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机器人灵巧手的发展历程及未来发展方向探讨
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2024-05-10
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1.什么是机器人灵巧手?
1.1 灵巧手是指数≥3,自由度≥9 的末端执行器
灵巧手是机器人操作和动作执行的末端工具,在机器人学领域属于末端执行器的范
畴。从运动学的观点看,灵巧手需满足两个条件:指关节运动时能使物体产生任意运
动、指关节固定时能完全限制物体的运动,按照运动学理论,满足上述条件至少要 3
个手指和 9 个自由度。因此,我们定义灵巧手是指数≥3,自由度≥9 的末端执行
器。例如日本的 TWENDY-ONE 机器人,其灵巧手拥有 4 根手指和 13 个自由度。
1.2 机器人灵巧手的前世今生
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/89291307/bg2.jpg)
从形态和功能上看,灵巧手经历了两指夹持器、多指抓持手和多指灵巧手三个发展阶
段:
� 两指夹持器
两指夹持器通过模仿手指的夹持运动来抓持物体,能够在执行动作的同时夹住和松开
目标物体。其优点是结构简单,运动形式稳定,工作可靠,在工业现场常应用于目标
零部件的夹取、搬运、换位、装配等。但由于缺乏手指的灵活性,不能对复杂形状的
目标进行抓持,无法对目标物体实施操作。该类夹持器已有多种标准化的产品,例如
德国 SCHUNK 公司的气动平行爪夹持器、FESTO 公司的气动夹持器等。
图表 3:机器人两指夹持器
� 多指抓持手
多指抓持手按照功能不同分为联动型抓持手、多关节手指抓持手和软体多指抓持手。
� 联动型抓持手一般为三指或四指结构,工作原理与两指夹持器一样,由于采用多指
设计,可以对目标物体实施多触点抓持,提高了抓持的成功率和可靠性,但是依然缺
乏灵活性和目标物体的适应性。
� 多关节手指抓持手在其手指上设置多个关节,具有对目标物体进行仿形接触和抓持
的可能性,扩大了抓持范围,能够提高抓持的稳定性和可靠性。
� 软体多指抓持手在抓取物体时可根据物体形状更自然妥帖地调整形态,在操作易碎
品或不规则物体(如鸡蛋、蔬果、个性化零件等)方面具有优势。
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/89291307/bg3.jpg)
� 多指灵巧手
机器人多指灵巧手的研究始于 20 世纪 70 年代,一共经历了三个阶段:
� 第一阶段是从 20 世纪 70 年代——20 世纪 90 年代。这一阶段有 3 款典型代表
产品,分别是日本的 Okada、美国的 Stanford/JPL 和 Utah/MIT。这三只灵巧手是研
究初始阶段的典型代表,为后续仿人型多指灵巧手研究建立了理论基础。
1)1974 年日本“电子技术实验室”成功研制了 Okada 灵巧手,它有 3 根手指和 1
个手掌,拇指有 3 个自由度,另外两根手指各有 4 个自由度。手指的每个关节由电
机驱动,通过钢丝和滑轮机构实现运动和动力传递,可以完成螺栓拧进螺母等操作。
2)20 世纪 80 年代初美国斯坦福大学成功研制了 Stanford/JPL 灵巧手,该手有 3 个
手指,每指有 3 自由度,手指使用 n+1 腱(n 个手指)设计,即每个手指采用 4 条腱
绳传递运动和动力,整手使用 12 个直流伺服电机作为关节驱动器。与 Okada 相比,
Stanford/JPL 手的灵活性有较大的改善,但其控制系统也更为复杂。
3)1982 年美国麻省理工学院和犹他大学联合研制了 Utah/MIT 灵巧手,该手具有 4
个手指,每个手指有 4 个自由度,采用 2n 腱(n 个手指)传动设计,整手共 32 个
驱动器。手指的配置类似人手的拇指、食指、中指和无名指,都连接手掌且相对于手
掌进行运动。
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/89291307/bg4.jpg)
� 第二阶段是从 20 世纪 90 年代到 2010 年。受益嵌入式硬件的发展,这一阶段的
多指灵巧手有着更高的系统集成度和更加丰富的感知能力。例如:
1) 美国研制了用于国际空间站舱外作业的宇航员灵巧手 Robonaut hand,由 1 个手
腕和 5 个手指组成,共 14 个自由度,由于使用了腱绳张力传感器,整手的运动控制
更加准确。
2) 德国宇航中心先后研制成功了 DLR-Ⅰ和 DLR-Ⅱ灵巧手,共集成了 25 个传感
器,包括类似人工皮肤的触觉传感器、关节扭矩传感器、位置传感器和温度传感器
等,灵巧手在灵活性和感知能力方面有显著提升。
3) 意大利 IIT 研制的 iCub 灵巧手集成了 12 个触觉传感器,48 个压力传感器和
17 个位置传感器以实现灵巧的操作和丰富的感知能力,系统集成度的提高和感知能力
的丰富使得多指手在操作时更加灵巧。
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/89291307/bg5.jpg)
� 第三阶段是从 2010 年至今。第二阶段高度系统集成的灵巧手具有灵活性和功能性
的优势,但是系统的复杂性导致制造成本较高,并且降低了系统的可靠性和易维护
性。因此,简化系统、提高鲁棒性是近十年灵巧手设计的一个重要方向。例如,立命
馆大学设计的 Ritsumeikan Hand、以及 HERI Hand、SPRING hand 等灵巧手采用了欠
驱动(驱动器数量少于手指关节自由度)的结构设计实现了系统简化。欠驱动手虽然
以简化的系统实现了抓取任务,但是由于欠驱动自身特性使得操作能力受到限制,所
以目前灵巧手难以同时具备鲁棒性和功能性。
2.机器人灵巧手有哪些类型?
机器人灵巧手在体积、重量、灵活性和可操作性等各项性能指标上存在较大区别,这
主要是因为灵巧手采用的驱动系统不同。灵巧手的驱动系统由驱动器和传动系统两部
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