是一種耦合手。 美國宇航局研制的的Robonaut宇航機器人（該手的控制方式是人手戴著數(shù)據(jù)手套進行控制）： Robonaut手采用12個電機驅(qū)動，每個手指采用連桿機構(gòu)，核心是：采用串聯(lián)的兩套四連桿機構(gòu)實現(xiàn)多關(guān)節(jié)耦合運動（三個關(guān)節(jié)的聯(lián)動）： 手指伸直的時候： 手指彎曲的時候：
b) 平夾手（Parallel Hand） 例如：四連桿平夾手。 常見的一種四連桿平夾手如下圖。核心是采用了平行四邊形的四連桿機構(gòu)（稱為平行四連桿），底桿為固定的基座，末端桿因為平行四邊形原理，始終保持平行于基座底桿。
c) 自適應(yīng)手（Self-adaptive Hand） 例如：連桿自適應(yīng)手、帶輪自適應(yīng)手。 欠驅(qū)動手中有一種自適應(yīng)欠驅(qū)動手，抓取物體時，從根部到末端的多個指段依次接觸物體，具有形狀自適應(yīng)特點，受到廣泛的重視和研究。 自適應(yīng)抓取機構(gòu)的核心是利用傳動機構(gòu)+彈簧+限位裝置實現(xiàn)。 下圖為自適應(yīng)手指的機構(gòu)原理。 一個四連桿機構(gòu)+彈簧+限位裝置：
結(jié)合上圖，介紹自適應(yīng)抓取的工作過程為： 電機驅(qū)動底桿轉(zhuǎn)動，由于彈簧的作用，整個四連桿機構(gòu)保持固定的相互姿態(tài)不變，整體像個剛體一般繞近關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動， 直到近指段接觸物體，此時電機繼續(xù)轉(zhuǎn)動底桿，四連桿發(fā)生變形，彈簧變形量增加，兩個限位塊分開，末端指段繞著遠關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動， 直到末端指段也接觸物體為止。 上述過程依次轉(zhuǎn)動了近指段和末端指段，對不同形狀、尺寸物體均可以獲得兩指段接觸的抓取——即自適應(yīng)抓取功能。 將連桿機構(gòu)更換為帶輪傳動也可以實現(xiàn)自適應(yīng)抓取效果。 2008年我和邱敏申請了帶輪式自適應(yīng)欠驅(qū)動手指的發(fā)明專利，獲得授權(quán)。
之后，我們研制出帶輪式自適應(yīng)手指。
d) 耦合自適應(yīng)手（Coupled and Self-adaptive Hand） 例如：斯塔克手、ASIMO手。該類手抓取過程是多關(guān)節(jié)聯(lián)動的，動作擬人化高，此外還具有自適應(yīng)抓取功能。 日本本田公司研制的ASIMO機器人的手就是耦合自適應(yīng)手。 采用彈簧來達到自適應(yīng)效果，采用類似Robonaut手的8字形連桿機構(gòu)實現(xiàn)耦合聯(lián)動多關(guān)節(jié)效果。
e) 平夾自適應(yīng)手（Parallel and Self-adaptive Hand） 例如：SARAH手、Robotiq五連桿手。該類手既可以完成平夾抓取，也具有自適應(yīng)抓取功能。 加拿大Laval大學SARAH手：
（4）特種手 特種手為無明顯手指的手。 工業(yè)中常用的特種手有： a) 吸盤手 物流行業(yè)經(jīng)常采用吸盤手（或多個吸盤陣列）抓取紙箱。
b) 磁鐵手 鋼鐵相關(guān)行業(yè)經(jīng)常采用磁鐵手（電磁、永磁或混合式磁性手）抓取鋼鐵零件。
c) 靜電手 打印機中采用靜電吸附的方式來完成紙張的吸取和釋放。 瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）研制出使用靜電吸附方式的柔性抓持器。 該抓持器有兩個手指，每個手指都是薄片狀，其中藏入了柔性電極，可以抓取不同形狀、尺寸的物體，抓取物體比較輕柔，特別適合易碎的物體，可能得到廣泛應(yīng)用的行業(yè)是食品加工自動化生產(chǎn)線上。
d）伯努利手 利用伯努利原理來實現(xiàn)對平面光滑物體的抓取，在芯片制造中對晶圓薄片的抓取。
這是芯片制造過程中的晶圓：
此外還有：攀巖用的千刺手和千爪手，通用抓取的哆啦A夢手和水袋手。 C. 舉例說明 1. 軟體手 1.1 美國康奈爾大學仿哆啦A夢的顆粒阻塞氣動抓持器（簡稱哆啦A夢手）：
1.2 德國FESTO公司仿蜥蜴舌頭的流體驅(qū)動柔形抓持器（簡稱水袋手）：
1.3 北京軟體機器人公司（SRT公司）軟體手（簡稱SRT手）
1.4 北航與FESTO聯(lián)合研制的軟體手（簡稱章魚手） 原理是利用抽氣與吹氣結(jié)合來，分別驅(qū)動吸盤抽氣和軟體手指彎曲。
1.5 中科大開發(fā)的帶吸盤的腱繩驅(qū)動軟體手（簡稱為STU手） 中國科學技術(shù)大學陳小平團隊研制出帶吸盤的腱繩驅(qū)動軟體手：
1.6 其他形形色色的軟體手舉例
2. 剛性手 2.1 加拿大Robotiq公司的五連桿平夾自適應(yīng)手（簡稱五連桿手）
2.2 美國斯坦福大學密刺陣列攀巖抓持器（簡稱千刺手）
2.3 加州理工學院零重力環(huán)境微孔巖石抓持器（簡稱千爪手）
2.4 美國馬克·斯塔克研制的彈簧自適應(yīng)腱繩杠桿傳動假手(簡稱斯塔克手）
2.5 英國Touch Bionics公司生肌電控制的i-Limb耦合手（簡稱i-Limb手）
2.6 德國Ottobock公司生肌電控制的bebionic耦合手（簡稱bebionic手）
2.7 美國約翰·霍普金斯大學智能假肢（簡稱John Hopkins手）
掛一漏萬，還有許多重要的機器人手在本文中沒有介紹。 還有許多機器人手正在陸陸續(xù)續(xù)被開發(fā)出來…… |
|
|
