Photo： Stanford University
機械手是一種能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。
機器人的形式一直是多樣的，而研究人員們一直往設計“能在更生活化的真實(shí)環(huán)境中使用”的策略方向發(fā)展。設計能夠在擬人環(huán)境中工作的機器人的一個(gè)策略是使機器人本身盡可能的擬人化。舉個(gè)例子，如果到處都是樓梯，那么人類(lèi)因為有腿且可以用來(lái)爬樓梯，所以如果我們給機器人像人類(lèi)一樣的腿，他們也會(huì )“擅長(cháng)”爬樓梯，對吧？當機器人需要進(jìn)行抓取動(dòng)作時(shí)，我們（作者，以下簡(jiǎn)稱(chēng)我）也看到了這種趨勢，在朝著(zhù)擬人化方向做優(yōu)化。
盡管受到人類(lèi)自身生物的啟發(fā)而產(chǎn)生了一些驚人的機械手，但夾爪設計中仍有可能創(chuàng )造出人類(lèi)無(wú)法做到的事情。
在ICRA 2020上，斯坦福大學(xué)的研究人員發(fā)表的一篇論文中提到，研究人員設計了一種機械手，該機械手的手指由致動(dòng)的滾輪制成，從而可以操縱物體，將手指打結。
盡管它有幾根手指，但該原型“滾輪抓緊器”手將擬人化的設計拋到了窗外，而采用了獨特的手工操作方法。滾輪抓緊器與其他設計用于使用活動(dòng)表面（如嵌入手指的傳送帶）進(jìn)行手動(dòng)操作的抓取器有一些共同特點(diǎn)，但這里介紹的更加創(chuàng )新和令人興奮的是，那些關(guān)節式主動(dòng)滾輪指尖（或任何你想給它們起的非擬人化名字）提供了可操縱的主動(dòng)表面。這意味著(zhù)，手可以抓住物體并旋轉它們，而不必求助于復雜的手指重新定位序列，這就是人類(lèi)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。
手的每個(gè)手指都有三個(gè)驅動(dòng)自由度，這就產(chǎn)生了幾種不同的抓取和操縱物體的方法。像是從桌子上取東西，機器人的手（有時(shí)也有人的手）總是很棘手的，這是由于指尖滾輪的緣故。物體在這個(gè)夾鉗中的運動(dòng)不是完全完整的，這意味著(zhù)它不能在不經(jīng)過(guò)其他中間步驟的情況下任意調整方向。它也不符合許多其他抓取器的方式，限制了某些類(lèi)型的抓取。這種特殊的設計可能不會(huì )取代每一個(gè)手爪，但它特別擅長(cháng)某些特定的操作方式，使其獨特。
我們應該清楚，如果我們能用五個(gè)手指制造出機械手，它具有我們自己手所具有的所有驅動(dòng)力、傳感和控制能力，那將是令人驚奇的，但這可能還需要幾十年的時(shí)間。同時(shí)，還有很多不同的設計需要我們去探索。
說(shuō)到探索不同的設計，研究人員已經(jīng)在打造他們第二個(gè)版本的手了，它用指尖球代替指尖滾軸：
關(guān)于新版“手”的更多信息，我們通過(guò)電子郵件與主要作者Shenli Yuan進(jìn)行了交談。
IEEE Spectrum：人手通常被視為操作的標準。當增加人手沒(méi)有的自由度（如在你的工作中）可以使機器人手在許多方面比我們的能力更強時(shí)，你認為我們還應該把人手看作是可以嘗試和模仿的東西嗎？
Shenli Yuan：我們提出的設計是探索，如果我們不受擬人化的限制，可以實(shí)現什么樣的獨特功能，以及一個(gè)生物上不可能實(shí)現的機制在機器人操作中可能實(shí)現什么。此外，對于很多任務(wù)來(lái)說(shuō)，嘗試模仿人手并不一定是最佳的。也許在20到50年后，當機器人操作器變得更好的時(shí)候，它們不會(huì )看起來(lái)像人類(lèi)的手那么多。機器人學(xué)和生物學(xué)的設計約束有一些共同點(diǎn)（比如機械磨損、有限的肌腱剛度），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
什么是系統最難復制的人手操作能力？
我想到了一些事情。它不能進(jìn)行強力抓握（指用整只手抓握，而不是只用指尖的捏握），這是一種很容易由人手完成的動(dòng)作。它不能在任意方向或任意軸上瞬間移動(dòng)或旋轉物體，盡管人手在這方面也有一定的限制。這些限制的存在主要是因為這個(gè)抓手只有9個(gè)自由度，而人類(lèi)的手有20多個(gè)自由度。我們不認為這個(gè)抓取器是擬人手的替代品，而是一種提供獨特功能的方法，而不需要與高度驅動(dòng)的類(lèi)人手相關(guān)的所有復雜性。
這個(gè)手能做的最令人驚訝或印象深刻的事情是什么？
最令人印象深刻的特點(diǎn)是它可以連續旋轉物體，這對于類(lèi)人機器人手來(lái)說(shuō)是典型的困難或低效的。令人驚訝的是，我們將大部分精力都投入到了抓取器的設計和分析中，而且我們?yōu)檠菔舅鶎?shí)施的控制策略非常簡(jiǎn)單。這種簡(jiǎn)單的控制策略在很少的調整或反復試驗的情況下工作得出奇的好。
有這么多自由度，讓手做你想做的事情有多復雜？
自由度的多少并不是控制它的困難所在。我們遇到的大多數困難實(shí)際上是由于在操作過(guò)程中滾軸和物體之間的滾動(dòng)接觸造成的。滾動(dòng)行為可以被視為不斷打破和重新建立之間的接觸輥和對象，這種非常動(dòng)態(tài)的行為引入了不確定性，在控制我們的抓取。具體來(lái)說(shuō)，很難估計每個(gè)與物體接觸點(diǎn)的速度，這些速度會(huì )根據物體和手指的位置、物體形狀（特別是曲率）和滑動(dòng)／不滑動(dòng)而變化。
還有其他關(guān)于Roller Grasper V2可以告訴我們的嗎？
Roller Grasper V2有球形滾柱，而V1有圓柱形滾柱。我們認識到，當滾柱和物體形成線(xiàn)接觸時(shí)，圓柱滾柱非常擅長(cháng)操縱物體，但當抓取幾何結構不允許每個(gè)滾柱和被抓取物體之間有線(xiàn)接觸時(shí)，圓柱滾柱可能不穩定。球面滾子通過(guò)允許可預測的接觸點(diǎn)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，而不管表面是如何定向的。
Roller Grasper V1的平行四邊形設計使轉軸偏離滾筒中心一點(diǎn)，這使我們的控制和分析更具挑戰性。Roller Grasper V2的運動(dòng)學(xué)更簡(jiǎn)單?；P(guān)節與手指相交，手指與樞軸關(guān)節相交，樞軸關(guān)節與滾子關(guān)節相交。它的對稱(chēng)設計和更簡(jiǎn)單的運動(dòng)學(xué)使我們的控制和分析更加簡(jiǎn)單。Roller Grasper V2的樞軸范圍也更大，為180度，而V1是限制在90度。
在控制方面，我們實(shí)施了更為復雜的控制策略（包括手工制作的控制策略和基于模仿學(xué)習的策略），以實(shí)現抓握者在手上的自主操作。
