你印象中的「機(jī)械手」能做什么？

能把場上的球撿到筐里。

能將小方塊壘起來。

還能轉(zhuǎn)筆。

但整個(gè)過程看上去似乎還不算特別流暢靈活。

為使機(jī)器人更好地完成定位和抓取物體的任務(wù)，斯坦福大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)出了一種機(jī)械手。不同于傳統(tǒng)機(jī)械手，其“指尖”為鉸接式的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)滾輪，自由度（DoF）為 3，可實(shí)現(xiàn)對(duì)物體無限的旋轉(zhuǎn)與抓握。論文入圍了四大獎(jiǎng)項(xiàng)，最終斬獲最佳學(xué)生論文獎(jiǎng)（Best Student Paper Award）和最佳機(jī)器人控制論文獎(jiǎng)（Robot Manipulation）。

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

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。

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(gè)面。

再表演一個(gè)擰瓶蓋。

有時(shí)我們沒法一下子拿起桌子上的紙，看看機(jī)械手能不能做到。

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(dòng)。

那么 V2 表現(xiàn)如何呢？

看上去就像一個(gè)輕松一懟就能把小球抓起來的抓娃娃機(jī)爪子。

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

三根“手指”，九個(gè)關(guān)節(jié)

這樣靈活的裝置，背后的原理如何？

據(jù)了解，研究團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)定制的硬編碼控制方案和仿人學(xué)習(xí)，成功地推導(dǎo)了瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、實(shí)現(xiàn)了機(jī)械手對(duì)物體的操作。

不難看出，斯坦福研究團(tuán)隊(duì)的這只機(jī)械手有三根“手指”，每根“手指”的自由度都為 3，我們可以將其理解為三個(gè)特定功能的關(guān)節(jié)：

●其一，用于重新定向物體的樞轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；

●其二，用于移動(dòng)物體的連續(xù)滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)；

●其三，用于手指抓取一定尺寸、形狀的物體。

【V1 的基本構(gòu)造】

【V2 的基本構(gòu)造】

那么，這樣的裝置是如何運(yùn)轉(zhuǎn)的呢？

雷鋒網(wǎng)了解到，研究人員開發(fā)定制 API，將硬件信息連接到控制算法或用戶輸入。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(dá)的控制參數(shù)。

事實(shí)上，要設(shè)計(jì)、組裝一個(gè)機(jī)器人，自然需要不少組件，例如作為機(jī)器人大腦的控制器、充當(dāng)認(rèn)知的傳感器等等。而制作機(jī)器人的關(guān)節(jié)，一般情況下都會(huì)用到電機(jī)，其特點(diǎn)就是價(jià)格不高、且易于控制。

因此，在這一設(shè)計(jì)中，研究團(tuán)隊(duì)就選用了韓國制造商 ROBOTIS 開發(fā)的高性能 Dynamixel 電機(jī)，其電流用于設(shè)置 Base Joint 的剛度以及測(cè)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(jī)，同時(shí)處理與高級(jí) API 的通信，研究團(tuán)隊(duì)還用到了一個(gè)基于 USB 的微控制器 Teensy 3.6。

實(shí)際上，兩個(gè)版本主要的差異在于“指尖”部分——V2 置有球形滾筒，而 V1 的滾筒呈圓柱狀。這一設(shè)計(jì)背后的目的在于對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的提升。升級(jí)后，滾筒不論如何定向，接觸點(diǎn)都是可以預(yù)測(cè)的。此外，V2 樞軸范圍更大，為 180 度，而 V1 樞軸范圍僅為 90 度。

值得一提的是，在外觀上，不論是 V1 還是 V2，這種機(jī)械手并沒有繼續(xù)沿襲以往擬人化的設(shè)計(jì)思路，用 IEEE 的話說就是將其“扔出了窗外”。不過，對(duì)比之前的一些機(jī)械手設(shè)計(jì)，這一設(shè)計(jì)也并非是完全標(biāo)新立異的。

但這一設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)就在于——“手指”無需經(jīng)過復(fù)雜的重新定位過程，就可保證抓住物體之后還能對(duì)物體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。

據(jù)了解，論文合著者之一 Shenli Yuan 及其團(tuán)隊(duì)有關(guān)機(jī)械手 V1 的論文受到了機(jī)器人領(lǐng)域頂會(huì)國際機(jī)器人與自動(dòng)化會(huì)議（IEEE International Conference on Robotics and Automation，ICRA）的關(guān)注。ICRA 2020 設(shè)有 12 個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，而 Shenli Yuan 團(tuán)隊(duì)入圍了 4 個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，最終獲得了最佳學(xué)生論文獎(jiǎng)和最佳機(jī)器人控制論文獎(jiǎng)。

可見，基于 V1 的升級(jí)版 V2 自然也有不小的意義，不過機(jī)械手的發(fā)展依舊道阻且長，正如 Shenli Yuan 接受 IEEE 采訪時(shí)所說：

擬人化機(jī)械手是個(gè)值得研究的方向，但機(jī)械手要想真正達(dá)到人手的靈巧程度，還有很長的路要走。我們提出這樣一種設(shè)計(jì)，是想探索如果不受擬人化的限制，機(jī)械手可以有什么獨(dú)特的能力，有沒有什么任務(wù)是人手做不到的，而機(jī)械手可以完成。此外，就許多任務(wù)而言，嘗試和模仿人手不一定是最優(yōu)解。也許在 20-50 年后，當(dāng)機(jī)器手發(fā)展得更好的時(shí)候，它們看起來就不會(huì)那么像人手了。

引用來源：
https://fetchrobotics.com/robotics-platforms/fetch-mobile-manipulator/
https://ras.papercept.net/proceedings/ICRA20/1733.pdf
https://yuanshenli.com/roller_grasper_v2.html
https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-hardware/we-can-do-better-than-humanlike-hands-for-robots
https://icra2020.org/program/conference-awards

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*原文章地址為手指也能滾動(dòng)？斯坦福會(huì)搖骰子擰瓶蓋的機(jī)械手出 V2 了