用于工業(yè)和服務(wù)機(jī)器人的半擬人化3D打印多指手

供稿人:馬璇璇 李宏偉

目前世界各地已經(jīng)開(kāi)發(fā)了大量用于操縱剛性和非剛性物體的工業(yè)夾持器(見(jiàn)圖1(a-f))。這些機(jī)器手大多只能使用單一的抓取模式，通常是兩點(diǎn)捏握或三點(diǎn)捏握。與傳統(tǒng)機(jī)器手不同的是，新型多指機(jī)器手可以采用多種抓取模式，完成的任務(wù)范圍更廣。近年來(lái)，工業(yè)和學(xué)術(shù)界為了再現(xiàn)人手的功能已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了各種具有不同程度擬人化的機(jī)械手(見(jiàn)圖1 (g-l)) 。針對(duì)多指機(jī)器人手的設(shè)計(jì)研究不斷涌現(xiàn)。

圖1.（a)機(jī)器人夾持器 (b)柔性機(jī)器人夾持器 (c)舒克雙爪夾持器（d）簡(jiǎn)單控制的機(jī)械手（e）家用服務(wù)機(jī)器人夾具（f）自動(dòng)摩擦鉗（g）擬人化機(jī)械手（h）Gifu Hand III （i）使用超聲波電機(jī)的機(jī)器人手（j）元澤大學(xué)機(jī)械手（k）SKKU IV機(jī)器人手（l）KU混合動(dòng)力手
來(lái)自Nazarbayev University（NU）的HA Varol等人利用3D打印實(shí)現(xiàn)了能夠執(zhí)行人手操作基本功能的NU手（見(jiàn)圖2和圖3）。NU手的低成本制造是該系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)要求之一，為了滿足這一要求，研究者使用3D打印技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)手部的設(shè)計(jì)制造。具體地，NU手是一個(gè)完整的3D打印體，3D打印技術(shù)的應(yīng)用使得該手的設(shè)計(jì)和制造省去了緊固件和軸承組裝件的應(yīng)用，不但減少了零部件數(shù)量而且還并減少了重量。

圖2.NU手的原型與一個(gè)平均大小的男性的手相比

圖3.NU手可實(shí)現(xiàn)的不同動(dòng)作

需要指出的是，該手還包含了類似于人手軟組織的手指和手掌(3D打印橡膠材料)，以幫助進(jìn)行適形抓取。該手還包含一系列彈性元件，它們將施加的力分布在3個(gè)手指之間——中指、無(wú)名指和小指，并提供廣泛的力控制。彈性元件與肌腱串聯(lián)，如圖4所示，串聯(lián)彈性元件通過(guò)采用3D打印可實(shí)現(xiàn)不同彈性系數(shù)的數(shù)字橡膠材料。與此同時(shí)，NU手的手掌、手指和橡膠墊片也是作為一個(gè)統(tǒng)一的組件在同一時(shí)間打印出來(lái)的，沒(méi)有使用緊固件或軸承。該手還包含一個(gè)安裝適配器，便于連接工業(yè)機(jī)器人。

圖4.NU手的食指橫截面視圖，顯示肌腱的路線，系列彈性元件，扭轉(zhuǎn)彈簧和順應(yīng)的手指填充

圖5.NU手的側(cè)面(左)和底部(右)視圖，具有尺寸(所有尺寸都以mm為單位)

參考文獻(xiàn)：
HA Varol;A Shintemirov;A Saudabayev;Y Khassanov;Z Kappassov. Semi-anthropomorphic 3D printed multigrasp hand for industrial and service robots. IEEE International Conference on Mechatronics & Automation , 2013 , 69 (16) :1697-1702.

供稿人:馬璇璇 李宏偉
供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室