變位欠驅動擬人機器人手淺談
不詳 ?佚名 ? 2010年02月01日 ? ?奇思妙想
變位欠驅動擬人機器人手淺談
當今世界，擬人機器人領域研究越來越受到世界各國科研人員的重視，擬人機器人手作為擬人機器人領域的一個分支，不論在航天航空、危險領域作業(yè)、醫(yī)療護理、生活服務中都得到廣泛的應用。
談到機械手，我總是非常興奮。作為清華大學機械工程系“因材施教”優(yōu)等生培養(yǎng)計劃的一分子，我大二就有了導師和自己的研究課題。我的課題就是關于欠驅動手方面的研究。所謂欠驅動，就是用少量的電機來控制多個自由度，以減小機械裝置的控制難度和加工成本。在查閱了多種文獻后，我發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)欠驅動手雖然可以實現(xiàn)基本的抓取目標，卻不能在擬人性和靈活性上有很大的突破。相較之下，機械手的領域分支—靈巧手，可以靈活地實現(xiàn)人手的各種動作，但其對控制和傳感的要求高，以致于價格昂貴。英國Shadow公司的Shadow C5手的市場售價為9萬歐元（11.9萬美元），而一款NASA Robonaut靈巧手的市場報價為200萬美元。如此昂貴的靈巧手，大多只能在一些實驗場合應用，而不能走進我們平常人的生活。
于是，我萌生了設計一款既靈活美觀又便宜穩(wěn)定的機械手的想法。經過不斷地設計新方案、不斷地借鑒前人的經驗、不斷地與導師探討，終于，我從仿生學中得到靈感，提出了“變位欠驅動”的概念。“變位欠驅動”包括兩種功能：“預彎曲”與“自適應抓取”。“預彎曲”可使機械手在抓取物體前靈活地調整其初始姿態(tài)，而“自適應抓取”則是使機械手自動適應物體的形狀來抓取物體。這種動作模式，與人手極為類似。人在進行抓取時，大多也是要先調整好一個必要的抓取姿態(tài)，然后再去自動適應物體的形狀來抓取物體。提出這一概念后，我開始著力于設計和研發(fā)變位欠驅動機械手裝置，通過半年多的努力，初步研制調試成功。所研制的變位欠驅動機械手裝置包括5個手指，15個關節(jié)自由度，可以穩(wěn)定地抓取包括球體、圓柱體、方體、椎體、不規(guī)則體在內的諸多物體，也可以進行諸如抓持、握持、捏持、按壓等不同的基本操作模式。
由于變位欠驅動手是基于變位欠驅動這一全新概念，與傳統(tǒng)的欠驅動手相比，靈活性與擬人性大大提高，而與靈巧手相比，又大大降低了控制難度和制造成本，在靈巧手和欠驅動手之間找到了一條全新的道路。該裝置已經申請國家發(fā)明專利4項，發(fā)表學術論文3篇（SCI檢索1篇、EI檢索2篇），獲國際機器人應用會議（ICIRA2009）最佳論文獎。另外，本項目已經獲得國家大學生實驗室創(chuàng)新計劃資助。
該手可以作為擬人機器人的輸出終端，較靈活穩(wěn)定地完成機器人的末端輸出任務；也有望在康復工程中獲得應用，幫助殘疾人恢復手部運動與工作能力；另外，該手還有可能在玩具產業(yè)找到立足之地?，F(xiàn)階段，我們實驗室正在研發(fā)一款全新變位欠驅動機械手，其外觀尺寸與人手一致，可以更加靈活穩(wěn)定地進行抓取和操作，并有望結合機械手臂和圖像識別處理技術，綜合實現(xiàn)抓取和操作的機器人上肢系統(tǒng)。
責編/劉 路
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