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[其他] 一只机械手是如何被创造出来的?

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我念七年 发表于 2016-9-30 14:27:07
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作为一个做过机械手设计项目的孩纸,真的只想说,人体真的是极其奇妙的构造,你看我现在手指在飞快地敲着键盘打着字,我的大脑几乎不用经过任何思考哟~
机械手一般可以分成两大类,Actuated Hand 和 Under-actuated Hand,即为全驱动机械手和欠驱动机械手,现在业界比较流行的是欠驱动机械手,欠驱动的定义很简单:驱动器的数量小于驱动关节的数量,自然啦,全驱动的定义即为驱动器的数量等于驱动关节的数量。
欠驱动的优点在于,成本低(驱动器少)能够很好地去适应所抓物体的形状,控制起来精简,缺点在于机械结构设计难度较大,很容易造成“Fail Back Phenomenon” 也就是不稳定,容易抓东西抓不着,而自己的手指握在一起,就类似于我们去抓很滑的冰块的感觉。全驱动感觉现在不是很流行,因为驱动器实在太多,太恐怖了,给你们上一张全驱动机械手的图片,哈哈哈:
  
一只机械手是如何被创造出来的?-1 (设计项目,项目经验,机械手,驱动器,电源线)

后面那一大坨都是电机,各种电源线信号线之类的,所以不多说,太过冗杂,业界机械手的话,还是大多采用欠驱动。
想要设计一个机械手,从我的项目经验来看,你需要 Follow 以下几点:
第一:确定驱动器数量以及传动方式
一般机械手都是电机驱动,可以是一个电机也可以是多个,一个电机的机械手只能控制 5 个手指的张开和闭合,因为是欠驱动的缘故,能够较好地自适应物体的外形。
传动方式有很多,现在比较流行的是 Tendon 驱动,也有不少是连杆,齿轮之类的...
第二:驱动器选型
就拿电机驱动为例,机械手有一个很重要的指标就是每个 Phalanges 的 Contact Force,你需要根据你需要的接触力大小去反推电机的输出力矩,确定电机型号。在计算接触力的时候,你根据手指的几何参数去确定传递矩阵和雅克比矩阵,欠驱动这块计算比较复杂。计算可以参考 Lionel Birglen 的 Under-actuated Robotic Hands 这本书。
第三:传感器选型
你需要很好地控制这个机械手,你当然要知道手指的反馈信息。我们组里的机械手采用的是 2 类传感器,一类是装在指尖指腹的 Touch Senor,一类是装在电机输出端的 Absolute Angle Sensor 。
第四:柔性关节设计
就像人手一样,掰一掰手指还是挺有韧性的,设计机械手也一样,不可能稍微碰撞一下手指就断掉了 T T。柔性这块也是需要花心思去设计的。
下面是实验室现有的 Softhand 的设计图,看设计图更为清楚:

一只机械手是如何被创造出来的?-2 (设计项目,项目经验,机械手,驱动器,电源线)

这款 Softhand 的柔性很棒,Tendon 驱动,电机只有一个,因此只能做一些简单的抓取动作。因为电机只有一个的缘故,所以整个手比较萎,不够 Powerful,而且不具备很好的灵活性,因为单电机的原因嘛。因此才诞生了本人的新项目,因为项目还在过程中,所以就不贴图片了,项目的目的是设计一款 Powerful and Flexible 的欠驱动的机械手。
机械手的设计和控制都较为复杂,很多的东西需要考虑,因此很多机器人上面只是安装了简单的夹持器,比如说今天出来的 Atlas2,单单依靠一块平板去夹持东西。但是机器人在未来,要想真正走进人类的生活,依然必须需要一双“灵巧”的手~
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乐巧 发表于 2016-10-1 18:14:24
人气少的帖子,火了我是前排,沉了也是我弄沉得,顺便还能求个粉之类的,稳赚不亏
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我要鸡蛋 发表于 2016-10-7 23:14:11
小时候的梦想并不是要当什么科学家,幻想自己是地主家的少爷,家有良田千顷,终日不学无术,没事领着一群狗奴才上街去调戏一下良家少女……
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