面向抓取用途的多模态多位姿刚柔耦合仿生手指

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近年来,在复杂非结构环境中高效稳定地抓取不同物体的需求日益增加,并给现有刚性/软体机器人抓手带来了越来越大的挑战。然而,受限于刚性抓手的高刚度与低顺应性以及软体抓手较低的承载力与稳定性,现有机器人抓手仍然很难平衡输出力、顺应性与稳定性三方面的需求。一些结合了刚性与软结构的刚柔耦合抓手设计在近年来被提出,它们通过刚性与软结构的互相取长补短获得了更加优异的综合性能,但它们仍然面临着狭窄的输出力范围,有限的顺应性等缺陷,且其稳定性至今仍然很少被研究。基于上述问题,本文参照人类手指的刚柔耦合结构,提出了一种具有多模态与多位姿的刚柔耦合仿生手指,其由一个刚性致动器与一个软体致动器并联耦合而成。多种致动模态可以选择性的充分凸显刚性致动器的高输出力与软体致动器的轻柔性,让仿生手指获得宽的输出力范围,而多种顺应性灵活切换的位姿可以让仿生手指在保有宽输出力范围的同时,获得优异的顺应性。此外,本仿生手指的刚柔并联设计还被证明在各种外界刺激与重力下具有超强的稳定性。本文依次介绍了仿生手指的设计、实现与理论建模,实验研究了其各种特性,并提出了两种可行的力控制方法。最终,本文将仿生手指模块化并用其拼成了一系列具有如下优异性能的多指抓手:超宽可抓取物品范围(二指抓手可轻柔的捏起薯片也可稳定的提起27 kg的哑铃),优异的稳定性(抓手可顺形抓起宽达自身94%跨度的物品,并容许物品具有4 cm的位置偏差)以及超强的稳定性。本文所提出的仿生手指展现了将刚柔耦合的设计思路用于提升机器人综合性能的巨大潜力,其可为后续的机器人手指与高性能机器人的开发提供有价值的参考。此外,由仿生手指组装成的一系列具有出色性能的抓手有望在未来被用于工业分拣、人机交互等场景。
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