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可在空间站帮宇航员干活,中国灵巧手居世界前列,机器人关键技术

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美国在尖端机器人领域处于领导地位,拥有许多世界领先的机器人技术,研发出各种先进的机器人,例如,波斯顿动力公司的双足机器人,能够作出各种令人惊叹的高难度动作,技术水平可以说是断层第一。但美国宇航局和通用汽车的机器宇航员2号却是用英国影子机器人的灵巧手,该机器人在国际空间站中负责一些危险或重复性的工作,从而减少宇航员工作量,所以机器人需要一双灵巧的双手,才能够胜任各种任务,可以看出英国企业在灵巧手方面具有优势,所以被美国采用了。


机器人产业是日本的优势产业,日本拥有许多世界知名的机器人制造企业,在工业机器人销量方面处于领先地位。但日本的太空机器人项目阿凡达X计划,同样也是用英国影子机器人的灵巧手,该计划是将机器人送往月球或者火星,通过人类远程操控机器人,在其他行星上建立基地,所以机器人需要一双灵活的双手,才能帮助人类建造新的家园。

英国机械手性能出众,所以获得了美国和日本等机器人强国的青睐。英国影子机器人的五指机器人灵巧手,拥有20个可单独控制的自由度,129个内置传感器,24个关节,整体大小与人手一致,方便模仿人类的手部动作,利用扩展指尖传感器和数据手套,可轻易通过遥操作实现远程控制。
影子机器人与触觉传感器公司美国SynTouch、触觉手套公司美国HaptX合作,演示了距离超过5000英里的遥操作,操作人员在加州的动作被同步复制至伦敦的灵巧手上。另外,灵巧手感知到的触觉信息会通过手套同步反馈给操作人员,比如操作人员可以在被蒙住眼睛的情况下,利用触觉手套接收到的触觉信息,操作灵巧手找到并抓取物品。

利用人工智能和机器学习,还可以让影子机器人灵巧手像人类一样的转动魔方,并且还原魔方。美国研究机构OpenAI通过强化学习算法,让虚拟的灵巧手在模拟环境里学习,经过反复训练和试验,再把学到的知识传授给真实的灵巧手,影子机器人灵巧手便成为魔方高手,即便在人类做出一些干扰下,仍能自主还原魔方。

德国作为机械设备领域的强国,除了拥有善于生产机械臂的库卡,还有精于制造机械手的雄克。
德国雄克的五指机器人灵巧手SVH,与人手相似程度极高,装有9个驱动电机,拥有20个关节,20个自由度,电子装置完全集成在腕关节上,弹性手指表面可以确保安全可靠的夹持物体,能够以高灵敏度执行各种抓取操作,甚至能够拾取绣花针。在抓取不规则物体或在不可预见的环境下执行抓取时,SVH手指上的触觉传感器能够提供必要的反馈。
SVH是进博会明星展品,随后获得了国内企业和院校的青睐,产生了很多合作成果。例如,新中国成立70周年庆祝大会中,辽宁彩车上弹琴的机器人,正是雄克与沈阳新松机器人公司合作的成果,雄克提供灵巧手,新松提供机器人,灵巧手的力反馈技术发挥了重要的作用,可以动态感知手指与琴键接触时的细微力变化,从而实时调整动作,献上完美的表演。


另外,利用德国机器人视觉公司IBG的机器人系统,雄克的机械手还能够实现手势控制,甚至可以与人类互动。该机器人系统通过3D相机采集人类的动作,不用配带数据手套,也无需进行编程,机器人就能够复制人类的手部动作,实现手势控制。另外,该机器人系统还能够分析和判断人类的动作,从而与人类握手、碰拳,还有复杂的打招呼手势,以及递东西給人类。


中国作为后发国家,机器人产业起步较晚,但中国机器人灵巧手技术没有落后,而且还走在世界前列。
2001年,哈尔滨工业大学的刘宏教授带领团队,研制出国内第一个具有力矩、位置、温度、指尖力等多种感知功能的机器人灵巧手,填补了中国在该领域的空白。
2006年,刘宏团队研制出微型力矩传感器,该传感器可以检测作用在传感器上的三维力和三维力矩信息,哈尔滨工业大学和德国宇航中心合作的灵巧手就使用了刘宏团队的传感器,该灵巧手的用户包括欧洲宇航局、美国布朗大学以及中德多家大学。
2016年,天宫二号航天员与空间机械手进行了国际首次人机协同在轨维修技术试验,人机协同在轨维修试验是天宫二号三大关键试验任务之一,由哈尔滨工业大学研制的五指灵巧手与航天员协同完成了拆除隔热材料、拿电动工具拧螺钉、在轨遥操作等科学试验。


另外,思灵机器人也研制出非常先进的灵巧手,该灵巧手由4个模块化的手指和1个具有主动对掌功能的拇指组成,每个手指有一个独立自由度和两个耦合自由度,所有的驱动、传动、传感及电气模块均集成在手上,由直流伺服电机和二级减速器驱动各个指节完成运动,能够实现机械自锁,指尖输出力最大可达10牛,每个手指都集成有力传感器和位置传感器,并且可以进行独立控制,通过多传感器融合的抓取算法,确保灵巧手与环境的柔顺接触,实现灵活和精细的抓取。


此外,中国还有多家企业研发高性价比的灵巧手。
北京因时机器人研发出国内首款商业级五指灵巧手,该灵巧手具有6个自由度,采用自主研发的直线伺服驱动技术,每根手指指尖的握力最高可达10牛,重复定位精度达到0.02毫米,采用力位混合控制算法,可以模拟人手实现精准的抓取操作,配有高分辨率的力传感器,可以调整抓取力度,确保不会损坏物品,甚至能够抓取豆腐。
因时机器人与国内企业共同打造出一款面向特种应用的遥操作双臂移动机器人平台,操控端由动作捕捉系统和力反馈外骨骼机械手构成,可以精确采集人体双臂位置信息以及手指的握力信息,并将机器人端的实际受力情况反馈到外骨骼机械手,实现力感知与力传递;机器人端由移动底盘、双臂协作机器人和灵巧手构成,可以在自主运动和远程遥控两种工作模式进行切换,可以应用到变电站、核电站或其它不适合人长期工作的场景中。


苏州钧舵机器人的5公斤级负载三指工业灵巧手,拥有7个自由度,采用了模块化设计,三个手指可实现在线构型重构和调整,手指构型可调整为对指、三指同侧、三指均布等,并采用钧舵专利技术,微型离合机构,用机构自身的适应性来适应工件的外形变化,构型转换和抓取均可在1秒以内完成切换,大大降低了灵巧手的成本和控制难度,目前钧巧系列产品能够操作一根筷子粗细的物品,也可以抓取直径180毫米以上的球体。


深圳蓝胖子机器智能研发出全球首款基于手指模块设计的三指机器人灵巧手,有效解决多指灵巧手成本高、不易维护等问题,该灵巧手拥有各类传感器共42个,每根手指和手掌都配有力触感知单元,可以感知力的大小,也可以获取施力的位置,具有8个自由度,每个自由度都可以独立控制,能够组合出多种手势,可以适应绝大部分物体的抓取需求。另外,蓝胖子还为研究型的客户提供了定制化的五指版本,可用于远程操作任务。

结语
机器人灵巧手在工业生产、服务行业、太空探索、危险作业等领域发挥着越来越重要的作用,灵巧手还可以带动人工智能、感知技术和遥操作等相关技术的发展,中国既有先进的灵巧手技术,也有高性价比的灵巧手产品,在新一轮科技革命中,国产灵巧手可以提升中国的竞争力。

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