苑航

（洛陽市第一高級(jí)中學(xué)，清華大學(xué)天津高端裝備研究院洛陽先進(jìn)制造產(chǎn)業(yè)研發(fā)基地眾創(chuàng)空間，河南 洛陽 471000）

機(jī)器人手（或稱為抓持器）與人手相似，機(jī)器人能夠完成許多任務(wù)有賴于一雙能夠抓取多種物體的末端抓持器。通用抓持器在機(jī)器人領(lǐng)域中有廣泛的用途，可將機(jī)器人與物體臨時(shí)連接起來，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候能夠釋放，是機(jī)器人與外界交互的重要終端，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中有廣泛用途。

在抓持器研究領(lǐng)域，除了工業(yè)夾持器之外，研究較多的有仿人機(jī)器人手、仿生機(jī)器人手、自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手三類，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。

1 機(jī)器人手的發(fā)展概況

1.1 仿人機(jī)器人手

美、日、德、英、加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家和我國(guó)的高校與科研院所積極研制機(jī)器人手，其中，有模仿人手的機(jī)器人手，將其設(shè)計(jì)為具有更多的手指，且手指上具有若干關(guān)節(jié)。比如UTAH/MIT 手[1]、Salisbury 手[2]、Gifu-III手[3]、Robonaut R2手[4]、Shadow 手[5]、DLR/HITHand[6]、BH-III手等。此外上海交大、華中科大、北理工、中科院等機(jī)構(gòu)均對(duì)此開展了深入研究。Shadow手如圖1所示。

靈巧手的傳感控制非常復(fù)雜，制造和維護(hù)成本高昂，抓取不同形狀尺寸的物體均需要實(shí)時(shí)檢測(cè)與抓取規(guī)劃，影響其的廣泛使用，目前仍然停留在實(shí)驗(yàn)室研究使用階段。

Shadow靈巧手具有5個(gè)手指，主要材料采用聚甲醛塑料和鋁合金，通過CANBUS/EtherCAT母線進(jìn)行位置和力的控制。該手的關(guān)節(jié)自由度多達(dá)22個(gè)（不含腕部2個(gè)自由度），該手采用了藏入前臂中的22套空氣肌肉、閥組和電機(jī)來驅(qū)動(dòng)控制每個(gè)關(guān)節(jié)的靈巧動(dòng)作。因?yàn)樵撌纸Y(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，成本很高，因此價(jià)格非常昂貴，目前還很難大量應(yīng)用。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)與德國(guó)宇航中心聯(lián)合研制了DLR/HIT-I手、DLR/HIT-II手[6]兩代靈巧手，如圖2所示。每個(gè)手指均藏入了控制器DSP和控制器FPGA，手掌中是一塊FPGA，控制時(shí)需要用上位機(jī)電腦進(jìn)行操控，相當(dāng)復(fù)雜。

在抓取中，由于物體形狀各異，如果利用多指手以合適構(gòu)型抓取該物體，勢(shì)必會(huì)造成實(shí)時(shí)檢測(cè)與規(guī)劃手部各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角位置的困難，因而多指機(jī)器人靈巧手的使用難度大，實(shí)時(shí)傳感與控制方法目前還不能低價(jià)實(shí)現(xiàn)，因此靈巧手的應(yīng)用遇到了瓶頸。

圖 1 Shadow 手

圖 2 DLR/HIT-I手、DLR/HIT-II手

1.2 仿生機(jī)器人手

機(jī)器人不一定是人的形狀，機(jī)器人手也不一定按照人手的形狀來設(shè)計(jì)。機(jī)器人手的作用是實(shí)現(xiàn)抓取，上述的多指靈巧手是研發(fā)機(jī)器人的一種“捷徑”——模仿人手，此外還有多種方式，只要能夠達(dá)到抓取物體的效果即可。例如模仿生物的“手”——不同的動(dòng)物與外界交互和接觸物體的部件都可以看做是該動(dòng)物的“手”，因此從生物中獲得靈感就可以誕生具有仿生學(xué)意義的仿生機(jī)器人手，也稱為特種機(jī)器人手。北京航空航天大學(xué)與德國(guó)Festo公司聯(lián)合研制了一種仿章魚觸手，如圖3所示。該仿章魚觸手模仿了生物的柔性，適合抓取圓柱狀物體，對(duì)于其他異形物體的抓取能力有限。Festo公司研制的模仿蜥蜴舌頭的抓持器如圖4所示。此抓持器采用水作為介質(zhì)，利用氣力作為驅(qū)動(dòng)源，將彈性薄膜和內(nèi)部的活塞、彈簧等結(jié)合起來綜合實(shí)現(xiàn)了一種具有吸盤效果和被動(dòng)手指生成效果相疊加的新型通用抓持器。該抓持器適合抓持較小高度的物體和平板物體，但是對(duì)于尖銳和高度較大的物體抓取效果受變形程度的限制而無能為力，同時(shí)抓取力量偏小，此外，抓取存在延時(shí)、抓取效率低、噪聲較大、能耗較高問題。

1.3 自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手

隨著科技的發(fā)展，欠驅(qū)動(dòng)手應(yīng)運(yùn)而生。欠驅(qū)動(dòng)手是采用少量電機(jī)驅(qū)動(dòng)多個(gè)關(guān)節(jié)，其中能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)抓取的稱為自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)手，近十年來受到很多研究學(xué)者的青睞，已經(jīng)開發(fā)出來一些新型欠驅(qū)動(dòng)手，平夾自適應(yīng)手是其中的佼佼者。目前缺少衡量機(jī)器人手的統(tǒng)一定量比較標(biāo)準(zhǔn)，一般按照抓取物體種類、抓取物體動(dòng)作過程與結(jié)果（抓取方式）、抓取適用情況、抓取裝置的設(shè)計(jì)、制造與維護(hù)成本、抓取裝置的弱點(diǎn)或不足等多個(gè)方面綜合進(jìn)行比較。

Robotiq公司是知名的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手公司，開發(fā)的平夾自適應(yīng)手如圖5所示[7]。平夾自適應(yīng)手的核心是將平夾與自適應(yīng)兩種人手非常常用的抓取模式復(fù)合起來。該手僅有兩個(gè)手指，也只能一次抓取一個(gè)物體，也很難同時(shí)抓取不同方向雜亂擺放在包裝箱內(nèi)的物體。

圖3 仿章魚觸手

圖4 仿蜥蜴舌頭手

圖5 Robotiq手

2 自適應(yīng)通用抓持器的研究現(xiàn)狀

2.1 Mason抓持器

由于抓取物體的多樣性，抓取原理與方式變化莫測(cè)，因此產(chǎn)生了眾多抓持器。為了抓取雜亂擺放的物體且一次抓多個(gè)物體，卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)Mason教授團(tuán)隊(duì)研制了看似非常簡(jiǎn)單，但是效果很好的抓持器，如圖6所示。該抓持器僅有3個(gè)手指，每個(gè)手指的中部沒有關(guān)節(jié)，僅僅在手指與手掌之間存在關(guān)節(jié)。實(shí)驗(yàn)證明該抓持器控制簡(jiǎn)單，一次能抓取多個(gè)雜亂擺放的物體。其不足之處在于剛性手指對(duì)表面摩擦力小、自重大的物體抓取困難。

2.2 Scott抓持器

1985年，英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)Scott教授團(tuán)隊(duì)研制了一種伸縮管自適應(yīng)通用抓持器Omnigripper[8]，簡(jiǎn)稱Scott抓持器，如圖7所示。該夾持器具有兩組伸縮管陣列，每根桿相互平行，由物體推動(dòng)長(zhǎng)桿來適應(yīng)物體形狀，液壓驅(qū)動(dòng)兩組伸縮管合攏或分離，實(shí)現(xiàn)物體抓取。其不足之處在于：①抓持具有方向性，無法做到多向抓持。該裝置對(duì)目標(biāo)物體施加抓取力時(shí)，只能沿著兩組伸縮管合攏的方向。②對(duì)于超過寬度的長(zhǎng)條物體不能抓取。當(dāng)目標(biāo)物體的長(zhǎng)度方向與抓持方向一致且目標(biāo)物體長(zhǎng)度超過該裝置的寬度，目標(biāo)物體不會(huì)因兩組伸縮桿合攏而受到抓持力。

2.3 滑管陣列與伯努利吸盤復(fù)合抓持器

2010年，瑞典學(xué)者研制了伸縮桿陣列與伯努利吸盤復(fù)合抓持器[9]，如圖8所示，成功從二維伯努利吸盤升級(jí)為三維伯努利吸盤。利用伸縮桿來適應(yīng)物體的形狀，并利用伯努利方法吹氣產(chǎn)生局部負(fù)壓把物體吸住。由于增加了伸縮桿陣列，使得原來僅能用于平面物體吸取的伯努利負(fù)壓吸盤抓持器變?yōu)槿S物體光滑表面均可以吸取，其不足在于僅能抓取表面光滑的物體。

圖 6 Mason 抓持器

圖 7 Scott抓持器

圖8 伸縮管陣列與伯努利吸盤復(fù)合抓持器

3 結(jié)語

傳統(tǒng)機(jī)器人手模仿人手設(shè)計(jì)為多指裝置，它們能夠抓取多種物體，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制程序煩瑣和成本昂貴。沒有手指的特種手如吸盤手適應(yīng)范圍相當(dāng)有限。一般的通用抓持器為了降低成本而被制作成具有兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部分，以便最簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)抓取和釋放功能。這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，能夠較好抓取某種形狀物體，但是不能較好適應(yīng)更多形狀物體，適應(yīng)性不高。本文總結(jié)了國(guó)內(nèi)外自適應(yīng)通用抓持器的研究成果分析及其特點(diǎn)和不足，從而推斷出增加手爪的適應(yīng)能力成為一個(gè)突出的問題。機(jī)器人手爪未來發(fā)展趨勢(shì)如下：①手爪小型化、輕量化，而抓重大幅增長(zhǎng)；②自適應(yīng)抓取不同形狀尺寸物體的能力提高，抓取穩(wěn)定、成功率高；③能夠?qū)Χ鄠€(gè)物體同時(shí)進(jìn)行抓取，具有良好的適應(yīng)性；④結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低；⑤控制容易，抓取時(shí)對(duì)物體形狀尺寸檢測(cè)、抓取規(guī)劃控制難度降低。