助工業(yè)一“臂”之力

一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了能在運(yùn)動(dòng)范圍、靈活性和靈敏度等方面模擬人手的機(jī)械手原型。借助壓電機(jī)械技術(shù)和液壓技術(shù)，這種機(jī)械手有可能在要求*靈敏度和驚人力量的應(yīng)用中大顯身手。

人手真是一個(gè)絕妙的系統(tǒng)——在其解剖組織結(jié)構(gòu)中，韌帶、腱和肌肉連接著27塊骨骼，讓它能夠做出多種多樣的動(dòng)作。人手能夠以恰到好處的靈敏度和靈活性握住諸如鑷子等小東西， 也可以用很大力量來(lái)移動(dòng)沉重的物體。人手擁有非常廣泛的能力，其中就包括高精度抓取。正是靠著這種能力，人類(lèi)才可以做出如書(shū)寫(xiě)等的特殊動(dòng)作。

為了復(fù)制這些能力，慕尼黑西門(mén)子*研究院的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，正在與總部設(shè)在倫敦的Shadow Robot公司合作。后者專(zhuān)門(mén)研發(fā)擬人機(jī)械手及相關(guān)系統(tǒng)。

四根手指 研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了一種技術(shù)，它讓機(jī)械手比以往任何時(shí)候都更接近于擁有像人手一樣的靈敏度和靈活性。這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵是新型有線線性執(zhí)行器系統(tǒng)。

西門(mén)子*研究院的工作核心是將安裝在機(jī)械手手指上的傳感器與機(jī)械手前臂內(nèi)的一系列西門(mén)子執(zhí)行器連接起來(lái)。這些執(zhí)行器為機(jī)械手執(zhí)行各式各樣的動(dòng)作創(chuàng)造了條件。

有了這個(gè)系統(tǒng)，研究人員可以開(kāi)發(fā)出擁有四根手指和腕部、并能在20度范圍內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。它能模擬人手所有抓取動(dòng)作，比傳統(tǒng)的兩根手指的“鉗子”機(jī)械手向前跨出了一大步。項(xiàng)目研究人員利用西門(mén)子*研究院開(kāi)發(fā)的壓電液壓技術(shù)原理，模擬人手的各種動(dòng)作。Georg Bachmaier博士表示：“為了讓機(jī)械手有更多不同應(yīng)用，它需要使用適當(dāng)?shù)牧α亢退俣?。只有?shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，機(jī)械手才能執(zhí)行要求精細(xì)運(yùn)動(dòng)技能的任務(wù)。”Bachmaier與他的同事Iason Vittorias博士和Wolfgang Zöls博士一同在西門(mén)子*研究院機(jī)電一體化系統(tǒng)研究小組中負(fù)責(zé)自主式系統(tǒng)硬件研發(fā)。

新的執(zhí)行器可以通過(guò)設(shè)置，讓它的機(jī)械阻抗快速而輕柔地運(yùn)作，從而確保安全。這樣一來(lái)，機(jī)械手就可以十分靈敏地執(zhí)行極為精細(xì)的動(dòng)作。在執(zhí)行這些動(dòng)作的過(guò)程中，Shadow Robot提供的傳感器可將每個(gè)關(guān)節(jié)的位置以及指尖上施加的壓力等信息，發(fā)送給分布在機(jī)械手上的執(zhí)行器。其中的關(guān)鍵是手指上的傳感器與安裝在機(jī)械手前臂內(nèi)的西門(mén)子有線執(zhí)行器串之間的連接。根據(jù)機(jī)械手的位置和指尖上施加的壓力等信息，系統(tǒng)可以執(zhí)行目標(biāo)任務(wù)。這意味著，執(zhí)行器能讓手指以的適量壓力，執(zhí)行適當(dāng)動(dòng)作。然而，它們也可以施加巨大力量，因?yàn)楦南到y(tǒng)控制設(shè)置就可以迅速改變機(jī)械手的行為，讓執(zhí)行器提高強(qiáng)度，從而傳遞大得多的力量。

西門(mén)子*研究院研發(fā)的技術(shù)讓擬人機(jī)械手擁有了類(lèi)似于人手的運(yùn)動(dòng)和響應(yīng)能力。

機(jī)械手配備了感測(cè)和運(yùn)動(dòng)技術(shù)。得益于此，它可以拾起一朵花而不對(duì)花造成傷害。

半自主式擬人機(jī)械手可以在工業(yè)界開(kāi)辟出新的道路。

無(wú)限應(yīng)用
這一進(jìn)展的背后是壓電機(jī)械技術(shù)和液壓技術(shù)的組合。特定電壓導(dǎo)致壓電晶體輕微偏斜。而液壓系統(tǒng)可將這些輕微動(dòng)作的動(dòng)作距離放大至20 mm。執(zhí)行器的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是擁有金屬外殼，它可以保證所有液壓油均裝在系統(tǒng)內(nèi)。因而，工程師僅需為執(zhí)行器提供電源，而不必提供液壓油。此外，金屬外殼可保護(hù)執(zhí)行器不受灰塵、潮濕或化學(xué)品等環(huán)境因素的影響。

像人手一樣的機(jī)械手有可能實(shí)現(xiàn)極為精細(xì)的動(dòng)作和壓力水平，這將為工業(yè)界開(kāi)創(chuàng)許多新的可能。例如，在與自主系統(tǒng)結(jié)合方面，配備這種機(jī)械手的機(jī)器人系統(tǒng)可以在人類(lèi)會(huì)造成破壞或可能陷入危險(xiǎn)的區(qū)域，執(zhí)行目前只能依靠人類(lèi)的手工技能來(lái)完成的任務(wù)。這樣的環(huán)境包括微芯片和半導(dǎo)體行業(yè)的無(wú)塵室，制藥、化工和食品等行業(yè)的實(shí)驗(yàn)室，以及化工行業(yè)潛在的有害健康的環(huán)境。

然而，機(jī)械手產(chǎn)生影響zui為深遠(yuǎn)的應(yīng)用領(lǐng)域或許是制造業(yè)。制造業(yè)歷來(lái)使用防護(hù)欄將機(jī)器人與人類(lèi)分隔開(kāi)。由于傳感器技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人變得更加靈敏，能夠檢測(cè)出人類(lèi)并避免傷害。隨著機(jī)器人的發(fā)展，它們將逐步走向自主化。一旦配備類(lèi)似人手的機(jī)械手，它們未來(lái)很有可能可以與人類(lèi)并肩工作。

Vittorias表示：“壓電機(jī)械手實(shí)現(xiàn)了過(guò)去只有人手才能實(shí)現(xiàn)的率和靈活性。”這一創(chuàng)新名副其實(shí)地使工業(yè)環(huán)境中人類(lèi)與機(jī)器人的合作變得“觸手可及”。研究人員希望在2016年底推出機(jī)械手樣品。

Susanne Gold

發(fā)布日期：2016年7月