自適應(yīng)機(jī)器人手爪的研究現(xiàn)狀與未來(lái)

機(jī)器人手爪(或抓持器)類似于人手，依靠一對(duì)能夠抓取各種物體的末端抓手，機(jī)器人可以完成許多任務(wù)。通用手爪廣泛應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域。它可以暫時(shí)將機(jī)器人與物體連接起來(lái)，并在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候釋放。它是機(jī)器人與外界交互的重要終端，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。

在手爪研究領(lǐng)域，除工業(yè)手爪外，還有三種研究：仿人機(jī)器人手、仿生機(jī)器人手和自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手，每種都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。

機(jī)器人手爪的形狀不一定像人，機(jī)器人的手也不一定是根據(jù)人手的形狀設(shè)計(jì)的。機(jī)器人的功能是抓取。上述靈巧多指手是研發(fā)機(jī)器人的一條“捷徑”。機(jī)器人手爪模仿人手，還有其他方法，只要能達(dá)到抓物的效果。比如模仿生物的“手”。

動(dòng)物與外界互動(dòng)、觸摸物體的不同部位，都可以看作是動(dòng)物的“手”。因此，從生物學(xué)中獲得靈感，就可以誕生具有仿生學(xué)意義的仿生機(jī)器手，也稱特種機(jī)器人手爪。章魚狀觸須模仿生物的靈活性，適合抓取圓柱形物體，但對(duì)其他異形物體的抓取能力有限。一種仿蜥蜴舌頭手爪，以水為介質(zhì)，以氣動(dòng)力為驅(qū)動(dòng)源，將彈性膜與內(nèi)部活塞、彈簧等結(jié)合在一起。實(shí)現(xiàn)一種新的具有吸盤效應(yīng)和被動(dòng)手指生成效應(yīng)疊加的通用手爪。該夾持器適用于夾持小物體和扁平物體，但對(duì)于尖銳較高的物體，夾持效果受變形程度限制，夾持力較小。另外，抓取也存在時(shí)間延遲、抓取效率低、噪音大、能耗高等問(wèn)題。

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，欠驅(qū)動(dòng)手應(yīng)運(yùn)而生。欠驅(qū)動(dòng)手使用少數(shù)幾個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)多個(gè)關(guān)節(jié)，其中白色自適應(yīng)欠驅(qū)動(dòng)手可以自適應(yīng)抓取，受到許多研究者的青睞，一些新型欠驅(qū)動(dòng)手被開(kāi)發(fā)出來(lái)，其中扁平夾鉗自適應(yīng)手是最好的一種。目前，測(cè)量機(jī)器人手還沒(méi)有統(tǒng)一的定量比較標(biāo)準(zhǔn)，一般根據(jù)抓取物體的種類、抓取物體的過(guò)程和結(jié)果(抓取方法)、抓取的適用場(chǎng)合、抓取裝置的設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)成本、抓取裝置的弱點(diǎn)或不足等進(jìn)行綜合比較。

由于抓取對(duì)象的多樣性以及抓取原理和方式的不可預(yù)測(cè)性，產(chǎn)生了很多抓手。為了抓取雜亂的物體，一次抓取多個(gè)物體，開(kāi)發(fā)了一種手爪，看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但是效果很好。手爪只有三個(gè)手指，每個(gè)手指中間沒(méi)有關(guān)節(jié)，手指和手掌之間只有一個(gè)關(guān)節(jié)存在。實(shí)驗(yàn)證明，該手爪易于控制，可以一次無(wú)序抓取多個(gè)物體。它的缺點(diǎn)是剛性手指很難抓取表面摩擦力小、重量大的物體。

自適應(yīng)機(jī)器人手爪有兩套伸縮管陣列，每根桿相互平行，長(zhǎng)桿由物體推動(dòng)以適應(yīng)物體的形狀，兩套伸縮管由液壓驅(qū)動(dòng)閉合或分離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的抓取。缺點(diǎn)是：抓握有方向性，不能多方向抓握。當(dāng)該裝置對(duì)目標(biāo)物體施加抓取力時(shí)，只能跟隨兩組伸縮管的折疊方向。不能抓超過(guò)寬度的長(zhǎng)物件。當(dāng)目標(biāo)物體的長(zhǎng)度方向與抓取方向一致，且目標(biāo)物體的長(zhǎng)度超過(guò)裝置的寬度時(shí)，兩組伸縮桿的閉合不會(huì)抓取目標(biāo)物體。

傳統(tǒng)的機(jī)器人手被設(shè)計(jì)成模仿人手的多指裝置。它們可以抓取多種物體，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制程序繁瑣，成本昂貴。沒(méi)有手指的特殊手，比如吸盤手，適應(yīng)范圍相當(dāng)有限。為了降低成本，通用夾持器由兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件制成，以便最簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)夾持和釋放功能。

這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，能抓取一定形狀的物體，但不能適應(yīng)更多形狀的物體，適應(yīng)性不高。在分析國(guó)內(nèi)外自適應(yīng)機(jī)器人手爪研究成果及其特點(diǎn)和不足的基礎(chǔ)上，認(rèn)為增加手爪的適應(yīng)性是一個(gè)突出的問(wèn)題。機(jī)器人手爪的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)：手爪小型化、輕量化，而抓取重量大大增加；提高了自適應(yīng)抓取不同形狀和大小物體的能力，抓取穩(wěn)定，成功率高；可同時(shí)抓取多個(gè)物體，適應(yīng)性好；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低；易于控制，抓取過(guò)程中檢測(cè)物體的形狀和大小，控制抓取方案的難度較小。