新型助老助残仿生灵巧手设计与柔顺控制方法研究

20210809

科学研究和技术服务业

本项目针对助老助残服务等领域的应用需求，研制了一种模拟人手六种基本抓取动作的仿生灵巧手样机，可实现对日常常见物品的可靠抓取。其主要技术参数为：①最大抓取载荷：1.228 kg；②单指最快闭合时间：1.18 s，③外形长度：200 mm，④外形宽度：98 mm，⑤本体重量：0.567 kg，⑥手指数：5，⑦自由度数：6。该仿生灵巧手样机具有良好的推广应用价值，可应用于助老助残服务以及科学研究等领域。在助老助残服务方面，该仿生灵巧手可以帮助老年人和残疾人完成日常物品的抓取，从而辅助他们实现日常生活的自理，减少对护工的依赖。在科学研究领域，该灵巧手可作为实验对象，辅助人工智能或机器人研究者开展仿生抓取、智能抓取方面的实验。 该仿生灵巧手目前的整机技术成熟度为四级。在机械、电控方面的技术比较成熟，可达到五级。在进一步开展可靠性和软件测试的基础上，该样机可快速转化为产品。 该仿生灵巧手在设计阶段即考虑了成本问题，在保证性能的基础上尽可能降低成本，例如该仿生灵巧手大量采用了3D打印技术加工手指、手掌，不仅保证拟人外形，同时降低成本。此外，采用基于电流的电机力矩估算方法来计算手指与物体的接触力，从而能基于电流实现对物体抓取的力控制。 目前，该仿生灵巧手还处于实验室样机阶段，还未开展科技成果转化。

本项目研制的仿生灵巧手可采取多种转化方式，如转让该科技成果、将科技成果许可他人使用、与他人共同实施转化、以该科技成果作价投资等。目前，比较倾向的转化方式是以该科技成果作价投资，与他人共同实施转化。根据目前该仿生灵巧手的技术状态，可在1年内推出产品并开始销售，大约需要1年进行市场推广和培育，预计可在第3年实现盈亏平衡，第4年开始盈利。 需要成果转化的合作方能提供资金500万元。该资金主要用于2年内该仿生灵巧手的设备购置、人员、调研、宣传和销售等支出。 需要成果转化的合作方能提供场地300平米，其中研发人员场地150平米，设备场地50平米，实验场地50平米，行政场地50平米。 设备方面，需要购置服务器及20台计算机等构成的研发计算机系统。此外还需要购置3D打印机、小型数控机床、电源、电子天平、焊接设备、钳工工具、电工工具等。 人员方面，需要配备机械工程师3人，电子工程师3人，软件工程师2人，控制工程师2人。此外，还需要配备行政人员1人、财务人员1人。 合作方除了能提供上述资源以外，还需要合作方熟悉助老助残产品市场或有大学科研实验设备推广经验，能够为该仿生灵巧手的市场推广提供可靠的市场渠道。希望合作方对于该仿生灵巧手有可行成熟的市场规划，从而主力该技术的快速产品化和市场推广。

可国（境）内外转让

根据国家统计局发布的数据：2016年，我国60周岁及以上老龄人口2.3亿，占总人口的16.7%，呈逐年上升趋势。据国务院办公厅发布的国〔2016〕66号文，我国现有8500多万残疾人。在这些老年人和残疾人中，有数量庞大的缺乏生活自理能力而需要他人长时间照顾的群体，不仅给家庭带来了巨大的负担，也给国家公共医疗和社会保障体系带来了空前的压力。如何在保障这一庞大人群的生活质量、践行以人为本的社会主义核心价值观的同时，尽可能地减轻个人、家庭和社会的负担，已成为当前一个亟需解决的重要社会问题。随着机器人技术的发展，机器人已逐渐从工厂、实验室走进人类生活社区，在家庭生活和社会生活中提供种类繁多的服务。其中，专为老年人和残疾人设计的，用于提升他们生活自理能力的服务机器人，正是当前社会迫切需要的新型机器人产品，受到了全世界的广泛关注。这类助老助残服务机器人虽然有不同的类型，如工作站型、移动服务型、轮椅型等，但通常都需要有能代替使用者执行物体抓取和操作的能力，即需要配备一只灵巧的机械手。 手在人类日常生活中扮演着重要角色，在诸如进食、清洁等基本日常活动中实现了对物品的抓持和操作。因此，对物体的抓持操作就成为人类生活自理能力的重要组成部分，而具备这一功能并参照人手设计的仿生灵巧手就成为助老助残服务机器人的核心功能组件之一。但是长久以来，这一组件的研发还远没有达到让用户满意的程度，纵观当前市面上的已售产品大都是只能完成开合运动的简单手爪，这种手爪功能单一、适应性差，对生活自理能力的提升极其有限；而少部分服务机器人中配备的多自由度仿生灵巧手，虽提高了适应性，但结构复杂，在实际使用中控制困难，且价格昂贵，并不适宜作为助老助残产品使用。因此，助老助残服务机器人迫切需要一种功能多、适应性强、价格适中、控制简单可靠的新型灵巧手。 本项目对用于提升老年人和残疾人日常生活自理能力的新型仿生灵巧手的设计和控制方法进行了研究，通过机构设计和控制方法等关键技术攻关，研发了一种适应性强、成本适中、易操控的新型助老助残服务专用仿生灵巧手，为我国助老助残服务质量的提升和服务成本的降低以及该类产品的开发提供了技术基础。 该技术成果转化为产品后，一方面可开发助老助残机器人产品，另外可面向科研开发实验设备。依据目前市场情况，该仿生灵巧手的售价可定为3万元，预计第一年可销售100台，利润率在40%左右，后续两年可逐步提高到500台和1000台，实现销售收入1500万和3000万。

北京市自然科学基金-海淀原始创新联合基金前沿项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

针对现有仿生灵巧手构型设计与分析方法缺乏，导致仿生灵巧手的功能需求和结构复杂度之间匹配度不高的问题，提出了一种新型的仿生灵巧手构型设计方法。基于人手解剖学和人手抓取分类，确定了抓取动作集合，在此基础上，基于关节运动参与度矩阵与矩阵范数理论，提出了一种模拟人手抓取的仿生灵巧手构型设计方法，实现了仿生灵巧手的功能需求与结构复杂度之间的合理匹配，解决了仿生灵巧手构型设计缺乏科学的理论方法的难题，从而降低针对有限功能需求的仿生手的复杂度和制作成本。 针对助老助残服务等领域的应用需求，提出了基于人手功能分区原则与机构优化的仿生灵巧手设计方法，研制了一种模拟人手6种基本抓取的仿生灵巧手样机。其主要技术参数为：①最大抓取载荷：1.228 kg；②单指最快闭合时间：1.18 s，③外形长度：200 mm，④外形宽度：98 mm，⑤本体重量：0.567 kg，⑥手指数：5，⑦自由度数：6。该仿生灵巧手样机具有很好的推广价值，可应用于助老助残服务以及日常生活等领域，促进仿生灵巧手的实际应用和发展。 针对日常生活中常见物品形状和尺寸的不确定性情况下的抓取问题，提出了一种适用于仿生灵巧手稳定抓取的柔顺控制方法。该方法使用电机驱动电流进行抓取力估计，并设计了基于扩张状态观测器的导纳控制系统，解决了无力传感器条件下对物体的稳定抓取问题，实现了不确定外部干扰下仿生灵巧手对物品的可控柔顺抓取，并且具有良好的可靠性和安全性。本项目所提出的适用于仿生灵巧手稳定抓取的柔顺控制方法具有重要的理论指导意义和推广价值，有助于提升仿生灵巧手的抓取稳定性，从而提高仿生灵巧手设计的抓取能力，促进仿生灵巧手的实用化。