清華張文增教授丨研究機(jī)器人手就是研究人，欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手的設(shè)計(jì)與進(jìn)展(一)
瀏覽次數(shù)： 5389 日期：發(fā)布日期：2019-04-26 01:18:30一、機(jī)器人手的定義與意義
什么是機(jī)器人手？像人手的機(jī)器是一種，像人手功能的機(jī)器也算一種。像人手的機(jī)器是指它的外觀、形狀、顏色、造型、組成與人手相似。像人手的功能就比較廣義了，例如抓取、操作、感知與手勢(shì)表達(dá)等。也就是說(shuō)機(jī)器人手是包含了機(jī)器人的，并不是機(jī)器人的一部分，它可能就是機(jī)器人本身。所以研究機(jī)器人手其實(shí)是在研究機(jī)器人，或者說(shuō)是在研究人。人一定會(huì)成為這個(gè)世界更高級(jí)的主宰，必然要造出像人的和不像人的機(jī)器。人手是經(jīng)過(guò)千百萬(wàn)年進(jìn)化來(lái)的，有它的優(yōu)點(diǎn)在，所以機(jī)器模仿人手是必然的一條路。
仿人機(jī)器人手上學(xué)問很多，其中最重要的一點(diǎn)就是電機(jī)力量不夠，體積還大。當(dāng)電機(jī)數(shù)量多到5個(gè)、10個(gè)以上的時(shí)候就不好控制了，并且算法和控制都還沒有提高到一定水平，很難實(shí)現(xiàn)人手一樣靈巧的操作。因此這個(gè)時(shí)候就出現(xiàn)了欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手的概念。
欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手在未來(lái)和現(xiàn)在一直都會(huì)存在，未來(lái)是否是主流可能未必，但現(xiàn)在是主流。因?yàn)楝F(xiàn)在機(jī)器人迫切的需要有人手的外觀，同時(shí)又需要具備比較好的抓取性能，能夠抓更多的物體，實(shí)現(xiàn)更多的手勢(shì)，同時(shí)又能夠?qū)崿F(xiàn)輕松的控制。
二、機(jī)器人手的分類
目前已經(jīng)造出了很多種機(jī)器人手，這些手大部分正在服役的是工業(yè)夾持器。工業(yè)夾持器手指根部有關(guān)節(jié)，可以運(yùn)動(dòng)，但手指中部沒有關(guān)節(jié)。工業(yè)革命以來(lái)，它們就開始逐漸進(jìn)入工廠，可以做到準(zhǔn)確夾取專用零件，但是沒有還達(dá)到人手這么靈巧。
其次是靈巧手。靈巧手一般指具有3個(gè)以上手指和9個(gè)以上主動(dòng)關(guān)節(jié)的手，大約在上個(gè)世紀(jì)八九十年代是最流行的，現(xiàn)在依然流行，但是靈巧手比較昂貴。
第三個(gè)叫做特種手，我們一直都有，比如鋼廠里用磁鐵，在一般的物流企業(yè)里用吸盤，在小物搬運(yùn)時(shí)可以采用靜電吸附。特種手除了用吸盤、磁鐵和靜電等方式以外，可能還要結(jié)合他們，或者是他們的衍生種類。
然后是最近的一個(gè)重要趨勢(shì)，軟體機(jī)器人手。軟體機(jī)器人手已經(jīng)超出了手指或關(guān)節(jié)的范疇，可以更加仿生地實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手的功能。
欠驅(qū)動(dòng)手是驅(qū)動(dòng)器數(shù)量少于關(guān)節(jié)自由度的手，外觀上比較擬人，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的抓取性能和更多手勢(shì)。
工業(yè)夾持器有一個(gè)特點(diǎn)，手指的中部一般沒有關(guān)節(jié)，如果中部有關(guān)節(jié)，就進(jìn)入了欠驅(qū)動(dòng)手的概念。最近比較時(shí)髦的是做成像人的骨骼型的機(jī)器人，這種機(jī)器人最大的優(yōu)勢(shì)是特別像人的肌肉和骨骼系統(tǒng)。骨骼有3D打印、碳纖維或是鈦合金、鋁合金等金屬材料，那么肌肉怎么辦？我們用繩子來(lái)模擬，當(dāng)然也可以用空氣肌肉，這樣就實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)。這種用腱繩來(lái)驅(qū)動(dòng)的就叫做繩驅(qū)機(jī)器人手，或稱索驅(qū)機(jī)器人手。
做一個(gè)機(jī)器人無(wú)外乎就是一種能量的傳遞、轉(zhuǎn)換和消耗，同時(shí)進(jìn)行控制，再結(jié)合傳感器把內(nèi)部和外部的物理量全部轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，利用控制器來(lái)做決策，是不是該抓取，是不是該移動(dòng)，是不是按照某種軌跡來(lái)做電機(jī)和電機(jī)之間的協(xié)調(diào)。所以，廣義的手包含機(jī)器人本體。
三、什么是靈巧手
70年代末80年代初，Utah大學(xué)工程設(shè)計(jì)中心和MIT人工智能實(shí)驗(yàn)室共同開發(fā)了UTAH/MIT手，四個(gè)手指可以靈活控制，這就是當(dāng)時(shí)較早期的靈巧手。因?yàn)橛辛诉@個(gè)標(biāo)志性的作品，引得全世界很多人都投入到靈巧手研究中。跟它同時(shí)代的還有斯坦福大學(xué)的教授Salisbury，跟卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的教授Mason寫了一本書叫《機(jī)器人手與操作力學(xué)》（Robot Hands and the Mechanics of Manupulation），書上定義了什么是靈巧手。
靈巧手是具有3個(gè)手指、9個(gè)以上電機(jī)主動(dòng)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的手。為什么叫靈巧手？它從理論上可以達(dá)到人手的所有動(dòng)作。但是人手為什么是5個(gè)手指？多幾個(gè)手指是為了更加穩(wěn)定。所以也有人做機(jī)器人手不僅僅是做剛好能夠靈巧實(shí)現(xiàn)操作的手，很有可能為了穩(wěn)定多做一點(diǎn)。
哈工大和德國(guó)宇航中心合作開發(fā)的DLR/HIT系列手很高級(jí)，一代手能夠做到體積非常小，傳感器有90多個(gè)。II代手實(shí)現(xiàn)了更高的集成度，傳感器略少一些，大量減少了手和手臂、機(jī)器人總控制器之間的線路，里面仍然比較復(fù)雜，每一個(gè)手指上都有FPGA控制單元，每一個(gè)指段上都有DSP控制模塊。應(yīng)該說(shuō)做到了靈巧手的頂尖級(jí)別
