机器人多指灵巧手的研究现状、趋势与挑战

机器人多指灵巧手是一种高度灵活、复杂的末端执行器,因其能够模仿人手的各种灵巧抓持和复杂操作能力,半个多世纪以来得到持续的研发投入和广泛关注,备受社会各界期待.综述分析了仿人型机器人多指灵巧手的演化过程、研究与开发现状.从仿生结构、驱动、传动、感知、复合/智能材料、建模与控制等方面分析了机器人多指灵巧手的本体复杂性,在部分功能复现、灵巧操作功能复现和人手功能的增强三个层次上分析了机器人多指灵巧手的应用复杂性,进而论述了基于多指灵巧手的复杂应用简化实现模式,阐明了机器人多指灵巧手的复杂性与易用性的辩证关系.最后从深度仿生、柔性感知技术、操作过程规划与控制策略、成本控制四个方面分析了多指灵巧手本体研究的趋势与挑战.     

DLR/HIT仿人机器人灵巧手的设计

基于对人手结构及功能的分析，提出了仿人机器人灵巧手的设计依据，并以此为目标设计了DLR／HIT仿人机器人灵巧手。DLR／HIT手具有与人手相似的自由度配置，共有13个自由度，具有4个相同结构的手指，每个手指具有3个自由度，拇指另有一个张开／闭合的自由度，包括位置、力／力矩、温度等多种感知功能以及高速实时控制器的设计，这些功能赋予了DLR／HIT手更强的操作能力。通过抓握仿真，证明DLR／HIT手能够在一定范围内实现人手的抓握操作。     

基于肌电控制的灵巧手及其控制系统设计

针对传统工业/农业机器人在末端执行器结构上的局限性,在结构设计过程中改变了传统的以刚性结构为核心的设计方案,将气动柔性驱动器(FPA)作为基础,并以人手部结构为原型结合其关节的运动特性,设计出了新型灵巧手;同时,针对传统机械手动作方式单一、欠缺灵活性的问题,将肌电信号(EMG信号)引入到灵巧手的控制策略中,提出了以肌电信号控制的方式,实现了对灵巧手的操作;在保证控制精度的基础上,通过模拟人手动作方式,增加了灵巧手的运动形式。实验结果表明,该仿生灵巧手控制系统的控制精度达到98%,该灵巧手控制方法的可行性由此得到了验证。     

基于手掌拱形的TJU/KCL灵巧手参数优化设计

结合解剖学和生物力学中对人手的研究成果,完成了对变胞仿人灵巧手机构参数的优化设计。本文将人类手掌的掌弓和衡量掌弓的运动学横向拱形的概念应用于TJU/KCL灵巧手的运动分析上,以此为基础建立了变胞灵巧手与人手在抓取运动上的联系;建立TJU/KCL灵巧手的机构模型,以最大化与人手相似的抓取姿态为目标函数,采用遗传算法,实现了变胞灵巧手的参数优化。通过手掌的变胞运动,优化后的灵巧手能实现多个与人手相似的抓取姿态,突出了手掌的可变性和灵巧手的仿人性。     

仿人灵巧手的结构设计与单指的控制策略

基于机电一体化设计思想和最新的驱动技术,通过分析人体解剖学,针对人类手掌的外形结构、驱动形式以及运动规则,利用仿生学原理设计了一种仿人五指灵巧手。该灵巧手有5个手指,11个自由度,在外观和功能上接近人手;除拇指外其余四指采用模块化设计从而简化了灵巧手的机械结构设计过程,增强了互换性和可靠性。该灵巧手在结构上是人手的1.5倍,手指具有位置、力/力矩以及关节角度的感知功能。通过气动人工肌肉驱动,利用C8051F040单片机对灵巧手指进行控制,采用PID控制算法实现对手指各个关节的位置反馈控制。     

推拿灵巧手的设计及其位置分析与仿真

为了提高推拿机器人的自动化程度,完成了多自由度推拿灵巧手的结构设计和运动学分析。该灵巧手含有食指、中指、无名指和大拇指4只手指,每个手指拥有指掌和指指两个关节,食指、中指、无名指3只手指的两个关节分别联动,使得本灵巧手共4个自由度。此外,本灵巧手创新性地采用了曲柄摇杆机构驱动指指关节,有利于提高捏法操作中运动的连续性和周期性,避免电机的频繁换向,延长电机的使用寿命。利用MATLAB的数值分析和ADAMS运动仿真功能,验证了本灵巧手实现捏法操作的运动性能。     

智能机器人——第二讲 机器人机械手(二)

六、人手与机器人的手机器人手部是机器人的关键部件之一。它主要用来抓取物件或握持工具,由手指、传力机构和驱动装置等组成。机械手的手部类似人手,但它很难作到跟人手那样灵活、自由。人手由五个手指和一个手掌构成,手指的活动范围虽然有限,但是它不仅可以自由屈伸,而且可以开合,手指与手掌配合起来可以进行各种灵巧而复杂的动作。因为人手具有一定的握力,对抓取物件又有各种感觉功能,能够根据抓取物     

五指仿人机器人灵巧手DLR/HIT Hand II

基于机电一体化设计思想和最新的驱动技术,研制DLR/HIT II仿人灵巧手。该灵巧手由5个相同结构的模块化手指和1个独立的手掌构成,每个手指有4个关节、3自由度,所有的驱动器和电路板均集成在手指或手掌内。采用新型的体积小输出力矩大的盘式无刷直流驱动电动机、质量轻的谐波减速器、齿形皮带等的驱动传动方案,使手指的体积和质量得到显著减小;采用钢丝耦合传动方案,实现手指末端两个关节的1:1耦合运动;手指具有位置、力/力矩、温度等多种感知功能。层次化的灵巧手硬件结构由手指电气系统、手掌电气系统和PCI总线控制卡等组成,灵巧手具有点对点串行通信、CAN以及网络等多种通信接口。在灵巧手的外观设计中,将外观设计与灵巧手的本体设计融为一体,实现灵巧手与人手相近的体积和外观。5指灵巧手的质量为1.5 kg,手指的指尖输出力10 N。     

多指护理灵巧手的优化

从手指关节运动副型式、手指指数和手掌、手指结构、手指材料、各个关节运动的驱动方式以及传动方式、各关节截面的结构型式、传感器的选择和布置等7个方面对灵巧手进行优化分析。考虑到一般性和通用性,对各手指之间的相对位置及姿态、各关节的长度及回转关节的回转角度范围,运用拟人法,类比法,建立优化目标函数和约束条件进行优化计算,设计出一种用于护理机器人上的带手掌的3指9关节灵巧手。对灵巧手的具体结构作了分析,绘出了灵巧手的三维结构模型。优化的护理灵巧手扩大了抓取范围,安装了灵巧手的护理机器人,减轻了护士的劳动强度,提高了护理质量。     

基于并联手指结构的多功能灵巧手的设计与研究

为满足工业生产对机器人末端夹持器灵巧性和承载能力的要求,设计了一种基于并联手指结构的多功能灵巧手。对手指机构的运动学、工作空间、奇异性进行了分析,对灵巧手的承载能力进行优化,并通过ADAMS仿真进行了验证。样机实验说明灵巧手具有理想的工作空间和较好的自适应性,可以实现对不同形状物体的随形抓取,适应柔性化工业生产的要求。     

超声电机驱动五指灵巧手的设计与仿真

设计一个由超声电机驱动的仿人五指灵巧手,由于超声电机的一些优点,使得该五指灵巧手与人手相仿,共有20个独立自由度,重量不足1000 g。为了检验设计方案是否能达到预期的效果,运用ADAMS分析软件对模型进行了运动学和动力学的仿真,仿真结果表明设计方案合理可行。     

基于套索传动的五指灵巧手设计与主从控制

为了使灵巧手更加轻质化、拟人化,设计了一种由舵机经套索驱动的19关节灵巧手。参照人手关节确定灵巧手的构型,通过套索传动实现了关节解耦与驱动后置,并分别对关节机构与驱动集成进行了设计。建立灵巧手多指运动学模型并对其工作空间进行了分析;基于弯曲传感器与主从映射算法实现了抓取的主从跟踪控制。搭建灵巧手样机并进行关节运动实验与抓取控制实验。实验结果表明,将套索传动应用于灵巧手具有可行性,基于主从控制可以实现灵巧手对多种物体的抓取。     

模块化磁吸五指灵巧手结构设计与控制研究

针对目前五指灵巧手自由度低、拆装繁琐等问题,设计出一种模块化、易拆装、直驱式11自由度五指灵巧手.通过永磁铁实现手指关节间的快速拆装,每个手指关节至少有±90°转动范围;通过对大拇指转动角度的特殊设计,可实现灵巧手左/右手模式直接切换以及双侧同时抓取.通过3D打印制作了五指灵巧手样机.针对灵巧手多传感器造成控制系统复杂...     

仿人四指灵巧手的抓持能力分析

对四指仿人灵巧手的结构及单手指运动学及动力学进行了分析,为深入地研究该灵巧手的控制提供了理论依据。在ADAMS中进行了灵巧手抓取物体仿真实验,实时得到手指与抓取物体间的接触力值。并利用有限元方法分析了灵巧手在强力抓取时的手指结构的力学性能,验证了该灵巧手可以达到实现设计目标所要求的抓取载荷。为抓取实验提供了抓取物体重量的理论分析依据。     

鼠标形桌面主操作手的设计

为了实现对灵巧手的主从控制,设计了一个鼠标形桌面主操作手。主操作手将操作者手指的运动位置实时传递给从手,在从手抓取物体的过程中,利用直流电机作为主操作手的主动力反馈控制源,通过直流电机的驱动电路控制电机的转矩,将从手感受的力反馈给操作者。整个系统由DSP控制器进行控制。     

大柔性灵巧手指弯曲仿真研究

针对传统机器人灵巧手弯曲柔性度不足等问题,提出了一种新型气动柔性弯曲关节—大柔性灵巧手指。为验证大柔性灵巧手指转角静态模型的正确性,首先,将该手指等效为悬臂梁,然后,通过ANSYS仿真软件模拟了手指在不同内腔气压下的弯曲模型,建立了手指弯曲角度与内腔压力的仿真关系曲线,结果显示该仿真关系曲线与手指转角静态模型曲线基本吻合;最后,通过实验研究得到了手指实际弯曲角度与实际内腔压力之间的数据关系,并通过Matlab软件整理仿真与实验数据得出了理论弯曲曲线与实际充放气曲线对比图。研究结果表明,该大柔性灵巧手指转角静态模型是正确的,这可为以后手指的进一步研究奠定一定的理论基础。     

闭式链灵巧手指机构的设计与分析

对于机械灵巧手的手指机构,针对传统传动方式腱传动具有传递刚性不足的缺点,提出了一种闭式链连杆传动的灵巧手指机构,分析了该闭式链的机构组成和闭式链连杆传动的特点,研究了手指机构的运动学,最后对新机构进行了运动仿真。结果表明:这种新型的手指机构在需要的工作空间内无干涉现象,运动性能良好。     

灵巧手的单指动力学方程建立与验证

应用拉格朗日方程建立灵巧手单指的动力学方程，给出了求解灵巧手运动过程各关节力矩的计算公式。用MATLAB软件对所得到的动力学方程进行求解，并将计算结果与应用ADAMS软件所建立的虚拟仿真模型的运行结果比较，从而验证所得数学模型的正确性。     

三指灵巧手结构设计与动态抓取研究

针对目前多自由度灵巧手存在的结构复杂、体积庞大等问题,设计了一种结构紧凑、质量轻盈的电机直驱式8自由度三指灵巧手.通过微型电机与齿轮减速器配合使用,实现了关节直驱方式,减少了驱动力损耗,手指驱动力得到有效提高.针对灵巧手在动态抓取模式下的不足,通过嵌入式超声波传感器、压力传感器和角度传感器的联合使用,对灵巧手的动态抓取...