機械手是安裝在機器人末端的執(zhí)行器，從操作對象來分類機械手可分為簡單機械手和靈巧機械手。

簡單機械手通常自由度少，被廣泛應用于工業(yè)場景中的工件夾取任務。而靈巧機械手具有多自由度，集成了更豐富的傳感器，可適用于更多復雜形狀物體的抓取和操作任務。

但是，傳統(tǒng)的靈巧機械手在空間運動時，會遇到運動冗余以及奇異問題。為了使得機械手在空間能夠產(chǎn)生多自由度的運動的同時避免奇異點，近日，哈佛大學機械工程專業(yè)博士生康納·麥肯(Connor M. McCann)等人提出一種新型的六自由度靈巧機械手，并進行了相關的抓取實驗測試，讓機械手可輕松實現(xiàn)抓取積木塞入木盒中等操作。

相關研究論文發(fā)表于機器人期刊IEEE Robotics & Automation Magazine上，題目為《基于 Stewart-Gough 平臺的高度靈巧、六自由度機械手》(The Stewart Hand: A Highly Dexterous, Six-Degrees-of-Freedom Manipulator Based on the Stewart-Gough Platform)。

早在1955年，工程師高夫( Gough)等人就提出了六自由度Gough-Stewart平臺，并將其首次應用在輪胎檢測系統(tǒng)。而在1965年，英國學者 D. 斯圖爾特(D. Stewart)基于這種結構，在 SAGE Journals 出版社旗下的 Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers 期刊上發(fā)表了論文《六自由度平臺》(A Platform with Six Degrees of Freedom)。

圖 | 機械手抓取不同形狀的物體以插入盒子 (來源：IEEE Robotics & Automation Magazine)

同時為了紀念高夫?qū)Υ似脚_的貢獻，現(xiàn)在一般稱這種平臺為 Gough-Stewart 平臺。Gough-Stewart 并聯(lián)平臺相比于串聯(lián)平臺，擁有高精度、大剛度、高承載能力、運動慣性小、動態(tài)特性好等特點，因此被廣泛地應用于各種定位平臺、并聯(lián)機床、隔振平臺、工業(yè)機器人、以及醫(yī)療設備等領域。

而不同用途的 Stewart-Gough 平臺構型設計也不同，作為隔振平臺時，一般會選擇3-3結構形式(上下各三個連接支點)，該結構形式的特點是各支路之間正交，有利于運動解耦、以及對機械手的控制。

構型設計

在本次研究中，哈佛大學的康納·麥肯(Connor M. McCann)等人基于 Gough-Stewart 3-3構型研究出了機械手，該機構由三個連桿手指和六個驅(qū)動器組成。每個手指由一個平面連桿，一個旋轉關節(jié)(轉動副)和一個球形關節(jié)(球面低副)組成。

為了避免產(chǎn)生冗余的約束，該機構還搭配了浮動滑輪差速器，差速器將這三個關節(jié)連接到旋轉驅(qū)動器上。當要抓取物體時，只需要控制旋轉驅(qū)動器的扭矩值就可實現(xiàn)。因此，機械手的所有操作都是基于六個驅(qū)動器的運動。

為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，該團隊安裝了電位計傳感器用于測量機械手指根部旋轉關節(jié)的角度，以判斷所抓取物體的形狀和大小，從而可以通過向驅(qū)動器發(fā)出位置指令來執(zhí)行抓取操作，以實現(xiàn)閉環(huán)控制。

動圖 | 機械手控制小球從迷宮入口滾動到出口(來源：IEEE Robotics & Automation Magazine)

構型優(yōu)化

為此 Gough-Stewart 平臺的結構形式直接影響到機械手的工作空間、運動性能以及靜態(tài)特性等。研究人員對機械手的手掌半徑值、球形關節(jié)法向偏移量、手掌平面中測量的手指基角值、和驅(qū)動器行程4個變量進行了尋優(yōu)參數(shù)組合設計，最終確定了最優(yōu)的參數(shù)組合，并且在仿真實驗中獲取了機械手運動空間包絡圖。

圖 | 機械手的運動空間(來源：IEEE Robotics & Automation Magazine)

拿捏實驗

在完成優(yōu)化設計后，為了測試機械手的性能，研究人員對其進行了抓取實驗研究。在實驗中，機器人抓取規(guī)劃的目標是在機器人手和待抓取物體的構型空間中尋找合適的接觸點，實現(xiàn)穩(wěn)定的抓取操作，而選擇不同的抓取對象有利于評估不同的尺寸和形狀對于機械手的抓取效果。

圖 | (a)機械手抓取的目標對象;(b)機械手在抓取不同對象時的運動范圍(來源：IEEE Robotics & Automation Magazine)

在實驗準備階段，研究人員傾斜放置立方體盒子以增加操作任務的復雜性，盒子中的孔相對于相應的形狀塊間隙很小，因此需要在插入木塊之前將木塊和孔進行精確對齊。

在實驗中，研究人員需要根據(jù)機械手的運動姿態(tài)來控制機械手抓取木塊，人為地控制木塊定位在立方體盒子上方，從而操作機械手將四種形狀的木塊插入到各自形狀的孔中，進一步說明了此類型的機械手可以抓取多種形狀不規(guī)則物體。

此外，研究人員還進行了小球迷宮玩具實驗，通過操控機械手來調(diào)整迷宮的空間姿態(tài)，從而讓小球從迷宮入口到達出口。

動圖 | 機械手抓取不同物體(來源：IEEE Robotics & Automation Magazine)

概括來說，由于其具有高分辨力、大剛度和很強的穩(wěn)定性，基于這種構型的機械手有望用于醫(yī)療設備，同時有助于將并聯(lián)機構應用在機械手的設計。對比于傳統(tǒng)的昂貴的工廠機械臂，這種類型的機械手可以執(zhí)行更靈巧的任務。

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關鍵詞： 新型的 六自由度 靈巧 機械手