迄今為止，機械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用僅限于通過兩指或三指夾具來執(zhí)行相對簡單的操作，它們無法完成更為精細的任務(wù)，因為現(xiàn)有技術(shù)還有待提升。 

隨著微電子學(xué)與微機械學(xué)跨領(lǐng)域研究的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)也在不斷進步。因此，基于人體手指和關(guān)節(jié)特征的可單獨控制的機械手將迎來更多突破，可能很快就會在工業(yè)領(lǐng)域日常操作中使用。

新一代機械手迎來新突破

人的手指是自然界最通用的工具之一，這也是為何研究人員希望將其優(yōu)勢設(shè)計到新一代機械手中。

目前，德國航空航天中心（DLR）和哈爾濱工業(yè)大學(xué)（HIT）已展開合作，他們將借助微型執(zhí)行器和高性能總線技術(shù)來開發(fā)類似于人手的機械手。

這類機械手至少需要使用四根手指的能力和靈巧性：其中三根手指可使機械手抓住圓錐形零件，拇指則用作支撐。因此，新的機械手由三根手指組成，每根手指有四個關(guān)節(jié)及三個自由度，第四根手指設(shè)計為拇指，具有四個自由度。

通過該解決方案執(zhí)行的各項運動需根據(jù)實際情況進行控制和監(jiān)視，在這種情況下，控制系統(tǒng)的基本功能是高性能信息通道，尤其是在執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)時。因此，在進行大批量處理時，時間至關(guān)重要。

研究機構(gòu)還在機械手中集成了具有實時功能的25 Mbps高速總線，這是專門針對該類應(yīng)用開發(fā)的。

用于“神經(jīng)”的總線技術(shù)

過去，人們通常使用電纜拉線來移動機械手，而現(xiàn)代微工程技術(shù)能在手指上直接安裝電機。這種情況需為控制處理器提供所需的位置和操作數(shù)據(jù)，這是整體操作的組成部分，也是充分利用執(zhí)行器動力的唯一方法。

每根手指的關(guān)節(jié)中都安有一個非接觸式角傳感器和一個扭矩傳感器。這兩個傳感器都需要極高的分辨率，因此需使用總線來傳輸所需的大量數(shù)據(jù)。

通過Faulhaber的十二個微驅(qū)動可確保機械手牢固握持，實現(xiàn)復(fù)雜而精準(zhǔn)的動作

此外，快速反饋設(shè)定值和實際值的對比情況對于FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）而言至關(guān)重要，僅需三根引線即可從外部串行連接機械手和控制處理器?，F(xiàn)在，控制系統(tǒng)（即插入式PCI卡上的信號處理器）已集成到標(biāo)準(zhǔn)的PC中，操作員可通過用戶友好型界面來控制機械“手”。

監(jiān)視器中會顯示所有的傳感器數(shù)據(jù)，而且從一開始就設(shè)計了數(shù)據(jù)顯示，控制和手動計算機連接功能，以便將來在工業(yè)環(huán)境中使用。除了“神經(jīng)”和“大腦”外，機械手的操作還需使用“肌肉”來增強力量。

通過微型執(zhí)行器來替代肌肉力量

要實現(xiàn)新機械手的復(fù)雜性，需要付出相應(yīng)的代價。每根手指需使用多個可單獨控制的執(zhí)行器。在這種特殊情況下，每只手還需使用十二個電子換向直流電機（EC電機），包括模擬霍爾傳感器。

機械手工程師團隊經(jīng)過對比，最終選擇了微驅(qū)動專家FAULHABER開發(fā)的執(zhí)行器，因為其產(chǎn)品范圍涵蓋了所需的全部規(guī)格，產(chǎn)品性能及成本效益高，還可商用，占地面積極小。

Faulhaber微驅(qū)動系統(tǒng)

其中，四指機械手選用了直徑為16 mm的無刷直流伺服電機，還可與直徑相同的齒輪系統(tǒng)連接以形成集成單元。FAULHABER可提供12 V和24 V版本，輸出功率為11 W，最大連續(xù)扭矩高達2.6 mNm。 

其良好的動態(tài)響應(yīng)（即使是旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化時也是如此）和預(yù)應(yīng)力滾珠軸承可確保精確地響應(yīng)控制命令。此外，標(biāo)配的模擬霍爾傳感器可向控制器發(fā)出精確的位置信號，并以至少8位的分辨率提供必要的反饋信息。

霍爾傳感器和驅(qū)動共同構(gòu)成了一個緊湊型單元，其長度僅28毫米，外徑為16毫米，重量僅31克。該驅(qū)動以29,900 rpm的轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)，執(zhí)行器還可與全金屬行星減速機相結(jié)合。 

FAULHABER的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品降低了“手動”操作時的高轉(zhuǎn)速，同時提高了扭矩，可提供3.7：1到5647：1的扭矩比范圍。本次應(yīng)用使用的比例為159：1，因此允許扭矩增加到最大值450 mNm。該減速機僅重33克，總長度為29.4毫米。

新型HIT-DLR機械手由于采用了具有總線快速反饋和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)功能的緊湊型執(zhí)行器技術(shù)，因此可以實現(xiàn)非常精確的控制。

這樣，微工程學(xué)和微電子學(xué)就能實現(xiàn)完美互補。由于“裝備”了標(biāo)準(zhǔn)組件和良好的概念，現(xiàn)在工程師可以制造出多年前使用最昂貴定制組件都難以實現(xiàn)的產(chǎn)品。