自适应机器人手爪的研究现状与未来
自适应机器人手爪的研究现状与未来
机器人手爪(或抓持器)类似于人手,依靠一对能够抓取各种物体的末端抓手,机器人可以完成许多任务。通用手爪广泛应用于机器人领域。它可以暂时将机器人与物体连接起来,并在适当的时候释放。它是机器人与外界交互的重要终端,广泛应用于工业自动化领域。
在手爪研究领域,除工业手爪外,还有三种研究:仿人机器人手、仿生机器人手和自适应欠驱动机器人手,每种都有各自的优缺点。
机器人手爪的形状不一定像人,机器人的手也不一定是根据人手的形状设计的。机器人的功能是抓取。上述灵巧多指手是研发机器人的一条“捷径”。机器人手爪模仿人手,还有其他方法,只要能达到抓物的效果。比如模仿生物的“手”。
动物与外界互动、触摸物体的不同部位,都可以看作是动物的“手”。因此,从生物学中获得灵感,就可以诞生具有仿生学意义的仿生机器手,也称特种机器人手爪。章鱼状触须模仿生物的灵活性,适合抓取圆柱形物体,但对其他异形物体的抓取能力有限。一种仿蜥蜴舌头手爪,以水为介质,以气动力为驱动源,将弹性膜与内部活塞、弹簧等结合在一起。实现一种新的具有吸盘效应和被动手指生成效应叠加的通用手爪。该夹持器适用于夹持小物体和扁平物体,但对于尖锐较高的物体,夹持效果受变形程度限制,夹持力较小。另外,抓取也存在时间延迟、抓取效率低、噪音大、能耗高等问题。
科学技术的发展,欠驱动手应运而生。欠驱动手使用少数几个电机驱动多个关节,其中白色自适应欠驱动手可以自适应抓取,受到许多研究者的青睐,一些新型欠驱动手被开发出来,其中扁平夹钳自适应手是最好的一种。目前,测量机器人手还没有统一的定量比较标准,一般根据抓取物体的种类、抓取物体的过程和结果(抓取方法)、抓取的适用场合、抓取装置的设计、制造和维护成本、抓取装置的弱点或不足等进行综合比较。
由于抓取对象的多样性以及抓取原理和方式的不可预测性,产生了很多抓手。为了抓取杂乱的物体,一次抓取多个物体,开发了一种手爪,看起来很简单,但是效果很好。手爪只有三个手指,每个手指中间没有关节,手指和手掌之间只有一个关节存在。实验证明,该手爪易于控制,可以一次无序抓取多个物体。它的缺点是刚性手指很难抓取表面摩擦力小、重量大的物体。
自适应机器人手爪有两套伸缩管阵列,每根杆相互平行,长杆由物体推动以适应物体的形状,两套伸缩管由液压驱动闭合或分离,从而实现对物体的抓取。缺点是:抓握有方向性,不能多方向抓握。当该装置对目标物体施加抓取力时,只能跟随两组伸缩管的折叠方向。不能抓超过宽度的长物件。当目标物体的长度方向与抓取方向一致,且目标物体的长度超过装置的宽度时,两组伸缩杆的闭合不会抓取目标物体。
传统的机器人手被设计成模仿人手的多指装置。它们可以抓取多种物体,但结构复杂,控制程序繁琐,成本昂贵。没有手指的特殊手,比如吸盘手,适应范围相当有限。为了降低成本,通用夹持器由两个相对运动的部件制成,以便最简单地实现夹持和释放功能。
这种方法结构简单,成本低,能抓取一定形状的物体,但不能适应更多形状的物体,适应性不高。在分析国内外自适应机器人手爪研究成果及其特点和不足的基础上,认为增加手爪的适应性是一个突出的问题。机器人手爪的未来发展趋势:手爪小型化、轻量化,而抓取重量大大增加;提高了自适应抓取不同形状和大小物体的能力,抓取稳定,成功率高;可同时抓取多个物体,适应性好;结构简单,成本低;易于控制,抓取过程中检测物体的形状和大小,控制抓取方案的难度较小。