如果機(jī)器手能執(zhí)行與人手一樣的功能，那在執(zhí)行任務(wù)時(shí)就可擁有高度的靈活性。

然而，在保持人手般靈巧度和抓握力等重要功能的同時(shí)，開(kāi)發(fā)無(wú)需額外驅(qū)動(dòng)部件的集成機(jī)器手是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。因?yàn)轵?qū)動(dòng)部件使得這些機(jī)器手很難集成到現(xiàn)有的機(jī)械臂中，從而限制了它們的廣泛適用性?，F(xiàn)在，新的解決方案來(lái)了，來(lái)自韓國(guó)的科研團(tuán)隊(duì)基于連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了一種集成連桿驅(qū)動(dòng)的靈巧擬人機(jī)器手，稱(chēng)為 ILDA，這只機(jī)器手有15個(gè)自由度（20個(gè)關(guān)節(jié)）、34N的指尖力、緊湊的尺寸（最大長(zhǎng)度：218 mm），無(wú)需額外部件，擁有1.1 kg的低重量和觸覺(jué)感應(yīng)能力。值得關(guān)注的一點(diǎn)是，這種機(jī)器手可以直接安裝到現(xiàn)有商業(yè)機(jī)械臂上，執(zhí)行各種各樣的任務(wù)——從抓握雞蛋到使用剪刀和鑷子，相關(guān)論文發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

圖｜ILDA 機(jī)器手手指的靈活性展示（來(lái)源：Nature Communications）

機(jī)械手方案取長(zhǎng)補(bǔ)短

為了實(shí)現(xiàn)有效的抓取運(yùn)動(dòng)，業(yè)內(nèi)其實(shí)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了很多相對(duì)靈巧的擬人機(jī)器手，他們能夠自適應(yīng)抓取一些物品。而在這篇論文中，研究人員們則側(cè)重于分析研發(fā)具有高靈巧度的多自由度手，靈巧機(jī)器手的代表性核心元素分為以下幾個(gè)方面：電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)、肌腱驅(qū)動(dòng)以及連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)?；陔姍C(jī)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的手是一種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)，可以直觀地相對(duì)于關(guān)節(jié)定位電機(jī)，直接或使用齒輪或正時(shí)皮帶輪驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)。這種結(jié)構(gòu)可以具有高的接頭驅(qū)動(dòng)效率，并且容易將接頭布置在所需位置。

圖｜約翰·霍普金斯 APL 實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的 MPL 機(jī)械手臂（來(lái)源：Johns Hopkins University）

從具體案例來(lái)講，由約翰·霍普金斯 APL 實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的 MPL v2.0 機(jī)器手就顯示出了高靈巧度，具有 22 個(gè)自由度的主動(dòng)式，并且設(shè)計(jì)緊湊，集成了執(zhí)行器和電子設(shè)備，能夠進(jìn)行人類(lèi)水平的自然運(yùn)動(dòng)和觸覺(jué)反饋。然而，手的大小和性能高度依賴(lài)于電機(jī)，尤其是手指部分，使用高端規(guī)格的電機(jī)或驅(qū)動(dòng)力傳輸部件會(huì)增加成本，此外，由于電機(jī)的重量，手指處的慣性很高，因此需要復(fù)雜的控制機(jī)構(gòu)，如果沒(méi)有致動(dòng)器技術(shù)的創(chuàng)新，很難實(shí)現(xiàn)緊湊、輕便和高性能。

圖｜Shadow Robot 機(jī)器手（來(lái)源：Shadow Robot）

基于肌腱驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的手與人手驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)最為相似。通常，它們的執(zhí)行器位于前臂上，通過(guò)肌腱連接到關(guān)節(jié)以傳遞驅(qū)動(dòng)力，NASA 開(kāi)發(fā)的機(jī)器人手、DLR 開(kāi)發(fā)的 David 手和 Shadow Robot 公司開(kāi)發(fā)的 Shadow 靈巧手可被視為具有這種機(jī)構(gòu)的代表，這是一種非常適合開(kāi)發(fā)單個(gè)仿人機(jī)器人的方法，但這類(lèi)機(jī)器手的致動(dòng)器和電氣部件相當(dāng)大，很難將這些機(jī)器手與許多現(xiàn)有的商用機(jī)器臂相結(jié)合。連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫臋C(jī)構(gòu)?；谶@一機(jī)制開(kāi)發(fā)的手通過(guò)一個(gè)結(jié)構(gòu)促進(jìn)關(guān)節(jié)在所需方向上的運(yùn)動(dòng)，該結(jié)構(gòu)可將多個(gè)連桿組合在一起，從致動(dòng)器傳遞動(dòng)力，這類(lèi)機(jī)器手具有接頭的雙向控制、魯棒性以及易于制造和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。然而，它們很難實(shí)現(xiàn)多自由度運(yùn)動(dòng)并保持較大的工作空間，特別是在串聯(lián)機(jī)器手（如手指）中。肌腱薄而靈活，因此可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸獨(dú)立驅(qū)動(dòng)每個(gè)關(guān)節(jié)，但連桿相對(duì)較厚且較硬，使得這種配置難以實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)現(xiàn)有機(jī)器手方案的分析，研究人員們得出結(jié)論，機(jī)器人手必須具備以下優(yōu)勢(shì)：靈活性、指尖力、可控性、魯棒性、低成本、低維護(hù)和緊湊性。此外，所有部件應(yīng)該都能嵌入到手本身中，并包括上述所有功能，由此開(kāi)發(fā)一種集成連桿驅(qū)動(dòng)的靈巧擬人機(jī)器手（ILDA）。

圖｜ILDA 概述，配置包括五個(gè)帶指尖傳感器的機(jī)器人手指、集成執(zhí)行器的手掌側(cè)以及控制器和附件等（來(lái)源：Nature Communications）

新的方案通過(guò)并聯(lián)和串聯(lián)機(jī)構(gòu)的融合構(gòu)建，通過(guò)連桿組合實(shí)現(xiàn)掌指關(guān)節(jié)（MCP）的 2 自由度運(yùn)動(dòng)和近端指間關(guān)節(jié)（PIP）的 1 自由度運(yùn)動(dòng)，可發(fā)揮每個(gè)關(guān)節(jié)作用的小零件的選擇、零件放置和配置，以實(shí)現(xiàn)所需的自由度運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)角度，以及高效的動(dòng)力傳輸結(jié)構(gòu)，以獲得高指尖力及其后驅(qū)動(dòng)能力。通過(guò)將六軸力/扭矩（F/T）傳感器連接到指尖，可確保手的力感應(yīng)能力。利用所設(shè)計(jì)的手指，研究人員開(kāi)發(fā)出一種具有 15 個(gè)自由度和 20 個(gè)關(guān)節(jié)的五指機(jī)器手。

圖｜機(jī)器人手指的結(jié)構(gòu)（來(lái)源：Nature Communications）

在實(shí)際應(yīng)用中，它是通過(guò)解決電路板布局和布線問(wèn)題來(lái)構(gòu)建的，確保了電子設(shè)備的緊湊性。所有電機(jī)都集成在手掌中，有五個(gè)手指和指尖傳感器，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的連接配置輕松地連接到一般機(jī)器人手臂上。在實(shí)驗(yàn)中，這個(gè)全新的機(jī)器手能抓取各種形狀物體的可能性，提供強(qiáng)大的抓取力，并確保抓取時(shí)的精細(xì)度。最后，通過(guò)使用剪刀剪紙和用鑷子拾取小物件的試驗(yàn)，驗(yàn)證了手的高利用率，復(fù)制了日常生活中人手執(zhí)行的工具操作。

圖｜ILDA 機(jī)器手靈活抓握能力（來(lái)源：Nature Communications）

性能再上新臺(tái)階

研究人員對(duì) ILDA 機(jī)器手性能進(jìn)行了一些分析。在連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)方面，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)一個(gè)連桿驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人手指機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有類(lèi)似人類(lèi)手指的 3 自由度運(yùn)動(dòng)，具有窄手指大小的工作空間，以確保機(jī)器人手的靈巧性。

大多數(shù)連桿驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人手指只實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)關(guān)節(jié)從屬的 1 或 2 自由度運(yùn)動(dòng)，通過(guò)三個(gè)棱柱關(guān)節(jié)處的線性位移，研究人員開(kāi)發(fā)了手指3自由度運(yùn)動(dòng)的組合，通過(guò)旋轉(zhuǎn)電機(jī)和滾珠絲杠的組合產(chǎn)生三個(gè)線性位移，三個(gè)電機(jī)可以同時(shí)產(chǎn)生三自由度運(yùn)動(dòng)并產(chǎn)生高力輸出。

圖｜機(jī)器手指機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)（來(lái)源：Nature Communications）

為實(shí)現(xiàn)所設(shè)定的目標(biāo)需求，研究人員主要考慮以下因素：（1）選擇和配置合適尺寸的零件以實(shí)現(xiàn)所需的自由度運(yùn)動(dòng)：在手指形狀的狹窄空間中實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的功能，應(yīng)在模型的配置中適當(dāng)安排。因此，從設(shè)計(jì)角度選擇合適尺寸的小部件非常重要。（2） 高效的動(dòng)力傳輸結(jié)構(gòu)，最大限度地減少裝配零件之間的摩擦。為了獲得較高的指尖力，需要一個(gè)緊湊的結(jié)構(gòu)，同時(shí)最小化動(dòng)力傳輸部分的摩擦力。（3） 易于制造和組裝。為了提高已開(kāi)發(fā)機(jī)械手的市場(chǎng)滲透率，從成本和維護(hù)方面對(duì)其進(jìn)行評(píng)估也很重要。因此，設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)單、魯棒的機(jī)械手結(jié)構(gòu)是非常重要的。

圖｜機(jī)器手的詳細(xì)尺寸（來(lái)源：Nature Communications）

最后，所有動(dòng)力傳輸部件和電機(jī)都集成到手的手掌側(cè)，五個(gè) F/T 傳感器安裝在配置的手指部件的每個(gè)指尖上，傳感器接線已完成，因此不會(huì)干擾手指的移動(dòng)，最終，開(kāi)發(fā)出了這種最大長(zhǎng)度為 218 mm、重量?jī)H為 1.1 kg 的集成機(jī)器手。為了驗(yàn)證 ILDA 手的性能，研究人員從三個(gè)維度進(jìn)行了評(píng)估：（1）工作空間內(nèi)的靈巧度；（2）指尖力；（3）觸覺(jué)感知能力。在實(shí)驗(yàn)中，MCP 接頭可從 0° 驅(qū)動(dòng)至 90°，PIP 接頭也可從 0° 操作至 90°；此外，PIP 接頭可以獨(dú)立于 MCP 接頭運(yùn)行，手指外展和內(nèi)收的角度為 ±35°。

圖｜性能分析（來(lái)源：Nature Communications）

通過(guò)指尖傳感器確定接觸點(diǎn)處接觸力的大小，并將相同的力施加到指尖和參考傳感器上，手指施加的力依次遞增，而 25 mA 電流每 2 秒遞增一次，這個(gè)手指施加的最大力在伸展姿勢(shì)為 28 N，彎曲姿勢(shì)為 34 N，驗(yàn)證了手指施加的靜態(tài)力的準(zhǔn)確性，平均誤差為 0.9 N。響應(yīng)通常匹配良好，無(wú)臨界誤差，在執(zhí)行精細(xì)任務(wù)時(shí)具有實(shí)現(xiàn)力控制的巨大潛力。

圖｜機(jī)器手進(jìn)行各種抓握測(cè)試和精細(xì)化操作（來(lái)源：Nature Communications）

在測(cè)試環(huán)節(jié)，開(kāi)發(fā)的手被用來(lái)捏扁鋁易拉罐，當(dāng)時(shí)在每個(gè)手指上測(cè)得的最大力為 25 N；也可以用這只手安全地抓住雞蛋，不會(huì)捏碎；為了確認(rèn)使用該機(jī)器手操縱工具的可能性，將手與商業(yè)機(jī)械手相連進(jìn)行了剪紙實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樵谌粘Ｉ钪惺褂眉舻哆M(jìn)行剪紙是一項(xiàng)需要高度靈巧的任務(wù)。最后一項(xiàng)測(cè)試涉及用鑷子夾住和移動(dòng)小物體，操縱器移動(dòng)，使鑷子的尖端能夠握住小芯片，手執(zhí)行抓取動(dòng)作，使鑷子剝開(kāi)芯片的蓋子并抓取芯片，接下來(lái)，將物體移動(dòng)到另一個(gè)位置，松開(kāi)鑷子以完成操作，一切都順利完成。

圖｜機(jī)器手用鑷子夾起芯片（來(lái)源：Nature Communications）

降低商業(yè)應(yīng)用門(mén)檻

研究人員表示，基于連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的靈巧擬人機(jī)械手 ILDA 確保了連桿驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的原始優(yōu)勢(shì)，如關(guān)節(jié)的雙向控制、魯棒性以及易于制造和維護(hù)等，同時(shí)，它確保了具有 20 個(gè)關(guān)節(jié)的 15 自由度主動(dòng)移動(dòng)，手指之間有足夠的工作空間，以及較高的指尖力，它的重量也更小，尺寸緊湊，并為傳感器集成提供了空間。

ILDA 機(jī)器手可以很容易地連接到現(xiàn)有的商業(yè)機(jī)械臂或正在開(kāi)發(fā)的機(jī)械臂上，而不需要額外的部件，關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于手部表現(xiàn)出高性能，并且零件配置與手部本身相結(jié)合。這款機(jī)器手可以根據(jù)不同物體的形狀執(zhí)行不同類(lèi)型的抓取。剪刀和鑷子用于確定在日常生活中操作工具的可能性，雖然很難準(zhǔn)確量化手在使用剪刀操作工具時(shí)的有效性，但他們使用手的多個(gè)自由度并通過(guò)關(guān)節(jié)的雙向控制來(lái)執(zhí)行組合運(yùn)動(dòng)。具有超高自由度的靈巧擬人機(jī)器手的開(kāi)發(fā)仍然是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題，需要從科學(xué)和工程的角度持續(xù)進(jìn)行研究。但在這項(xiàng)研究中，研究人員試圖最大限度地提高機(jī)器手在各個(gè)維度的性能。到目前為止，業(yè)界已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了許多相對(duì)靈巧的機(jī)器人手，但由于復(fù)雜的制造過(guò)程和維護(hù)困難導(dǎo)致的高成本限制了它們的商業(yè)化落地使用，而這款I(lǐng)LDA機(jī)器手的適用性，將通過(guò)功能和成本的綜合優(yōu)化，能夠擴(kuò)展到實(shí)際研究領(lǐng)域和許多行業(yè)應(yīng)用，推進(jìn)機(jī)器手的進(jìn)一步研究。這么靈活的機(jī)器手，將來(lái)能不能用到人身上，幫助殘疾人完成一些日常操作呢？可以拭目以待了。

參考資料：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27261-0

本文來(lái)自微信公眾號(hào)“學(xué)術(shù)頭條”（ID：SciTouTiao），作者：學(xué)術(shù)頭條，36氪經(jīng)授權(quán)發(fā)布。