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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 新型柔性五指靈巧手
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 本作品為一款柔性的五指靈巧手，能夠?qū)崿F(xiàn)人手的基本動(dòng)作，完成簡(jiǎn)單的操作。 本靈巧手通過(guò)研究人手的醫(yī)學(xué)解剖結(jié)構(gòu)，最終尺寸與正常成年男子左手的尺寸十分接近，自由度可以達(dá)到32個(gè)。可以應(yīng)用在極限或有害環(huán)境下幫助人類有效地從事科研、生產(chǎn)等活動(dòng)；在服務(wù)方面，由于擬人型造型，本作品比其他機(jī)器手更容易被人們所接受；醫(yī)學(xué)上，設(shè)計(jì)制造接近正常人手尺寸的靈巧手，有利于為手部殘疾的患者更好的假肢提供技術(shù)參考。
- 詳細(xì)介紹：
- 靈巧手一般的是自由度不少于9，手指數(shù)不小于3的機(jī)械手。多指靈巧手特別是五指靈巧手是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，作為仿生學(xué)和機(jī)器人學(xué)的產(chǎn)物，靈巧手具有人手一些外形特征和功能，能夠模擬人手很多的復(fù)雜動(dòng)作，因而能夠在多個(gè)方面替代人手在一些極端環(huán)境下作業(yè)，在提高人類生產(chǎn)效率等方面高的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)外對(duì)于仿人靈巧手的研究現(xiàn)在對(duì)于多自由度和高仿人性方面目前的技術(shù)還不是很成熟，特別是國(guó)內(nèi)具有高仿人性和多自由度（24個(gè)及以上）的柔性靈巧手還處于空白。 本作品通過(guò)研究人手的醫(yī)學(xué)解剖結(jié)構(gòu)利用精巧的機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與人手幾乎一樣的柔性和自由度，通過(guò)電子電路和控制算法實(shí)現(xiàn)模擬人手動(dòng)作的功能，在空間探測(cè)、工業(yè)生產(chǎn)、娛樂等各個(gè)領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。同時(shí)此項(xiàng)研究在填補(bǔ)國(guó)內(nèi)多自由度五指靈巧手領(lǐng)域的空白具有重要意義。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的及基本思路：本作品旨在通過(guò)研究人手的醫(yī)學(xué)解剖結(jié)構(gòu)利用微型直流電機(jī)、傳感器、機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制電路，結(jié)合控制算法制作一款能夠應(yīng)用于靈巧操作研究和相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的新型柔性五指靈巧手。 創(chuàng)新點(diǎn)和技術(shù)關(guān)鍵： 1.靈巧手的尺寸、形態(tài)與人手基本一致，其中自由度有32個(gè)是目前五指靈巧手中自由度數(shù)最多的。 2.在靈巧手的自由度中引入了被動(dòng)自由度，在傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上使用了腱傳動(dòng)使得該作品有了更好的柔性和擬人性。 3.靈巧手運(yùn)動(dòng)控制上采用雙電機(jī)拮抗式控制，從而克服腱在遠(yuǎn)距離傳動(dòng)時(shí)易松弛的缺點(diǎn)。 4.靈巧手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中無(wú)螺絲便于拆卸，修理。 5.靈巧手腕部采用獨(dú)特的設(shè)計(jì)是腕部?jī)蓚€(gè)自由度的中心軸線正交，獲得良好的控制特性。 主要技術(shù)性能： 控制性能：手指末端階躍響應(yīng)時(shí)間0.3s，穩(wěn)態(tài)誤差1.6%，超調(diào)量為0%。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 國(guó)外有關(guān)靈巧手的研究比較早，各具特色的靈巧手層出不窮，現(xiàn)在比較知名的有23款。完全仿人體解剖結(jié)構(gòu)的ACT Hand，它的電機(jī)、傳感器分布因模擬人體而變得異常復(fù)雜，使得安裝和維護(hù)變得相對(duì)困難。今年來(lái)國(guó)內(nèi)靈巧手領(lǐng)域也在迅速發(fā)展，比較著名的包括北京某高校的BH系列靈巧手和哈爾濱某高校的DLR系列靈巧手等，但國(guó)內(nèi)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的靈巧手大多采用欠驅(qū)動(dòng)或者驅(qū)動(dòng)裝置數(shù)量等于自由度數(shù)的驅(qū)動(dòng)方式，在傳動(dòng)上也采用過(guò)腱傳動(dòng)方式，但腱傳動(dòng)系統(tǒng)存在的大量缺點(diǎn)限制了它的大量應(yīng)用。人們選擇將電機(jī)置入手內(nèi)以克服腱傳動(dòng)的缺點(diǎn)，但這樣會(huì)限制手部自由度數(shù)量，也就限制了靈活性。新型柔性五指靈巧手采用無(wú)螺絲的機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以在不完全拆除手上其他部件的情況下對(duì)傳感器校零、拆卸腱，將靈巧手的維護(hù)變得簡(jiǎn)單。并且設(shè)計(jì)了方便調(diào)試和使用的上位機(jī)軟件界面，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)操控和調(diào)試。較之現(xiàn)有的產(chǎn)品具有一定的技術(shù)和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- （2011年5月）在某校第十七屆“五四杯”課外科技作品競(jìng)賽中獲一等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 實(shí)物、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、錄像
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明見附件 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 1.在整體技術(shù)方案上，綜合分析不同組合的方案，模擬人手骨骼分布，提出較之之前的靈巧手自由度更多（32個(gè)）且綜合性能優(yōu)良的五指靈巧手最優(yōu)方案； 2.驅(qū)動(dòng)方式模擬人的生理特點(diǎn)，采用筋腱牽拉的方式控制手指運(yùn)動(dòng)，動(dòng)作平滑具有柔性； 3.在控制方式上對(duì)電機(jī)采用雙電機(jī)拮抗式控制，很好地解決了腱傳動(dòng)中松弛的情況。 使用范圍和推廣前景： 1.在空間探測(cè)方面，五指靈巧手可以代替宇航員在惡劣危險(xiǎn)的太空環(huán)境中進(jìn)行復(fù)雜作業(yè)，還可以安裝在太空智能機(jī)器人的臂上，獨(dú)立到艙外進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間困難而危險(xiǎn)的作業(yè)。 2.在生產(chǎn)生活方面，可以為人工智能、遙控操作等方面的科研工作提供幫助，還可以成為一些地面機(jī)器人的手，在核環(huán)境以及生化環(huán)境中作業(yè)等，具有廣闊的應(yīng)用空間。 市場(chǎng)分析與經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)： 該作品高度仿人，能替代人完成很多一般機(jī)械手不能完成的任務(wù)，在空間探測(cè)和工業(yè)生產(chǎn)中有廣泛的應(yīng)用。在服務(wù)和娛樂領(lǐng)域人形機(jī)器人越來(lái)越受到關(guān)注，該作品能夠集成在人形機(jī)器人上，市場(chǎng)巨大、利潤(rùn)空間廣闊。
同類課題研究水平概述
- 經(jīng)過(guò)調(diào)研，多指靈巧手特別是五指靈巧手是國(guó)內(nèi)外研究的熱門。靈巧手一般指自由度不少于9、手指數(shù)不小于3的機(jī)械手。作為仿生學(xué)和機(jī)器人學(xué)的產(chǎn)物，靈巧手具有人手一些外形特征和功能，通過(guò)模擬人類的運(yùn)動(dòng)、感知、控制方面的仿生，實(shí)現(xiàn)模擬人手的運(yùn)動(dòng)。 國(guó)內(nèi)外研究 國(guó)外已經(jīng)先后研發(fā)出23款最為成功的機(jī)械手臂，他們?cè)谘芯糠较蛏细饔袀?cè)重。其中幾款在仿人性上有一定的突破，其自由度和功能與人手接近，如“陰影”機(jī)械手。但是包含人手幾乎全部自由度，像人手一樣具有柔性的五指靈巧手還是少數(shù)，例如ACT機(jī)械手，但是技術(shù)還不成熟。 國(guó)內(nèi)的一些科研機(jī)構(gòu)近些年也進(jìn)行了靈巧手的研究，但是主要偏重實(shí)際應(yīng)用或者單純的為了實(shí)現(xiàn)做算法研究，幾乎沒有從仿生角度出發(fā)的。例如北京某高校的BH系列的靈巧手和哈爾濱某高校的DLR系列靈巧手。國(guó)內(nèi)的仿人手都實(shí)現(xiàn)了手指的屈伸，但是在仿人性上還有很多欠缺，更不用說(shuō)柔性。所以目前在國(guó)內(nèi)，具有高仿人性的多自由度的柔性五指靈巧手還出于空白。
