機(jī)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(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。

機(jī)器人的形式一直是多樣的，而研究人員們一直往設(shè)計(jì)“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(shè)計(jì)能夠在擬人環(huán)境中工作的機(jī)器人的一個(gè)策略是使機(jī)器人本身盡可能的擬人化。舉個(gè)例子，如果到處都是樓梯，那么人類因?yàn)橛型惹铱梢杂脕砼罉翘?，所以如果我們給機(jī)器人像人類一樣的腿，他們也會(huì)“擅長”爬樓梯，對(duì)吧？當(dāng)機(jī)器人需要進(jìn)行抓取動(dòng)作時(shí)，我們（作者，以下簡稱我）也看到了這種趨勢(shì)，在朝著擬人化方向做優(yōu)化。

盡管受到人類自身生物的啟發(fā)而產(chǎn)生了一些驚人的機(jī)械手，但夾爪設(shè)計(jì)中仍有可能創(chuàng)造出人類無法做到的事情。

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(shè)計(jì)了一種機(jī)械手，該機(jī)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(jié)。

盡管它有幾根手指，但該原型“滾輪抓緊器”手將擬人化的設(shè)計(jì)拋到了窗外，而采用了獨(dú)特的手工操作方法。滾輪抓緊器與其他設(shè)計(jì)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(jié)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，手可以抓住物體并旋轉(zhuǎn)它們，而不必求助于復(fù)雜的手指重新定位序列，這就是人類如何做到的。

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(qū)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(jī)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(yùn)動(dòng)不是完全完整的，這意味著它不能在不經(jīng)過其他中間步驟的情況下任意調(diào)整方向。它也不符合許多其他抓取器的方式，限制了某些類型的抓取。這種特殊的設(shè)計(jì)可能不會(huì)取代每一個(gè)手爪，但它特別擅長某些特定的操作方式，使其獨(dú)特。

我們應(yīng)該清楚，如果我們能用五個(gè)手指制造出機(jī)械手，它具有我們自己手所具有的所有驅(qū)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(shè)計(jì)需要我們?nèi)ヌ剿鳌?/p>

說到探索不同的設(shè)計(jì)，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(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)增加人手沒有的自由度（如在你的工作中）可以使機(jī)器人手在許多方面比我們的能力更強(qiáng)時(shí)，你認(rèn)為我們還應(yīng)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(shè)計(jì)是探索，如果我們不受擬人化的限制，可以實(shí)現(xiàn)什么樣的獨(dú)特功能，以及一個(gè)生物上不可能實(shí)現(xiàn)的機(jī)制在機(jī)器人操作中可能實(shí)現(xiàn)什么。此外，對(duì)于很多任務(wù)來說，嘗試模仿人手并不一定是最佳的。也許在20到50年后，當(dāng)機(jī)器人操作器變得更好的時(shí)候，它們不會(huì)看起來像人類的手那么多。機(jī)器人學(xué)和生物學(xué)的設(shè)計(jì)約束有一些共同點(diǎn)（比如機(jī)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 to50 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(tǒng)最難復(fù)制的人手操作能力？

我想到了一些事情。它不能進(jìn)行強(qiáng)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(zhuǎn)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?yàn)檫@個(gè)抓手只有9個(gè)自由度，而人類的手有20多個(gè)自由度。我們不認(rèn)為這個(gè)抓取器是擬人手的替代品，而是一種提供獨(dú)特功能的方法，而不需要與高度驅(qū)動(dòng)的類人手相關(guān)的所有復(fù)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(xù)旋轉(zhuǎn)物體，這對(duì)于類人機(jī)器人手來說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(shè)計(jì)和分析中，而且我們?yōu)檠菔舅鶎?shí)施的控制策略非常簡單。這種簡單的控制策略在很少的調(diào)整或反復(fù)試驗(yàn)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(fù)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(shù)困難實(shí)際上是由于在操作過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(duì)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。具體來說，很難估計(jì)每個(gè)與物體接觸點(diǎn)的速度，這些速度會(huì)根據(jù)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(rèn)識(shí)到，當(dāng)滾柱和物體形成線接觸時(shí)，圓柱滾柱非常擅長操縱物體，但當(dāng)抓取幾何結(jié)構(gòu)不允許每個(gè)滾柱和被抓取物體之間有線接觸時(shí)，圓柱滾柱可能不穩(wěn)定。球面滾子通過允許可預(yù)測(cè)的接觸點(diǎn)來解決這個(gè)問題，而不管表面是如何定向的。

Roller Grasper V1的平行四邊形設(shè)計(jì)使轉(zhuǎn)軸偏離滾筒中心一點(diǎn)，這使我們的控制和分析更具挑戰(zhàn)性。Roller Grasper V2的運(yùn)動(dòng)學(xué)更簡單。基關(guān)節(jié)與手指相交，手指與樞軸關(guān)節(jié)相交，樞軸關(guān)節(jié)與滾子關(guān)節(jié)相交。它的對(duì)稱設(shè)計(jì)和更簡單的運(yùn)動(dòng)學(xué)使我們的控制和分析更加簡單。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(fù)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(xí)的策略），以實(shí)現(xiàn)抓握者在手上的自主操作。