机器人手爪的研究现状与进展

    1.3 抓取控制和决策系统

    1.3.1 抓取稳定性研究

    研究机器人手爪多指抓取的目的是通过探索人类的抓取机理，最终开发出一种能够抓取任意形状物体，操作和使用工具，完成多种抓取任务，模拟人手抓取行为的拟人手。到目前为止，机器人手爪的多指协调操作与控制技术还不能满足细微操作的要求，离真正实用化还有一定的距离。抓取稳定性研究在很大程度上是探索多指抓取的机理，分析多指抓取细微运动和力的作用，稳定性分析是抓取控制的基础工作。具体的工作是进行理论分析，总结出能够适应一般条件下的算法。

    1.3.2 规划和决策系统

    自主抓取规划是手爪根据各种传感器的信息，不需要和主机进行通讯，自主进行规划和决策。例如，舱外专用手爪传感器的本地自主能力，根据传感器的信息自主判断手爪和目标之间的姿态和位置。服务机器人手爪遇到一个不规则形状的物体，自主决策采用何种方式进行抓取等。自主规划决策可以提高手爪的智能，减少手爪和主控计算机之间的通讯限量和大延时带来的不便，减少出错的可能性。规划抓取的轮廓布局与力的分布，制定多指抓取的协调控制策略。

    1.3.3 抓取控制

    在稳定性分析和抓取规划研究的基础上，需要研究的是手爪的控制策略。由于目前手爪采用腱和连杆等传动方式，因此，控制仍然比较复杂。复杂的控制策略是机器人采用多指灵巧手遇到的一个最大障碍，其本身具有闭链多环特征，存在控制的不唯一性、运动的协调性等问题。目前手爪的主要控制方法为：阻抗控制，力控制和阻尼控制，位置控制等。

    1.4 其他研究

    对于特殊环境下的机器人如空间机器人或水下手爪设计，每一个细节都需要在模拟的环境下做大量的试验，验证整个手爪系统的可靠性，包括机械结构和控制系统的试验，防辐射试验，高低温试验，机械润滑试验，电路冗余备份以及微重力环境试验。对于空间舱外工作的手爪来说，这种重要性是可想而知的。可靠抓取是所有设计的前提条件，涉及整个手爪分系统乃至整个机器人系统。研究内容包括手爪的机械结构的适应性；控制系统的精确性；空间环境的安全性等。结构和控制的简单化是增加手爪安全可靠性的一个重要措施。一些手爪还采用先捕获后抓取的结构，以增加抓取的可靠性。空间机器人手爪在设计前，需要通过仿真软件对抓取过程的每一个细节进行模拟，发现可能存在的问题。

2 手爪的研究进展

    2.1 通用手爪的研究进展　

    通用手爪分为拟人和非拟人两种，其中,拟人的多指灵巧手是通用手爪的一个重要的研究方向。人类与动物相比，除了拥有理性的思维、准确的语言表达外，还拥有一双灵巧的双手。人手是经过世世代代劳动的演变进化而成，结构小巧紧凑，抓取操作灵活稳定，给人类创造了巨大的财富。让机器人也拥有一双灵巧的手成了许多科研人员的梦想。　

    多指灵巧手最早的研究是为失去手臂的人安装假肢。之后，随着机器人技术的飞速发展，一些研究者试图研制出更加精巧的灵巧手，于是研究的方法和手段层出不穷，主要包含四个方面：人手基本生理结构的研究；手爪模拟人手的结构和功能；手爪感知系统的研究；手爪控制方法的研究，取得了一些有重要的研究成果，相继有一批著名的多关节多指灵巧手问世。

    2.1.1 腱传动的机器人手爪

    1974年，日本成功研制了Okada多指灵巧手，如图1所示。Okada手爪是第一个真正意义上的多指灵巧手。该手具有三个手指，有一个手掌，拇指有3个自由度，另两个手指各有4个自由度。各自由度都由电机驱动，并由钢丝和滑轮完成运动和动力的传递。这种手爪的灵巧性比较好，自身重量也比较小。但是，各个手指在结构上细长而单薄，难以实现校大的抓取力和操作力。

    美国麻省理工学院和犹他大学于1980年联合研制成功了Utah/MIT手爪，如图2所示。手爪采用模块化结构设计，手指的配置方式类似于人手，有四个手指:拇指、食指、中指和无名指，四个手指结构完全相同，每个手指有4个自由度。手指关节采用伺服气动缸作为驱动元件，由腱和滑轮传动。为了实现最大的可操作度，采用了2N型腱驱动系统，每个关节通过一对运动相反的腱进行驱动，由气动操作的“膜”及其所驱动的16个活动连杆、184个低摩擦滑轮拉动手指产生动作。此外，手上装有16个传感器、32个张力传感器，大体上能够像人手一样对物体进行抓持和操作，通过手指表面安装的触觉传感器对物体进行初步的特征获取，以实现控制握力的大小。

    美国斯坦福大学1983年研制成功Stanford/JPL多指灵巧手，如图3所示。该手爪采用模块化设计，没有手掌，有三个手指，每个手指有3个自由度，拇指和其他两个手指相对放置，体积和重量较大。关节一和二有90o的运动范围，末关节有135o的运动范围。手指由12个直流伺服电机作为关节驱动元件，采用腱和滑轮的传动方法，采用2N型和N型折中的N+1型的腱驱动系统传递运动和力。手指关节和滑轮由钢衬套铝管制成。