機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉英想教授團(tuán)隊(duì)在壓電機(jī)械手研究方面取得新進(jìn)展

近日，機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉英想教授團(tuán)隊(duì)在壓電機(jī)械手研究方面取得新進(jìn)展，開發(fā)出由壓電陶瓷驅(qū)動的新型4指壓電機(jī)械手，相關(guān)成果以《面向宏微跨尺度操控的壓電機(jī)械手》（Piezo robotic hand for motion manipulation from micro to macro）為題發(fā)表在《自然通訊》（NatureCommunications）上。壓電機(jī)械手獨(dú)特的宏微運(yùn)動操控能力有望解決諸多先進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域面臨的跨尺度精細(xì)操控難題。

機(jī)械手可代替或輔助人手實(shí)現(xiàn)靈巧操控，在機(jī)器人輔助操控領(lǐng)域有著舉足輕重的地位，其功能與性能直接影響系統(tǒng)的服務(wù)水平。現(xiàn)有機(jī)械手種類繁多，在結(jié)構(gòu)特征、換能原理和傳動方式方面不盡相同，由于換能原理和運(yùn)動傳遞策略的限制，其在動作精度、電磁兼容性和結(jié)構(gòu)緊湊性等方面存在諸多局限。如何尋找新?lián)Q能原理的驅(qū)動模式，設(shè)計(jì)更高效、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(diǎn)和新挑戰(zhàn)。

該項(xiàng)研究工作開發(fā)出運(yùn)用壓電陶瓷構(gòu)造的4指機(jī)械手。該機(jī)械手采用4指陣列均布構(gòu)型，其手指為4分區(qū)環(huán)形壓電陶瓷集成一體化結(jié)構(gòu)，憑借逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能至機(jī)械能轉(zhuǎn)換，從而將壓電陶瓷的多維微觀變形轉(zhuǎn)換為手指的多維運(yùn)動。

團(tuán)隊(duì)運(yùn)用4指協(xié)同操控思想規(guī)劃了10余種典型功能化操控手勢，借助動靜摩擦交替操控方法實(shí)現(xiàn)平板型、圓柱型、球型等物體的多維跨尺度操控；詳細(xì)研究了壓電機(jī)械手的遲滯（《3.95%）、分辨力（15納米）、響應(yīng)時間（0.5毫秒）、固有頻率（4.1千赫茲）等特性，以及操控平板物體的運(yùn)動特性；通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了壓電機(jī)械手對各類物體的高適應(yīng)性、多自由度、跨尺度操控能力。一系列應(yīng)用探索試驗(yàn)成功展示了壓電機(jī)械手在構(gòu)建多自由度操控設(shè)備和集成機(jī)械臂末端執(zhí)行器等方面的應(yīng)用潛力。該項(xiàng)工作以無傳動高剛性功能陶瓷集成一體化構(gòu)型為核心，展示了運(yùn)用壓電陶瓷微觀變形實(shí)現(xiàn)宏微跨尺度運(yùn)動操控的可行性，相關(guān)多維運(yùn)動生成方法和功能手勢協(xié)同操控思想為機(jī)械手研制提供了新思路。

我校為論文唯一通訊單位。機(jī)電學(xué)院博士研究生張仕靜、劉英想教授、鄧杰副教授為論文共同第一作者。劉英想教授為論文唯一通訊作者。機(jī)電學(xué)院博士研究生高祥、李京、王瑋亦、荀銘鑫、馬雪峰、常慶兵，機(jī)電學(xué)院劉軍考教授、陳維山教授、趙杰教授為論文共同作者。

該研究獲得國家自然科學(xué)基金、哈工大醫(yī)工理交叉基金的資助。此外，該4指壓電機(jī)械手曾獲第四屆中國研究生機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽特等獎。

壓電機(jī)械手的結(jié)構(gòu)、手勢、特性、樣機(jī)與應(yīng)用示意圖

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-36243-3

審核編輯 ：李倩