手指CAD模型的截面视图(上)和原型对抗变刚度手指机构(下)

中国哈尔滨工业大学的研究团队于2022 年10月14日在《机械工程前沿》杂志上发表了这一研究成果。

机器人通常在不可预测且有时不安全的环境中工作。当多指机械手需要在非结构化环境中工作时，物理碰撞无法避免，例如障碍物快速移动或机器人需要与人类或其他机器人交互的环境。

这些撞击产生的能量会损坏机械手的硬件系统。目前灵巧的手是刚性的，因此很容易受到物理冲击和碰撞的损坏。需要配备能够承受物理冲击的坚固、灵巧手的机器人。研究小组致力于创造一种机器人手指，它可以模仿人类手指的灵巧性，以及吸收和承受物理冲击的能力。这将使灵巧手具有更好的机械鲁棒性，从而解决刚性驱动的灵巧手在非结构化环境中容易受到物理碰撞损坏的问题。

当前涉及机械手的技术使用可变刚度致动器系统。这些系统旨在使机器人手的灵巧特性成为可能。在人体中，肌肉的自然刚度和柔韧性因手头的任务而异。可变刚度致动器根据要执行的任务为机器人手指带来类似人类的灵活性和刚度调整。

可变刚度致动器由两个致动器驱动。这意味着机械手系统必须有两组减速器、驱动装置和传感器。因为可变刚度致动器的复杂性、重量和体积都增加了，所以它不能用作创建紧凑灵巧手的解决方案。

为了克服这些挑战，研究小组开发了一种对抗性可变刚度手指机构。这种手指基于齿轮传动，比目前的电缆驱动灵巧手更可靠，更容易制造和维护。机械坚固的手指基于机械被动顺应性的概念，其中机器人操纵器与刚性环境之间的接触力受到控制。

机械手指可以吸收物理冲击，同时还具有调整其刚度的能力，具体取决于其执行任务的要求。这种手指机构的优点是它提供了可调节的刚度功能和非常紧凑的结构，而无需额外的执行器的重量和复杂性。

该团队开发的手指原型重480克，由合金材料和3D打印材料制成。该团队对手指进行了一系列抓握和操作测试。他们使用各种不同大小的典型物体——圆柱形物体、矩形物体和球形物体——来测试手指的抓握能力。

事实证明，它们的手指机制在承受物理冲击方面很强大，同时在力量、抓握和操纵方面也表现出色。

展望未来的研究，该团队计划提高手指的刚度调节范围，同时努力使其尺寸和重量更紧凑。最终目标是设计和制造完整灵巧的手。该研究对于提高灵巧手在非结构化环境或物理交互任务中的操作水平具有非常重要的意义。