機(jī)械手設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)——設(shè)計(jì)領(lǐng)域上的高峰

時(shí)間：2023-03-13作者：深圳市楚林機(jī)電設(shè)備有限公司瀏覽：92

機(jī)械手——作為機(jī)器人的末端執(zhí)行器(End-Effector)，在上身操作和抓取任務(wù)過(guò)程中起到至關(guān)重要的作用。但由于真實(shí)人手的高自由度、結(jié)構(gòu)緊湊、復(fù)雜等特征，絕大多數(shù)機(jī)械手都無(wú)法“復(fù)制”人手的功能，其設(shè)計(jì)和功能都是在某些特定場(chǎng)合和功能要求下的簡(jiǎn)化和權(quán)衡。







1. 高自由度的靈巧性：

我們首先拋開(kāi)主動(dòng)控制（Active Control）和被動(dòng)適應(yīng)(Passive Compliance)這兩種類型的自由度不談，也拋開(kāi)全驅(qū)動(dòng)（Fully-actuated）和欠驅(qū)動(dòng)（Under-actuated）這兩種自由度的驅(qū)動(dòng)方式不談，我們先來(lái)粗略分析一下真實(shí)人手的自由度(Degree of Freedom)。




如果我們定義每根手指閉合屈曲(Flexion)的方向?yàn)镻itch，那么:

對(duì)于Pitch方向的自由度：食指-中指-無(wú)名指-小拇指-大拇指每個(gè)都有3個(gè)，所以總計(jì)為3*5=15個(gè)，如上圖分布。

對(duì)于Roll方向的自由度：食指-中指-無(wú)名指-小拇指，在每根手指的指根關(guān)節(jié)（Metac Arpophalangeal Joint）都有1個(gè)Roll，而大拇指則比較特殊，具有2個(gè)Roll，所以Rol方向l總計(jì)為4+2=6個(gè)，如上圖分布。

那么整體人手的自由度為15+6=21個(gè)。（我們這里不統(tǒng)計(jì)手腕關(guān)節(jié)帶來(lái)的6個(gè)自由度)

也許大家對(duì)21個(gè)自由度沒(méi)有明確的概念，我們可以做一個(gè)對(duì)比：一條機(jī)械人單腿是6個(gè)自由度，一條機(jī)械臂一般是7個(gè)自由度，21個(gè)自由度得需要多么復(fù)雜的設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)。

如何應(yīng)付如此高自由度的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，一般有如下兩種方向的做法：

減少驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量，帶來(lái)了如下按照驅(qū)動(dòng)方式的分類：

全驅(qū)動(dòng)機(jī)械手（Fully-Actuated Hand）：電機(jī)的數(shù)量等于所設(shè)計(jì)自由度的數(shù)量；

欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手（Under-Actuated Hand）：電機(jī)的數(shù)量小于所設(shè)計(jì)自由度的數(shù)量。

減少冗余手指的數(shù)量：功能的前提下，手指的數(shù)目由3指、4指到5指不等。

整體來(lái)說(shuō)，按照目前學(xué)術(shù)界技術(shù)發(fā)展的整體水平：

我們目前還是無(wú)法在緊湊、、與性的前提下“復(fù)制”人手高自由度的靈巧性。

2. 高抓重比的魯棒性：

抓重比（Grasping-Weight-Ratio）：指的是機(jī)械手垂直抓握物體的重量和機(jī)械手本身重量的比例，是一個(gè)比較好的衡量機(jī)械手魯棒性（Robustness）的指標(biāo)。

為什么我們這里要提和自身重量的比例？

因?yàn)楹芏鄼C(jī)械手在設(shè)計(jì)的時(shí)候，根本沒(méi)有考慮到和實(shí)際人形機(jī)器人集成（Integrated）的問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，很多全驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的重量在4-5kg左右，當(dāng)你集成在固定基座的機(jī)械臂上時(shí)，可能還看不出太大弊端，但如果是集成在雙足機(jī)器人（Biped）上，這個(gè)重量的機(jī)械手對(duì)于步行（Locomotion）和操作（Manipulation）的控制簡(jiǎn)直就是災(zāi)難——很多機(jī)械臂的末端執(zhí)行器負(fù)載都是在5kg級(jí)別，一只機(jī)械手都已經(jīng)快4-5kg，何談帶負(fù)載的抓取能力呢？

人手的抓重比：

人手的重量一般是人體體重的0.58%左右，設(shè)一個(gè)70kg的成年人，他手的質(zhì)量大約為406g。只要你是正常人，你應(yīng)該毫無(wú)問(wèn)題垂直抓握住一個(gè)5kg的啞鈴，這個(gè)情景下機(jī)械手的抓重比已經(jīng)達(dá)到12.3。而實(shí)際人類的抓握能力應(yīng)該是數(shù)倍**12.3這個(gè)數(shù)值。

機(jī)械手的抓重比:

一只能與人機(jī)器人集成的機(jī)械手，垂直抓重比能夠達(dá)到2.5以上已經(jīng)算是很好的性能了，差距可見(jiàn)一斑。（垂直抓握物體，物體的重力僅由抓取力產(chǎn)生的摩擦力平衡）




3. 全覆蓋高靈敏度的傳感性：

說(shuō)到傳感的特征，這個(gè)方面實(shí)際人手應(yīng)該甩機(jī)械手的應(yīng)用與發(fā)展幾十條街。目前當(dāng)我們談到機(jī)械手的傳感反饋的時(shí)候，我們僅僅是在談?wù)?

手指位置反饋：通過(guò)位置傳感器實(shí)現(xiàn)；

手指力反饋：一般通過(guò)觸覺(jué)傳感器或者驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流環(huán)反饋實(shí)現(xiàn)；

手指溫度反饋：通過(guò)熱敏電阻實(shí)現(xiàn)。

















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