哈爾濱工業(yè)大學(xué)(中國(guó))研究團(tuán)隊(duì)于2022年10月14日在期刊《機(jī)械工程前沿》上發(fā)表了他們的研究成果。幾十年來(lái)，研究人員一直致力于設(shè)計(jì)機(jī)械手來(lái)模仿人類(lèi)雙手的靈巧性，并掌握和操縱物體。然而，這些早期的機(jī)械手無(wú)法承受非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中可能出現(xiàn)的物理沖擊。一個(gè)研究小組現(xiàn)在開(kāi)發(fā)了一種用于靈巧手的緊湊型機(jī)器人手指，它也可以承受工作環(huán)境中的物理沖擊。
機(jī)器人通常在不可預(yù)測(cè)的、有時(shí)不安全的環(huán)境中工作。當(dāng)多指機(jī)械手需要在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中工作時(shí)，物理碰撞是不可避免的，例如障礙物快速移動(dòng)的環(huán)境或者機(jī)器人需要與人類(lèi)或其他機(jī)器人進(jìn)行交互的環(huán)境。
這些撞擊產(chǎn)生的能量會(huì)損壞機(jī)械手的硬件系統(tǒng)。目前，靈巧手是剛性的，因此容易受到物理沖擊和碰撞而損壞。需要能夠承受物理沖擊的強(qiáng)壯靈巧的手的機(jī)器人。研究小組致力于創(chuàng)造一種機(jī)器人手指，它可以模仿人類(lèi)手指的靈巧性以及吸收和承受物理沖擊的能力。
“這將使靈巧手具有更好的機(jī)械魯棒性，從而解決由剛性驅(qū)動(dòng)的靈巧手在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中容易受到物理碰撞損壞的問(wèn)題，”中國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授劉儀偉說(shuō)。
當(dāng)前與機(jī)器人相關(guān)的技術(shù)使用可變剛度致動(dòng)器系統(tǒng)。這些系統(tǒng)旨在使機(jī)器人手的靈巧成為可能。在人體中，肌肉的自然硬度和柔韌性隨著手頭的任務(wù)而變化。變剛度驅(qū)動(dòng)器根據(jù)要執(zhí)行的任務(wù)給機(jī)器人手帶來(lái)類(lèi)似于人的靈活性和剛度調(diào)節(jié)。
可變剛度致動(dòng)器由兩個(gè)致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。這意味著機(jī)械手系統(tǒng)必須有兩套減速器、驅(qū)動(dòng)裝置和傳感器。因?yàn)樽儎偠戎聞?dòng)器的復(fù)雜性、重量和體積已經(jīng)增加，所以它不能用作制造緊湊靈巧手的解決方案。
為了克服這些挑戰(zhàn)，研究小組開(kāi)發(fā)了一種對(duì)抗性可變剛度手指機(jī)構(gòu)?；邶X輪傳動(dòng)，這種手指比目前的索驅(qū)動(dòng)靈巧手更可靠，更容易制造和維護(hù)。機(jī)械堅(jiān)固手指基于機(jī)械被動(dòng)順從的概念，其中機(jī)器人操作器和剛性環(huán)境之間的接觸力是受控的。
手指可以吸收物理沖擊，同時(shí)具有調(diào)節(jié)剛度的能力，具體取決于任務(wù)的要求。這種指狀機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于，它提供了可調(diào)節(jié)的剛度功能和非常緊湊的結(jié)構(gòu)，而沒(méi)有額外致動(dòng)器的重量和復(fù)雜性。
該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的手指原型重480克，由合金材料和3D打印材料制成。該小組對(duì)手指進(jìn)行了一系列抓握和操作測(cè)試。他們用各種不同大小的典型物體——圓柱形物體、矩形物體和球形物體3354來(lái)測(cè)試手指的抓取能力。事實(shí)證明，他們的手指機(jī)構(gòu)在承受物理沖擊方面很強(qiáng)，同時(shí)，他們?cè)诹α?、抓握和操縱方面都很出色。
展望未來(lái)的研究，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃增加手指的剛度調(diào)節(jié)范圍，同時(shí)試圖使其尺寸和重量更加緊湊。最終目標(biāo)是設(shè)計(jì)制造一只完整靈巧的手?！斑@項(xiàng)研究對(duì)于提高靈巧手在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境或物理交互任務(wù)中的操作水平具有重要意義，”劉教授說(shuō)。
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