仿人五指灵巧手:亦刚亦柔的机器手 国外

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时间: 2012-12-20来源:千人杂志
提要:HIT/DLR Hand II仿人五指灵巧手在外观上和人手已经极为相似,并且能够实现人手的一些基本操作,在国内外诸多机构的仿生、生物、服务等类型的机器人研究中投入使用。

仿人五指灵巧手:亦刚亦柔的机器手

 

 

 

/本刊记者 史磊蕾

制造一种像人一样的机器,代替人去做各种工作——人们的这种幻想与追求已有三千多年历史。然而,直到1921年捷克作家雷尔·查普客的作品《鲁世慕的万能机器人》问世,“机器人”一词才首次出现。之后的几十年,机器人技术不断发展,各种各样的机器人渐入公众视野,但学界认为,机器人整体水平的高低与好坏,最终能否按照人们的意图去工作,必须依赖一个操作灵巧、控制可靠的末端执行机构。

对于人类来说,双手无疑是其最为重要、灵活的末端执行器官。因而,让机器人拥有一双和人一样灵巧的手成为诸多科研人员的目标。“机器人如果拥有灵巧的手,将大大提升机器人的能力。”国家“千人计划”专家、哈尔滨工业大学教授刘宏在接受本刊记者专访时说。

多年来,世界各国的研究机构不惜投入重金以求在“灵巧手”领域不断实现突破,先后出现了极具代表性的NASA手、Gifu手、UB手和DLR灵巧手等,但整体表现欠佳。

目前,HIT/DLR Hand II仿人五指灵巧手在外观上和人手已经极为相似,并且能够实现人手的一些基本操作,在国内外诸多机构的仿生、生物、服务等类型的机器人研究中投入使用。但在刘宏看来,机器人灵巧手的目标远不止于此,“未来的机器人手还可以更灵、更巧、更像人手,并将在太空、核工业、社会服务、助老助残等诸多方面发挥重要作用。”

仿人手外观

《千人》:2012年德国汉诺威工业博览会上,您主持研发机器人仿人五指灵巧手(HIT/DLR Hand II)大受欢迎,请您介绍一下这项成果。

刘宏:HIT/DLR Hand II是一种将所有驱动、传感、机构、控制等系统全部融于灵巧手手指和手掌里的类人型灵巧手。HIT/DLR Hand II灵巧手整体外形尺寸与成年人的手相当,质量约为1.5千克,有手掌和5个结构相同的手指。手掌的外廓具有类人型的骨骼和曲面,每个手指有4个转动关节、3自由度,指尖的两个关节运动是通过钢丝机构自然联动的。

《千人》:HIT/DLR Hand II能够实现哪些功能?

刘宏:这个型号的灵巧手能够像人手一样完成一些基本操作,如强力抓握、精确操作物体、点击键盘,甚至还可以灵活地做出“OK”的手势等。同时,它还具有触觉、力觉、温度、位置等多种感知功能。

比如,它对位置的把握,尤其是对力的感知会更为准确。人手通常是根据经验来感觉一些操作的状态,比如用一根手指去按指纹的时候,可能会用轻轻、适度或者使劲来说明按动手指的力度大小,却很难给出一个量的概念,灵巧手的手指则能够精确地实现对施加力的控制,比如我们需要用1牛顿的手指压力去按指纹,那么灵巧手的手指就能够精确地施加1牛顿的力。

《千人》:与其他型号相比,HIT/DLR Hand II仿人五指灵巧手有何进步?

刘宏:HIT/DLR Hand II仿人五指灵巧手在HIT/DLR Hand I四指灵巧手的基础上进行了改进:HIT/DLR Hand II灵巧手的手指具有更小的尺寸和更轻的质量,手指长度减小四分之一,手指质量降低约三分之一。外形尺寸的减小使得手指的布置可以更为灵活,可按照人手的手指位置关系布置各个手指,根据人手自然状态下的拇指位置和抓握仿真,确定更加仿人手化的拇指位置。

小拇指的增加和大拇指的空间位置,使灵巧手能够完成更为复杂、拟人化的抓握操作,这一点对于基于数据手套(多模式的虚拟现实硬件的远程虚拟场景中物体的抓取、移动、旋转等作业方面表现尤为明显。

同时,替代了以往的刚性的齿轮传动,HIT/DLR Hand II灵巧手采用的是有一定弹性的同步齿形皮带传动,这种传动机构既有平带传动的平稳性,又具有齿轮传动的精确性,而且不会对手指侧壁零件造成冲击,如此一来,不仅保护了灵巧手的手指,也更有利于抓取。

微型化技术

《千人》:学界对灵巧手的研究持续多年,其复杂性和研发难度究竟在哪?

刘宏:其实,灵巧手的复杂性在它的名字里已经表达的很清楚了,那就是既要灵又要巧,还要像人手。“灵”要求它的驱动特别灵活;“巧”要求它的感知丰富、动作准确;像人手则要求它的外观和功能要尽可能地接近人手。至于研发难度,主要体现在微型化,即如何将驱动器、传感器、机构以及控制等多种系统融合于手掌和手指这样小的空间里。

《千人》:HIT/DLR Hand II仿人五指灵巧手在此方面是否取得了突破?

刘宏:由于灵巧手的尺寸较小,结构紧凑,很难把电机等驱动系统安装在内部,所以,以往一般采取驱动和灵巧手机构分离配置的形式,通过传动机构将力及力矩等传递至手指、手掌。而HIT/DLR Hand II则不同,其最为突出的进步就是将所有驱动、机构和控制等系统全部融于手指和手掌本体里,其中仅手指中传感器的数量就达一百多,所以,这种灵巧手对外部条件依赖较少,动态响应很高。并且,这种外观与本体的融合还缩短了灵巧手的设计时间、降低了制作成本。

《千人》:目前,我国在灵巧手方面的整体研发技术水平如何?和国外相比呢?

刘宏:近年来,我国在灵巧手的机构构型、基于MEMS(微机电系统)的微型传感器、人造皮肤、多体智能协调控制等领域取得了重大进展,这使得我们在灵巧手领域的研究水平和国际顶级研究院所相差无几。但在微型驱动器方面还需进一步努力,而微驱动就涉及到机电光一体结合的微加工技术。此外,如何研制体积小、重量轻、动态响应高、输出力大的人工肌肉也是亟待攻克的难题。

多功能应用

《千人》:科学家们研究灵巧手的初衷是什么?

刘宏:多指手最先是从假肢开始的。1905年,人们为战争中失去一只手的年轻战士Berlichingen制作了弹簧驱动的假手,这只假手在战斗中发挥了重要作用,但在生活中并不方便。之后,也有各种类型的假手出现,但它们大多较为简单机械,应用范围受到局限。

直到1962年,世界上最早的灵巧手Belgrade手的问世,拉开了学界关于机器人多指灵巧手的系统化研究,NASA手、Gifu手、UB手和DLR灵巧手等都很有代表性。1988年美国研制的Barrett Hand和2004年英国研制的Shadow Hand还曾尝试进行灵巧手的产业化,但总体表现并不理想,或是灵活度不够,或者传感功能欠缺,还有就是体积很大、质量过大使得灵巧手极为笨重。因而,让机器手具备人手的多种功能,达到人手的灵巧程度,对研究者来说极具挑战。

《千人》:目前,HIT/DLR Hand II灵巧手主要在哪些方面投入使用?产业化如何?

刘宏:假肢的确仍然是灵巧手的一个重要应用领域。据不完全统计,我国目前肢体残疾人数高达两千多万。现在我们已经与国内的丹阳假肢厂进行合作,实现了将机器人灵巧手的核心技术应用到残疾人假手的部分成果转化。厂家已经生产了小批量的5自由度新型假手,并在患者身上进行了临床试验。同时,此型号的机器人灵巧手本身也已经进入小批量生产阶段,先后销往美国、德国、法国、英国、西班牙以及国内的研究机构,主要用于仿生、生物、服务等各种类型的智能机器人及抓取策略的研究。

《千人》:灵巧手的应用发展方向是怎样的?

刘宏:灵巧手可以为各种太空探测机器人、越野侦查机器人及其他特种机器人的操作和活动的研究提供技术支持,它可以代替或协助宇航员在恶劣危险的太空环境中进行一些复杂的操作作业,可以安装在太空智能机械臂上,独立到舱外进行一些长时间的困难而危险的维修、安装作业,而无须单靠宇航员经过几个小时的出舱准备后冒着生命危险去从事。

此外,其在地面状态下的用途也很广泛,或能够为人工智能、遥操作以及抓取规划等方面的科研工作者提供良好的实验平台;成为一些地面机器人的手,在核、生、化等多种危险环境中从事探测、取样、装配、修理作业等

再则,灵巧手还能够使服务机器人能够替代人们从事各种社会、家庭服务工作。同时,在助老助残方面,灵巧手也将发挥重要作用,比如为截瘫病人及小儿麻痹症患者设计完善的动力型假肢。(编辑/方令)

 

刘宏,国家“千人计划”入选者,首批“长江学者”特聘教授,哈尔滨工业大学教授,中德空间机器人技术联合实验室主任。


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