靈巧手作為人形機器人末端執行器,在機器人與環境的交互中起到關鍵作用,擬人化仿生設計大勢所趨。
靈巧手結構設計三要素:驅動、傳動、感知。典型靈巧手由驅動系統、 傳動系統、感知系統和控制系統構成,其中結構設計涉及驅動、傳動和感知系統。
驅動系統:電機驅動是靈巧手主流驅動方案,由電機和減速器構成。1)電機:空心杯電機與人形機器人手指關節匹配度較高,無刷有齒 槽電機或成降本可行方案?招谋姍C具備效率高、精度高、結構緊 湊、穩定性高等優點,與靈巧手手指關節匹配度較高。無刷有齒槽電 機具備更高輸出轉矩,成本更低,參考maxon線上商城,空心杯電機 售價在2000-3000元,而無刷有齒槽電機售價在百元級別,若配合結 構設計優化(如驅動系統外置),無刷有齒槽電機有望部分替代空心 杯電機實現降本。2)減速器:降轉速提扭矩,行星&諧波減速器均有應用。
傳動系統:腱繩傳動是目前主流方案, 微型絲杠新型傳動方案優點突出,腱繩+絲杠復合傳動優勢互補。1)腱繩:腱繩傳動具備排布靈活、柔性傳動等優點,但負載能力較弱,是應用最多的傳動形式,主流腱繩材料包括鋼絲繩和超高分子量聚乙烯纖維。2)絲杠:新型微型絲杠傳動方案具備高承載、高效率、高精度和高可靠性優點,絲杠 +腱繩復合傳動可實現優勢互補。
感知系統:1)力/力矩傳感器:主要應用于靈巧手手指及手腕處,助力靈巧手實現精準力控;2)觸覺傳感器:賦予靈巧手觸覺感知能力, 未來向具備陣列化、柔性化和集成化特點的電子皮膚方向演進。
Optimus靈巧手迭代復盤與展望:自由度提升+驅動系統外置+絲杠腱 繩復合傳動。Optimus一代靈巧手采用空心杯電機+齒輪箱(齒輪+蝸桿)+金屬腱繩方案,二代靈巧手外觀采用全新工業設計,并在指腹處引入觸覺傳感器單元,整體變化較少。三代靈巧手方案相比前兩代有大幅改變,核心變化包括驅動系統外置與手臂中,自由度由11個提升至22個,并且采用絲杠替代蝸桿與腱繩組成復合傳動系統。
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