基本信息
- 項目名稱：
- 新型柔性五指靈巧手
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品為一款柔性的五指靈巧手，能夠實現人手的基本動作，完成簡單的操作。 本靈巧手通過研究人手的醫(yī)學解剖結構，最終尺寸與正常成年男子左手的尺寸十分接近，自由度可以達到32個?？梢詰迷跇O限或有害環(huán)境下幫助人類有效地從事科研、生產等活動；在服務方面，由于擬人型造型，本作品比其他機器手更容易被人們所接受；醫(yī)學上，設計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參考。
- 詳細介紹：
- 靈巧手一般的是自由度不少于9，手指數不小于3的機械手。多指靈巧手特別是五指靈巧手是國內外研究的熱點，作為仿生學和機器人學的產物，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雜動作，因而能夠在多個方面替代人手在一些極端環(huán)境下作業(yè)，在提高人類生產效率等方面高的應用前景。國內外對于仿人靈巧手的研究現在對于多自由度和高仿人性方面目前的技術還不是很成熟，特別是國內具有高仿人性和多自由度（24個及以上）的柔性靈巧手還處于空白。 本作品通過研究人手的醫(yī)學解剖結構利用精巧的機械結構實現與人手幾乎一樣的柔性和自由度，通過電子電路和控制算法實現模擬人手動作的功能，在空間探測、工業(yè)生產、娛樂等各個領域具有良好的發(fā)展前景。同時此項研究在填補國內多自由度五指靈巧手領域的空白具有重要意義。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 目的及基本思路：本作品旨在通過研究人手的醫(yī)學解剖結構利用微型直流電機、傳感器、機械結構、控制電路，結合控制算法制作一款能夠應用于靈巧操作研究和相關技術領域的新型柔性五指靈巧手。 創(chuàng)新點和技術關鍵： 1.靈巧手的尺寸、形態(tài)與人手基本一致，其中自由度有32個是目前五指靈巧手中自由度數最多的。 2.在靈巧手的自由度中引入了被動自由度，在傳動結構上使用了腱傳動使得該作品有了更好的柔性和擬人性。 3.靈巧手運動控制上采用雙電機拮抗式控制，從而克服腱在遠距離傳動時易松弛的缺點。 4.靈巧手結構設計中無螺絲便于拆卸，修理。 5.靈巧手腕部采用獨特的設計是腕部兩個自由度的中心軸線正交，獲得良好的控制特性。 主要技術性能： 控制性能：手指末端階躍響應時間0.3s，穩(wěn)態(tài)誤差1.6%，超調量為0%。
科學性、先進性
- 國外有關靈巧手的研究比較早，各具特色的靈巧手層出不窮，現在比較知名的有23款。完全仿人體解剖結構的ACT Hand，它的電機、傳感器分布因模擬人體而變得異常復雜，使得安裝和維護變得相對困難。今年來國內靈巧手領域也在迅速發(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，但國內由電機驅動的靈巧手大多采用欠驅動或者驅動裝置數量等于自由度數的驅動方式，在傳動上也采用過腱傳動方式，但腱傳動系統存在的大量缺點限制了它的大量應用。人們選擇將電機置入手內以克服腱傳動的缺點，但這樣會限制手部自由度數量，也就限制了靈活性。新型柔性五指靈巧手采用無螺絲的機械結構，可以在不完全拆除手上其他部件的情況下對傳感器校零、拆卸腱，將靈巧手的維護變得簡單。并且設計了方便調試和使用的上位機軟件界面，可實現實時操控和調試。較之現有的產品具有一定的技術和應用優(yōu)勢。
獲獎情況及鑒定結果
- （2011年5月）在某校第十七屆“五四杯”課外科技作品競賽中獲一等獎。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、現場演示、圖片、錄像
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 使用說明見附件 技術特點和優(yōu)勢： 1.在整體技術方案上，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）且綜合性能優(yōu)良的五指靈巧手最優(yōu)方案； 2.驅動方式模擬人的生理特點，采用筋腱牽拉的方式控制手指運動，動作平滑具有柔性； 3.在控制方式上對電機采用雙電機拮抗式控制，很好地解決了腱傳動中松弛的情況。 使用范圍和推廣前景： 1.在空間探測方面，五指靈巧手可以代替宇航員在惡劣危險的太空環(huán)境中進行復雜作業(yè)，還可以安裝在太空智能機器人的臂上，獨立到艙外進行長時間困難而危險的作業(yè)。 2.在生產生活方面，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，具有廣闊的應用空間。 市場分析與經濟效益預測： 該作品高度仿人，能替代人完成很多一般機械手不能完成的任務，在空間探測和工業(yè)生產中有廣泛的應用。在服務和娛樂領域人形機器人越來越受到關注，該作品能夠集成在人形機器人上，市場巨大、利潤空間廣闊。
同類課題研究水平概述
- 經過調研，多指靈巧手特別是五指靈巧手是國內外研究的熱門。靈巧手一般指自由度不少于9、手指數不小于3的機械手。作為仿生學和機器人學的產物，靈巧手具有人手一些外形特征和功能，通過模擬人類的運動、感知、控制方面的仿生，實現模擬人手的運動。 國內外研究 國外已經先后研發(fā)出23款最為成功的機械手臂，他們在研究方向上各有側重。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，例如ACT機械手，但是技術還不成熟。 國內的一些科研機構近些年也進行了靈巧手的研究，但是主要偏重實際應用或者單純的為了實現做算法研究，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。國內的仿人手都實現了手指的屈伸，但是在仿人性上還有很多欠缺，更不用說柔性。所以目前在國內，具有高仿人性的多自由度的柔性五指靈巧手還出于空白。
