有了“手掌”，机械手也能盘“核桃”，耶鲁出品 | Science子刊

Posted 2021-08-10 QbitAl

月石一 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

现在，一只结构简单的机械手，就能实现复杂的操作。

你看它盘起这对儿“核桃”（中国特产：保定球），是不是相当稳？

值得注意的是，它并不像大多数机械手一样，只依靠“手指”来活动，而是将手掌与手指结合，无论是手形还是动作，都更接近人类。

因此，它还能玩转不规则的瓶子，旋转、倾斜、挤压一气呵成：

当然，抓起小骰子也不费力：

这是来自耶鲁大学的最新研究成果——笼式（cage）机械手Model W，通过触点断开和锁定，让结构简单的机械手实现复杂的操作。

△触点锁定和触点断开

相关论文已经在《Science Robotics》上发表。

把健身球盘的比我还稳，具体是怎么做到的？

笼式机械手

由于大多数机械手都是通过指尖操纵对象，虽然具有一定的灵活性，但是比起人手，仍相去甚远。

耶鲁的研究团队指出，人类的手之所以更加灵巧，原因之一就在于手掌与手指的结合使用。

这需要通过模拟所有平面手指的拓扑结构实现，利用手指和手掌的所有内表面进行操作，使接触点可以在滚动、固定和滑动模式之间无缝切换；

并且，手指、手掌可以形成像笼子一样的结构，使物体不易从手中弹出。这使得抓握的稳定性，不再取决于接触位置、力或模式的有关参数。

于是，研究团队用旋转关节（R）和棱柱形关节（P）组合出了14种拓扑结构，它们具有不同的手指开合角度ϕ、手掌宽度p，以及两节手指的长度l和d。

在此基础上，研究人员得到了6250种手部设计，通过仿真模拟，找到了可操纵性最高的结构——RPR和PRR。

△部分仿真结果

最终，团队根据PRR的参数值（ϕ=0、p=0.25、l=0.43、d=0.32），设计出了机械手Model W。

通过滑架在导轨上平移，带动手指的旋转关节，使指尖相互交叉，以更好地模拟人手。

此外，机械手需要6个伺服电机来驱动，为控制成本，研究人员选择了市面上最便宜的Dynamixel XL-320，单个售价约为人民币200元。

拿捏转、大小尺寸通通hold住

通过执行4个简单动作及相互切换，研究团队初步评估了Model W的性能，结果表明机械手能够快速、无缝地执行这些动作。

在将Model W装配到机械臂后，团队使用Yale-CMU-Berkeley（YCB）对象集，进行了进一步的测试。

YCB对象集用于机器人操纵中的基准测试，包括77个对象，分为5类：食物、厨房用品、工具、各种形状、不同任务。

测试结果表明，小到骰子，大到210mm的饼干盒、140mm的迷你足球，都在有效拾取的尺寸范围内。

这是由于手掌的棱柱形特性，使机械手开合范围超过300mm。

研究人员还利用4个测试对象，对机械手的工作空间进行了评估，结果表明，W型具有较大的、完全连接的工作空间。

除了抓取尺寸大、操作空间大，Model W能做的还有很多，比如，

将积木插入匹配的孔中：

向各个方向翻转物体；连续旋转立方体对象：

拿起不规则的瓶子，旋转、挤压；对物体施加变化的力度：

这种从抓取到夹紧的过渡，对于很多抓取机械手来说，都是一项艰巨的任务。

此外，Model W还能“盘核桃”、同时玩转多个对象，既可以是软硬不同材质的球，也可以是尺寸更大的健身球。

研究团队表示：

Model W的笼式结构能够控制住对象，防止物体脱手造成危险，并且它具有简单的拓扑结构，这为实现通用灵巧的机械手奠定了基础。

参考链接：
[1]https://robotics.sciencemag.org/content/6/54/eabd2666
[2]https://www.youtube.com/watch?v=-dUhGyaH4Vc
[3]https://techxplore.com/news/2021-05-highly-dexterous-robot-caging-mechanism.html
[4]https://registry.opendata.aws/ycb-benchmarks/
[5]http://www.ycbbenchmarks.com/