機(jī)械手作為代替或輔助人手實現(xiàn)靈巧操控的機(jī)器人系統(tǒng)，在機(jī)器人輔助操控領(lǐng)域有著舉足輕重的地位，其功能與性能往往決定了整體系統(tǒng)的服務(wù)水平。現(xiàn)有機(jī)械手種類繁多，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)特征、換能原理和傳動方式不盡相同。然而，由于能量轉(zhuǎn)換原理和運(yùn)動傳遞策略的限制，現(xiàn)有機(jī)械手多在動作精度、電磁兼容性和結(jié)構(gòu)緊湊性方面存在諸多局限，例如，電磁驅(qū)動式機(jī)械手電磁兼容性較差，軟體式機(jī)械手動作精度較差。因此，如何尋找新?lián)Q能原理的機(jī)械手驅(qū)動模式，如何設(shè)計更高效和更精密的傳動機(jī)構(gòu)，甚至完全摒棄傳動機(jī)構(gòu)成為研制機(jī)械手的新焦點和新挑戰(zhàn)。

為此，哈工大機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室近期研發(fā)了一種四指壓電機(jī)械手，如圖1所示。該機(jī)械手的研發(fā)受到了人手“在手操控”的啟發(fā)，主要用于解決傳統(tǒng)機(jī)械手難以勝任的宏微跨尺度運(yùn)動操控難題；該機(jī)械手不同于傳統(tǒng)各類機(jī)械手，其核心在于以壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)作為電能至機(jī)械能的轉(zhuǎn)換原理，從而利用壓電陶瓷在電場激勵下產(chǎn)生的微觀變形運(yùn)動實現(xiàn)各類物體的宏微跨尺度運(yùn)動操控。

圖1 現(xiàn)有各類機(jī)械手面臨的問題和受“在手操控”啟發(fā)的壓電機(jī)械手（PRH）

結(jié)構(gòu)配置與運(yùn)動生成：如圖2所示，壓電機(jī)械手的設(shè)計采用了“陣列組構(gòu)”思想，由四個壓電手指和一個手掌通過螺釘固連而成。其中，每個壓電手指包含一個由數(shù)十片“分區(qū)極化”壓電陶瓷正交疊加制成的核心驅(qū)動元件。在外部電場激勵作用下，該驅(qū)動元件憑借逆壓電效應(yīng)可實現(xiàn)沿橫向x、y軸的二維彎曲變形和沿縱向z軸的一維伸縮變形，即單個手指實現(xiàn)了3個運(yùn)動自由度。每個壓電手指利用底部預(yù)緊螺栓將核心驅(qū)動元件夾持在指尖與指座之間，憑借集成壓電陶瓷的夾心式一體結(jié)構(gòu)可將驅(qū)動元件的微觀變形轉(zhuǎn)換為整個壓電手指的多維微運(yùn)動，故壓電機(jī)械手擁有12個運(yùn)動自由度。

圖2 壓電機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和壓電手指的多維運(yùn)動

功能化操控手勢：為利用壓電機(jī)械手操控各類物體實現(xiàn)運(yùn)動，研究人員憑借壓電機(jī)械手獨(dú)特的四指陣列構(gòu)型和豐富的運(yùn)動自由度，在單指多維運(yùn)動的基礎(chǔ)上，提出了“四指協(xié)同操控”思想，利用壓電手指的多維彎曲和伸縮運(yùn)動組合，規(guī)劃了十余種典型的功能化操控手勢，如圖3所示。通過激勵壓電機(jī)械手的特定操控手勢，從而在四個指尖獲得特定的運(yùn)動軌跡，并依托它們實現(xiàn)各類物體的運(yùn)動操控。此外，研究人員為每種功能化操控手勢編制了手勢激勵編碼，據(jù)此調(diào)整外部激勵信號可實現(xiàn)各種功能化操控手勢的獨(dú)立激勵和相互切換。

圖3 壓電機(jī)械手的功能化操控手勢

運(yùn)動操控原理：研究人員將壓電機(jī)械手設(shè)計為獨(dú)特的四指陣列均布構(gòu)型，核心目的在于將四個指尖同時作為被操控物體的支承端和操控端，開放式的四指布局可滿足平板型、球型、圓柱型等物體的支承需求。利用緩慢變化的電場激勵壓電機(jī)械手的某一操控手勢，可借助壓電機(jī)械手與被操控物體之間的靜摩擦操控被操控物體實現(xiàn)微步運(yùn)動，而后利用快速恢復(fù)的電場激勵相反的操控手勢實現(xiàn)快速回位，壓電機(jī)械手則在快速回位的過程中與被操控物體產(chǎn)生相對滑動，被操控物體由于慣性保持已經(jīng)產(chǎn)生的微小步距，即實現(xiàn)單步運(yùn)動，上述操控原理如圖4所示。通過連續(xù)的動靜摩擦交替操控，可利用壓電機(jī)械手操控各類物體實現(xiàn)微小步距的累積，從而實現(xiàn)宏觀的連續(xù)運(yùn)動操控。

圖4 壓電機(jī)械手的多物體、多自由度運(yùn)動操控原理

高適應(yīng)性運(yùn)動操控：為檢驗壓電機(jī)械手對各類物體的操控適應(yīng)性和多自由度跨尺度運(yùn)動操控能力，研究人員選取了十種形狀、尺寸和材質(zhì)各不相同的物體作為操控對象，開展了系列實驗研究。利用壓電機(jī)械手操控平板物體實現(xiàn)了兩個直線自由度和一個旋轉(zhuǎn)自由度的運(yùn)動（2L+1R），操控圓柱物體實現(xiàn)了一個直線自由度和一個旋轉(zhuǎn)自由度的運(yùn)動（1L+1R），操控球型物體實現(xiàn)了三個旋轉(zhuǎn)自由度的運(yùn)動（3R），如圖5至圖7所示，該機(jī)械手成功實現(xiàn)了多物體、多自由度、跨尺度的運(yùn)動操控。集成壓電陶瓷的無傳動高剛性結(jié)構(gòu)賦予了壓電機(jī)械手良好的承載能力，研究人員以平板物體為例，通過實驗研究了壓電機(jī)械手的重載操控性能，如圖8所示。該機(jī)械手成功操控14.76kg的負(fù)載實現(xiàn)了三自由度運(yùn)動，最大操控負(fù)載預(yù)估值超過50kg，操控負(fù)載與自重比值可達(dá)49.28倍。

圖5 壓電機(jī)械手操控平板物體實現(xiàn)2L+1R運(yùn)動

圖6 壓電機(jī)械手操控圓柱物體實現(xiàn)1L+1R運(yùn)動

圖7 壓電機(jī)械手操控球型物體實現(xiàn)3R運(yùn)動

圖8 壓電機(jī)械手實現(xiàn)重載運(yùn)動操控

應(yīng)用探索：壓電機(jī)械手對不同形狀、尺寸和材質(zhì)物體的高適應(yīng)性運(yùn)動操控能力為其帶來了廣闊的應(yīng)用潛力，研究人員一方面利用壓電機(jī)械手作為構(gòu)建多自由度操控設(shè)備的基礎(chǔ)，在實驗中操控平板物體構(gòu)建了平面三自由度微納定位平臺，借助顯微鏡系統(tǒng)實現(xiàn)了大規(guī)模集成電路、生物組織切片、二維光柵的微觀缺陷檢測；操控圓柱物體構(gòu)建了成像設(shè)備調(diào)焦平臺，攜帶顯微鏡實現(xiàn)了圖像清晰度調(diào)節(jié)；操控球型物體構(gòu)建了三維視覺掃描平臺，成功攜帶運(yùn)動相機(jī)實現(xiàn)了三維大視場的運(yùn)動掃描，有效地擴(kuò)展了相機(jī)視野，相關(guān)實驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 壓電機(jī)械手用于構(gòu)造多自由度操控設(shè)備實現(xiàn)多維微檢測、圖像對焦和多維視覺掃描

另一方面，研究人員對壓電機(jī)械手進(jìn)行了機(jī)電接口封裝，并為其研制了一套專用的可編程驅(qū)動電源和一套功能手勢控制器，開發(fā)了上位機(jī)操控軟件，實現(xiàn)了壓電機(jī)械手的系統(tǒng)集成。隨后，將封裝之后的壓電機(jī)械手作為6自由度機(jī)械臂的執(zhí)行末端，成功實現(xiàn)了物體在機(jī)械臂末端的伴隨運(yùn)動操控，有效擴(kuò)展了機(jī)械臂的操控自由度，并成功實現(xiàn)了物體在原位的運(yùn)動操控，如圖10所示。此外，利用杠桿放大效應(yīng)進(jìn)一步放大壓電機(jī)械手的指尖位移，開展了壓電機(jī)械手對微小物體的抓取和轉(zhuǎn)運(yùn)實驗，成功實現(xiàn)了1.2mm尺度規(guī)則微球和非規(guī)則微砂礫的抓取和轉(zhuǎn)運(yùn)操控，如圖11所示。上述應(yīng)用實驗充分展示了壓電機(jī)械手在宏微尺度下的運(yùn)動操控能力。

圖10 壓電機(jī)械手集成系統(tǒng)獨(dú)立使用或作為機(jī)械臂末端實現(xiàn)伴隨操控和原位操控

圖11 壓電機(jī)械手作為機(jī)械臂末端實現(xiàn)微球和微砂礫的抓取操控

綜上所述，該項研究工作提出了首個利用功能壓電陶瓷構(gòu)造的四指機(jī)械手。該機(jī)械手采用四指陣列均布構(gòu)型，其壓電手指利用四分區(qū)環(huán)形壓電陶瓷集成一體化結(jié)構(gòu)，憑借壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)實現(xiàn)了電能至機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，從而將壓電陶瓷的多維微觀變形轉(zhuǎn)換為壓電手指的多維運(yùn)動；進(jìn)一步利用四指協(xié)同操控思想規(guī)劃了十余種典型的功能化操控手勢，并借助四指開放布局和動靜摩擦交替操控方法實現(xiàn)了平板型、圓柱型、球型等物體的多自由度跨尺度運(yùn)動操控，成功實現(xiàn)了功能陶瓷微觀多維變形到各類物體宏觀多自由度運(yùn)動之間的擴(kuò)展。詳細(xì)研究了壓電機(jī)械手本身的遲滯（<3.95%）、分辨力（15nm）、響應(yīng)時間（0.5ms）、固有頻率（4.1kHz）等基本特性，以及壓電機(jī)械手操控平板物體所能實現(xiàn)的運(yùn)動特性；通過開展一系列不同形狀、尺寸和材質(zhì)物體的運(yùn)動操控實驗，成功檢驗了壓電機(jī)械手對各類物體的操控適應(yīng)性和多自由度跨尺度運(yùn)動操控能力。最后，面向生物醫(yī)學(xué)、半導(dǎo)體制造、微裝配等諸多先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域提出的多自由度跨尺度運(yùn)動操控需求，開展了一系列應(yīng)用探索實驗，成功證實了壓電機(jī)械手操控不同物體在構(gòu)建多自由度操控設(shè)備和集成機(jī)械臂末端執(zhí)行器方面的廣闊應(yīng)用潛力。

總結(jié)而言，這項工作以壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)作為機(jī)械手新的換能原理和驅(qū)動模式，以無傳動高剛性的功能陶瓷集成一體化構(gòu)型為核心，展示了利用壓電陶瓷微觀變形實現(xiàn)物體宏微跨尺度運(yùn)動操控的可行性；相關(guān)的機(jī)械手多自由度運(yùn)動生成方法和功能手勢協(xié)同操控思想為研制機(jī)械手提供了一種新的設(shè)計和研制思路，壓電機(jī)械手獨(dú)特的宏微跨尺度運(yùn)動操控能力未來有望解決諸多先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域面臨的跨尺度運(yùn)動操控難題。

相關(guān)成果以“Piezo robotic hand for motion manipulation from micro to macro”為題發(fā)表在Nature Communications上，博士生張仕靜、劉英想教授、鄧杰副教授為該論文的共同第一作者，劉英想教授為該論文的通訊作者，哈爾濱工業(yè)大學(xué)為唯一作者單位。2022年8月，該項研究工作相關(guān)項目“多自由度跨尺度操控壓電機(jī)械手”參加“申昊杯”第四屆中國研究生機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計大賽，獲得賽事最高獎項特等獎。

文章信息：Shijing Zhang#, Yingxiang Liu#*, Jie Deng#, Xiang Gao, Jing Li, Weiyi Wang, Mingxin Xun, Xuefeng Ma, Qingbing Chang, Junkao Liu, Weishan Chen, Jie Zhao, Piezo robotic hand for motion manipulation from micro to macro, Nature Communications, 2023, 14: 500

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