手指也能滾動(dòng)？斯坦福會(huì )搖骰子擰瓶蓋的機械手出V2了

你印象中的「機械手」能做什么？

能把場(chǎng)上的球撿到筐里。

能將小方塊壘起來(lái)。

還能轉筆。

但整個(gè)過(guò)程看上去似乎還不算特別流暢靈活。

為使機器人更好地完成定位和抓取物體的任務(wù)，斯坦福大學(xué)研究人員設計出了一種機械手。不同于傳統機械手，其“指尖”為鉸接式的主動(dòng)驅動(dòng)滾輪，自由度（DoF）為 3，可實(shí)現對物體無(wú)限的旋轉與抓握。論文入圍了四大獎項，最終斬獲最佳學(xué)生論文獎（Best Student Paper Award）和最佳機器人控制論文獎（Robot Manipulation）。

更令人欣喜的是，這種靈活機械手的升級版 V2 也已問(wèn)世——將 V1 指尖部分的圓柱形滾輪換成藍色小球，從而增加系統的穩定性。

從立體到平面的無(wú)限抓握與旋轉

先來(lái)看看 V1 表現如何。

輕輕松松旋轉有棱角的立方體，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(méi)法一下子拿起桌子上的紙，看看機械手能不能做到。

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 表現如何呢？

看上去就像一個(gè)輕松一懟就能把小球抓起來(lái)的抓娃娃機爪子。

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

三根“手指”，九個(gè)關(guān)節

這樣靈活的裝置，背后的原理如何？

據了解，研究團隊通過(guò)設計定制的硬編碼控制方案和仿人學(xué)習，成功地推導了瞬時(shí)運動(dòng)學(xué)方程、實(shí)現了機械手對物體的操作。

不難看出，斯坦福研究團隊的這只機械手有三根“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：

●其一，用于重新定向物體的樞轉運動(dòng)；

●其二，用于移動(dòng)物體的連續滾動(dòng)運動(dòng)；

●其三，用于手指抓取一定尺寸、形狀的物體。

【V1 的基本構造】

【V2 的基本構造】

那么，這樣的裝置是如何運轉的呢？

雷鋒網(wǎng)了解到，研究人員開(kāi)發(fā)定制 API，將硬件信息連接到控制算法或用戶(hù)輸入。這里所說(shuō)的信息就主要包括了各關(guān)節的位置、Base Joint 的電流極限及馬達的控制參數。

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

因此，在這一設計中，研究團隊就選用了韓國制造商 ROBOTIS 開(kāi)發(fā)的高性能 Dynamixel 電機，其電流用于設置 Base Joint 的剛度以及測量物體控制過(guò)程中每根“手指”感受到的力。

而為了更好地控制電機，同時(shí)處理與高級 API 的通信，研究團隊還用到了一個(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。這一設計背后的目的在于對系統穩定性的提升。升級后，滾筒不論如何定向，接觸點(diǎn)都是可以預測的。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(guān)上，不論是 V1 還是 V2，這種機械手并沒(méi)有繼續沿襲以往擬人化的設計思路，用 IEEE 的話(huà)說(shuō)就是將其“扔出了窗外”。不過(guò)，對比之前的一些機械手設計，這一設計也并非是完全標新立異的。

但這一設計的創(chuàng )新點(diǎn)就在于——“手指”無(wú)需經(jīng)過(guò)復雜的重新定位過(guò)程，就可保證抓住物體之后還能對物體進(jìn)行旋轉。

據了解，論文合著(zhù)者之一 Shenli Yuan 及其團隊有關(guān)機械手 V1 的論文受到了機器人領(lǐng)域頂會(huì )國際機器人與自動(dòng)化會(huì )議（IEEE International Conference on Robotics and Automation，ICRA）的關(guān)注。ICRA 2020 設有 12 個(gè)獎項，而 Shenli Yuan 團隊入圍了 4 個(gè)獎項，最終獲得了最佳學(xué)生論文獎和最佳機器人控制論文獎。

可見(jiàn)，基于 V1 的升級版 V2 自然也有不小的意義，不過(guò)機械手的發(fā)展依舊道阻且長(cháng)，正如 Shenli Yuan 接受 IEEE 采訪(fǎng)時(shí)所說(shuō)：

擬人化機械手是個(gè)值得研究的方向，但機械手要想真正達到人手的靈巧程度，還有很長(cháng)的路要走。我們提出這樣一種設計，是想探索如果不受擬人化的限制，機械手可以有什么獨特的能力，有沒(méi)有什么任務(wù)是人手做不到的，而機械手可以完成。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，當機器手發(fā)展得更好的時(shí)候，它們看起來(lái)就不會(huì )那么像人手了。

引用來(lái)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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