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对于30种机械手的归类与分析

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发表于 2019-1-16 14:28:20 | 显示全部楼层 |阅读模式
这篇文章是接着之前三篇《常见仿人机械手种类介绍与性能展示》后的总结与归纳,希望能在如下三点做一个拔高的整体讨论与陈述:
1. 机械手的欠驱动和全驱动方案选择;
2. 机械手的传动方案选择;
3. 机械手的仿生与紧凑性设计
也正如这篇短文题目所言,我将通过机械手在不同应用领域——假肢机械手(PROSthetic Hand)和机器人机械手(Robotics Hand)的分类,来更有逻辑性地展开文章讨论。首先是分类如下:

如上图所示,在不完全统计的30种常见的仿人机械手:
机器人应用领域(Robotics):24种,其中有6种为商业产品(Schunk Shadow Festo Barrett Allegro Robotiq),其余18种为出自高校及研究所的科研成果;
假肢应用领域(Prosthetic):6种,皆为商业产品;
(注:其中Pisa/IIT和Washington Hand也同时具有假肢领域应用的潜力,根据目前的主要应用成果,将其归为Robotics)

欠驱动和全驱动方案选择:



虽然说一直以来关于欠驱动或者全驱动机械手的选择一直都是一个各方面性能的权衡与比较,但在这30款不完全统计的机械手中,欠驱动机械手所占的比例实在太高:有26款的机械手采取了欠驱动的方案。
结论:这是世界上整个机械手研究的Community做出的选择——欠驱动机械手在现有的技术条件下,是更优的选择。
(注:Schunk和DLR-IIT从严格意义上来说也该属于欠驱动机械手。但是其设计更优化:即在某些功能性需求较高的手指,诸如食指(Index)和大拇指(Thumb)采取了全驱动的设计,而在其余手指采取了欠驱动的设计。因此在统计上,我将这两款机械手放在了两类之间。)

机械传动结构:



机械手机械传动机构的选择对于机械手设计至关重要:一方面,其决定了机械设计的难易、复杂程度以及成本,另外一方面则直接影响机械手传动的效率和可靠性。

首先我们能够看到,在所有的30种统计到的机械手种,有15种机械手的机械传动结构是Tendon Driven,即线传动,因此Tendon Driven算是较为普遍传动方式的选择。
但这15种Tendon Driven (线传动)的机械手,无一例外都是属于机器人领域应用,且只有Shadow Hand这一款机械手是商业产品,其余都是出自高校和实验室。
而在假肢应用领域的机械手种,Tendon Driven则没有被任何一款机械手采用。
(注:如Schunk Hand同时采用了连杆和齿轮的传动方案,因此放在两个方案圆圈的交汇处)
结论:
从30款机械手的统计结果和我两年的时间里设计两款机械手的经验来看,在传动方式的选择上:Tendon Driven(线驱动)给机械手这样一个狭小、精密空间的传动设计上带来了极大的灵活性,一定程度上可以极大简化设计难度和系统的复杂性,但在现有的技术条件下,其传动的可靠性与传动的效率都要远远劣于传统的传动方式——连杆、蜗轮蜗杆、齿轮齿条、带传动以及滚珠丝杠等。
简单来说:对于高校及研究所这类刚起步需要设计机械手的情况,Tendon Driven不失为一种很好的选择。但作为企业层面的产品(注重可靠性),更加推荐选择传统传动方式——连杆、蜗轮蜗杆、齿轮齿条、带传动以及滚珠丝杠等。

仿生和紧凑性设计:




仿生(Anthropomorphic):简单来说,就是机械手的设计是否像真实的人手。这一点对于未来产品化和市场化非常重要;
紧凑性(Compact):整体机电系统设计的集成度和紧凑度,具体体现在驱动电路和电机是否独立集成在机械手本体上。这点对于机械手是否能够方便集成在机器人或者应用于残障人士作为假肢也有着重要意义;
简单来说从上图种可以看到:假肢领域应用的机械手在这两点性能上要远优于机器人领域应用的机械手。
而在机器人领域应用的机械手中,我又大致分成了如下四类:
1. 蓝色区域:同时具有良好的仿生和紧凑性设计的机械手;
2. 红色区域:具有良好的仿生设计,但系统的紧凑性程度不高的机械手,多为全驱动机械手和DoA数目较多的欠驱动机械手;
3. 绿色区域:具有良好紧凑性,但拟人化一般的机械手,这类机械手多为高校、研究所自行设计研究的科研产物;
4. 黄色区域:具有良好紧凑型,但拟人化设计较差的机械手,这类机械手更多关注设计的低成本与可靠性,为了达到高功能性而牺牲了拟人化的性能。
关于假肢领域应用的机械手在这两点性能上要远优于机器人领域应用的机械手的原因,我个人的观点如下:
· 假肢领域应用的机械手基本都是出自于公司,而机器人领域应用的机械手大多出自于高校/实验室,小部分出自于公司作为商业产品。要承认目前大多数机器人研究所/高校,在这类硬件系统的设计和集成的能力与技术上要落后于相应的机器人公司,或者换一个角度来说,研究所一般是1-2个PhD加上博后负责一个机械手项目的设计与研发,而公司则可能是一个几十人的队伍(经验丰富的工程师)全职负责项目研发,研发投入上差距就可见一斑。
· 市场定位的区别。即使是应用在机器人领域的商业机械手(诸如Shadow Hand、Schunk Hand、Festo、Robotiq等),其面对的市场仍然是研究所/高校与工业界等。而相比假肢领域应用的机械手面向的市场是实打实的“人”,具体来说是遭遇不幸的残障人士,其对仿生程度和紧凑性设计的要求是非常高的。简单来说,没有人会选择一个看上去根本不像人手,且佩戴繁琐又重达5kg的“机械手”作为假肢。
结论:机器人领域应用的机械手,需要在兼顾功能性、成本的同时,提升在仿生和紧凑性设计上的性能。
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