【WRC • 前沿】机械手可以利用其自由度 完成人类手做不到的事情啦

Photo: Stanford University

机械手是一种能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。

机器人的形式一直是多样的，而研究人员们一直往设计“能在更生活化的真实环境中使用”的策略方向发展。设计能够在拟人环境中工作的机器人的一个策略是使机器人本身尽可能的拟人化。举个例子，如果到处都是楼梯，那么人类因为有腿且可以用来爬楼梯，所以如果我们给机器人像人类一样的腿，他们也会“擅长”爬楼梯，对吧？当机器人需要进行抓取动作时，我们（作者，以下简称我）也看到了这种趋势，在朝着拟人化方向做优化。

尽管受到人类自身生物的启发而产生了一些惊人的机械手，但夹爪设计中仍有可能创造出人类无法做到的事情。

在ICRA 2020上，斯坦福大学的研究人员发表的一篇论文中提到，研究人员设计了一种机械手，该机械手的手指由致动的滚轮制成，从而可以操纵物体，将手指打结。

尽管它有几根手指，但该原型“滚轮抓紧器”手将拟人化的设计抛到了窗外，而采用了独特的手工操作方法。滚轮抓紧器与其他设计用于使用活动表面（如嵌入手指的传送带）进行手动操作的抓取器有一些共同特点，但这里介绍的更加创新和令人兴奋的是，那些关节式主动滚轮指尖（或任何你想给它们起的非拟人化名字）提供了可操纵的主动表面。这意味着，手可以抓住物体并旋转它们，而不必求助于复杂的手指重新定位序列，这就是人类如何做到的。

Photo: Stanford UniversityThings like picking something flat off of a table, always tricky for robotic hands (and sometimes for human hands as well), is a breeze thanks to the fingertip rollers.

手的每个手指都有三个驱动自由度，这就产生了几种不同的抓取和操纵物体的方法。像是从桌子上取东西，机器人的手（有时也有人的手）总是很棘手的，这是由于指尖滚轮的缘故。物体在这个夹钳中的运动不是完全完整的，这意味着它不能在不经过其他中间步骤的情况下任意调整方向。它也不符合许多其他抓取器的方式，限制了某些类型的抓取。这种特殊的设计可能不会取代每一个手爪，但它特别擅长某些特定的操作方式，使其独特。

我们应该清楚，如果我们能用五个手指制造出机械手，它具有我们自己手所具有的所有驱动力、传感和控制能力，那将是令人惊奇的，但这可能还需要几十年的时间。同时，还有很多不同的设计需要我们去探索。

说到探索不同的设计，研究人员已经在打造他们第二个版本的手了，它用指尖球代替指尖滚轴：

关于新版“手”的更多信息，我们通过电子邮件与主要作者Shenli Yuan进行了交谈。

IEEE Spectrum：人手通常被视为操作的标准。当增加人手没有的自由度（如在你的工作中）可以使机器人手在许多方面比我们的能力更强时，你认为我们还应该把人手看作是可以尝试和模仿的东西吗？

Shenli Yuan：我们提出的设计是探索，如果我们不受拟人化的限制，可以实现什么样的独特功能，以及一个生物上不可能实现的机制在机器人操作中可能实现什么。此外，对于很多任务来说，尝试模仿人手并不一定是最佳的。也许在20到50年后，当机器人操作器变得更好的时候，它们不会看起来像人类的手那么多。机器人学和生物学的设计约束有一些共同点（比如机械磨损、有限的肌腱刚度），但也有很大的不同。

“For lots of tasks, it isn’t necessarily optimal to try and emulate the human hand. Perhaps in 20 to 50 years when robot manipulators are much better, they won’t look like the human hand that much.”

—Shenli Yuan, Stanford University

什么是系统最难复制的人手操作能力？

我想到了一些事情。它不能进行强力抓握（指用整只手抓握，而不是只用指尖的捏握），这是一种很容易由人手完成的动作。它不能在任意方向或任意轴上瞬间移动或旋转物体，尽管人手在这方面也有一定的限制。这些限制的存在主要是因为这个抓手只有9个自由度，而人类的手有20多个自由度。我们不认为这个抓取器是拟人手的替代品，而是一种提供独特功能的方法，而不需要与高度驱动的类人手相关的所有复杂性。

这个手能做的最令人惊讶或印象深刻的事情是什么？

最令人印象深刻的特点是它可以连续旋转物体，这对于类人机器人手来说是典型的困难或低效的。令人惊讶的是，我们将大部分精力都投入到了抓取器的设计和分析中，而且我们为演示所实施的控制策略非常简单。这种简单的控制策略在很少的调整或反复试验的情况下工作得出奇的好。

有这么多自由度，让手做你想做的事情有多复杂？

自由度的多少并不是控制它的困难所在。我们遇到的大多数困难实际上是由于在操作过程中滚轴和物体之间的滚动接触造成的。滚动行为可以被视为不断打破和重新建立之间的接触辊和对象，这种非常动态的行为引入了不确定性，在控制我们的抓取。具体来说，很难估计每个与物体接触点的速度，这些速度会根据物体和手指的位置、物体形状（特别是曲率）和滑动/不滑动而变化。

还有其他关于Roller Grasper V2可以告诉我们的吗？

Roller Grasper V2有球形滚柱，而V1有圆柱形滚柱。我们认识到，当滚柱和物体形成线接触时，圆柱滚柱非常擅长操纵物体，但当抓取几何结构不允许每个滚柱和被抓取物体之间有线接触时，圆柱滚柱可能不稳定。球面滚子通过允许可预测的接触点来解决这个问题，而不管表面是如何定向的。

Roller Grasper V1的平行四边形设计使转轴偏离滚筒中心一点，这使我们的控制和分析更具挑战性。Roller Grasper V2的运动学更简单。基关节与手指相交，手指与枢轴关节相交，枢轴关节与滚子关节相交。它的对称设计和更简单的运动学使我们的控制和分析更加简单。Roller Grasper V2的枢轴范围也更大，为180度，而V1是限制在90度。

在控制方面，我们实施了更为复杂的控制策略（包括手工制作的控制策略和基于模仿学习的策略），以实现抓握者在手上的自主操作。

（来源：IEEE电气电子工程师公众号）