高靈巧度與自適應(yīng)性機(jī)器人上肢系統(tǒng)
不詳 ?佚名 ? 2010年05月01日 ? ?奇思妙想
上肢系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)實(shí)物照片
機(jī)械手實(shí)物照片
人的上肢系統(tǒng)非常特別，具有智能抓取物體和搬移物體的重要功能。本項(xiàng)目基于仿生學(xué)原理和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)技術(shù)、欠驅(qū)動(dòng)技術(shù)和微機(jī)控制技術(shù)融合到一個(gè)擬人性非常強(qiáng)的機(jī)器人上肢系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)機(jī)上智能抓取與操作兩個(gè)系統(tǒng)融合。該系統(tǒng)不僅能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)事先規(guī)劃好的空間姿態(tài)和動(dòng)作，還能夠在抓取物體時(shí)自動(dòng)適應(yīng)被抓物體的不同尺寸和形狀，具有一種特殊的自適應(yīng)能力。在機(jī)械裝置方面，本項(xiàng)目以設(shè)計(jì)者的并聯(lián)靈巧自適應(yīng)發(fā)明專利為核心技術(shù)；在微機(jī)控制方面，本項(xiàng)目以FPGA為核心，通過控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和用戶模塊，并依托機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)成熟技術(shù)，綜合實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)的高效控制。
本項(xiàng)目傾力打造一個(gè)展示度更好、科技含量更高的智能抓取機(jī)器人上肢系統(tǒng)，如上圖所示。該系統(tǒng)能夠普遍應(yīng)用于各種服務(wù)移動(dòng)機(jī)器人，與之構(gòu)成相當(dāng)實(shí)用的機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有兩只3自由度機(jī)械臂和兩只14自由度機(jī)械手，總自由度數(shù)達(dá)到34個(gè)。每只機(jī)械臂由3個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由3個(gè)高度模塊化的空心軸關(guān)節(jié)組成，實(shí)現(xiàn)軸內(nèi)的靈活布線，以節(jié)省布線空間，提高機(jī)械臂裝置整體性能；通過對(duì)關(guān)節(jié)自由度的靈活組合，使機(jī)器人上肢系統(tǒng)可以在較大空間實(shí)施操作。每只機(jī)械手由10個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，各手指結(jié)構(gòu)相似，手指在抓取前可以靈活彎曲中間關(guān)節(jié)以實(shí)現(xiàn)良好的準(zhǔn)備姿態(tài)，抓取時(shí)則可以自適應(yīng)物體尺寸。機(jī)械手結(jié)構(gòu)緊湊、模塊化程度高，外觀、形態(tài)動(dòng)作接近人手，幾何尺寸與人手接近（大約為正常人手的1.0~1.2倍）。
該系統(tǒng)控制部分以上位機(jī)控制FPGA，通過硬件描述語言實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的編程控制，并通過驅(qū)動(dòng)模塊對(duì)用戶模塊實(shí)現(xiàn)手動(dòng)實(shí)時(shí)控制和編程自動(dòng)控制。此外，該控制系統(tǒng)依托機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)成熟技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)空間動(dòng)作的精確規(guī)劃，綜合實(shí)現(xiàn)對(duì)上肢系統(tǒng)的整體控制。本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開發(fā)了該系統(tǒng)的直流微型驅(qū)動(dòng)模塊，并使其嵌入手掌之中，結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高。通過控制部分與機(jī)械部分的協(xié)調(diào)配合，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)較大空間內(nèi)物體的抓取和較靈活的空間動(dòng)作。
該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了較靈活的空間操作，而且提出了手部抓取的新型動(dòng)作模式—并聯(lián)靈巧自適應(yīng)模式。該模式在較低控制與傳感要求的基礎(chǔ)上，保證了較高的抓取擬人性；所發(fā)明的柔性腱繩牽拉機(jī)構(gòu)，可以巧妙實(shí)現(xiàn)柔性件的雙向驅(qū)動(dòng)作用，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)仿生肌肉、肌腱的研制提供了思路。
該機(jī)器人上肢系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)人類上肢的諸多功能，具有高擬人化、高模塊化、靈活性高、抓取自適應(yīng)能力強(qiáng)、能耗小、維護(hù)容易、控制難度低、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，有很好的市場應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)研究前景。
本項(xiàng)目已獲得2009年國家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃立項(xiàng)支持，并榮獲清華大學(xué)第二十八屆“挑戰(zhàn)杯”學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技競賽特等獎(jiǎng)。
責(zé)編/劉 路
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