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清华张文增教授丨研究机器人手就是研究人,欠驱动机器人手的设计与进展(一)

浏览次数: 582 日期:Post date:2019-04-26 01:18:30

一、机器人手的定义与意义 

    什么是机器人手?像人手的机器是一种,像人手功能的机器也算一种。像人手的机器是指它的外观、形状、颜色、造型、组成与人手相似。像人手的功能就比较广义了,例如抓取、操作、感知与手势表达等。也就是说机器人手是包含了机器人的,并不是机器人的一部分,它可能就是机器人本身。所以研究机器人手其实是在研究机器人,或者说是在研究人。人一定会成为这个世界更高级的主宰,必然要造出像人的和不像人的机器。人手是经过千百万年进化来的,有它的优点在,所以机器模仿人手是必然的一条路。

    仿人机器人手上学问很多,其中最重要的一点就是电机力量不够,体积还大。当电机数量多到5个、10个以上的时候就不好控制了,并且算法和控制都还没有提高到一定水平,很难实现人手一样灵巧的操作。因此这个时候就出现了欠驱动机器人手的概念。

     欠驱动机器人手在未来和现在一直都会存在,未来是否是主流可能未必,但现在是主流。因为现在机器人迫切的需要有人手的外观,同时又需要具备比较好的抓取性能,能够抓更多的物体,实现更多的手势,同时又能够实现轻松的控制。

二、机器人手的分类 

    目前已经造出了很多种机器人手,这些手大部分正在服役的是工业夹持器。工业夹持器手指根部有关节,可以运动,但手指中部没有关节。工业革命以来,它们就开始逐渐进入工厂,可以做到准确夹取专用零件,但是没有还达到人手这么灵巧。

     其次是灵巧手。灵巧手一般指具有3个以上手指和9个以上主动关节的手,大约在上个世纪八九十年代是最流行的,现在依然流行,但是灵巧手比较昂贵。

    第三个叫做特种手,我们一直都有,比如钢厂里用磁铁,在一般的物流企业里用吸盘,在小物搬运时可以采用静电吸附。特种手除了用吸盘、磁铁和静电等方式以外,可能还要结合他们,或者是他们的衍生种类。

    然后是最近的一个重要趋势,软体机器人手。软体机器人手已经超出了手指或关节的范畴,可以更加仿生地实现机器人手的功能。

    欠驱动手是驱动器数量少于关节自由度的手,外观上比较拟人,能够实现更好的抓取性能和更多手势。

    工业夹持器有一个特点,手指的中部一般没有关节,如果中部有关节,就进入了欠驱动手的概念。最近比较时髦的是做成像人的骨骼型的机器人,这种机器人最大的优势是特别像人的肌肉和骨骼系统。骨骼有3D打印、碳纤维或是钛合金、铝合金等金属材料,那么肌肉怎么办?我们用绳子来模拟,当然也可以用空气肌肉,这样就实现了远程驱动。这种用腱绳来驱动的就叫做绳驱机器人手,或称索驱机器人手。

    做一个机器人无外乎就是一种能量的传递、转换和消耗,同时进行控制,再结合传感器把内部和外部的物理量全部转化成电信号,利用控制器来做决策,是不是该抓取,是不是该移动,是不是按照某种轨迹来做电机和电机之间的协调。所以,广义的手包含机器人本体。

三、什么是灵巧手 

    70年代末80年代初,Utah大学工程设计中心和MIT人工智能实验室共同开发了UTAH/MIT手,四个手指可以灵活控制,这就是当时较早期的灵巧手。因为有了这个标志性的作品,引得全世界很多人都投入到灵巧手研究中。跟它同时代的还有斯坦福大学的教授Salisbury,跟卡内基梅隆大学的教授Mason写了一本书叫《机器人手与操作力学》(Robot Hands and the Mechanics of Manupulation),书上定义了什么是灵巧手。

    灵巧手是具有3个手指、9个以上电机主动驱动关节的手。为什么叫灵巧手?它从理论上可以达到人手的所有动作。但是人手为什么是5个手指?多几个手指是为了更加稳定。所以也有人做机器人手不仅仅是做刚好能够灵巧实现操作的手,很有可能为了稳定多做一点。

    哈工大和德国宇航中心合作开发的DLR/HIT系列手很高级,一代手能够做到体积非常小,传感器有90多个。II代手实现了更高的集成度,传感器略少一些,大量减少了手和手臂、机器人总控制器之间的线路,里面仍然比较复杂,每一个手指上都有FPGA控制单元,每一个指段上都有DSP控制模块。应该说做到了灵巧手的顶尖级别