机械手甚至比人类的手更灵活吗?

537
0
2020年6月23日 10时01分
原作者:Evan Ackerman
文章来源:IEEE Spectrum
编译/字幕组:沈永强

 

机械手甚至比人类的手更灵活吗?插图                                                                                                           图源:斯坦福大学

 

机械手可以利用它更高的自由度去做人手做不到的事情

 

设计能够在拟人环境中工作的机器人的一种策略是使机器人本身尽可能的拟人化。这么说是有道理的——举个例子,在到处都是楼梯的地方,因为我们人类有腿,而且人腿很擅长爬楼梯,所以如果我们给机器人像人类一样的腿,他们也会擅长爬楼梯,对吧?当涉及到机械抓手时,我们也看到了这种趋势,因为机器人需要抓取针对人手进行了优化的东西。 

 

尽管受到人手的生物学启发产生了一些惊人的机械手,但机械手爪的设计仍有创新的余地,可以做人类无法做到的事情。在ICRA 2020上,斯坦福大学的研究人员发表了一篇论文,介绍了一种机械手的设计,这种机械手的手指由驱动辊构成,允许它以将手指打结的方式操纵物体。

 

 

虽然它的确有几根手指,但该原型“辊抓取器”摒弃了拟人化的设计,而采用了独特的手动操作。辊抓取器与其他设计为使用活性表面(如嵌入机械抓取器的传送带)进行手动操作的抓取器有一些共同特点,但令人兴奋的是,它的新功能——那些铰接式主动辊轮指尖(或任何你想给它们起的非拟人化名字)提供可操纵的活性表面。这意味着,它可以抓住物体并旋转,而不必像人手一样借助复杂的手指重新定位序列。

 

每只机械手的手指都有三个可驱动的自由度,这就产生了几种不同的抓取和操纵物体的方法。诸如从桌子上取东西之类的操作对于机械手来说总是很棘手(有时对于人手来说也很难),但在借助指尖辊后,就变得轻而易举。在机械手中物体的运动并不十分完整,这意味着如果不进行其他中间步骤,机械手就无法任意调整物体的方向。而且,它与许多其他抓取器抓取物体的方式也不相同,从而限制了某些类型的抓取操作。这种特殊的设计可能不会取代所有的抓取器,但是它的独特之处在于特别擅长某些特定的操作方式。

 

机械手甚至比人类的手更灵活吗?插图(1)

                                                                                                    图源:斯坦福大学

 

我们应该清楚一点,本文的目的并不在于贬低五指机械手,而是要指出,人们可以使用完全不同的手部设计来做很多事情,不能仅仅因为机械手要匹配(或超过)某些特定的人类能力就要求机械手像人手一样使用千篇一律的手部设计。如果我们制造出的五指机械手具有人手所有的驱动力、感知力和控制力,那将是惊人的,但这可能还需要数十年的时间。其间,我们需要去探索多种不同的手部设计。

 

说到探索不同的手部设计,这些机械手在工作中已经升级成第二版,用指尖球代替指尖辊:

 

 

有关该机械手新版本的更多信息(除其他外),我们通过电子邮件与第一作者Shenli Yuan进行了交谈。如果您有问题,可以详询ICRA页面。

 

IEEE Spectrum人手通常被视为操控的标准。当机械手增加人手所没有的自由度(例如在工作中)使在许多方面比我们的能力更强时,您是否认为我们仍应将人手视为可以尝试模仿的东西? 

 

Shenli Yuan:然是。不仅因为人手具有出色的操能力,而且还因为我们时常被专门为方便人手操控而设计和制造出来物体所包围。拟人机械手仍然值得研究,并且要真正与人手的灵巧性相匹配,还有很长的路要走。我们提出的设计是探索如果我们不受拟人约束的话可以实现哪些独特功能,以及可能通过机器人操控实现生物学上不可能实现的机制。此外,对于许多任务,尝试模仿人手不一定是最选择。也许在20至50年内,机器人操纵装置表现得要好得多,它们的外观看起来不会像人手那。机器人和生物学的设计约束有一些共同点(比如机械磨损、有限的肌腱刚度),但也有很大的不同(比如机器人可以连续旋转人类的散热问题更少)。

 

“对于许多任务,尝试模仿人手不一定是最选择。也许在20至50年内,机器人操纵装置表现得要好得多,它们的外观看起来不会像人手那。”
                                                                                                               —Shenli Yuan,斯坦福大学

 

您研发的系统最难以复制的人手操作能力是什么?

 

关于这个问题我想到了以下几点。它无法强力抓握(用整只手抓握,而不是只用指尖的捏握),这是一种很容易由人手完成的动作。它不能在任意方向或任意轴上瞬间移动或旋转物体,尽管人手在这方面也有一定的限制。它也不能执行步态。话虽如此,这些限制的存在主要是因为这个抓取器只有9个自由度,而人手自由度超过20个。我们不认为这个抓取器类人手的替代品,而是一种提供独特功能的方法,该方法不需要与高度驱动的类人手相关的所有复杂性。

 

研发机械手能够做的最令人惊讶或令人印象深刻的事情是什么?

 

最令人印象深刻的功能是它可以连续旋转物体通常对于类人机械手来说是非常困难或低效的。真正令人惊讶的是,我们将大部分精力投入到抓取器的设计和分析中,而且我们为演示所实施的控制策略非常简单。这种简单的控制策略非常有效,几乎不需要任何调整或反复试验。

 

设置了这么多的自由度,让机械手想做的事情有多复杂?

 

自由度的数量实际上并不是控制它的困难所在。我们遇到的大多数困难实际上是操作过程中与物体之间的滚动接触造成的。滚动行为可以被视为不断破坏并重新建立与物体之间的接触,正是这种动态的行为在控制抓取器时会带来不确定性。具体来说,难以估计每个接触点的速度,这些速度会根据物体和手指的位置、物体形状(尤其是曲率)和是否有滑移而变化。

 

关于Roller Grasper V2,您还能告诉我们什么?

 

Roller Grasper V2具有球面滚子,而V1具有圆柱滚子。我们意识到圆柱滚子在与物体形成线接触时非常擅长操纵物体,但是当抓握几何形状不能让每个滚子与被抓物体之间发生线接触时,圆柱滚子可能会变得不稳定。而对于球面滚子来说,不管物体表面如何定向,球面滚子都可以通过可预测的接触点来解决该问题。 

 

Roller Grasper V1的平行四边形机使枢轴稍微偏离滚子的中心,这使我们的控制和分析更具挑战性。Roller Grasper V2的运动学更加简单。基关节与机械手指相交,机械手指与枢轴关节相交,枢轴关节与滚子关节相交。它的对称设计和更简单的运动学使我们的控制和分析更加直观。Roller Grasper V2还具有更大的180度枢轴范围,而V1被限制为90度。

 

在控制方面,我们实施了更为复杂的控制策略(包括手控制策略和基于模仿学习的策略),以使抓取器能够执行自主的手动操作。

 

斯坦福大学Shenli Yuan,Austin D. Epps,Jerome B. Nowak和J. Kenneth Salisbury的“基于滚子用于物体抓握和手内操纵的灵巧手设计”(“Design of a Roller-Based Dexterous Hand for Object Grasping and Within-Hand Manipulation”)将在ICRA 2020上展出。

 

本文系古月居编译作品,如需转载请注明出处。

发表评论

后才能评论