灵巧手

篇一：灵巧手

北航机器人研究所研发出三指灵巧手

2007-09-04 18:24:44 来源: 机器人研究所 网友评论 0 条 进入论坛 ? 灵巧手按手指运动传递方式可分为两类：刚性传动和柔性传动。按手指相对于

手掌的分布，有拟人手和非拟人手之分。

北京航空航天大学机器人所1987年以来先后研制开发出BH-1、BH-2和BH-3型3指9自由度灵巧手。该灵巧手为拟人型4指16自由度手，采用模块化设计，传动元件全部由齿轮副组成，电机完全置于手指中，传动路线短，结构简单、紧凑……

相关背景

灵巧手按手指运动传递方式可分为两类：刚性传动和柔性传动。按手指相对于手掌的分布，有拟人手和非拟人手之分。

起源于假肢系列研究的拟人手一般自由度较少，手指传动多采用连杆机构。这类手以Belgrade/USC手为代表。该手由最初的单自由度过渡为4自由度，然后又发展到6自由度和8自由度。手指自由度与人手指接近或相同的灵巧手多采用钢丝绳传动。在这类灵巧手中，典型的非拟人手有早期的Stanford/JPL手，以及后来的AIST-MITI手、Karlsruhe手和UB手等。典型的拟人手有先期出现的Utah/MIT手和近年出现的JPL手、Toshiba手和DLR手等。少数灵巧手样机采用齿形带传动或直接驱动方式。

对世界各国近年来灵巧手的研究成果进行收集整理，可以看出灵巧手自由度的增长趋势，尤其是九十年代后期，4指16自由度灵巧手是研究的主流。

灵巧手设计是样机系统研制的一个重要方面，其难点是解决自由度与驱动、传感以及外型尺寸等多因素之间的矛盾。BH-4型灵巧手为拟人型4指16自由度手，其自由度接近人手。本文主要解决该灵巧手的机械设计问题，主要内容包括：设计指标确定、系统概念设计、驱动和传动设计、手指结构设计和设计指标验证。

系统方案

灵巧手机械系统设计遵循灵活、开放、可靠的原则。为了可重组，将灵巧手划分为手指、手掌和机械接口三个模块。手指的主要功能是执行灵巧操作，其运动学结构应类似人的手指。手掌主要决定手指的相对位置分布，改变手掌的设计可以获得拟人或非拟人手。BH-4型灵巧手为左图方案。机械接口用于确定手与臂的连接，改变机械接口可以使灵巧手适应不同的机械臂。

手指设计为4个自由度结构，其关节由包括直流伺服电机、行星减速器和光码盘在内的电机单元驱动。光码盘用于测量电机轴相对转角，关节轴绝对转角由电位计测量。考虑下一步研究的需要，手指指端设计成能方便地接入力传感器。

主要应用

主要用于灵巧操作研究及为相关技术开发与应用提供有效的实验平台。灵巧手可以在计算机的控制下用手指灵巧地弹奏简单的乐曲；研究人员佩带具有多个传感器的数据手套后，可以通过数据手套中手指的动作，利用计算机网络通讯，对灵巧手进行距离控制操作，比如远距离遥控机器人灵巧手抓物、倒水等等。

经过多实验证明，该系统精度高、易操作、可靠性好

美科学家最新研制一款“搓澡工”机器人

据美国物理学组织网站报道，美国乔治亚州科技学院最新研制一款机器人“科迪(Cody)”，现已实验测试它能够通过擦拭动作清洁人们的手臂和大腿。这款机器人未来有可能成为新一代职业“搓澡工”。

美国乔治亚州科技学院最新研制一款机器人“科迪(Cody)”，现已实验测试它能够通过擦拭动作清洁人们的手臂和大腿。这款机器人未来有可能成为新一代职业“搓澡工”。

机器人科迪是由乔治亚州卫生护理机器人实验室首席调查员查尔斯-肯普(Charles Kemp)博士带领的研究小组设计的，科迪具有弯曲的手臂，可套上一个特殊的“洗浴手套”。通过相机和激光测距仪选择需要清洁的皮肤区域，之后机器人科迪使用泡沫洗浴手套对皮肤进行清洁，它挥动手臂，动作十分轻柔。据悉，该机器人的手臂关节遭受意外碰撞时会降低硬度，使手臂关节变得温和轻柔，同时，经编程后的机器人从来不会施加压力，导致

对方受伤。此外，该款机器人设计还添加了一项安全措施，机器人身体上有一个“停止”按钮，用户可以按下直接使机器人停下来。

在实验中，机器人科迪的最初接触行为不同于多数机器人和人体之间接触方式，它与人体具有更强的交互作用。目前，使用机器人对人体进行清洁是否会带给人们心理影响尚不清楚，该研究小组博士后金志鸿(Chih-Hung King)曾作为该机器人实验展示的“患者”，他表示，在进行实验时最初会感到紧张，但他对科迪的“成长”十分信任，随后便消除了紧张情绪。在整个过程中，并没有相关的不舒适感觉，他也从未感到恐惧。

研究人员称，未来科迪机器人为无行为能力患者提供洗浴服务更具优势，它能保护患者的隐私和独立性，并可能提高无行为能力患者的生活质量。

科迪机器人能接替一些护士人员的工作，他们有时在护理患者时会出现令人为难的困窘，同时，也会对患者感觉不适。今年10月份，2010年电气电子工程师协会智能机器人和系统国际会议在台北召开，此次国际大会上科迪机器人正式亮相。据悉，本年度国际会议主旨是“在下一代变迁发展中的智能机器人”，从而映射出人类-机器人交互发展的重要性，并讨论如何利用机器人帮助人类提高生活质量。

生物机器人将成为明天的人类？

工研院, 机器人

什么是生物机器人？2008年，沃维克教授宣布，他制造了世界上第一台生物脑控制的机器人：一只具有鼠脑的机器人。

所谓的鼠脑机器人，不过是个红绿色的小方盒子，在一张餐桌大小的场地上时而前进，时而折返，看起来比街头卖的电动玩具汽车还要粗糙得多，走起路来像只没头苍蝇。这个鼠脑机器人的“脑”里面，大概也只有5万～10万个从老鼠胚胎中提取出的神经元，而一只真正的老鼠有500万个神经元。因此，目前这个鼠脑机器人没有什么实际用途，但它是科

学家探索高级生物机器人的一个重要进展。

人类的明天将会是什么样?这是我们大家都很关注的话题。结合现代机器人的一些发展趋势，美国、德国、英国等国家的科学家纷纷表示，人类的终极形态将是生物机器人。

什么是生物机器人?就是由微电子和生物体组成的生物机器人，这些生物机器人具有机器人和生物体的各种优势。生物机器人可以分为两类，一类是具有人类大脑的机器人，一类是具有人类肉身的机器人。

甚至有科学家表示，未来世界中，人类和机器人的界限将逐渐消失，人类将拥有同机器人一样强壮的身体，机器人也将拥有同人类一样聪明的大脑。那时，人类也将不再为疾病和死亡而忧心。

（昆山市工业技术研究院——机器人研究领域 [url=/]/[/url]）

人工智能的研究领域

人工智能, 领域, 研究

人工智能的研究更多的是结合具体领域进行的，主要研究领域有专家系统，机器学习，模式识别，自然语言理解，自动定理证明，自动程序设计，机器人学，博弈，智能决定支持系统和人工神经网络。

人工智能是一种外向型的学科，它不但要求研究它的人懂得人工智能的知识，而且要求有比较扎实的数学基础，哲学和生物学基础，只有这样才可能让一台什么也不知道的机器模拟人的思维。

因为人工智能的研究领域十分广阔，它总的来说是面向应用的，也就说什么地方有人在工作，它就可以用在什么地方，因为人工智能的最根本目的还是要模拟人类的思维。因此我们可以从许多的应用领域中挑选几个有代表性的方面来看看人工智能的发展需要进行哪些方面的工作。

下面我们就具体的应用方面专家系统来看看人工智能的主要研究领域是什么。

专家系统是目前人工智能中最活跃，最有成效的一个研究领域，它是一种基于知识的系统，它从人类专家那里获得知识，并用来解决只有专家才能解决的困难问题。这样定义专家系统：专家系统是一种具有特定领域内大量知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术、模拟人类专家求解问题的思维过程求解领域内的各种问题，其水平可以达到甚至超

篇二：仿人灵巧手的结构设计论文

仿人灵巧手的结构设计

摘要

本文介绍了一种五指型仿人灵巧手的的机构设计与实现方法，根据对非规则物品拿取任务的要求，采用转动机构和连杆机构相结合，设计了五指型机器手。手指弯曲电机与指间平衡电机耦合驱动，实现了机器手的多角度张开、抓握运动方式。详细分析了机器手手指机构、手掌机构、手指间辅助平衡机构的工作原理，给出了设计方案，并根据总体设计要求选定了关键参数。通过虚拟样机技术验证了所设计的手指机构传动系统的正确性和自适应抓持的可行性从而为整个仿人手的设计奠定了基础。

关键词：五指型机器手 工作原理 机构设计 虚拟样机

The structure designing of humanoid dextrous hand

Abstract

This thesis introduces the design and realization of a five-finger arm—and—hand mechani calsystem．Based on the demand of fuIfilling the task of holding irregular articles，the design of this arm．and—hand system combines the rotational structure and conne~ing rod．The fingerbinding engine and the finge卜balancing engine drive in a couple，thus realizing the multi—angle opening and grabbing motion．This thesis gives a detailed analysis on the mechanism of the finger system，the palm system and the aiding finger—balancing system．A design project is also provided，with key parameters according to the general demand．Through virtual prototyping Technology designed to verify the accuracy of finger mechanism and adaptive transmission feasibility of grasping so as to lay the entire design of a humanoid hand Basis．

Keywords：five~nger arm—and—hand mechanical system；basic theory；mechanism

目录

1.引言 ........................................................................................................................... 1

1.1 研究的背景及其意义 ..................................................................................... 2

1.2 国内外研究状况 ............................................................................................. 2

1.3 关键技术 ......................................................................................................... 4

1.3.1 小而强的驱动 ...................................................................................... 4

1.3.2 丰富的感觉 ...................................................................................... 5

1.3.3 聪明的大脑 ...................................................................................... 6

2.仿人灵巧手手指机构的传动方案设计 ......................................................... 8

2.1手指关节的传动方案设计 .............................................................................. 8

2.2 仿人灵巧手的整体结构设计 ......................................................................... 9

3.手指与手掌结构的设计与制作 ..................................................................... 10

3.1 手指关节的设计与制作 ............................................................................... 10

3.2 手指关节间连接机构的设计 ....................................................................... 12

3.3 手掌的结构设计与制作 ............................................................................... 13

3.4 手指基关节的机构设计与制作 ................................................................... 14

4.仿人灵巧手运动学模型 ................................................................................... 15

4.1 灵巧手坐标系的建立 ................................................................................... 15

4.2 灵巧手正运动学解 ....................................................................................... 16

4.3 仿人灵巧手动力学模型 ............................................................................... 18

5.手指的虚拟样机建立与运动抓持仿真 ....................................................... 20

6.驱动系统的设计 ................................................................................................. 23

6.1电机的选用 .................................................................................................... 23

6.2控制系统的选择 ............................................................................................ 24

1.引言

自从40多年前，第一台计算机控制的机械臂出现之日起，人类将机器人概念延伸到了一个新的领域：机器人。在制造领域，可以看到众多机械臂在替代人们执行各种操作任务。如喷漆、焊接、搬运、装配等。然而，还有许多操作任务单靠机械臂的运动无法完成，例如在太空、水下、核辐射等环境下的实验、维护、排险等复杂任务。于是像人手一样的机器手成为期待的目标。然而，人类能否创造出如此灵巧的机器手呢？在机器人技术领域，研究人员一直在探索解答这一问题的技术途径。经过十几年的研究，世界一些大学和研究机构已经开发出多种机器人灵巧手样机。它们日益显示出在危险和有害环境下代替人类执行复杂操作任务的可能性。

仿人形机器人所要完成的许多工作最终是要通过仿人手来实现的,如何设计仿生机器手机构，保证各种基本运动方式又便于驱动器的布置，并且机构简单成本低，成为设计与实现的关键。国外如Okada 手Belgrade/USC 手Stanford/JPL 手UTAH/MIT 手DLR 手等[1, 2] 国内如北航机器人研究所研制的BH 系列灵巧手[3, 4]等这些灵巧手以多自由度和具有的灵活性而被用于复杂的灵巧的操作中。而用于仿人形机器人上的仿人手的主要设计要求为少自由度(总的自由度不超过3) 抓持可靠控制简单重量轻从这些设计要求中可以看出多自由度的灵巧手则不适合用来作为要求只进行力度抓持的少自由度的仿人手。

本文构建了一个具有抓握任意形状的机器手，给出了该机器手关键机构的设计工作原理分析，把机器手的旋转动作机构和连杆运动机构很好地结合起来，在拿取规则物体时可以正常运动，当遇到非规则物品需要复杂运动时，机器手可以多方向复杂运动，扩大了机器手的应用场合，避免了复杂的动力学方程分析。

篇三：灵巧机械手的机械系统和控制系统

灵巧机械手的机械系统和控制系统

摘要: 最近，全球内带有多指夹子或手的机器人系统已经发展起来了，多种方法应用其上，有拟人化的和非拟人化的。不仅调查了这些系统的机械结构,而且还包括其必要的控制系统。如同人手一样，这些机械人系统可以用它们的手去抓不同的物体，而不用改换夹子。这些机械手具备特殊的运动能力（比如小质量和小惯性），这使被抓物体在机械手的工作范围内做更复杂、更精确的操作变得可能。这些复杂的操作被抓物体绕任意角度和轴旋转。本文概述了这种机械手的一般设计方法，同时给出了此类机械手的一个示例，如卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ。本文末介绍了一些新的构想，如利用液体驱动器为类人型机器人设计一个全新的机械手。 关键词：多指机械手；机器人手；精操作；机械系统；控制系统

4. 控制系统

机器人手的控制系统决定哪些潜在的灵巧技能能够被实际利用，这些技能都是由机械系统所提供的。如前所述，控制系统可分为控制计算机即硬件和控制算法即软件。

控制系统必须满足以下几个的条件：

1. 必须要有足够的输入输出端口。例如，一具有9个自由度的低级手，其驱动器至少需要9路模拟输出端口，且要有9路从角度编码器的输入端口。如再加上每个手指上的力传感器、触觉传感器及物体状态传感器的话，则端口数量将增加号几倍。

2. 需具备对外部事件快速实时反应的能力。例如，当检测到物体滑落时，能立即采取相应的措施。

3. 需具备较高的计算能力以应对一些不同的任务。如可以对多指及物体并行执行路径规划、坐标转换及闭环控制等任务。

4. 控制系统的体积要小，以便能够将其直接集成到操作系统当中。

5. 在控制系统与驱动器及传感器之间必须要电气短接。特别是对传感器来说，若没有的话，很多的干扰信号将会干扰传感器信号。

4.1 控制硬件

为了应对系统的要求，控制硬件一般分布在几个专门的处理器中。如可通过

一个简单的微控制器处理很低端的输入输出接口（马达和传感器），因此控制器尺寸很小，能轻易地集成到操纵系统中。但是较高水平的控制端口则需要较高的计算能力，且需要一个灵活实时操作系统的支持。这可以通过PC机轻易地解决。

因此，控制硬件常由一个非均匀的分布式计算机系统组成，它的一端是微控制器，而另一端则是一个功能强大的处理器。不同的计算单元则通过一个通信系统连接起来，比如总线系统。

4.2 控制软件

机器人手的控制软件是相当复杂的。必须对要对手指进行实时及平行控制，同时还要计划手指和物体的新的轨迹。因此，为了减少问题的复杂性，就有必要将此问题分成几个子问题来处理。

另一方面涉及软件的开发。机器人手其实是一个研究项目，它的编程环境如用户界面，编程工具和调试设施都必须十分强大和灵活。这些只能使用一个标准的操作系统才能得到满足。在机械人中普遍使用的分层控制系统方法都经过了修剪，以满足机械手的特殊控制要求。

4.3卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ的控制系统

如在4.1节中所说，对于卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ的控制硬件，采用了一种分布式方法（图7所示）。一个微控制器分别控制一个手指的驱动器和传感器，另外一个微控制器用于控制物体状态传感器（激光三角传感器）。这些微控制器（图7左侧和右侧的外箱）直接安装在手上，所以可以保证和驱动器及传感器之间较短的电气连接。这些微控制器都是使用串行总线系统和主控计算机连在一起的。这个主控计算机（图7、图8中的灰色方块）是由六台工业计算机组成的一个并行计算机。这些电脑都被排列在一个二维平面。相邻电脑模块（一台电脑最多有8个相邻模块）使用双端口RAM进行快速通信（图7中暗灰色方块所示）。一台电脑用于控制一个手指。另一台用于控制物体状态传感器及计算物体之间的位置。其余的电脑被安在前面提到的电脑的周围。这些电脑用于协调整个控制系统。控制软件的结构反映了控制硬件的架构。如图9所示。

图7. KDH II的控制硬件构架 图8.控制KDH II的平行主计算机 一个关于此手控制系统的三个最高层次的网上计划正在规划。理想的物体位移命令可由优越的机器人控制系统得到，并可用作物体路径的精确规划。根据已产生的目标路径就可规划可行的抓取行为（手指作用在物体上的可行抓取位置点）。现在知道了物体的运动计划，就可以由手指路径规划得出每个手指的运动轨迹，并传递给系统的实时能力部分。如果一个物体被抓取了，那么其手指的运动路径就传递给了物体的状态控制器。这个控制器控制物体的姿态，它由手指和物体状态传感器所决定，用以获得所需的物体姿态。如果一个手指没有跟物体接触，那么它的移动路径将会直接传递给手控制器。这个手控制器将相关的预期手指位置传递给所有的手指控制器，以协调所有手指的运动。这些在手指传感器的帮助下又反过来驱动手指驱动器。

图9. KDHⅡ的手部控制系统

5. 实验结果

为了验证卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ的能力，我们选择了两个要求操作问题。一个问题是在网上对处于外部影响下的被抓物体姿态（位置和方向）的控制。另一个问题是被抓物体必须能够绕任意角度旋转，这只能通过重抓才能实现。这可以反映卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ对复杂任务的操作能力。

5.1 物体姿态控制

这个物体姿态控制器的目的是为了确定好被抓物体的位置和方向以适合给

定的轨迹。此任务必须在实时条件通过在线获得，尽管有内部变化及外部干扰的存在。内部变化比如在物体移动过程中，球形指尖在被抓物体上的滚动。这种状况如图10、图11所示。这将导致物体的不必要的额外移动和倾斜。这些错误的物体姿势很难预先估计。因此，物体状态传感器的输入必须要修改这些错误。对于卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ来说，其上的三个激光三角传感器就是用来纠正此种错误的。图12定量地说明了图9中物体在没有姿态控制情况下的倾斜情况。下图显示了在X方向上随时间推移的预期轨迹，而上图显示了物体实际的旋转（倾斜）结果情况。因为启用了物体状态控制，图13中的物体倾斜得到了很大的减少。上图物体的旋转保持基本恒定，这和期望的一样。

图10.因滚动产生的额外位移 图12.没有状态控制的物体倾斜

图11.因球形指尖在物体上的滚动而产生 图13.物体状态控制下减少的物体 额外的不期望倾斜情况 倾斜情况

物体状态控制器对补偿外界干扰也是十分必要的。比如，机器人（手臂、手或手指）或被抓物体与外界的碰撞可能导致物体的滑落。这更有可能导致被抓物

体的损耗，这是不能出现的情况。为了能够避免物体在这种情况下的损失，就必须检测出物体的滑落并迅速采取行动以稳定物体的状态。

为了验证卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ控制系统对这种干扰情况的处理能力，我们做了以下的实验：物件被抓后，将手指的接触力恒定减少直至物体开始滑落。在激光三角传感器检测滑落后，物体状态控制器采取措施将物体重新调控到所期望的位置。图14和图15展示了此种实验的一个例子。尤其是图14，它显示出物体滑落启动的相当突然且相当快。但是物体状态控制器也能够足够快地检测和补偿滑落，这样物体的位置（这里：特别是X方向，就是滑落的方向）和物体的方向能够与最开始的期望值很快地相符。

图14.滑落实验：X方向的实际物体 图15.滑落实验：关于Z轴的实际 位置 物体方向

5.2 重抓

虽然卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ非常的灵活，但是它不能在第一次操作中就能得到每一个理想的对象操纵。这源于这样一个事实：手指相对于正常的工业机器人来说是十分小的，因此所具备的工作范围也是很有限的。如果物体被手指抓住，那么它第一次只能在所有手指的剩余空间内被操纵。可行操作的条件是所有的接触点必须长期地处在相联手指的工作范围内。这很大地限制了操作的可行性。为了能够克服此种限制，一个叫做重抓的操作就必须执行。即当一个接触点到达了相联手指的限制区域时，这个手指就必须从物体上脱离，并移到一个新的接触位置。这必须是多于3个手指的手才能使操作可靠。周期性的移动这些手指，就能使任意的操作变得可行。关于此种操作有一个例子，就是在大角度旋转被抓物体时，此时重抓动作很有必要。图16显示了卡尔斯鲁厄灵巧手Ⅱ在旋转一个螺帽状物体时的一系列图片。这个物体是绕它的垂直轴旋转的。在a到c图中所有的手指都跟物体接触，并且四个手指相互协调运动才使物体旋转。图d到图f显示了一

篇四：机器人灵巧手

学号： 系别：

机械手关节传感器的设计

摘要：考虑机器手的功能结构特性及其工作空间和安全性，设计其关

节所需的传感器，设计选取角速度传感器、线速度传感器、手

指力传感器、接近觉传感器。

关键字：机械手 传感器 角速度 线速度 手指力 接近觉

0引言：机器人的研究中，机器手是一个关键突破口，设计一个怎样的机械手，为机械手选取怎样的传感器，都是至关重要的。机械手中所涉及的传感器极多，现在就选取角速度传感器，速度传感器，手指力传感器，接近觉传感器四个大块做个简单分析。

1角速度传感器：角速度测量最简单的方法是利用机械角位移的差商作为角速度的估计值, 即用单位时间内编码器转过的角度作为当前的速度值, 其实质是用传统的位置差分法完成对角速度的测量。其数学模型为:

??(??)=[θ n ?θ n?1 ] Ts

式中: ω(n)为n 时刻的测量速度; θ( n) 为n 时刻的位置反馈信息; θ(n- 1) 为(n- 1) 时刻的位置反馈信息; Ts 为系统的采样周期, 此即为M 法测速。M 法测速是在固定的时间T 内检测位置编码器发出的脉冲信号数M, 转速n=M/ T 。根据此原理，选择计量光栅和光电探头组合角速度传感器，每周期内读取到的通光次数与分辨率的乘积就是角速度。

2线速度传感器：线速度的测量与角速度相同，在测得的角速度基础上再乘以旋转半径就得到角速度。再通过电路放大，结合相关传感器返还参数，通过控制中心分析，就能达到线速度的有效控制。

3手指力传感器：当机器手工作时，尤其是抓取物体时，需要对手指力进行监控。手指力太轻则无法抓取，力太重就会捏碎物体。而且，手指是精细结构，传感器主要性能要求是设计紧凑, 即重量轻、体积小测量精度高。根据这些设计要求, 我们利用有限元方法在软件环境下优化设计了五维力传感器的弹性体机械结构，为了实现传感器的低功耗和低漂移, 我们采用德国BLH公司生产的微型高阻阻值为左右金属应变片, 组成五个应变测量半桥, 将自行设计制作的信号调理电路内置于传感器的机械本体之中, 实现了传感器的微型化。测量信号通过电桥放大，也能达到相应精度。

4接近觉传感器: 现今的接近觉传感器主要有光电式、光纤式、电容式、电磁感应式、超声波式、微波式、红外式七大类。此处采用超声波式，利用仿生学原理制得，它主要由压电晶体构成，可以采用收发一体方式，也可以采用收发分离的方式设计。它的工作原理基于测量度越时间。由度越时间和介质中的声速即可求得目标与传感器的距离。 小结：传感器的设计与返还参数的收集分析，已在机器人研究中占到重要地位，以后，更多精细传感器的出现，将会让我们有更多选择的余地，届时，机器人的发展也将会是一日千里。

参考文献：

[1] 陈强，陶海鹏，王志明 接近觉传感器的研究现状和发展趋势

[2] 张晓辉, 高峰 新型机器人手指六维力传感器系统设计

[3] 张吉月,于 静 系列运动参数数字检测技术的研究

[4]刘桂雄,郑时雄,魏永纲 机器人光电接近觉传感技术综述

[5] 任冠佼,陈伟海,陈斌,王建华基于PSD的触须传感器及在移动

机器人中的应用[6] 孙建,杨卫超,邓小红,沈煌焕,朱旻,葛运建 ,余永 基于CAN 总

线的微型灵巧手指力传感器研究

篇五：机器人手爪与灵巧手

机器人操作系统结课论文

机器人手爪与灵巧手

姓名：熊辉

学号：M201070447

班级：机硕1006

华中科技大学

2010-12-13

摘要：

机器人手爪作为机器人与周围环境直接接触的部分，其是机器人的执行元件，已得到广泛的应用，模拟人手灵巧抓取的灵巧手也得到了很大的发展。由于机器人手爪及灵巧手的重要性，世界各国都加大了在这方面的研究力度。

关键词：机器人手爪 灵巧手 灵巧抓取

机器人手爪与灵巧手

1.概述

机器人手爪为机器人与环境相互作用的最后环节和机器人的末端执行器，一般用于完成机器人的夹持与抓取任务。机器人手爪正由简单发展到复杂，由笨拙发展到灵巧，其中的仿人灵巧手已经发展到可以与人手媲美，它能捏住一支花，握住一枚鸡蛋，抓取任意一件东西。手爪的应用环境千差万别，抓取可靠、环境适应性好、控制简单、自适应性强、自主能力高是衡量机器人手爪设计水平的重要标志。性能优良的机器人手爪可以实现可靠、快速和精确地抓取。通用手爪分为拟人和非拟人两种，其中,拟人的多指灵巧手是通用手爪的一个重要的研究方向。人类与动物相比，除了拥有理性的思维、准确的语言表达外，还拥有一双灵巧的双手。人手是经过世世代代劳动的演变进化而成，结构小巧紧凑，抓取操作灵活稳定，给人类创造了巨大的财富。让机器人也拥有一双灵巧的手成了许多科研人员的梦想。多指灵巧手最早的研究是为失去手臂的人安装假肢。之后，随着机器人技术的飞速发展，一些研究者试图研制出更加精巧的灵巧手，于是研究的方法和手段层出不穷，主要包含四个方面：人手基本生理结构的研究；手爪模拟人手的结构和功能；手爪感知系统的研究；手爪控制方法的研究，取得了一些有重要的研究成果，相继有一批著名的多关节多指灵巧手问世。

机器人手爪及灵巧手广泛用于社会的各个方面，已不再局限于传统的搬运、焊接及大批量作业的工业机器人。其应用范围已经拓展到了危险环境作业、海洋资源探测、核能利用、军事侦察以及空间探测的各种空间机器人上。 由于机器人手爪的重要性，美国、德国、日本、俄罗斯等机器人研究强国研制成功了多种通用和专用的机器人手爪，手爪的灵活性和可靠性得到很大的提高，加上先进的感知系统，具备一定的自主能力，为机器人的灵活抓取和操作奠定了坚实的基础。1974年，日本成功研制了Okada多指灵巧手。Okada手爪是第一个真正意义上的多指灵巧手。该手具有三个手指，有一个手掌，拇指有3个自由度，另两个手指各有4个自由度。美国麻省理工学院和犹他大学于1980年联合研制成功了Utah/MIT手爪。手爪采模块化结构设计，

手指的配置方式类似于人手，有四个手指: 拇指、食指、中指和无名指，四个指结构完全相同，每个手指有4个自由度。我国的机器人的研究开始于70年代，起步较晚，手爪研究也相对落后。从80年代至今，在国家863计划和国家自然基金的大力支持下，机器人的研究被列入重点发展的主题，得到大力的发展，手爪的研究也步入了一个良好的发展时期。

2.机器人手爪与灵巧手的组成

按照功能划分，机器人手爪和灵巧手可以划分为由传动及驱动系统、智能感知系统、抓取控制和决策系统等功能块组成。

2.1 传动及驱动系统

机器人手爪及灵巧手传动和驱动系统为手爪和灵巧手提供动力和传递动力，以便手爪抓取物体及完成一系列复杂的操作。常用的有三种传动方式及两种驱动方法[1]。

2.1.1 腱传动方式

这一类是由腱（钢丝绳、绳索等）加上滑轮或者软管实现传动，其特点是：腱一般具有很高的抗拉强度和很轻的重量，容易实现多自由度和远距离动力传输，节省空间和成本，是一种零回差的柔顺传动方式。但是，腱本身的刚度有限，影响位置精度；控制时需要一定的预紧力，容易产生摩擦；腱的布局容易产生力矩和运动的耦合。这些因素都增加了手爪抓取控制的难度和复杂性。

2.1.2 连杆传动方式

除了腱传动以外，另外一类是采用连杆的传动方式。其特点是采用平面连杆机构传动，优点是刚度好、出力大、负载能力强、加工制造容易、易获得较高的精度，构件之间的接触可以依靠几何封闭来实现，能够较好实现多种运动规律和运动的轨迹的要求，但是设计复杂。

2.1.3 其他传动方式

手爪驱动器通过螺纹将旋转变成直线运动，拉动驱动器和手指之间的弹簧来驱动手指产生动作，手指部分采用杠杆连接，各个手指动作相互独立，具有多种的抓取构形，和别的多指灵巧手相比，驱动更加灵活，但是手指的闭合时间较长，手指的结构比较复杂，容易出现故障。

2.1.4 人工肌肉的驱动方法

液压驱动和气动的驱动方式是近年来兴起的一种重要的驱动方式，是模拟人肌肉的一种驱动方式，由于材料和技术的限制，这些“人工肌肉”技术还远远不能满足机器人手爪实现可靠、快速和精确地抓取功能。

2.1.5 形状记忆合金驱动方法

除液压和气动驱动的手爪外，还有一种是形状记忆合金驱动方式的手爪。有四个手指，每个手指需要12个驱动器。特点是负载能力强，但存在疲劳和寿命问题，手指反应速度也不高。

2.2 智能感知系统

根据人类抓取物体过程的模型, 机器人抓取物体的整个过程可分为3 个阶段:逼近阶段、预抓取阶段和操作阶段。在逼近阶段, 机器人根据物体的外在特性, 如空间姿态, 引导多指手逼近物体; 在预抓取阶段, 运用视觉系统获得物体的形状, 大小等特性, 来决定采取何种手势抓取物体;在操作阶段, 也就是在手指接触物体后, 通过触觉等其它感知信息形成闭环回路来调整抓取力的大小。在三个阶段中都需要大量的传感器为手爪的抓取提供信息[2]。以下为机器人手爪抓取分析图。

图2-1 机器人手爪抓取分析图

传感器是空间机器人手爪获取内部和外部环境信息的主要手段，丰富的感知是提高机器人作业水平和自主能力的必要条件。研究内容包括传感器的选择与配置，新型传感器设计，多传感器集成和信息融合。手爪上配置的传感器包括力觉和视觉传感器，此外还有接近觉传感器，距离传感器等。视觉和力觉是空间机器人手爪最重要的信息。一般手爪将手眼系统集成在一起，并且具有丰富的力传感器信息，通过视觉信息，可以得到手爪的全局的状态，并且根据信号处理和数据融合的结果判断手爪各个部分的当前运行状态和可靠抓取。在机器人自主抓取的研究中，大多进行基于视觉的控制。

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