助工业一“臂”之力

一个研究团队已经开发出了能在运动范围、灵活性和灵敏度等方面模拟人手的机械手原型。借助压电机械技术和液压技术，这种机械手有可能在要求*灵敏度和惊人力量的应用中大显身手。

人手真是一个绝妙的系统——在其解剖组织结构中，韧带、腱和肌肉连接着27块骨骼，让它能够做出多种多样的动作。人手能够以恰到好处的灵敏度和灵活性握住诸如镊子等小东西， 也可以用很大力量来移动沉重的物体。人手拥有非常广泛的能力，其中就包括高精度抓取。正是靠着这种能力，人类才可以做出如书写等的特殊动作。

为了复制这些能力，慕尼黑西门子*研究院的一个研究团队，正在与总部设在伦敦的Shadow Robot公司合作。后者专门研发拟人机械手及相关系统。

四根手指 研究人员已经开发出了一种技术，它让机械手比以往任何时候都更接近于拥有像人手一样的灵敏度和灵活性。这项技术的关键是新型有线线性执行器系统。

西门子*研究院的工作核心是将安装在机械手手指上的传感器与机械手前臂内的一系列西门子执行器连接起来。这些执行器为机械手执行各式各样的动作创造了条件。

有了这个系统，研究人员可以开发出拥有四根手指和腕部、并能在20度范围内自由运动的机械手。它能模拟人手所有抓取动作，比传统的两根手指的“钳子”机械手向前跨出了一大步。项目研究人员利用西门子*研究院开发的压电液压技术原理，模拟人手的各种动作。Georg Bachmaier博士表示：“为了让机械手有更多不同应用，它需要使用适当的力量和速度。只有实现了这一点，机械手才能执行要求精细运动技能的任务。”Bachmaier与他的同事Iason Vittorias博士和Wolfgang Zöls博士一同在西门子*研究院机电一体化系统研究小组中负责自主式系统硬件研发。

新的执行器可以通过设置，让它的机械阻抗快速而轻柔地运作，从而确保安全。这样一来，机械手就可以十分灵敏地执行极为精细的动作。在执行这些动作的过程中，Shadow Robot提供的传感器可将每个关节的位置以及指尖上施加的压力等信息，发送给分布在机械手上的执行器。其中的关键是手指上的传感器与安装在机械手前臂内的西门子有线执行器串之间的连接。根据机械手的位置和指尖上施加的压力等信息，系统可以执行目标任务。这意味着，执行器能让手指以的适量压力，执行适当动作。然而，它们也可以施加巨大力量，因为更改系统控制设置就可以迅速改变机械手的行为，让执行器提高强度，从而传递大得多的力量。

西门子*研究院研发的技术让拟人机械手拥有了类似于人手的运动和响应能力。

机械手配备了感测和运动技术。得益于此，它可以拾起一朵花而不对花造成伤害。

半自主式拟人机械手可以在工业界开辟出新的道路。

无限应用
这一进展的背后是压电机械技术和液压技术的组合。特定电压导致压电晶体轻微偏斜。而液压系统可将这些轻微动作的动作距离放大至20 mm。执行器的另一个优势是拥有金属外壳，它可以保证所有液压油均装在系统内。因而，工程师仅需为执行器提供电源，而不必提供液压油。此外，金属外壳可保护执行器不受灰尘、潮湿或化学品等环境因素的影响。

像人手一样的机械手有可能实现极为精细的动作和压力水平，这将为工业界开创许多新的可能。例如，在与自主系统结合方面，配备这种机械手的机器人系统可以在人类会造成破坏或可能陷入危险的区域，执行目前只能依靠人类的手工技能来完成的任务。这样的环境包括微芯片和半导体行业的无尘室，制药、化工和食品等行业的实验室，以及化工行业潜在的有害健康的环境。

然而，机械手产生影响zui为深远的应用领域或许是制造业。制造业历来使用防护栏将机器人与人类分隔开。由于传感器技术的进步，机器人变得更加灵敏，能够检测出人类并避免伤害。随着机器人的发展，它们将逐步走向自主化。一旦配备类似人手的机械手，它们未来很有可能可以与人类并肩工作。

Vittorias表示：“压电机械手实现了过去只有人手才能实现的率和灵活性。”这一创新名副其实地使工业环境中人类与机器人的合作变得“触手可及”。研究人员希望在2016年底推出机械手样品。

Susanne Gold

发布日期：2016年7月