微电子学和微工程学的协同作用

到目前为止,工业生产中机器手的使用一直局限于粗糙的两到三根手指的夹持器。他们被用于执行相对简单的运动。由于缺乏可用的技术能力机器手在执行更精细的任务中时并不成功。微电子和微型机械的相互结合已经产生了很大的突破。事实上,这一领域的技术进步在不断增长。因此,基于人类手的可以单独控制手指和关节的机器手不再是虚构的,可能会很快在工业部门的日常工作中应用。

人类的手是自然界中最普遍的工具之一。难怪研究者渴望将这种进化设计的优点应用于新一代的机器人的手。德国航空航天中心(DLR)与哈尔滨工业大学(HIT)合作,在微型致动器和高性能总线技术的帮助下已经开发了类似于人类手的机器人手。构建一个有人类手的能力和灵巧性的机器人手至少需要四根手指:三根手指让机器人的手控制锥形部分,而拇指则作为支撑。因此,新机器手包含三根手指,每根手指都有三个自由度的四个关节。第四根手指,拇指,被设计成有四个自由度。不言而喻,多样化的运动就必须以切实可行的控制和监控来实现。在这种情况下,高性能的信息通道成为控制系统的基本功能,特别是在执行复杂的任务时。因此,在大容量处理中,时间是极其重要的。专为这个应用程序开发的具有实时能力25 Mbps高速总线被纳入机器手中。

针对神经的总线技术

在过去,机器人的手指运动是靠线缆驱动的。相比之下,现代微工程学允许直接在手指中装载电机。在这种情况下,就需要提供必要位置和操作数据的控制处理器。这是整体操作中不可分割的一部分,也是使执行器能将力量进行传递的唯一方式,每一个手指关节都配有非接触式角度传感器和扭矩传感器。由于每个传感器都需要极高的分辨率,总线被用于传输大量所需的数据。根据FPGAs (现场可编程闸阵列 )的定位点的比较和实际值的快速反馈是至关重要的。从手到控制处理器只需要外部串行连接的三根引线。实际的控制系统是被集成在一个标准的电脑PCI卡插槽的信号处理器。所有的传感器数据都可以显示在监视器上。数据显示,手到电脑的控制和连接从设计伊始就考虑到了将来应用到工业环境中。

针对神经的总线技术

极其复杂的新型机器人的手有它的价值。每根手指都需要几个单独控制的致动器。在这种特定的情况下,有十二个电子整流直流电机(EC发动机),包括每只手都有模拟霍尔传感器。工程师团队选择了由微型电机专家FAULHABER研发的,符合他们全面的规范要求的微型致动器。     
他们是低成本、商用、高性能的产品,而且体积极小。四根手指的机器手要选择直径为16毫米的无刷直流伺服电机。他们可以连接具有相同直径的齿轮系统,然后形成一个整体。发动机可以是12 V和24 V,11 W最大持续扭矩2.6 mNm的输出特性。良好的动态响应,即使改变旋转方向,预应力滚珠轴承也能确保控制命令的精确响应。模拟霍尔传感器的安装为控制精确位置,传递至少8位分辨率的必要反馈信息的标准信号。霍尔传感器和发动机组成了装配紧密的部件,长度只有28毫米,外直径16毫米,重量仅31g。电机转速可达29900 rpm。驱动器应用了全金属行星齿轮。这些标准的FAULHABER产品在减少高旋转速度的同时提高扭矩。比率的选择很宽泛:从3.7:1到5647:1。在这个应用程序中使用的比例是159:1。产品允许转矩从而增加到最大值450mNm。齿轮本身重量仅33 g,总长度为29.4毫米。由于具有反馈和快速转发的数据总线紧凑致动器技术,新型HIT-DLR机器手能进行细致,精确的控制。通过这种方式,微工程学和微电子可以完美互补。装备了标准组件,甚至更昂贵的定制组件,工程师在好的创意概念下能制作出若干年前不可思议的产品。


十二个Faulhaber发动机确保机器 手的复杂和微妙的运动