关节|轻松抓鸡蛋、剪纸、夹芯片，这只“机械爪”堪比人手直播|ai|自然度|框架|虚拟人|生

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文丨学术头条，作者丨库珀，编审丨寇建超
如果机器手能执行与人手一样的功能，那在执行任务时就可拥有高度的灵活性。
然而，在保持人手般灵巧度和抓握力等重要功能的同时，开发无需额外驱动部件的集成机器手是一项挑战。因为驱动部件使得这些机器手很难集成到现有的机械臂中，从而限制了它们的广泛适用性。
现在，新的解决方案来了，来自韩国的科研团队基于连杆驱动机构，开发了一种集成连杆驱动的灵巧拟人机器手，称为 ILDA，这只机器手有15个自由度（20个关节）、34N的指尖力、紧凑的尺寸（最大长度：218 mm），无需额外部件，拥有1.1 kg的低重量和触觉感应能力。
值得关注的一点是，这种机器手可以直接安装到现有商业机械臂上，执行各种各样的任务——从抓握鸡蛋到使用剪刀和镊子，相关论文发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。

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图｜ILDA 机器手手指的灵活性展示（来源：Nature Communications）
机械手方案取长补短为了实现有效的抓取运动，业内其实已经开发出了很多相对灵巧的拟人机器手，他们能够自适应抓取一些物品。而在这篇论文中，研究人员们则侧重于分析研发具有高灵巧度的多自由度手，灵巧机器手的代表性核心元素分为以下几个方面：电机直接驱动、肌腱驱动以及连杆驱动机构。
基于电机直接驱动机构开发的手是一种常见结构，可以直观地相对于关节定位电机，直接或使用齿轮或正时皮带轮驱动关节。这种结构可以具有高的接头驱动效率，并且容易将接头布置在所需位置。

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图｜约翰·霍普金斯 APL 实验室开发的 MPL 机械手臂（来源：Johns Hopkins University）
从具体案例来讲，由约翰·霍普金斯 APL 实验室开发的 MPL v2.0 机器手就显示出了高灵巧度，具有 22 个自由度的主动式，并且设计紧凑，集成了执行器和电子设备，能够进行人类水平的自然运动和触觉反馈。然而，手的大小和性能高度依赖于电机，尤其是手指部分，使用高端规格的电机或驱动力传输部件会增加成本，此外，由于电机的重量，手指处的惯性很高，因此需要复杂的控制机构，如果没有致动器技术的创新，很难实现紧凑、轻便和高性能。

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图｜Shadow Robot 机器手（来源：Shadow Robot）
基于肌腱驱动机构的手与人手驱动机构最为相似。通常，它们的执行器位于前臂上，通过肌腱连接到关节以传递驱动力，NASA 开发的机器人手、DLR 开发的 David 手和 Shadow Robot 公司开发的 Shadow 灵巧手可被视为具有这种机构的代表，这是一种非常适合开发单个仿人机器人的方法，但这类机器手的致动器和电气部件相当大，很难将这些机器手与许多现有的商用机器臂相结合。
连杆驱动机构是我们日常生活中常用的机构。基于这一机制开发的手通过一个结构促进关节在所需方向上的运动，该结构可将多个连杆组合在一起，从致动器传递动力，这类机器手具有接头的双向控制、鲁棒性以及易于制造和维护等优点。然而，它们很难实现多自由度运动并保持较大的工作空间，特别是在串联机器手（如手指）中。肌腱薄而灵活，因此可以通过旋转轴独立驱动每个关节，但连杆相对较厚且较硬，使得这种配置难以实现。
【 关节|轻松抓鸡蛋、剪纸、夹芯片，这只“机械爪”堪比人手】通过对现有机器手方案的分析，研究人员们得出结论，机器人手必须具备以下优势：灵活性、指尖力、可控性、鲁棒性、低成本、低维护和紧凑性。此外，所有部件应该都能嵌入到手本身中，并包括上述所有功能，由此开发一种集成连杆驱动的灵巧拟人机器手（ILDA）。

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图｜ILDA 概述，配置包括五个带指尖传感器的机器人手指、集成执行器的手掌侧以及控制器和附件等（来源：Nature Communications）
新的方案通过并联和串联机构的融合构建，通过连杆组合实现掌指关节（MCP）的 2 自由度运动和近端指间关节（PIP）的 1 自由度运动，可发挥每个关节作用的小零件的选择、零件放置和配置，以实现所需的自由度运动和驱动角度，以及高效的动力传输结构，以获得高指尖力及其后驱动能力。通过将六轴力/扭矩（F/T）传感器连接到指尖，可确保手的力感应能力。利用所设计的手指，研究人员开发出一种具有 15 个自由度和 20 个关节的五指机器手。