機(jī)械手發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)*

張仔龍，王利強(qiáng)

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 電子工程學(xué)院，天津 300222)

0 引 言

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)器人在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到普及和應(yīng)用。機(jī)械手是機(jī)器人的末端執(zhí)行器，它通過(guò)搬運(yùn)、抓取等操作方式來(lái)模仿人手的某些動(dòng)作功能，替代人工從事一些高風(fēng)險(xiǎn)或機(jī)械重復(fù)式的工作，使人類免受傷害并降低了生產(chǎn)成本，其在工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮著巨大的作用。但隨著許多新興領(lǐng)域的出現(xiàn)，傳統(tǒng)的機(jī)械手已無(wú)法滿足多種工作環(huán)境中的使用要求，所以機(jī)械手急需推陳出新，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)方式急需優(yōu)化改進(jìn)。

因此，筆者對(duì)近十年在機(jī)械手結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方面具有代表性的研究成果進(jìn)行綜述，通過(guò)對(duì)比不同的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式，旨在探究現(xiàn)有研究現(xiàn)狀的不足，并提出未來(lái)發(fā)展的方向。

1 機(jī)械手研究現(xiàn)狀

機(jī)械手的研究始于上世紀(jì)中期，最初的欠驅(qū)動(dòng)手樣機(jī)是由Hirose等研發(fā)的Soft Gripper[1]，它通過(guò)繩索傳動(dòng)的欠驅(qū)動(dòng)方法對(duì)手指進(jìn)行操作，如圖1所示，每個(gè)手指的關(guān)節(jié)位置都安裝有滑輪，通過(guò)驅(qū)動(dòng)繩繞過(guò)滑輪來(lái)使手指做屈伸動(dòng)作。

圖1 Soft Gripper整體結(jié)構(gòu)

由于欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)具有良好的效果，于是之后的研究人員大多都采用了這樣的方式。其中具有代表性的有Laiberta等研制的SARAH手[2-4]、Pons等研制的MANUS Hand[5]、意大利比薩圣安娜學(xué)院的SPRING Hand[6]、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的HIT-DLR手[7-9]等。

在近十幾年里，隨著機(jī)械手的發(fā)展以及仿生化的不斷深入，一些新型、柔性材料逐步應(yīng)用于機(jī)械手的研發(fā)當(dāng)中，例如哈佛大學(xué)的George M. Whitesides研發(fā)的一種軟體硅膠手爪[10]，如圖2(a)所示。其有6個(gè)手爪，整體結(jié)構(gòu)類似海星形狀，在充氣后可發(fā)生變形，具有很強(qiáng)的抓取適應(yīng)性，但缺點(diǎn)是抓取方式比較固定。北京航空航天大學(xué)研發(fā)的一種氣動(dòng)柔性手爪[11]，如圖2(b)所示。該手爪的手指采用多腔體結(jié)構(gòu)，并對(duì)其夾持性能進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，可調(diào)節(jié)手指長(zhǎng)度可以明顯提升抓取多個(gè)物體時(shí)的性能。

圖2 柔性手爪

2 結(jié)構(gòu)方式

閱讀總結(jié)近十年相關(guān)文獻(xiàn)，目前在機(jī)械手的研究中主要采取的結(jié)構(gòu)方式有欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)。

2.1 欠驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

2.1.1 腱傳動(dòng)方式

日本立命館大學(xué)研發(fā)出一種欠驅(qū)動(dòng)仿人機(jī)械手[12]，尺寸和人手幾乎相同，共有5指和20個(gè)自由度，如圖3(a)所示。機(jī)械手采用腱傳動(dòng)方式和伸肌彈簧實(shí)現(xiàn)手指及關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，如圖3(b)所示。這種設(shè)計(jì)方法使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少了手的體積和重量，同時(shí)也能夠快速、穩(wěn)定地抓取物體。

圖3 日本立命館大學(xué)機(jī)械手

2.1.2 齒輪-皮帶傳動(dòng)方式

比薩大學(xué)的Vinicio Tincani等研發(fā)出Velvet Fingers[13]，如圖4所示。該手爪具有2指4自由度，兩個(gè)手指的伸縮和彎曲由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)齒輪和傳送皮帶移動(dòng)近端和遠(yuǎn)端指骨，近指節(jié)和遠(yuǎn)指節(jié)之間連接有一根張力彈簧，實(shí)現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)的抓取。在兩個(gè)手指的遠(yuǎn)指節(jié)位置各存在一個(gè)由皮帶形成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)活動(dòng)表面，增加了欠驅(qū)動(dòng)夾持器的靈活性，并結(jié)合了欠驅(qū)動(dòng)夾持器的魯棒性和控制簡(jiǎn)單性，確保了物體的抓取穩(wěn)定和高操縱能力。

圖4 Velvet Fingers手指結(jié)構(gòu)圖 圖5 纖維增強(qiáng)型氣動(dòng)軟體手爪1.張力彈簧 2.近指端 3.遠(yuǎn)指端 4.電機(jī) 5.傳送皮帶 6.皮帶輪 7.皮帶

2.2 柔性結(jié)構(gòu)

2.2.1 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

上海交通大學(xué)的魏樹軍等研發(fā)出一種纖維增強(qiáng)型氣動(dòng)柔性手爪[14]，如圖5所示。該手爪通過(guò)三個(gè)可彎曲的纖維增型驅(qū)動(dòng)器來(lái)完成抓取動(dòng)作，每個(gè)柔性手指由內(nèi)膽、紗網(wǎng)、纏線、硅膠等結(jié)構(gòu)組成。這種纖維增強(qiáng)型驅(qū)動(dòng)方式，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，可以提供較大的指端輸出力，能夠一次澆注成型，并通過(guò)改變纏線的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)軸向伸長(zhǎng)、扭轉(zhuǎn)和彎曲等多種運(yùn)動(dòng)方式[15-16]。

康奈爾大學(xué)的Huichan Zhao等研制出一種仿人軟體手[17]，如圖6(a)所示。該軟體手由四個(gè)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的軟手指和一個(gè)拇指組成，拇指安裝在剛性手掌上，如圖6(b)所示。五個(gè)手指共用一個(gè)氣源且每個(gè)手指使用兩個(gè)電磁閥進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。通過(guò)調(diào)節(jié)閥門的開關(guān)情況來(lái)確定其運(yùn)動(dòng)狀況。將基于波導(dǎo)的可伸縮傳感器集成到纖維增強(qiáng)的仿人軟體手中，賦予了軟體手觸覺(jué)。其中波導(dǎo)管具有高度柔順和可拉伸的性能；手指主體由硅膠所制。軟體手的每個(gè)手指都能感知本體(感應(yīng)內(nèi)部壓力和主動(dòng)彎曲)和外部感知(感應(yīng)指尖的被動(dòng)彎曲和外力)。

圖6 康奈爾大學(xué)仿人軟體手

圖7 香港大學(xué)的可變剛度軟體手

香港大學(xué)的Yingtian Li等研發(fā)出一種可變剛度的軟體手[18]，如圖7所示。具有3個(gè)可變剛性手指，主體由軟驅(qū)動(dòng)器、顆粒包、皮革護(hù)套和密封固定裝置組成。通過(guò)增大氣壓，制動(dòng)器轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢鸂顟B(tài)，使內(nèi)部原本松散狀態(tài)的顆粒變成擠壓狀態(tài)，從而顆粒之間的堵塞變緊，夾持器的剛度則變的越高。如圖8所示。手指的剛度與氣壓的大小成正比。此結(jié)構(gòu)有利于開發(fā)出由低壓力驅(qū)動(dòng)大范圍剛性變化的軟夾持器，且不需要額外的控制手段。

圖8 可變剛度軟體手概念圖

北京航空航天大學(xué)的Ziqi Wang等研發(fā)出基于纖維增強(qiáng)軟體彎曲驅(qū)動(dòng)器的三指力反饋手套[19]，如圖9所示。設(shè)計(jì)了一種軟剛耦合連桿機(jī)構(gòu)，如圖10所示，確保了手套具有較大的工作空間，并且在指尖上產(chǎn)生較大的力反饋；當(dāng)手指在不工作時(shí)可自由移動(dòng)，而且在執(zhí)行器充氣時(shí)將力傳遞給指尖。其中三個(gè)軟手指用樹脂制成，分別安裝在拇指、食指和中指上，使用戶能夠體驗(yàn)到抓握虛擬物體的觸覺(jué)。

圖9 軟剛耦合連桿機(jī)構(gòu)手套概念圖

圖10 在虛擬環(huán)境中不同手勢(shì)抓取球體

2.2.2 電活性聚合物(EAP)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

加利福尼亞大學(xué)Ethan W. Schaler等研發(fā)出一種柔性靜電黏著夾持器[20]，具有8指夾持器和50 cm2的活性電極，如圖11所示。通過(guò)磁性馬達(dá)驅(qū)動(dòng)夾持器來(lái)實(shí)現(xiàn)抓取釋放動(dòng)作。其主要應(yīng)用于太空中的柔性物體的抓取控制，經(jīng)模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該靜電黏著夾持器抓取速度很快且用力最小，符合衛(wèi)星服務(wù)應(yīng)用所需的操作參數(shù)。

圖11 柔性靜電黏著夾持器

洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)的Jun Shintake等研制出一種基于新型DEA的全硅軟夾持器[21]，如圖12所示。

圖12 基于新型DEA的全硅軟夾持器

該夾持器具有兩指并可以用單個(gè)信號(hào)操縱抓取可變形的易碎物品，在零外加電壓狀態(tài)下彎曲；當(dāng)向DEA施加電壓時(shí)產(chǎn)生靜電壓力，從而降低了DEA的應(yīng)力，使手指結(jié)構(gòu)向扁平方向展開。由于夾持器采用特殊的柔性復(fù)合結(jié)構(gòu)[22-24]，使得其成為一種高度集成的多功能柔性?shī)A持器，并具有快速移動(dòng)、高抓取力以及簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)和控制。

2.2.3 形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)

中國(guó)科技大學(xué)的Hu Jin等研發(fā)出一種名為U-Tap的柔性假手[25]，如圖13所示。其中手指采用復(fù)合型結(jié)構(gòu)(HCF)，由形狀記憶合金(SMA)構(gòu)成其線驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其中剛性結(jié)構(gòu)作為掌骨部分及可形變結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)與手指功能相同的彎曲手勢(shì)以及高強(qiáng)度重復(fù)運(yùn)動(dòng)的敲擊動(dòng)作，具有較長(zhǎng)的工作壽命。

圖13 U-Tap手

剛性結(jié)構(gòu)手指[26]具有剛度高、速度快、夾持力度大、精確度高等優(yōu)點(diǎn)，但由于其主要是剛性關(guān)節(jié)和金屬零件組成，因此在物體夾持適應(yīng)性和人機(jī)交互方面表現(xiàn)較差。

柔性結(jié)構(gòu)手指主要由柔性材料組成，其中驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)主要包括流體驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、EAP驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)以及SMA驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。采用流體驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)具有成本低、安全性高、重量較輕、可連續(xù)形變及響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)[27]，但是其不易控制抓取精度且對(duì)手指的理論建模較復(fù)雜。EAP驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的變化是通過(guò)外加電場(chǎng)改變電活性聚合物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而使其薄膜發(fā)生形變以實(shí)現(xiàn)張開和收縮的動(dòng)作[28]。因此其具有體積小、可以產(chǎn)生大形變等特點(diǎn)，但由于EAP材料需要在高壓的環(huán)境下才能工作，所以它的穩(wěn)定性以及安全性較差。SMA驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗干擾能力、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕，可以通過(guò)其設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧、靜音的夾持設(shè)備[29-31]。

相比剛性結(jié)構(gòu)手指，柔性結(jié)構(gòu)手指雖然在變剛度調(diào)節(jié)、抓取精確度控制、制作成本等方面仍有一些不足，但其具有適應(yīng)性強(qiáng)、自由度高、可連續(xù)形變、人機(jī)交互性能好等特點(diǎn)，這是剛性手指無(wú)法比擬的，因此柔性結(jié)構(gòu)手指在未來(lái)有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。

3 驅(qū)動(dòng)方式

機(jī)械手的控制方面一般包括兩個(gè)部分：驅(qū)動(dòng)方式(動(dòng)力源)、驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，其中，首先要確定的是驅(qū)動(dòng)方式，再根據(jù)驅(qū)動(dòng)方式來(lái)設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，再通過(guò)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)將動(dòng)力傳遞至被夾取的物體上。機(jī)械手目前主要采取液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)這四種驅(qū)動(dòng)方式。隨著微型電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，從電機(jī)的一些重要的技術(shù)指標(biāo)來(lái)看，例如靜態(tài)剛度、加速度、線性度、噪聲等，電機(jī)具有速度位置響應(yīng)平穩(wěn)、可瞬間輸出全扭矩、工作效率高等特性[32]。因此目前機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式主要以電機(jī)驅(qū)動(dòng)為主。

液壓驅(qū)動(dòng)[33-34]通常由液動(dòng)機(jī)、液控伺服閥、油泵等組成，通過(guò)油液所帶來(lái)的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)[35-36]通常由氣缸、氣閥、氣罐和空氣壓縮機(jī)構(gòu)成，通過(guò)壓縮空氣的體積獲得壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)[37]。電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般采用伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，不需要中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。機(jī)械驅(qū)動(dòng)是由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如嚙合傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、滑動(dòng)件等)驅(qū)動(dòng)，其動(dòng)力主要通過(guò)工作機(jī)械傳遞。四種驅(qū)動(dòng)方式各自特點(diǎn)如表1所列。

表1 四種驅(qū)動(dòng)方式各自特點(diǎn)

4 關(guān)鍵技術(shù)

隨著對(duì)機(jī)器人末端夾具研究的不斷深入，在近些年也產(chǎn)生了許多豐富的成果，雖然有一部分柔性?shī)A持器已經(jīng)應(yīng)用于市場(chǎng)，但相較于傳統(tǒng)類型的夾持器尚處于起步階段。這些夾持器大多以人手為原型設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的抓捏等操作，但它們?cè)跍?zhǔn)確度、材料、安全性、制造成本等方面還存在一些不足。其中關(guān)鍵技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面。

4.1 傳感器

目前，大多數(shù)機(jī)器人末端夾具所采用的傳感元件通常單獨(dú)安裝在手指位置，用于測(cè)量應(yīng)變力和位置情況。機(jī)器人通過(guò)使用多種類型傳感器與多變復(fù)雜的物理環(huán)境交互，以觸覺(jué)和視覺(jué)傳感來(lái)抓取物體或?qū)崿F(xiàn)模仿人手復(fù)雜操作的優(yōu)勢(shì)能力[38]。

其中傳感器類型主要包括有壓電式傳感[39-43]、壓阻式傳感[44-46]、電容式傳感[47]、光電傳感[48-49]等。

在用于非創(chuàng)傷性手術(shù)或微操作手術(shù)的機(jī)器人操作時(shí)，力測(cè)量和接觸定位不準(zhǔn)確，缺乏觸覺(jué)反饋，可能導(dǎo)致外科醫(yī)生對(duì)力的把控不準(zhǔn)確，從而造成意外損傷[50]。為了解決此問(wèn)題，F(xiàn)rank L. Hammond III等人開發(fā)了一種亞毫米級(jí)接觸定位和接觸力測(cè)量的軟觸覺(jué)傳感器陣列[51]。

柔性材料手指的傳感器的關(guān)鍵技術(shù)在于使用性能(模量和延展性)與驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)本身相同的材料，這樣它們可以在不影響操作的情況下使設(shè)備和傳感器更容易集成在一起，但是這種方法要求較低材料的成本及簡(jiǎn)單的制作成本[52]，所以在柔性傳感器[53]的制作方面還存在一定的挑戰(zhàn)。

4.2 動(dòng)作規(guī)劃

隨著近年來(lái)對(duì)機(jī)械手研究的不斷深入，在動(dòng)作規(guī)劃方面發(fā)生了很大的變化，尤其是在抓取方式上，從剛性結(jié)構(gòu)機(jī)械手的包絡(luò)抓取、兩指抓取、兩只對(duì)捏、單指-雙指抓取、鉤拉式抓取等等到柔性結(jié)構(gòu)機(jī)械手的流體彈性抓取、電附著式抓取、磁附著式抓取等等，甚至是機(jī)械手抓取的自適應(yīng)性等都發(fā)生了巨大變化，新技術(shù)發(fā)展提高了物體抓取的仿生化，以至其可以應(yīng)用在越來(lái)越多的高新技術(shù)領(lǐng)域，提高了工作研究的效率。

4.3 應(yīng)用材料

材料的選取與應(yīng)用在制作機(jī)械手的過(guò)程中占據(jù)著重要的地位。傳統(tǒng)的剛性機(jī)械手一般采用硬度較大的鋁合金等剛性材料，使得其在工作過(guò)程中自適應(yīng)性非常差。柔性材料的機(jī)械手有硅橡膠[54]、硅樹脂[55]、增強(qiáng)纖維[56]、聚合物[57]等材料組成，這些材料優(yōu)勢(shì)讓它具備環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、體積小等特點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外在研究人造肌纖維材料等方面取得很大的進(jìn)展。未來(lái)研發(fā)自適應(yīng)性強(qiáng)的柔性材料、仿生材料以及新型的復(fù)合材料將成為主要的發(fā)展趨勢(shì)，這些材料有望解決人機(jī)交互、在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)械手工作靈活性等問(wèn)題。

5 結(jié) 語(yǔ)

在過(guò)去的十年里，由于科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展和進(jìn)步，機(jī)械手的材料、制作工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及人機(jī)互動(dòng)方面有了巨大的進(jìn)步。柔性機(jī)械手逐漸成為了研究熱點(diǎn)，其中通過(guò)簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)，便可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的形變，同時(shí)由于柔性手指的更好的適應(yīng)性，其在服務(wù)、醫(yī)療和航空航天等領(lǐng)域也扮演著重要的角色。隨著對(duì)機(jī)械手研究的越來(lái)越深入，新型材料的研發(fā)也迫在眉睫，未來(lái)的機(jī)械手發(fā)展方向?qū)?huì)朝著多功能、強(qiáng)自適應(yīng)性、精準(zhǔn)控制等方面發(fā)展。