機(jī)械手是安裝在機(jī)器人末端的執(zhí)行器，從操作對象來分類機(jī)械手可分為簡單機(jī)械手和靈巧機(jī)械手。

簡單機(jī)械手通常自由度少，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)場景中的工件夾取任務(wù)。而靈巧機(jī)械手具有多自由度，集成了更豐富的傳感器，可適用于更多復(fù)雜形狀物體的抓取和操作任務(wù)。

但是，傳統(tǒng)的靈巧機(jī)械手在空間運(yùn)動時(shí)，會遇到運(yùn)動冗余以及奇異問題。為了使得機(jī)械手在空間能夠產(chǎn)生多自由度的運(yùn)動的同時(shí)避免奇異點(diǎn)，近日，哈佛大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)博士生康納·麥肯(Connor M. McCann)等人提出一種新型的六自由度靈巧機(jī)械手，并進(jìn)行了相關(guān)的抓取實(shí)驗(yàn)測試，讓機(jī)械手可輕松實(shí)現(xiàn)抓取積木塞入木盒中等操作。

相關(guān)研究論文發(fā)表于機(jī)器人期刊IEEE Robotics & Automation Magazine上，題目為《基于 Stewart-Gough 平臺的高度靈巧、六自由度機(jī)械手》(The Stewart Hand: A Highly Dexterous, Six-Degrees-of-Freedom Manipulator Based on the Stewart-Gough Platform)。

早在1955年，工程師高夫( Gough)等人就提出了六自由度Gough-Stewart平臺，并將其首次應(yīng)用在輪胎檢測系統(tǒng)。而在1965年，英國學(xué)者 D. 斯圖爾特(D. Stewart)基于這種結(jié)構(gòu)，在 SAGE Journals 出版社旗下的 Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers 期刊上發(fā)表了論文《六自由度平臺》(A Platform with Six Degrees of Freedom)。

圖 | 機(jī)械手抓取不同形狀的物體以插入盒子 (來源：IEEE Robotics & Automation Magazine)

同時(shí)為了紀(jì)念高夫?qū)Υ似脚_的貢獻(xiàn)，現(xiàn)在一般稱這種平臺為 Gough-Stewart 平臺。Gough-Stewart 并聯(lián)平臺相比于串聯(lián)平臺，擁有高精度、大剛度、高承載能力、運(yùn)動慣性小、動態(tài)特性好等特點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用于各種定位平臺、并聯(lián)機(jī)床、隔振平臺、工業(yè)機(jī)器人、以及醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。

而不同用途的 Stewart-Gough 平臺構(gòu)型設(shè)計(jì)也不同，作為隔振平臺時(shí)，一般會選擇3-3結(jié)構(gòu)形式(上下各三個(gè)連接支點(diǎn))，該結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)是各支路之間正交，有利于運(yùn)動解耦、以及對機(jī)械手的控制。

構(gòu)型設(shè)計(jì)

在本次研究中，哈佛大學(xué)的康納·麥肯(Connor M. McCann)等人基于 Gough-Stewart 3-3構(gòu)型研究出了機(jī)械手，該機(jī)構(gòu)由三個(gè)連桿手指和六個(gè)驅(qū)動器組成。每個(gè)手指由一個(gè)平面連桿，一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(轉(zhuǎn)動副)和一個(gè)球形關(guān)節(jié)(球面低副)組成。

為了避免產(chǎn)生冗余的約束，該機(jī)構(gòu)還搭配了浮動滑輪差速器，差速器將這三個(gè)關(guān)節(jié)連接到旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器上。當(dāng)要抓取物體時(shí)，只需要控制旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的扭矩值就可實(shí)現(xiàn)。因此，機(jī)械手的所有操作都是基于六個(gè)驅(qū)動器的運(yùn)動。

為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，該團(tuán)隊(duì)安裝了電位計(jì)傳感器用于測量機(jī)械手指根部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角度，以判斷所抓取物體的形狀和大小，從而可以通過向驅(qū)動器發(fā)出位置指令來執(zhí)行抓取操作，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

動圖 | 機(jī)械手控制小球從迷宮入口滾動到出口(來源：IEEE Robotics & Automation Magazine)

構(gòu)型優(yōu)化

為此 Gough-Stewart 平臺的結(jié)構(gòu)形式直接影響到機(jī)械手的工作空間、運(yùn)動性能以及靜態(tài)特性等。研究人員對機(jī)械手的手掌半徑值、球形關(guān)節(jié)法向偏移量、手掌平面中測量的手指基角值、和驅(qū)動器行程4個(gè)變量進(jìn)行了尋優(yōu)參數(shù)組合設(shè)計(jì)，最終確定了最優(yōu)的參數(shù)組合，并且在仿真實(shí)驗(yàn)中獲取了機(jī)械手運(yùn)動空間包絡(luò)圖。

圖 | 機(jī)械手的運(yùn)動空間(來源：IEEE Robotics & Automation Magazine)

拿捏實(shí)驗(yàn)

在完成優(yōu)化設(shè)計(jì)后，為了測試機(jī)械手的性能，研究人員對其進(jìn)行了抓取實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)中，機(jī)器人抓取規(guī)劃的目標(biāo)是在機(jī)器人手和待抓取物體的構(gòu)型空間中尋找合適的接觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的抓取操作，而選擇不同的抓取對象有利于評估不同的尺寸和形狀對于機(jī)械手的抓取效果。

圖 | (a)機(jī)械手抓取的目標(biāo)對象;(b)機(jī)械手在抓取不同對象時(shí)的運(yùn)動范圍(來源：IEEE Robotics & Automation Magazine)

在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，研究人員傾斜放置立方體盒子以增加操作任務(wù)的復(fù)雜性，盒子中的孔相對于相應(yīng)的形狀塊間隙很小，因此需要在插入木塊之前將木塊和孔進(jìn)行精確對齊。

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員需要根據(jù)機(jī)械手的運(yùn)動姿態(tài)來控制機(jī)械手抓取木塊，人為地控制木塊定位在立方體盒子上方，從而操作機(jī)械手將四種形狀的木塊插入到各自形狀的孔中，進(jìn)一步說明了此類型的機(jī)械手可以抓取多種形狀不規(guī)則物體。

此外，研究人員還進(jìn)行了小球迷宮玩具實(shí)驗(yàn)，通過操控機(jī)械手來調(diào)整迷宮的空間姿態(tài)，從而讓小球從迷宮入口到達(dá)出口。

動圖 | 機(jī)械手抓取不同物體(來源：IEEE Robotics & Automation Magazine)

概括來說，由于其具有高分辨力、大剛度和很強(qiáng)的穩(wěn)定性，基于這種構(gòu)型的機(jī)械手有望用于醫(yī)療設(shè)備，同時(shí)有助于將并聯(lián)機(jī)構(gòu)應(yīng)用在機(jī)械手的設(shè)計(jì)。對比于傳統(tǒng)的昂貴的工廠機(jī)械臂，這種類型的機(jī)械手可以執(zhí)行更靈巧的任務(wù)。

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關(guān)鍵詞： 新型的 六自由度 靈巧 機(jī)械手