机器人手爪的研究现状与进展

    1998年Université de Poities大学研制成功了LMS多指灵巧手，如图4所示。该手有四个手指，由16个连杆组成，具有16个可控自由度，能够包络抓取和用指间捏取，同样采用腱和滑轮传输的方式，尺寸接近于人手，该手的特点是传动设计的布局比较合理，结构相对紧凑。不足之处是虽然具有冗余的自由度，但实现的抓取功能不理想。

    意大利Bologna大学先后研制成功了UB-I和UB-II手。其中，1992年研制的UB-II手爪如图5所示。该手爪有三个手指，采用绳索（腱）和滑轮的方式进行驱动，手指11个自由度，加上2个腕部自由度共有13个自由度。手的中心具有手掌，尺寸接近于人手。在UB-II手上装有9个内置式触觉传感器，可以检测作用在已知表面的力和力矩，并且在进行适当假设的情况下，可以计算给定表面的接触点的位置。

    DIST手也是意大利研究人员在1998年研制成功的，是由17个连杆组成具有16个自由度的四指灵巧手，如图6所示。为了减轻重量，手指的关节采用连杆组合，关节中部是中空的，因此，抓取物体时不适合采用关节指面的接触方式，每个手指有4个自由度，通过5个直流电机驱动6根腱和滑轮的方式进行驱动，具有体积小，重量轻等优点。

    在国内，通用手爪的研究最早是在张启先院士的主持下，由北京航空航天大学机器人研究所于80年代末开始的灵巧手研究与开发。最初研究出来的BH-1灵巧手是一种仿JPL的灵巧手,功能相对简单，但填补了当时国内空白。在随后的几年中又不断改进，研制出BH-3型灵巧手，如图7所示。该手爪有三个手指，每个手指有三个关节，共9个自由度。微电机放在灵巧手的内部，各关节装有关节角度传感器，指端配有三维力传感器，采用两级分布式计算机实时控制系统。BH-3手爪能灵巧地抓取和操作不同材质、不同形状的物体，它能够完成装配、搬运等操作，可以用来抓取鸡蛋，既不会使鸡蛋掉下，也不会捏碎鸡蛋。

    哈尔滨工业大学和德国宇航中心合作，2003年研制成功HIT/DLR多指灵巧手，如图8所示，大大促进了我国在灵巧手技术方面的发展。该手爪有四个相同结构的手指，共有13个自由度，手的尺寸略大于人手，手的每个手指能提起1kg的重物，整体重量1.6kg。灵巧手涵盖数量众多的传感器，该手能够实现基于数据手套的远程遥控作业。由于沿用了德国宇航中心DLR四指灵巧手的设计思路，因此，HIT/DLR的优缺点基本上和DLR手爪相同。

    为了执行复杂的舱内空间机器人操作任务，继ROTEX手爪之后，德国宇航中心研制又研制出三指灵巧手和第一代、第二代四指灵巧手，其研制的第二代四指灵巧手，如图9所示。该手具有12个自由度，每个手指的3个独立关节由无刷直流电机、谐波齿轮和基关节锥齿轮组成。不同的关节具有不同的结构，2自由度的基关节采用差分锥齿轮驱动方式。同时，由于尺寸原因，谐波齿轮与电机结合在一起，关节差分方式可以在弯曲或伸展时完全利用两个驱动器的输出，这种方式减轻了每个电机的负担。手爪装备先进的智能传感系统，具有指尖五维力/力矩、位置、温度、类皮肤触觉、关节扭矩、速度传感器。第二代灵巧手比第一代能够进行更加精确的操作，协调性更好。图中进行抓取协调实验：抓取一个茶杯。