机器人灵巧手研究综述

机器人灵巧手可以模仿人类动作,完成复杂场景下的多种任务。机器人灵巧手的研究是开发智能人形机器人的关键技术之一。以机器人灵巧手的研究历程为核心,阐述了多指灵巧手的研究现状,分析了灵巧手的演化过程和研究进展。从自由度数目、驱动方式、机械传动方式和传感技术等方面探讨了灵巧手分类和特征,展望了灵巧手未来的发展趋势。

欠驱动灵巧手的优化设计及仿真分析

传统欠驱动机械手的运动空间相对固定、操作功能单一,对抓取物没有较强的自适应性,为此设计一种新的连杆式欠驱动灵巧手机构,并进行设计优化和仿真抓取实验。阐述了该灵巧手的整体机构设计及工作原理,其可实现包络和指尖两种抓取模式。根据手指的几何尺寸采用协同耦合方式设计手掌尺寸,利用可变手掌协同手指抓取,提高了灵巧手在抓取形状复杂和不同尺寸物体时的自适应性。基于虚功原理建立灵巧手单指各关节的接触力模型,针对抓取过程中存在的抓取力不足及抓取不稳等问题,使用NSGA-II优化算法对单指机构的杆长进行尺度综合。利用建立的虚拟样机进行仿真抓取实验,结果表明,该灵巧手具有较强的自适应性,能够稳定抓取多种形状和尺寸的物体。

可侧摆腱驱五指灵巧手的设计与仿真

为了实现五指灵巧手对多种物体稳定抓取的目的,针对灵巧手结构复杂、成本高等问题,提出了一种基于蜗轮蜗杆驱动的手指侧摆方案,设计了一种以腱绳作为传动方案的仿人型五指灵巧手,具有驱动简单、质量轻、成本低等优点;利用D-H法建立了灵巧手指的运动学模型;且利用MATLAB的机器人工具箱,分析了手指的工作空间;利用ADAMS软件创建五指灵巧手的虚拟模型,分析了此单腱欠驱动灵巧手设计的有效性和抓取可行性。

基于PSO算法优化模糊PID控制器的灵巧手抓取控制研究

随着仿生学的进展,机器人领域中五指灵巧手作为主要执行机构的重要性不断增强。然而,在抓取过程中,五指灵巧手常常面临内部作用复杂、速度缓慢和效率低等问题。为了应对这些挑战,该文提出了一种基于角度闭环模糊自适应控制算法。该算法采用模糊策略来推断灵巧手关节角度偏差与控制器参数之间的关系,并制定相应的模糊规则。通过实时调整控制器参数,该算法能够提高系统的稳定性和抓取效率。此外,通过建立ADAMS模型和相应的闭环控制系统,以提高实验过程的可视化程度。实验结果表明,通过采用粒子群算法(Particle Swarm Optimization Algorithm)优化模糊自适应PID算法并改进系统参数,相较于传统的PID算法,可以显著减少灵巧手在抓取过程中的关节抖动,并展现出更好的手指指尖接触力控制性能。

基于ADAMS的机器人灵巧手建模与仿真

为由于传统的末端夹持工具无法满足复杂应用场景,通过SolidWorks软件设计了一款仿人手的机械夹持末端,将机械手的三维模型导入到ADAMS软件中进行基础的仿真测试,通过简单的捏取动作捕捉其基本特性。仿真测试结果表明,在实验条件下机械手能够正常完成预定动作,为仿人手的五指灵巧手应用于实际生活提供参考。

拆装机器人灵巧手控制系统研究

为了提高拆装机器人在控制工件时的控制能力与灵活性,综合设计制作了一种能够在狭窄空间内精准控制工件进行给进、退出及翻转动作的灵巧手。根据工件参数确定了灵巧手尺寸,采用SolidWorks软件构建了灵巧手的整体模型,设计了灵巧手的指部结构。针对机器人的运动需求,设计了一套控制系统,并制作样机进行机器人控件实验。实验结果表明,所设计的机器人结构可以稳定执行给进、退出及反转等控制动作,且灵巧手系统表现出高度的安全性和可靠性。实验结果与仿真控制效果一致,验证了拆装机器人灵巧手设计方案的可行性与有效性。

椭球型果蔬柔性采摘灵巧手设计

为提高采摘灵巧手的作业通用性、减少采摘过程中夹取损伤现象,设计一种椭球型果蔬气动柔性采摘灵巧手。对手指部件进行有限元分析,对比手指尺寸和指尖推力间的关系,分析手指性能,并对该灵巧手进行硬件选型和电路设计,开发控制系统,制作气动采摘灵巧手样机,进行功能测试。灵巧手总重1 kg,小巧灵活,手指张开时间为2 s,40 kPa气压输入下夹爪闭合时间为3s。搭载试验平台,进行采摘试验。试验表明,三种椭球型果蔬进行采摘作业的采摘成功率在92.5%以上,采摘损伤率低于7.5%,该灵巧手具有一定的通用性,具有高成功率和低损伤特点。

波形梁护栏安全抓取灵巧手设计

针对高速公路护栏板安装过程机械化的需求,设计一种气动-磁吸附联合作用的灵巧机械手。该装置由手指式夹持机构和提升翻转手腕两部分组成,通过优化配置磁吸附模块和气动执行机构,实现对护栏板的容差适应,在电磁铁将护栏板提起的同时,机械卡爪也将护栏板抓紧,达到双重保障,通过反复测试实验,验证了该手爪能够保障护栏板操作过程的抓取安全与运动灵活。

之江同心·科学家+企业家圆桌会议暨灵巧手标准筹备会顺利召开

为深入追踪灵巧手产业发展趋势,以标准推动企业形成发展合力,支撑产业高质量发展,全国信标委人工智能分委会人形机器人(具身智能)工作组联合组长单位上海人工智能研究院联合浙江省新昌县政府,于2024年5月30日举行“之江同心·科学家+企业家圆桌会议暨灵巧手标准筹备会”。来自高校及灵巧手企业的30余位专家参会。

基于腱绳驱动的仿人灵巧手

针对仿人灵巧手依赖复杂驱动传动机械结构和控制方法,以及缺乏灵活性、适应性的问题,结合对人手结构与功能的分析,设计了一种仿人灵巧手。从灵巧手的传动和结构两个方面出发,利用柔性腱绳在扭绞过程中的缩短效应作为灵巧手的驱动方案,并研究灵巧手在腱绳传动下的结构设计,通过耦合机构设计实现手指的灵巧抓持。对手指的运动学、静力学进行推导,完成手指工作空间计算。最后进行了不同尺寸物体的抓持试验。结果表明,所设计的仿人灵巧手可在设计范围内对典型形状物体完成稳定、可靠的抓持,并为后续灵巧手抓取控制打下基础。

柔性灵巧手的控制系统设计与仿真

针对软体机器人容易侧弯、刚度低、安全性差等问题,以三自由度软体驱动器为基础设计了一种具有上下弯曲和左右侧摆功能的柔性灵巧手,在此基础上建立了柔性灵巧手位姿方程,接着在分析了手指抓持策略后,提出并建立了一种灵巧手指力/位置控制系统,然后利用Simulink对控制系统进行仿真,最后完成实验验证。结果表明:灵巧手指力/位置控制系统满足实际力学特性要求,并且控制器参数中比例调节系数为7.5,积分调节系数为10000,微分调节系数为0时,系统具备最佳的控制性能。

仿人灵巧手的稳定抓取方法研究综述

作为引领新一轮科技革命和产业变革的重要抓手,人形机器人通过集成具有类人抓取能力的仿人灵巧手,有望在工业生产、家庭服务、反恐排爆等不同应用场景中辅助或代替人类进行精细、复杂的作业。针对不同应用场景下的仿人灵巧手稳定抓取方法研究展开综述,梳理不同结构仿人灵巧手稳定抓取构型的实现形式,总结仿人灵巧手基于外部传感/本体传感的接触状态分析与估计方法,归纳仿人灵巧手在与物体发生全局相对运动/局部相对运动下的抓取状态检测与识别方法,给出常用的仿人灵巧手稳定抓取控制策略。分析仿人灵巧手在接触、抓取过程中上述方法的应用优势及不足,讨论软体材料、动态场景等因素影响下仿人灵巧手稳定抓取方法研究面临的挑战,并展望了其研究趋势及在人形机器人上的应用。

腱绳驱动仿人灵巧手运动分析

针对在极端环境下代替人工进行作业的需求,文中设计了一种由腱绳驱动的灵巧手作为高效机器人末端执行器。通过效仿人体骨骼设计,由手掌中的微型电动机转动带动腱绳驱动灵巧手关节转动。对灵巧手分别进行了正逆运动学分析,采用D-H参数法,得到手指末端的位置信息;利用解析法求解雅克比矩阵;进行动力学分析,得出灵巧手控制的基础条件;运用蒙特卡罗法将各手指运动学方程推导计算结果可视化为手指运动空间,结果验证了运动学分分析的正确性,可为灵巧手智能化控制的发展提供参考。

一种仿人形五指灵巧手的运动学封闭解与仿真研究

针对一种复杂结构的仿人灵巧手,利用几何分析方法建立了灵巧手的运动学解析模型,并借助数值仿真软件对建立的模型进行了分析与验证。该灵巧手具有五个独立活动的手指,每根手指的指关节通过连杆机构耦合,由直线伺服电机驱动完成手指的运动。论文通过分析手指驱动机构的几何关系对指间关节解耦,求解灵巧手的正逆运动学封闭解;基于Adams仿真软件,建立灵巧手的运动学仿真模型,仿真结果表明,求解的灵巧手运动学解析模型正确、有效,并在此基础上分析了五指灵巧手的工作空间。

基于孔-腱近似模型的拟人灵巧手自适应运动控制

腱绳驱动的拟人灵巧手执行操作任务和控制都是直接由腱的长度来决定,针对驱动腱长度变化和张力之间的控制提出了一种基于孔-腱近似模型(hole-tendon-approximation-model,HTAM)的拟人灵巧手模型参考自适应控制器。针对深度拟人化具有滚转关节的腱驱动拟人灵巧手通过HTAM模型建立精确的手指运动学模型,并由驱动腱的长度和速度计算出张力和驱动状态,采用HTAM模型参考控制器进行控制,解决手指模型自由度冗余、运动学模型不准确和腱张力不同导致的控制精度不高,响应迟滞问题,并设计了多种抓取手势来验证拟提的运动学建模方法和控制算法,对于单指的控制在受到冲击后位置误差仍保持在0.198 mm以内,由抓取实验证明了所提控制器的实时性能和位置跟踪的准确性。

HIT／DLR HandⅡ类人形五指灵巧手机构的研究

为了使灵巧手的外观和结构功能更加类人化,研制了新一代类人形机器人五指灵巧手——HIT/DLR HandⅡ.该灵巧手由一个独立的手掌和5个完全相同的具有4个关节3个自由度的模块化手指构成.机电集成的设计思想保证了所有驱动器,传动系统和电路系统都集成在手指和手掌的内部.钢丝耦合机构的采用,保证了手指末端关节在整个运动范围内都能够保证精确定1:1传动比.包装件同结构功能件融合的设计思想不但进一步缩减的灵巧手的外形尺寸,而且使灵巧手外形更加类人化.所有的创新型设计使灵巧手的手指外形尺寸仅是上一代手指的1/3.此外,为了提高灵巧手的多感知能力,重新设计的力/力拒传感器,位置传感器及温度传感器通巧妙的集成在手指的内部.试验表明,所设计的灵巧手不但达到了设计目标,也表现出了很强的抓握能力.

五指仿人机器人灵巧手DLR/HIT Hand Ⅱ

基于机电一体化设计思想和最新的驱动技术,研制DLR/HIT Ⅱ仿人灵巧手。该灵巧手由5个相同结构的模块化手指和1个独立的手掌构成,每个手指有4个关节、3自由度,所有的驱动器和电路板均集成在手指或手掌内。采用新型的体积小输出力矩大的盘式无刷直流驱动电动机、质量轻的谐波减速器、齿形皮带等的驱动传动方案,使手指的体积和质量得到显著减小;采用钢丝耦合传动方案,实现手指末端两个关节的1:1耦合运动;手指具有位置、力/力矩、温度等多种感知功能。层次化的灵巧手硬件结构由手指电气系统、手掌电气系统和PCI总线控制卡等组成,灵巧手具有点对点串行通信、CAN以及网络等多种通信接口。在灵巧手的外观设计中,将外观设计与灵巧手的本体设计融为一体,实现灵巧手与人手相近的体积和外观。5指灵巧手的质量为1.5kg,手指的指尖输出力10N。

机器人多指灵巧手及其驱动系统研究的现状

对国内外多指灵巧手的研究进展进行了综述,分析了传统工业机器人的末端执行器的局限性,展望了机器人灵巧多指手的必然发展趋势;同时对这些多指灵巧手的驱动器及其传动系统进行对比分析,提出了今后多指灵巧手驱动器及其传动系统的的发展趋势。

灵巧手研究现状及挑战

灵巧手作为仿生学与机器人学结合的产物,具有人手的一些外形特征和功能。灵巧手是第4代机器人,通过模拟人类运动、感知、控制、能量、材料方面的仿生,实现模拟人手运动。通过分析国内外在灵巧手方面取得的成果,可以得知灵巧手的发展经历了早期阶段、初期阶段、中期阶段和跨世纪阶段4个阶段,灵巧手正在日益朝着具有柔顺灵巧的操作功能,具有力觉、触觉、视觉等智能化方向发展。探讨了灵巧手在未来发展中将要面临的挑战,它包括内在知识技术支撑方面的挑战和外在科研环境扶持方面的挑战。针对我国机器人产业的现实状况,借鉴国外成功经验的基础上,给出了一些建设性的建议。

ZSTU拟人灵巧手设计与仿真

仿生人手的构造和功能,设计了ZSTU拟人灵巧手并进行了运动学和动力学仿真。内置型ZSTU拟人灵巧手由伺服电机驱动,手指的结构和布置接近真实手,每个手指有4个自由度。先构建了ZSTU拟人灵巧手的虚拟样机,依据机器人运动学和动力学原理,进行了多种手势、抓持操作、单指工作空间的运动学仿真和手指动力学仿真。仿真结果表明:ZSTU拟人灵巧手结构合理,有较大工作空间,可实现多种灵巧操作。