机器人指纹手研究现状与发展趋势

机器人指纹手研究现状与发展趋势

机器人通常模仿结构中的人类人。它由几个开链机构组成。它具有几个冗余自由度，与物体有许多接触。每个关节通常可以独立运行。因此，在捕获物体时，它对物体的形状变化具有很强的自适应能力。例如，任何形状的物体都可以捕获物体，并将力量和力应用到物体上。在不需要更换最终执行器的情况下，可以高精度、稳定、可靠地捕获不同复杂物体。同时,由于多指手通常使用轻质的驱动装置,并且其尺寸远小于机器人本体,易于实现快速、精确和高效的位置控制,并为实现高带宽的力控制提供了条件。由于机器人多指手可以实现对多种物体的灵巧操作和精确的力控制,符合现代工程实际应用中各种复杂工况对机器人的要求,具有解决复杂作业问题的可能性,其应用逐渐渗透到海洋资源探测、核能利用等极限环境,以及精密装配、航天、军事、医疗等非结构化环境与领域。因此,有关多指手及其理论的研究也是近年来机器人学中一个十分活跃的方向,并在不断地朝拟人化、智能化方向发展。1左、有助于实现多次操作,实现模型的突破自上个世纪60年代至今,已经开发出来的多指手有很多种,比较有代表性的是Okada手,Stanford/JPL手(也称Salisbury手),Utah/MIT4指手,DLR系列手,美国Johnson空间研究中心研制的5指手、Shadow多指手、北京航空航天大学研制的BH系列手、哈尔滨工业大学的HIT系列手等。第一个真正意义上的多指手是日本研制的Okada手,如图1所示。该手由手掌和三个手指组成,其中拇指有3个自由度,另外两个手指各有4个自由度,利用电动机驱动钢索完成运动和动力的传递,可以完成拧紧螺母的装配任务。进入20世纪80年代,随着各种驱动、传感和控制技术的发展,多指手的研制有了较大的发展,研究范围也从机构设计扩大到传感器设计以及抓取操作算法等方面,1984年,美国Stanford大学研制的Stanford/JPL手(Salisbury手)是最具代表性的非仿人多指手。如图2所示,它是一种3指9关节手,每一个手指具有3个自由度,拇指与其他两个手指相对布置。每个手指由4个直流力矩电动机驱动,通过4条钢索张力的调节来控制3个关节力矩的大小。虽然手指在手掌上的位置与人手抓取物体时的常用姿态类似,但由于手指没有冗余关节,因此抓取没有柔性,无法像人手一样进行灵巧、稳定地抓取和操作。与Stanford/JPL多指手处于同一时期的还有意大利博洛尼亚大学研制的UB-Ⅰ和UB-Ⅱ多指手。其中UB-Ⅱ多指手有3个手指,拇指3个自由度,其余两个手指分别具有4个自由度,如图3所示。受到人手和仿生学的启发,1985年美国麻省理工学院和犹他大学研制出4指的仿人多指手——Utah/MIT(如图4所示)。Utah/MIT多指手在设计中采用了模块化技术,4个手指完全相同,每个手指4个关节,32个独立驱动元件,各手指与手掌相连并相对于手掌运动,利用绳索和滑轮完成运动和力的传递。由于该手的关节自由度太多,控制复杂,难以进行实时控制,因此只能在实验室用于试验研究,没有得到实际应用。意大利热那亚大学研制的DIST多指手(如图5所示)由4个手指和手掌组成,拇指和其他3个手指相对布置,每个手指具有4个关节,由5个直流电动机通过6条直径为0.4mm的聚酯肌腱驱动,整个手大、小与普通人手差不多,总重不到1kg,可以方便地安装在各种机械臂上。20世纪90年代,多指手的发展进入了一个新的阶段,手指数、关节数逐渐向人手靠近,手指上附加的传感器类型及数量逐渐增加,为模拟人手功能,实现灵巧操作创造了条件,其中德国宇航中心研制的DLR系列手最具有代表性。如图6所示,DLR-Ⅰ多指手由4个完全相同的手指组成,每个手指具有4个关节。末端的两个关节存在机械耦合,使用一个驱动器进行驱动(如图7所示)。基关节使用两个驱动器,实现两个方向的运动。DLR-Ⅰ手使用微型直线驱动器作为驱动元件,它将旋转电动机、旋转直线转换结构和减速机融为一体,故它可将所有驱动器集成在手指或手掌中,减小了手指的尺寸,缩短了肌腱的传动距离,提高了手的动态响应。DLR-Ⅰ手的每个手指上集成了28个传感器,包括类似人工皮肤的触觉传感器、关节力矩传感器、速度传感器、位置传感器和温度传感器等,整体重1.8kg,如图8所示。DLR-Ⅱ是DLR-Ⅰ的进一步发展,其最终目标是能完全自主操作,包括远程声像反馈和力反馈,以及在最短时间进行最佳抓取规划,现在能够实现抓握、捏、夹等动作。从20世纪末开始,各国研制的多指灵巧手样机无论从外形还是功能上更加接近于人手,能够完成类似人手的各种复杂操作。如图9所示,美国约翰逊空间中心(NASA)于1999年研制成功的Robonaut多指手由1个用于安装电路板的前臂、1个手腕和5个手指组成,共有14个自由度,其中手腕有2个自由度,拇指、食指和中指各有3个自由度,无名指和小拇指各有1个自由度,手掌有1个自由度。Robonaut多指手在外形和尺寸上与人手相似,且有冗余关节,整个手共有43个传感器,能够抓取一些常用的工具进行工作。Shadow多指手是由英国ShadowRobotCompany公司开发的一种最新型仿人手。如图10所示,Shadow多指手由5个手指和手掌组成,其中拇指和其余4指相对布置。如图11所示,Shadow多指手共有24个关节,其中主动关节20个,通过人工腱驱动。全手共布置有186个力传感器、24个关节传感器和36个气压传感器。该手能够实现捏、钩、握、侧捏、夹、力度抓取等类似人手的绝大多数动作。20世纪80年代后期,国内的机器人研究机构和部分高等院校相继开展了机器人多指灵巧手的研究工作,如北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、国防科技大学、北京理工大学、北京科技大学等都在多指灵巧手方面做了大量的工作,其中北航研制的BH手和哈尔滨工业大学研制的HIT手最具代表性。北京航空航天大学机器人研究所先后研制了一系列的BH多指手。图12为BH-3型多指手,结构上借鉴了美国的Stanford/JPL多指手,没有手掌,有3个手指,每个手指有3个关节,3个手指共9个自由度,微电动机放在多指手的内部,各关节装有关节角度传感器,指端配有三维力传感器,采用两级分布式实时控制系统。另一型BH-4(如图13所示)具有4个手指,共12个自由度,拇指3个关节,3个自由度;其他3指结构相同,每一个手指有4个关节,其中第三个关节和指端关节运动耦合,因此每指只有3个自由度。整个手分为手指、手掌和机械接口三个模块。通过改变手掌的设计,可以获得拟人或非拟人多指手。机械接口用于手与臂的联接,多指手可以安装在不同的机械臂上,执行多种操作。传动元件全部由齿轮机构组成,电动机置于手指中,结构简单、紧凑,传动线路短,手的响应较快。它装配在机器人手臂上充当末端灵巧执行器,可扩大机器人的作业范围,完成复杂的装配、搬运等操作,比如它可以用来抓取鸡蛋,既不会使鸡蛋掉下,也不会捏碎鸡蛋;同时还可利用计算机网络通讯,实现多指手的远程控制操作,如远距离遥控机器人灵巧手抓物、倒水等等。该多指手主要用于灵巧操作研究及为相关技术开发与应用提供有效的实验平台。哈尔滨工业大学的HIT-1手是一种仿DLR手,如图14所示。该手共有4个手指,每个手指3个自由度4个关节,末端两个关节具有机械耦合,通过一个直线电动机实现驱动。该手附加有位置、温度、多维指尖力和关节力矩等96个传感器,具有多种感知功能。表面贴装1600多个电子元件,实现了基于多传感器的手指阻抗控制和基于数据手套的远程遥控作业,能够通过数据手套中手指的动作,对多指手进行远程控制和操作。HIT-2多指手是由哈尔滨工业大学机器人研究所与德国宇航中心合作开发的具有多种传感功能的新一代机器人多指手。如图15所示,该手由4个手指和手掌组成,共有13个自由度,其中每个手指有4个关节、3个自由度,拇指另有一个开合的自由度。整个手共有机械零件600多个,表面粘贴的电子元器件有1600多个,传感器89个,整体重量1.8kg,可以弹出美妙的音乐,轻松地抓起饮料瓶或灵活地做出“OK”的手势。综上所述,现有多指灵巧手的结构形式大都是多指多关节手,并且手指数目普遍为3～5个,各手指的关节多为3～4个转动关节,整个手具有冗余自由度。从复杂程度上可以把其分为两类:一类多指手以Stanford/JPL手为代表,没有手掌,共有3个手指,每指3个关节,总的自由度较少,易于设计、制造和控制,但抓取缺少柔性,与人手的差异较大,一般只作为理论研究的实验模型;另一类以Utah/MIT4多指手为代表。它是一种仿人手,各手指都连接到手掌上,相对于手掌运动。它的主要问题是关节自由度太多,控制复杂,难以实现在线控测,是机器人多指手研究的难点和未来需要突破的研究发展方向。2接触构形的运作方法多指灵巧手的设计无论在外形还是功能方面,都越来越接近人手。伴随着多指手实验样机的改进和制作技术、伺服控制技术及指端力觉、触觉、滑觉传感器技术的基本成熟,国内外围绕多指手样机的设计和多指间运动及力的协调,从几何、运动学、动力学及结构关系等不同角度进行了研究和探讨,提出了各种协调控制、抓取规划系统,来模拟人手的抓取运动,初步形成了一套关于多指灵巧手的抓取理论。抓取是多指手中的各手指分别趋近位于作业空间内的物体,直至接触并对物体施加作用力,通过多个手指的联合作用形成抵抗被抓物体上外载荷的接触构形,从而在手与物体之间形成运动和力的传递关系。从机构学角度来看,抓取是一个从开链到闭链、从独立运动到协调运动、从无载荷到有载荷的变约束、变载荷的过程。抓取是实现对物体操作、完成预定工作任务的前提。在一般的抓取场合,由于手指只能对物体施加压力,手指接触力的法向力分量具有单向性。因此,为实现多指手的预期任务,手指与物体形成的接触构形需要满足一定的条件,才能保证接触力的单向性,使抓取具有抵抗外力和灵活操作物体的能力。根据接触点处是否具有摩擦约束,通常采用形封闭与力封闭两种方法来研究多指手的抓取机制问题。形封闭抓取是指在无摩擦单向点接触约束条件下,抓取能限制刚体所有的运动自由度。形封闭性是一种纯几何性质,它只与抓取点的分布有关。在手指与物体都不发生变形的前提下,物体的运动受到完全约束。在工作空间中,为完全约束物体的运动自由度以实现形封闭抓取,手指与物体必须是多点接触。在平面二维情况下,要达到形封闭需要4个光滑接触点;在空间三维情况下,Markenscoff证明了对于一般形状的物体,在无摩擦情况下,需7个接触点才能构成形封闭。对于非回转面类物体,Mishra证明了形封闭抓取时离散接触点的上限为物体自由度的2倍;对于回转面类物体,由于物体表面具有旋转对称性,物体总能绕着对称轴旋转,因而在不考虑摩擦的情况下,任意数目的接触点均不能实现对这类物体的形封闭抓取。对此,熊有伦引入了相对形封闭的概念,相对形封闭抓取只能限制刚体在运动旋量空间的某个子空间中的运动,刚体在其他方向仍具有运动自由度。为对接触构形进行形封闭判别,Salisbury和Roth通过分析抓取力系所生成的方向锥,建立了形封闭的几何条件。Hirai和Asada根据力空间和运动空间的对偶关系,将抓取的形封闭分析表达为线性不等式组解集的性质,利用凸多面锥理论进行形封闭的判别。熊有伦从抓取矩阵的角度对形封闭和相对形封闭进行了描述,建立了形封闭抓取的等价判别定理。Trinkle从分析抓取矩阵的非负零空间向量出发,构造了形封闭性的一个数值判别指标。力封闭抓取是指对于给定的施加于物体上的任意外力,存在满足摩擦约束条件的手指接触力与之平衡,使物体满足力平衡条件的抓取。对于力封闭抓取的研究,Nguyen首先提出了完全约束刚体运动独立接触区域的概念,指出当抓取为力封闭时,手指作用在物体上的接触点必须在独立接触区域内,而且接触点之间的连线必须包含在接触点的摩擦锥内。Salisbury研究认为当且仅当抓取矩阵是行满秩时,抓取是稳定的。Bicchi提出了一种判别力封闭的算法,将抓取的封闭性判别转化为常微分方程的稳定问题,用李亚普诺夫直接法来分析力封闭,但是该算法对定性分析和定量分析是分开处理的,在实际运用中计算比较复杂。左炳然等利用力空间的有关理论,推导了力封闭与部分力封闭的等价条件,建立了力封闭判别的非线性算法。秦志强等通过将非线性摩擦锥约束转化为对称矩阵的正定线性约束,推导了摩擦点接触和软指接触条件下力封闭抓取的等价条件,将抓取力封闭的判别转化为线性矩阵不等式可行解的问题来加以解决。由于手指与物体的接触点之间普遍存在摩擦,并且目前已经开发出的多指手样机一般只有3～5个手指,不具备实现形封闭抓取的必要条件,却可以实现力封闭抓取,因此,目前的研究大多数集中于力封闭抓取的分析和研究,力封闭条件及其判别规则一直是多指手抓取研究中的基本问题,但因摩擦锥的非线性,抓取力封闭的实际判别仍相当困难,这相当于求解非线性约束下的规划问题。即使将摩擦约束简化为线性约束,求解过程也非常复杂,计算量巨大。到目前为止,真正运用这些判别算法对实际物体任意抓取进行分析的还不多,而且大部分的力封闭抓取算法也都是离线计算。3我国机器