撰文：庫珀
編審：寇建超
排版：李雪薇
如果機器手能執行與人手一樣的功能，那在執行任務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，開發無需額外驅動部件的內建機器手是一項挑戰。因為驅動部件使得這些機器手很難內建到現有的機械臂中，進而限制了它們的廣泛适用性。
現在，新的解決方案來了，來自南韓的科研團隊基于連杆驅動機構，開發了一種內建連杆驅動的靈巧拟人機器手，稱為 ILDA，這隻機器手有15個自由度（20個關節）、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能力。
值得關注的一點是，這種機器手可以直接安裝到現有商業機械臂上，執行各種各樣的任務——從抓握雞蛋到使用剪刀和鑷子，相關論文發表在《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
為了實作有效的抓取運動，業内其實已經開發出了很多相對靈巧的拟人機器手，他們能夠自适應抓取一些物品。而在這篇論文中，研究人員們則側重于分析研發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：電機直接驅動、肌腱驅動以及連杆驅動機構。
基于電機直接驅動機構開發的手是一種常見結構，可以直覺地相對于關節定位電機，直接或使用齒輪或正時皮帶輪驅動關節。這種結構可以具有高的接頭驅動效率，并且容易将接頭布置在所需位置。
圖｜約翰·霍普金斯 APL 實驗室開發的 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，并且設計緊湊，內建了執行器和電子裝置，能夠進行人類水準的自然運動和觸覺回報。然而，手的大小和性能高度依賴于電機，尤其是手指部分，使用高端規格的電機或驅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，是以需要複雜的控制機構，如果沒有緻動器技術的創新，很難實作緊湊、輕便和高性能。
圖｜Shadow Robot 機器手（來源：Shadow Robot）
基于肌腱驅動機構的手與人手驅動機構最為相似。通常，它們的執行器位于前臂上，通過肌腱連接配接到關節以傳遞驅動力，NASA 開發的機器人手、DLR 開發的 David 手和 Shadow Robot 公司開發的 Shadow 靈巧手可被視為具有這種機構的代表，這是一種非常适合開發單個仿人機器人的方法，但這類機器手的緻動器和電氣部件相當大，很難将這些機器手與許多現有的商用機器臂相結合。
連杆驅動機構是我們日常生活中常用的機構。基于這一機制開發的手通過一個結構促進關節在所需方向上的運動，該結構可将多個連杆組合在一起，從緻動器傳遞動力，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點。然而，它們很難實作多自由度運動并保持較大的工作空間，特别是在串聯機器手（如手指）中。肌腱薄而靈活，是以可以通過旋轉軸獨立驅動每個關節，但連杆相對較厚且較硬，使得這種配置難以實作。
通過對現有機器手方案的分析，研究人員們得出結論，機器人手必須具備以下優勢：靈活性、指尖力、可控性、魯棒性、低成本、低維護和緊湊性。此外，所有部件應該都能嵌入到手本身中，并包括上述所有功能，由此開發一種內建連杆驅動的靈巧拟人機器手（ILDA）。
圖｜ILDA 概述，配置包括五個帶指尖傳感器的機器人手指、內建執行器的手掌側以及控制器和附件等（來源：Nature Communications）
新的方案通過并聯和串聯機構的融合建構，通過連杆組合實作掌指關節（MCP）的 2 自由度運動和近端指間關節（PIP）的 1 自由度運動，可發揮每個關節作用的小零件的選擇、零件放置和配置，以實作所需的自由度運動和驅動角度，以及高效的動力傳輸結構，以獲得高指尖力及其後驅動能力。通過将六軸力/扭矩（F/T）傳感器連接配接到指尖，可確定手的力感應能力。利用所設計的手指，研究人員開發出一種具有 15 個自由度和 20 個關節的五指機器手。
圖｜機器人手指的結構（來源：Nature Communications）
在實際應用中，它是通過解決電路闆布局和布線問題來建構的，確定了電子裝置的緊湊性。所有電機都內建在手掌中，有五個手指和指尖傳感器，可以通過簡單的連接配接配置輕松地連接配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，并確定抓取時的精細度。最後，通過使用剪刀剪紙和用鑷子拾取小物件的試驗，驗證了手的高使用率，複制了日常生活中人手執行的工具操作。
圖｜ILDA 機器手靈活抓握能力（來源：Nature Communications）
性能再上新台階
研究人員對 ILDA 機器手性能進行了一些分析。在連杆驅動機構方面，設計的關鍵在于實作一個連杆驅動的機器人手指機構，該機構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，以確定機器人手的靈巧性。
大多數連杆驅動的機器人手指隻實作了兩個關節從屬的 1 或 2 自由度運動，通過三個棱柱關節處的線性位移，研究人員開發了手指3自由度運動的組合，通過旋轉電機和滾珠絲杠的組合産生三個線性位移，三個電機可以同時産生三自由度運動并産生高力輸出。
圖｜機器手指機構的運動學結構（來源：Nature Communications）
為實作所設定的目标需求，研究人員主要考慮以下因素：（1）選擇和配置合适尺寸的零件以實作所需的自由度運動：在手指形狀的狹窄空間中實作上述運動學模型的功能，應在模型的配置中适當安排。是以，從設計角度選擇合适尺寸的小部件非常重要。（2） 高效的動力傳輸結構，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，需要一個緊湊的結構，同時最小化動力傳輸部分的摩擦力。（3） 易于制造群組裝。為了提高已開發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。是以，設計一種簡單、魯棒的機械手結構是非常重要的。
圖｜機器手的詳細尺寸（來源：Nature Communications）
最後，所有動力傳輸部件和電機都內建到手的手掌側，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，是以不會幹擾手指的移動，最終，開發出了這種最大長度為 218 mm、重量僅為 1.1 kg 的內建機器手。
為了驗證 ILDA 手的性能，研究人員從三個次元進行了評估：（1）工作空間内的靈巧度；（2）指尖力；（3）觸覺感覺能力。
在實驗中，MCP 接頭可從 0° 驅動至 90°，PIP 接頭也可從 0° 操作至 90°；此外，PIP 接頭可以獨立于 MCP 接頭運作，手指外展和内收的角度為 ±35°。
圖｜性能分析（來源：Nature Communications）
通過指尖傳感器确定接觸點處接觸力的大小，并将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态力的準确性，平均誤差為 0.9 N。響應通常比對良好，無臨界誤差，在執行精細任務時具有實作力控制的巨大潛力。
圖｜機器手進行各種抓握測試和精細化操作（來源：Nature Communications）
在測試環節，開發的手被用來捏扁鋁易拉罐，當時在每個手指上測得的最大力為 25 N；也可以用這隻手安全地抓住雞蛋，不會捏碎；為了确認使用該機器手操縱工具的可能性，将手與商業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。
最後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晶片，手執行抓取動作，使鑷子剝開晶片的蓋子并抓取晶片，接下來，将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｜機器手用鑷子夾起晶片（來源：Nature Communications）
降低商業應用門檻
研究人員表示，基于連杆驅動機構的靈巧拟人機械手 ILDA 確定了連杆驅動機構的原始優勢，如關節的雙向控制、魯棒性以及易于制造和維護等，同時，它確定了具有 20 個關節的 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，并為傳感器內建提供了空間。
ILDA 機器手可以很容易地連接配接到現有的商業機械臂或正在開發的機械臂上，而不需要額外的部件，關鍵優勢在于手部表現出高性能，并且零件配置與手部本身相結合。
這款機器手可以根據不同物體的形狀執行不同類型的抓取。剪刀和鑷子用于确定在日常生活中操作工具的可能性，雖然很難準确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節的雙向控制來執行組合運動。
具有超高自由度的靈巧拟人機器手的開發仍然是一個懸而未決的問題，需要從科學和工程的角度持續進行研究。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次元的性能。
到目前為止，業界已經開發出了許多相對靈巧的機器人手，但由于複雜的制造過程和維護困難導緻的高成本限制了它們的商業化落地使用，而這款ILDA機器手的适用性，将通過功能和成本的綜合優化，能夠擴充到實際研究領域和許多行業應用，推進機器手的進一步研究。
這麼靈活的機器手，将來能不能用到人身上，幫助殘障人士完成一些日常操作呢？可以拭目以待了。
參考資料：
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