機械手設(shè)計挑戰(zhàn)——設(shè)計領(lǐng)域上的高峰

時間：2023-03-13作者：深圳市楚林機電設(shè)備有限公司瀏覽：93

機械手——作為機器人的末端執(zhí)行器(End-Effector)，在上身操作和抓取任務過程中起到至關(guān)重要的作用。但由于真實人手的高自由度、結(jié)構(gòu)緊湊、復雜等特征，絕大多數(shù)機械手都無法“復制”人手的功能，其設(shè)計和功能都是在某些特定場合和功能要求下的簡化和權(quán)衡。







1. 高自由度的靈巧性：

我們首先拋開主動控制（Active Control）和被動適應(Passive Compliance)這兩種類型的自由度不談，也拋開全驅(qū)動（Fully-actuated）和欠驅(qū)動（Under-actuated）這兩種自由度的驅(qū)動方式不談，我們先來粗略分析一下真實人手的自由度(Degree of Freedom)。




如果我們定義每根手指閉合屈曲(Flexion)的方向為Pitch，那么:

對于Pitch方向的自由度：食指-中指-無名指-小拇指-大拇指每個都有3個，所以總計為3*5=15個，如上圖分布。

對于Roll方向的自由度：食指-中指-無名指-小拇指，在每根手指的指根關(guān)節(jié)（Metac Arpophalangeal Joint）都有1個Roll，而大拇指則比較特殊，具有2個Roll，所以Rol方向l總計為4+2=6個，如上圖分布。

那么整體人手的自由度為15+6=21個。（我們這里不統(tǒng)計手腕關(guān)節(jié)帶來的6個自由度)

也許大家對21個自由度沒有明確的概念，我們可以做一個對比：一條機械人單腿是6個自由度，一條機械臂一般是7個自由度，21個自由度得需要多么復雜的設(shè)計才能實現(xiàn)。

如何應付如此高自由度的機電系統(tǒng)設(shè)計，一般有如下兩種方向的做法：

減少驅(qū)動器的數(shù)量，帶來了如下按照驅(qū)動方式的分類：

全驅(qū)動機械手（Fully-Actuated Hand）：電機的數(shù)量等于所設(shè)計自由度的數(shù)量；

欠驅(qū)動機械手（Under-Actuated Hand）：電機的數(shù)量小于所設(shè)計自由度的數(shù)量。

減少冗余手指的數(shù)量：功能的前提下，手指的數(shù)目由3指、4指到5指不等。

整體來說，按照目前學術(shù)界技術(shù)發(fā)展的整體水平：

我們目前還是無法在緊湊、、與性的前提下“復制”人手高自由度的靈巧性。

2. 高抓重比的魯棒性：

抓重比（Grasping-Weight-Ratio）：指的是機械手垂直抓握物體的重量和機械手本身重量的比例，是一個比較好的衡量機械手魯棒性（Robustness）的指標。

為什么我們這里要提和自身重量的比例？

因為很多機械手在設(shè)計的時候，根本沒有考慮到和實際人形機器人集成（Integrated）的問題。具體來說，很多全驅(qū)動機械手的重量在4-5kg左右，當你集成在固定基座的機械臂上時，可能還看不出太大弊端，但如果是集成在雙足機器人（Biped）上，這個重量的機械手對于步行（Locomotion）和操作（Manipulation）的控制簡直就是災難——很多機械臂的末端執(zhí)行器負載都是在5kg級別，一只機械手都已經(jīng)快4-5kg，何談帶負載的抓取能力呢？

人手的抓重比：

人手的重量一般是人體體重的0.58%左右，設(shè)一個70kg的成年人，他手的質(zhì)量大約為406g。只要你是正常人，你應該毫無問題垂直抓握住一個5kg的啞鈴，這個情景下機械手的抓重比已經(jīng)達到12.3。而實際人類的抓握能力應該是數(shù)倍**12.3這個數(shù)值。

機械手的抓重比:

一只能與人機器人集成的機械手，垂直抓重比能夠達到2.5以上已經(jīng)算是很好的性能了，差距可見一斑。（垂直抓握物體，物體的重力僅由抓取力產(chǎn)生的摩擦力平衡）




3. 全覆蓋高靈敏度的傳感性：

說到傳感的特征，這個方面實際人手應該甩機械手的應用與發(fā)展幾十條街。目前當我們談到機械手的傳感反饋的時候，我們僅僅是在談論:

手指位置反饋：通過位置傳感器實現(xiàn)；

手指力反饋：一般通過觸覺傳感器或者驅(qū)動電機電流環(huán)反饋實現(xiàn)；

手指溫度反饋：通過熱敏電阻實現(xiàn)。

















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