淺談機(jī)器人的靈巧手

人類的進(jìn)化過(guò)程中，伴隨著工具的發(fā)展，對(duì)人手的靈巧精準(zhǔn)操作能力要求也越來(lái)越高，這個(gè)過(guò)程也逐漸改變和進(jìn)化了大腦結(jié)構(gòu)。而如何能讓機(jī)器人像人一樣擁有靈巧雙手，一直也是科學(xué)家們追求的目標(biāo)。

至少?gòu)氖�六世紀(jì)末開始，科學(xué)和工程界就一直在努力開發(fā)類似人手的感覺(jué)和運(yùn)動(dòng)功能的機(jī)械手，其中包括運(yùn)動(dòng)功能(抓、握、推、拉、打孔、操作等)和感覺(jué)功能(主動(dòng)和被動(dòng)地探索表面的質(zhì)地、濕度和溫度，以及振動(dòng)、壓力和力的感覺(jué)等)，并最終形成社會(huì)功能(愛(ài)撫、威脅、握手、指指點(diǎn)點(diǎn)、敬禮、玩耍和各種手勢(shì)，包括自愿和非自愿)。盡管人們對(duì)手如此著迷，但仍然無(wú)法完全理解它們。這也是為什么機(jī)械手仍然是機(jī)器人技術(shù)中最難的挑戰(zhàn)之一的原因之一。

研究人員試圖通過(guò)復(fù)雜的設(shè)計(jì)來(lái)仿造人類雙手的外觀和靈活性，并集成了許多驅(qū)動(dòng)器和傳感器，例如猶他/MITH、RobonautHand、DLR(Deutsches Zentrum für Luft- undRaumfahrt)Hand II、Gifu Hand II、Shadow Dexterous Hand及清華大學(xué)孫富春團(tuán)隊(duì)開發(fā)的系列靈巧手等。雖然目前有很多實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，但在工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人甚至假肢方面，實(shí)際應(yīng)用數(shù)量仍然有限。為了增加推廣，近年來(lái)已經(jīng)提出了一些新的方法和解決方案，以開發(fā)有效和可靠的靈巧手。事實(shí)上，雖然實(shí)現(xiàn)了完美的結(jié)構(gòu)和功能擬人化——即不僅在外觀上，而且在動(dòng)作和功能上與人類的手相似（可能會(huì)過(guò)于復(fù)雜），但近年有趨勢(shì)旨在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的、易于編程的、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的靈巧手，能夠執(zhí)行人手操作功能的子集。

回顧近幾年的機(jī)器人操作比賽情況，如亞馬遜采摘挑戰(zhàn)賽、DARPA機(jī)器人挑戰(zhàn)賽、IROS機(jī)器人操作比賽等，大多數(shù)復(fù)雜的抓取技術(shù)都受到了挑戰(zhàn)，這些比賽表明，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)為目標(biāo)的方法能帶來(lái)顯著的效益。第1屆亞馬遜采摘挑戰(zhàn)賽的獲勝者是一個(gè)基于抽吸系統(tǒng)的末端效應(yīng)器；在DARPA機(jī)器人挑戰(zhàn)賽中采用的仿人機(jī)器人都沒(méi)有完全驅(qū)動(dòng)的擬人手，超過(guò)15個(gè)團(tuán)隊(duì)(25個(gè)參賽者中)使用的是一個(gè)只有3或4個(gè)手指的低驅(qū)動(dòng)手；幾次的IROS機(jī)器人抓取和操縱比賽中，都是簡(jiǎn)易機(jī)械手獲取冠軍，反而是復(fù)雜多功能的靈巧手在比賽中失利。

在過(guò)去的幾十年里，許多機(jī)器人研究小組都專注于極簡(jiǎn)主義設(shè)計(jì)方法。在保留擬人化設(shè)計(jì)的許多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，在設(shè)計(jì)和控制方面進(jìn)行原則性的簡(jiǎn)化，可以合理地降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，包括執(zhí)行器、傳感器和程序代碼的數(shù)量。此外，軟體機(jī)器人方法也很有用，近年有根據(jù)這樣的原理設(shè)計(jì)的機(jī)械手，在抓取的通用性、魯棒性和可靠性方面取得了很好的效果。

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