机械手是安装在机器人末了的执行器,由操纵工具来分类机械手可分为简朴机械手和机灵机械手。
简朴机械手平常自由度少,被普遍应用于工业场景中的工件夹与使命。而乖巧机械手具有多自由度,集成了更富厚的传感器,可适用于更多庞杂外形物体的抓与和操纵使命。
可是,传统的机灵机械手正在空间活动时,会碰到活动冗余和奇特题目。为了使得机械手正在空间可以发生多自由度的活动的与此同时幸免奇特点,克日,哈佛大学机械工程专业博士生康纳·麦肯(Connor M. McCann)等人提出一种新型的六自由度机灵机械手,并进行了相干的抓取实验测试,让机械手可轻松实现抓取积木塞入木盒中等操纵。
动图 | 机械手实行木块插入义务(根源:IEEE Robotics & Automation Magazine)
相干研讨论文发表于机器人期刊 IEEE Robotics & Automation Magazine 上,标题问题为《基于 Stewart-Gough 平台的高度灵便、六自由度机械手》(The Stewart Hand: A Highly Dexterous, Six-Degrees-of-Freedom Manipulator based on the Stewart-Gough Platform)。
图 | 相干论文(来历:IEEE Robotics & Automation Magazine)
早正在 1955 年,斯图尔特·高夫(Stewart Gough)等人就提出六自由度 Gough-Stewart 平台,并将其初次应用正在轮胎检验体系。而正在 1965 年,英国学者 D. 斯图尔特(D. Stewart)基于这类布局,正在 SAGE Journals 出版社旗下的 Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers 期刊上宣布了论文《六自由度平台》(A Platform with Six Degrees of Freedom)。
图 | 机械手抓取不一样外形的物体以插入盒子 (泉源:IEEE Robotics & Automation Magazine)
与此同时为了记念高夫对此平台的进献,目下当今一样平常称这类平台为 Gough-Stewart 平台。Gough-Stewart 并联平台相比于串连平台,具有高精度、大刚度、高承载才能、活动惯性小、静态特征好等特性,因而被广泛地应用于各类定位平台、并联机床、隔振平台、工业机器人、和医疗设备等行业。
而不一样用处的 Stewart-Gough 平台构型设计还不一样,作为隔振平台时,一样平常会挑选 3-3 构造情势(高低各三个毗连支点),该构造情势的特点是各歧路之间正交,有利于活动解耦、以及对机械手的操纵。
图 | 基于 Gough-Stewart 构型 6 自由度机械手(起原:IEEE Robotics & Automation Magazine)
构型设计
正在本次研讨中,哈佛大学的康纳·麦肯(Connor M. McCann)等人基于 Gough-Stewart 3-3 构型研讨出了机械手,该机构由三个连杆手指和六个驱动器构成。每一个手指由一个平面连杆,一个旋转枢纽(迁移转变副)和一个球形枢纽(球面低副)构成。
为了幸免发生冗余的束缚,该机构还搭配了浮动滑轮差速器,差速器将这三个枢纽连收到扭转驱动器上。当要抓取物体时,只需要操纵扭转驱动器的扭矩值便可实现。是以,机械手的全部操纵全是基于六个驱动器的活动。
为了实现闭环节制,该团队安装了电位计传感器适用于测量机械手指根部旋转关节的角度,以判定所抓取物体的外形和巨细,进而能够经过向驱动器收回位置指令来施行抓取操纵,以实现闭环节制。动图 | 机械手节制小球由迷宫进口滚动到出口(起原:IEEE Robotics & Automation Magazine)
构型优化
为此 Gough-Stewart 平台的布局情势直接影响到机械手的事情空间、活动性能和静态特征等。研究人员对机械手的手掌半径值、球形枢纽法向偏移量、手掌平面中丈量的手指基角值、和驱动器路程 4 个变量进行了寻优参数组合设计,终极肯定了最优的参数组合,并且在仿真实验中获取了机械手活动空间包络图。
图 | 机械手的活动空间(来历:IEEE Robotics & Automation Magazine)
拿捏实验
正在完成优化设计后,为了测试机械手的性能,研讨人员对其进行了抓取实验研讨。正在实验中,机械人抓取计划的方针是正在机械人手和待抓取物体的构型空间中探求适宜的接触点,实现稳固的抓取操纵,而挑选不一样的抓取工具有利于评价不一样的尺寸和外形关于机械手的抓取结果。
图 | (a)机械手抓取的目的工具;(b)机械手正在抓取差别工具时的活动规模(泉源:IEEE Robotics & Automation Magazine)
正在实验预备阶段,研究人员倾斜安排立方体盒子以提升操纵使命的复杂性,盒子中的孔相对相应的外形块间隙很小,是以需要正在插入木块之前将木块和孔开展切确对齐。
正在实验中,研究人员须要按照机械手的活动姿势来节制机械手抓取木块,人为地节制木块定位正在立方体盒子上方,进而操纵机械手将四种外形的木块插入到各自外形的孔中,进一步说清楚明了此范例的机械手能够抓取多种外形不规则物体。
别的,研究人员还进行了小球迷宫玩具实验,经过操控机械手来调解迷宫的空间姿势,进而让小球由迷宫进口达到出口。
动图 | 机械手抓取分歧物体(起原:IEEE Robotics & Automation Magazine)
归纳综合而言,因为其具有高分辨力、大刚度和很强的稳定性,基于这类构型的机器手有望适用于医疗设备,与此同时有助于将并联机构应用在机器手的设计。对照于传统的高贵的工场机器臂,这类范例的机器手能够履行更机灵的义务。