近日，機器人技術與系統(tǒng)國家重點實驗室劉英想教授團隊在壓電機械手研究方面取得新進展，開發(fā)出由壓電陶瓷驅(qū)動的新型4指壓電機械手，相關成果以《面向宏微跨尺度操控的壓電機械手》（Piezo robotic hand for motion manipulation from micro to macro）為題發(fā)表在《自然通訊》（NatureCommunications）上。壓電機械手獨特的宏微運動操控能力有望解決諸多先進技術領域面臨的跨尺度精細操控難題。

機械手可代替或輔助人手實現(xiàn)靈巧操控，在機器人輔助操控領域有著舉足輕重的地位，其功能與性能直接影響系統(tǒng)的服務水平。現(xiàn)有機械手種類繁多，在結構特征、換能原理和傳動方式方面不盡相同，由于換能原理和運動傳遞策略的限制，其在動作精度、電磁兼容性和結構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，設計更高效、更精密的傳動機構，甚至完全摒棄傳動機構，成為研制機械手的新焦點和新挑戰(zhàn)。

該項研究工作開發(fā)出運用壓電陶瓷構造的4指機械手。該機械手采用4指陣列均布構型，其手指為4分區(qū)環(huán)形壓電陶瓷集成一體化結構，憑借逆壓電效應實現(xiàn)電能至機械能轉(zhuǎn)換，從而將壓電陶瓷的多維微觀變形轉(zhuǎn)換為手指的多維運動。

團隊運用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現(xiàn)平板型、圓柱型、球型等物體的多維跨尺度操控；詳細研究了壓電機械手的遲滯（《3.95%）、分辨力（15納米）、響應時間（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動特性；通過實驗驗證了壓電機械手對各類物體的高適應性、多自由度、跨尺度操控能力。一系列應用探索試驗成功展示了壓電機械手在構建多自由度操控設備和集成機械臂末端執(zhí)行器等方面的應用潛力。該項工作以無傳動高剛性功能陶瓷集成一體化構型為核心，展示了運用壓電陶瓷微觀變形實現(xiàn)宏微跨尺度運動操控的可行性，相關多維運動生成方法和功能手勢協(xié)同操控思想為機械手研制提供了新思路。

我校為論文唯一通訊單位。機電學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。機電學院博士研究生高祥、李京、王瑋亦、荀銘鑫、馬雪峰、常慶兵，機電學院劉軍考教授、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基金、哈工大醫(yī)工理交叉基金的資助。此外，該4指壓電機械手曾獲第四屆中國研究生機器人創(chuàng)新設計大賽特等獎。

壓電機械手的結構、手勢、特性、樣機與應用示意圖

論文鏈接：

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

審核編輯 ：李倩