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2023-06-22
高效抓取：机械手在工业用途优化中的应用
【摘要】：可用于对机械手进行分类的影响因素大致为4个。图3.64模拟人手的机电机械手使用这些机械手已经使人形机器人及服务应用的研究和开发受益。图3.65三指机械手的调整选项即使使用最先进的技术，模块化的机械手仍然比人类的手更大，并且在抓取力方面比人手更困难。表3.13人造手的类型例如，用于外太空应用的DLR Dexhand旨在允许机器人也可使用供人类使用的工具。
可用于对机械手进行分类的影响因素大致为4个。将人手作为抓取结构的模型，我们最初的重点是不同类型的抓取和各种保护工件的选择。例如，有圆柱物体的抓取，用于牢固地包裹工件。当传递很大的力时，我们使用这种抓取方法，例如，重载工件。当我们遇到难以接近的抓取点之类的场景时，使用力锁抓取（图3.63），其中不能使用所有的手指。易碎或不稳定的工件可以用反向抓取方式固定。
精确抓取可用于组装过程中的连接运动之类的动作，它允许精确定位和操纵工件。双指机械手也有助于精确操作和难以接近的工件。5个手指扩展了抓取范围并包裹了工件以实现可靠的抓取。执行元件——手指——可以使用独立关节调整到工件的形状，这通常允许建立形锁的抓取。
图3.63 使用人手的不同抓取方式和拇指与食指间的通常张开角度
除了反向抓取外，图像清楚地表明拇指是几乎每次抓握操作的反向支撑。拇指作为其他手指的反作用器，可以夹紧工件。因此，在几乎所有抓取动作中，拇指比其他手指更重要。这就是为什么在处理手部受伤时，外科医生首先尝试保留拇指的功能。
自中世纪以来，重建人手作为一种技术工具一直是人类的追求。从早期开始，开发人员一直在试图模拟这种自然理想模型的特征。这些努力几乎总是可以分为两种不同的方法。第一种是假肢，它试图用技术结构代替失去的肢体。另一种是生产技术，旨在将手用作通用抓取工具。由于这两种方法具有相似的要求，因此它们都受益于相互影响。在假肢中，神经控制和人类外观是发展的重要因素。在工业应用中，灵活性和搬运速度是特别关键的目标。传感器对于两个领域都是有价值的工具，因为它们用于接受搬运过程中机械手的反馈。在此，能够响应传递的力的监控装置可以用于通常的电驱动器（图3.64），但直接触觉传感器也可以集成到手指边缘和手掌中。假肢行业面临的问题通常是某些技术解决方案的尺寸大小，尽管近年来这些维度已迅速接近人手。
图3.64 模拟人手的机电机械手（来源：SCHUNK）
使用这些机械手已经使人形机器人及服务应用的研究和开发受益。在未来几年，由于集成度的提高，预计设计尺寸将更接近于人手的尺寸，研究机构已经引入了由神经命令直接控制的第一只手。但是，还不能预测这些机械手何时会大量生产以供一般使用。
工业用途的人造机械手可以分为模块化或集成式设计。模块化的机械手是可从外部调节的运动装置，独立于机器人手臂，并包含所有必要的组件，如传感器和执行器。这些组件的集成意味着模块化的机械手具有比集成手更复杂的设计。
三指机械手的调整选项如图3.65所示。
图3.65 三指机械手的调整选项（来源：Fraunhofer IPA）
即使使用最先进的技术，模块化的机械手仍然比人类的手更大，并且在抓取力方面比人手更困难。与模块化机械手相比，集成的机械手直接集成到机器人手臂中。可以在机械臂中更换部件，并且可以通过使用更大的执行器传输更高的抓取力。这种设计的问题主要涉及手的手指和关节中的力传递。表3.13给出了两种设计的比较。
工业领域应用的经验越来越多地表明，更少的工作人员通常会带来更好的成本/收益率，因为使用完全灵活的工作人员所需的成本是相当可观的。通过考虑成本的显著降低和控制的复杂性降低，可以抵消使用较少的手指所带来的任何性能降低。
工业机械手应用显然朝向覆盖小批量生产的工件或是用于机器人执行各种不同任务的情况。在过去几年中，物流一直是大宗商品订单流程自动化的推动力。对于这些应用，使用高度灵巧的抓取技术也是可行的。
一个机械人手复制的例子是来自斯图加特Fraunhofer IPA的三指机械手手，其能够覆盖广泛的工件几何形状，只采用两个独立的驱动电机控制三个刚性的手指。其中，执行元件可以在旋转方向和倾斜方向上进行调整。附着点形成一个高摩擦力的拇指，作为反向支撑。
具有刚性执行元件的机械手的明显缺点是缺乏对工件几何形状的可调节性。因此，早期的开发工作就是设计更灵活的手指和更灵活的工件抓取点。“巴雷特之手”是一种很有前途的方法（图3.66）。与其在大学的前身一样，这种机械手可以在初始产品和自动化技术的开发组件中应用。
图3.66 符合巴雷特原理的三指机械手（来源：SCHUNK Barret）
机械手手指的灵活性使得各种抓取动作类型和不同工件的抓取得以实现。根据手指的设计，可以根据几何形状覆盖不同的工件。然而，各个手指的移动性是实现更可靠的抓取结果的重要因素。
表3.13中所示的所有工件都可以使用三个手指进行安全抓取和搬运。如果使用带有两个手指的经典平动机械手，则每个工件都需要更换机械手或手指。总的来说，这种相对简单的机械手可以在工件几何形状方面实现高度的灵活性。
目前，全球许多开发人员正在进行完整的手部复制工作，包括4～5个手指以及从深海到外太空的一系列目标应用。其中存在相当大的差异，主要是驱动力传递和电机定位，这些电机主要是电驱动的。
表3.13 人造手的类型
例如，用于外太空应用的DLR Dexhand旨在允许机器人也可使用供人类使用的工具（图3.67）。这使得国际空间站的团队能够选择是否应该由机器人或人类进行修复，也可以根据危险等级来进行规划部署。为DLR设计选择了一个带有集成在手掌底部的4个手指，用于控制的电子设备集成在手腕中。此外，还特别注重在开发过程中保护电子设备免受辐射影响。该设计还有望反映出机械手可能必须承受“外层空间温度”的事实。
图3.67 DLR Dexhand（来源：Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt e.V.）
由于额外的关节和驱动器以及它们在非常狭窄的空间中分布，因此从四指机械手发展到五指机械手还有一些额外的实施挑战。五指机械手可用的约20个关节更接近于人手在可操作性方面提供的可能性。还应根据模型考虑对传感器的投资，这是进一步限制设计可行性的一个因素。用于此类人造手的设备受成本因素的影响很大。
例如，图3.68中的Shadow Dexterous Hand总共有129个传感器，可以实现非常复杂的搬运操作。图3.69所示为华盛顿大学运动控制实验室的机械手，考虑到大约1 000美元的目标成本，其装备复杂程度明显较小。其双手都与人手的大小相当。两个抓手需要集成到搬运系统中，这意味着需要额外的驱动器和控制技术组件才能控制这些手。这些机械手是基于集成设计构建的。
图3.68 Shadow Dexterous Hand（来源：android world）
图3.69 来自华盛顿大学运动和控制实验室的机械手（来源：3 D Printing Industry）
通常在机械手模块数据库中提供的具体数据（如夹持力和其他信息）不会出现在研究机构的网站上。目前似乎没有可用的数据是真正可靠的或已经过长期测试。出于这种原因，这些类型的抓手通常仅用于研究设置。
由市场上为数不多的工业供应商之一SCHUNK公司开发的五指机械手提供了一系列传感器，可以像机械手模块一样安装在搬运系统上。电子和驱动装置都隐藏在手腕中，允许将人造手连接到像机械手模块这样的机器人上。
左手和右手两种设计均采用五指机械手指，尺寸为1∶1。它可以覆盖大量的抓取类型，从最细致和精确的精确抓握（如握针）到强力抓取行为，如使用无绳螺丝刀。使用9个电动马达实现这种抓取工具的多样化，这些马达可以驱动20个关节。
SCHUNK公司的伺服电动手现在可以在世界各地批量生产。它首先部署在服务机器人领域，如PowerBall机器人。
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