如果機器手能執(zhí)行與人手一樣的功能，那在執(zhí)行任務(wù)時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，開發(fā)無需額外驅(qū)動部件的集成機器手是一項挑戰(zhàn)。因為驅(qū)動部件使得這些機器手很難集成到現(xiàn)有的機械臂中，從而限制了它們的廣泛適用性?，F(xiàn)在，新的解決方案來了，來自韓國的科研團隊基于連桿驅(qū)動機構(gòu)，開發(fā)了一種集成連桿驅(qū)動的靈巧擬人機器手，稱為 ILDA，這只機器手有15個自由度（20個關(guān)節(jié)）、34N的指尖力、緊湊的尺寸（最大長度：218 mm），無需額外部件，擁有1.1 kg的低重量和觸覺感應(yīng)能力。值得關(guān)注的一點是，這種機器手可以直接安裝到現(xiàn)有商業(yè)機械臂上，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 機器手手指的靈活性展示（來源：Nature Communications）

機械手方案取長補短

為了實現(xiàn)有效的抓取運動，業(yè)內(nèi)其實已經(jīng)開發(fā)出了很多相對靈巧的擬人機器手，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，靈巧機器手的代表性核心元素分為以下幾個方面：電機直接驅(qū)動、肌腱驅(qū)動以及連桿驅(qū)動機構(gòu)?；陔姍C直接驅(qū)動機構(gòu)開發(fā)的手是一種常見結(jié)構(gòu)，可以直觀地相對于關(guān)節(jié)定位電機，直接或使用齒輪或正時皮帶輪驅(qū)動關(guān)節(jié)。這種結(jié)構(gòu)可以具有高的接頭驅(qū)動效率，并且容易將接頭布置在所需位置。

圖｜約翰·霍普金斯 APL 實驗室開發(fā)的 MPL 機械手臂（來源：Johns Hopkins University）

從具體案例來講，由約翰·霍普金斯 APL 實驗室開發(fā)的 MPL v2.0 機器手就顯示出了高靈巧度，具有 22 個自由度的主動式，并且設(shè)計緊湊，集成了執(zhí)行器和電子設(shè)備，能夠進行人類水平的自然運動和觸覺反饋。然而，手的大小和性能高度依賴于電機，尤其是手指部分，使用高端規(guī)格的電機或驅(qū)動力傳輸部件會增加成本，此外，由于電機的重量，手指處的慣性很高，因此需要復(fù)雜的控制機構(gòu)，如果沒有致動器技術(shù)的創(chuàng)新，很難實現(xiàn)緊湊、輕便和高性能。

圖｜Shadow Robot 機器手（來源：Shadow Robot）

基于肌腱驅(qū)動機構(gòu)的手與人手驅(qū)動機構(gòu)最為相似。通常，它們的執(zhí)行器位于前臂上，通過肌腱連接到關(guān)節(jié)以傳遞驅(qū)動力，NASA 開發(fā)的機器人手、DLR 開發(fā)的 David 手和 Shadow Robot 公司開發(fā)的 Shadow 靈巧手可被視為具有這種機構(gòu)的代表，這是一種非常適合開發(fā)單個仿人機器人的方法，但這類機器手的致動器和電氣部件相當(dāng)大，很難將這些機器手與許多現(xiàn)有的商用機器臂相結(jié)合。連桿驅(qū)動機構(gòu)是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫臋C構(gòu)?；谶@一機制開發(fā)的手通過一個結(jié)構(gòu)促進關(guān)節(jié)在所需方向上的運動，該結(jié)構(gòu)可將多個連桿組合在一起，從致動器傳遞動力，這類機器手具有接頭的雙向控制、魯棒性以及易于制造和維護等優(yōu)點。然而，它們很難實現(xiàn)多自由度運動并保持較大的工作空間，特別是在串聯(lián)機器手（如手指）中。肌腱薄而靈活，因此可以通過旋轉(zhuǎn)軸獨立驅(qū)動每個關(guān)節(jié)，但連桿相對較厚且較硬，使得這種配置難以實現(xiàn)。通過對現(xiàn)有機器手方案的分析，研究人員們得出結(jié)論，機器人手必須具備以下優(yōu)勢：靈活性、指尖力、可控性、魯棒性、低成本、低維護和緊湊性。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，由此開發(fā)一種集成連桿驅(qū)動的靈巧擬人機器手（ILDA）。

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

新的方案通過并聯(lián)和串聯(lián)機構(gòu)的融合構(gòu)建，通過連桿組合實現(xiàn)掌指關(guān)節(jié)（MCP）的 2 自由度運動和近端指間關(guān)節(jié)（PIP）的 1 自由度運動，可發(fā)揮每個關(guān)節(jié)作用的小零件的選擇、零件放置和配置，以實現(xiàn)所需的自由度運動和驅(qū)動角度，以及高效的動力傳輸結(jié)構(gòu)，以獲得高指尖力及其后驅(qū)動能力。通過將六軸力/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)計的手指，研究人員開發(fā)出一種具有 15 個自由度和 20 個關(guān)節(jié)的五指機器手。

圖｜機器人手指的結(jié)構(gòu)（來源：Nature Communications）

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

圖｜ILDA 機器手靈活抓握能力（來源：Nature Communications）

性能再上新臺階

研究人員對 ILDA 機器手性能進行了一些分析。在連桿驅(qū)動機構(gòu)方面，設(shè)計的關(guān)鍵在于實現(xiàn)一個連桿驅(qū)動的機器人手指機構(gòu)，該機構(gòu)具有類似人類手指的 3 自由度運動，具有窄手指大小的工作空間，以確保機器人手的靈巧性。

大多數(shù)連桿驅(qū)動的機器人手指只實現(xiàn)了兩個關(guān)節(jié)從屬的 1 或 2 自由度運動，通過三個棱柱關(guān)節(jié)處的線性位移，研究人員開發(fā)了手指3自由度運動的組合，通過旋轉(zhuǎn)電機和滾珠絲杠的組合產(chǎn)生三個線性位移，三個電機可以同時產(chǎn)生三自由度運動并產(chǎn)生高力輸出。

圖｜機器手指機構(gòu)的運動學(xué)結(jié)構(gòu)（來源：Nature Communications）

為實現(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現(xiàn)所需的自由度運動：在手指形狀的狹窄空間中實現(xiàn)上述運動學(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)計角度選擇合適尺寸的小部件非常重要。（2） 高效的動力傳輸結(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，需要一個緊湊的結(jié)構(gòu)，同時最小化動力傳輸部分的摩擦力。（3） 易于制造和組裝。為了提高已開發(fā)機械手的市場滲透率，從成本和維護方面對其進行評估也很重要。因此，設(shè)計一種簡單、魯棒的機械手結(jié)構(gòu)是非常重要的。

圖｜機器手的詳細尺寸（來源：Nature Communications）

最后，所有動力傳輸部件和電機都集成到手的手掌側(cè)，五個 F/T 傳感器安裝在配置的手指部件的每個指尖上，傳感器接線已完成，因此不會干擾手指的移動，最終，開發(fā)出了這種最大長度為 218 mm、重量僅為 1.1 kg 的集成機器手。為了驗證 ILDA 手的性能，研究人員從三個維度進行了評估：（1）工作空間內(nèi)的靈巧度；（2）指尖力；（3）觸覺感知能力。在實驗中，MCP 接頭可從 0° 驅(qū)動至 90°，PIP 接頭也可從 0° 操作至 90°；此外，PIP 接頭可以獨立于 MCP 接頭運行，手指外展和內(nèi)收的角度為 ±35°。

圖｜性能分析（來源：Nature Communications）

通過指尖傳感器確定接觸點處接觸力的大小，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，這個手指施加的最大力在伸展姿勢為 28 N，彎曲姿勢為 34 N，驗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，無臨界誤差，在執(zhí)行精細任務(wù)時具有實現(xiàn)力控制的巨大潛力。

圖｜機器手進行各種抓握測試和精細化操作（來源：Nature Communications）

在測試環(huán)節(jié)，開發(fā)的手被用來捏扁鋁易拉罐，當(dāng)時在每個手指上測得的最大力為 25 N；也可以用這只手安全地抓住雞蛋，不會捏碎；為了確認使用該機器手操縱工具的可能性，將手與商業(yè)機械手相連進行了剪紙實驗，因為在日常生活中使用剪刀進行剪紙是一項需要高度靈巧的任務(wù)。最后一項測試涉及用鑷子夾住和移動小物體，操縱器移動，使鑷子的尖端能夠握住小芯片，手執(zhí)行抓取動作，使鑷子剝開芯片的蓋子并抓取芯片，接下來，將物體移動到另一個位置，松開鑷子以完成操作，一切都順利完成。

圖｜機器手用鑷子夾起芯片（來源：Nature Communications）

降低商業(yè)應(yīng)用門檻

研究人員表示，基于連桿驅(qū)動機構(gòu)的靈巧擬人機械手 ILDA 確保了連桿驅(qū)動機構(gòu)的原始優(yōu)勢，如關(guān)節(jié)的雙向控制、魯棒性以及易于制造和維護等，同時，它確保了具有 20 個關(guān)節(jié)的 15 自由度主動移動，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 機器手可以很容易地連接到現(xiàn)有的商業(yè)機械臂或正在開發(fā)的機械臂上，而不需要額外的部件，關(guān)鍵優(yōu)勢在于手部表現(xiàn)出高性能，并且零件配置與手部本身相結(jié)合。這款機器手可以根據(jù)不同物體的形狀執(zhí)行不同類型的抓取。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的有效性，但他們使用手的多個自由度并通過關(guān)節(jié)的雙向控制來執(zhí)行組合運動。具有超高自由度的靈巧擬人機器手的開發(fā)仍然是一個懸而未決的問題，需要從科學(xué)和工程的角度持續(xù)進行研究。但在這項研究中，研究人員試圖最大限度地提高機器手在各個維度的性能。到目前為止，業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出了許多相對靈巧的機器人手，但由于復(fù)雜的制造過程和維護困難導(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機器手的適用性，將通過功能和成本的綜合優(yōu)化，能夠擴展到實際研究領(lǐng)域和許多行業(yè)應(yīng)用，推進機器手的進一步研究。這么靈活的機器手，將來能不能用到人身上，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

本文來自微信公眾號“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。