机械手设计挑战——设计领域上的高峰

机械手——作为机器人的末端执行器(end-effector),在上身操作和抓取任务过程中起到至关重要的作用。但由于真实人手的高自由度、结构紧凑、复杂等特征,绝大多数机械手都无法“复制”人手的功能,其设计和功能都是在某些特定场合和功能要求下的简化和权衡。
1. 高自由度的灵巧性:我们首先抛开主动控制(active control)和被动适应(passive compliance)这两种类型的自由度不谈,也抛开全驱动(fully-actuated)和欠驱动(under-actuated)这两种自由度的驱动方式不谈,我们先来粗略分析一下真实人手的自由度(degree of freedom)。
如果我们定义每根手指闭合屈曲(flexion)的方向为pitch,那么:
对于pitch方向的自由度:食指-中指-无名指-小拇指-大拇指每个都有3个,所以总计为3*5=15个,如上图分布。
对于roll方向的自由度:食指-中指-无名指-小拇指,在每根手指的指根关节(metac arpophalangeal joint)都有1个roll,而大拇指则比较特殊,具有2个roll,所以rol方向l总计为4+2=6个,如上图分布。
那么整体人手的自由度为15+6=21个。(我们这里不统计手腕关节带来的6个自由度)
也许大家对21个自由度没有明确的概念,我们可以做一个对比:一条机械人单腿是6个自由度,一条机械臂一般是7个自由度,21个自由度得需要多么复杂的设计才能实现。
如何应付如此高自由度的机电系统设计,一般有如下两种方向的做法:
减少驱动器的数量,带来了如下按照驱动方式的分类:
全驱动机械手(fully-actuated hand):电机的数量等于所设计自由度的数量;
欠驱动机械手(under-actuated hand):电机的数量小于所设计自由度的数量。
减少冗余手指的数量:功能的前提下,手指的数目由3指、4指到5指不等。
整体来说,按照目前学术界技术发展的整体水平:
我们目前还是无法在紧凑、、与性的前提下“复制”人手高自由度的灵巧性。
2. 高抓重比的鲁棒性:抓重比(grasping-weight-ratio):指的是机械手垂直抓握物体的重量和机械手本身重量的比例,是一个比较好的衡量机械手鲁棒性(robustness)的指标。
为什么我们这里要提和自身重量的比例?
因为很多机械手在设计的时候,根本没有考虑到和实际人形机器人集成(integrated)的问题。具体来说,很多全驱动机械手的重量在4-5kg左右,当你集成在固定基座的机械臂上时,可能还看不出太大弊端,但如果是集成在双足机器人(biped)上,这个重量的机械手对于步行(locomotion)和操作(manipulation)的控制简直就是灾难——很多机械臂的末端执行器负载都是在5kg级别,一只机械手都已经快4-5kg,何谈带负载的抓取能力呢?
人手的抓重比:
人手的重量一般是人体体重的0.58%左右,设一个70kg的成年人,他手的质量大约为406g。只要你是正常人,你应该毫无问题垂直抓握住一个5kg的哑铃,这个情景下机械手的抓重比已经达到12.3。而实际人类的抓握能力应该是数倍**12.3这个数值。
机械手的抓重比:
一只能与人机器人集成的机械手,垂直抓重比能够达到2.5以上已经算是很好的性能了,差距可见一斑。(垂直抓握物体,物体的重力仅由抓取力产生的摩擦力平衡)
3. 全覆盖高灵敏度的传感性:说到传感的特征,这个方面实际人手应该甩机械手的应用与发展几十条街。目前当我们谈到机械手的传感反馈的时候,我们仅仅是在谈论:
手指位置反馈:通过位置传感器实现;
手指力反馈:一般通过触觉传感器或者驱动电机电流环反馈实现;
手指温度反馈:通过热敏电阻实现。
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