你印象中的「機械手」能做什么浴麻？

能把場上的球撿到筐里得问。

能將小方塊壘起來。

還能轉(zhuǎn)筆软免。

但整個過程看上去似乎還不算特別流暢靈活宫纬。

為使機器人更好地完成定位和抓取物體的任務(wù)焚挠，斯坦福大學(xué)研究人員設(shè)計出了一種機械手。不同于傳統(tǒng)機械手漓骚，其“指尖”為鉸接式的主動驅(qū)動滾輪挖毅，自由度（DoF）為 3，可實現(xiàn)對物體無限的旋轉(zhuǎn)與抓握衬咐。論文入圍了四大獎項倡搞，最終斬獲最佳學(xué)生論文獎（Best Student Paper Award）和最佳機器人控制論文獎（Robot Manipulation）。

更令人欣喜的是晨偿，這種靈活機械手的升級版 V2 也已問世——將 V1 指尖部分的圓柱形滾輪換成藍色小球哥峡，從而增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1诊踢、從立體到平面的無限抓握與旋轉(zhuǎn)

先來看看 V1 表現(xiàn)如何惋蛉。

輕輕松松旋轉(zhuǎn)有棱角的立方體，比如向大家展示一下骰子的 6 個面皮围。

再表演一個擰瓶蓋逆辐。

有時我們沒法一下子拿起桌子上的紙达快，看看機械手能不能做到捏裂。

其中一只“手指”累了想歇一歇，也可以輕松抓起籃球向不同方向移動甸胃。

那么 V2 表現(xiàn)如何呢吩屹？

看上去就像一個輕松一懟就能把小球抓起來的抓娃娃機爪子。

抓起來的小球可以在手中 360 度旋轉(zhuǎn)拧抖，這靈活度可真是接近人手了煤搜。

2、三根“手指”唧席，九個關(guān)節(jié)

這樣靈活的裝置擦盾，背后的原理如何？

據(jù)了解淌哟，研究團隊通過設(shè)計定制的硬編碼控制方案和仿人學(xué)習(xí)迹卢，成功地推導(dǎo)了瞬時運動學(xué)方程、實現(xiàn)了機械手對物體的操作徒仓。

不難看出腐碱，斯坦福研究團隊的這只機械手有三根“手指”，每根“手指”的自由度都為 3掉弛，我們可以將其理解為三個特定功能的關(guān)節(jié)：

• 其一症见，用于重新定向物體的樞轉(zhuǎn)運動；

• 其二殃饿，用于移動物體的連續(xù)滾動運動谋作；

• 其三兵故，用于手指抓取一定尺寸、形狀的物體缩棉。

【V1 的基本構(gòu)造】

【V2 的基本構(gòu)造】

那么司箫，這樣的裝置是如何運轉(zhuǎn)的呢？

研究人員開發(fā)定制 API锌拾，將硬件信息連接到控制算法或用戶輸入绕众。這里所說的信息就主要包括了各關(guān)節(jié)的位置、Base Joint 的電流極限及馬達的控制參數(shù)肴摊。

事實上姆已，要設(shè)計、組裝一個機器人碉晾，自然需要不少組件急响，例如作為機器人大腦的控制器、充當認知的傳感器等等陋窗。而制作機器人的關(guān)節(jié)嘱悄，一般情況下都會用到電機，其特點就是價格不高实愚、且易于控制兼呵。

因此，在這一設(shè)計中腊敲，研究團隊就選用了韓國制造商 ROBOTIS 開發(fā)的高性能 Dynamixel 電機击喂，其電流用于設(shè)置 Base Joint 的剛度以及測量物體控制過程中每根“手指”感受到的力。

而為了更好地控制電機碰辅，同時處理與高級 API 的通信懂昂，研究團隊還用到了一個基于 USB 的微控制器 Teensy 3.6。

實際上没宾，兩個版本主要的差異在于“指尖”部分——V2 置有球形滾筒凌彬，而 V1 的滾筒呈圓柱狀。這一設(shè)計背后的目的在于對系統(tǒng)穩(wěn)定性的提升循衰。升級后铲敛，滾筒不論如何定向，接觸點都是可以預(yù)測的羹蚣。此外原探，V2 樞軸范圍更大，為 180 度忘当，而 V1 樞軸范圍僅為 90 度芯妇。

值得一提的是，在外觀上，不論是 V1 還是 V2肃刁，這種機械手并沒有繼續(xù)沿襲以往擬人化的設(shè)計思路茎陪，用 IEEE 的話說就是將其“扔出了窗外”。不過孙泵，對比之前的一些機械手設(shè)計烫王，這一設(shè)計也并非是完全標新立異的。

但這一設(shè)計的創(chuàng)新點就在于——“手指”無需經(jīng)過復(fù)雜的重新定位過程崇审，就可保證抓住物體之后還能對物體進行旋轉(zhuǎn)靠鸦。

據(jù)了解，論文合著者之一 Shenli Yuan 及其團隊有關(guān)機械手 V1 的論文受到了機器人領(lǐng)域頂會國際機器人與自動化會議（IEEE International Conference on Robotics and Automation任汪，ICRA）的關(guān)注苔巍。ICRA 2020 設(shè)有 12 個獎項，而 Shenli Yuan 團隊入圍了 4 個獎項枷窿，最終獲得了最佳學(xué)生論文獎和最佳機器人控制論文獎避归。

可見，基于 V1 的升級版 V2 自然也有不小的意義管呵，不過機械手的發(fā)展依舊道阻且長梳毙，正如 Shenli Yuan 接受 IEEE 采訪時所說：

擬人化機械手是個值得研究的方向，但機械手要想真正達到人手的靈巧程度捐下，還有很長的路要走账锹。我們提出這樣一種設(shè)計，是想探索如果不受擬人化的限制蔑担，機械手可以有什么獨特的能力牌废，有沒有什么任務(wù)是人手做不到的咽白，而機械手可以完成啤握。此外，就許多任務(wù)而言晶框，嘗試和模仿人手不一定是最優(yōu)解排抬。也許在 20-50 年后，當機器手發(fā)展得更好的時候授段，它們看起來就不會那么像人手了蹲蒲。

（ 云智芯）

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