手指也能滚动？斯坦福会摇骰子拧瓶盖的机械手出 V2 了

你印象中的「机械手」能做什么？

能把场上的球捡到筐里。

能将小方块垒起来。

还能转笔。

但整个过程看上去似乎还不算特别流畅灵活。

为使机器人更好地完成定位和抓取物体的任务，斯坦福大学研究人员设计出了一种机械手。不同于传统机械手，其“指尖”为铰接式的主动驱动滚轮，自由度（DoF）为 3，可实现对物体无限的旋转与抓握。论文入围了四大奖项，最终斩获最佳学生论文奖（Best Student Paper Award）和最佳机器人控制论文奖（Robot Manipulation）。

更令人欣喜的是，这种灵活机械手的升级版 V2 也已问世——将 V1 指尖部分的圆柱形滚轮换成蓝色小球，从而增加系统的稳定性。

1、从立体到平面的无限抓握与旋转

先来看看 V1 表现如何。

轻轻松松旋转有棱角的立方体，比如向大家展示一下骰子的 6 个面。

再表演一个拧瓶盖。

有时我们没法一下子拿起桌子上的纸，看看机械手能不能做到。

其中一只“手指”累了想歇一歇，也可以轻松抓起篮球向不同方向移动。

那么 V2 表现如何呢？

看上去就像一个轻松一怼就能把小球抓起来的抓娃娃机爪子。

抓起来的小球可以在手中 360 度旋转，这灵活度可真是接近人手了。

2、三根“手指”，九个关节

这样灵活的装置，背后的原理如何？

据了解，研究团队通过设计定制的硬编码控制方案和仿人学习，成功地推导了瞬时运动学方程、实现了机械手对物体的操作。

不难看出，斯坦福研究团队的这只机械手有三根“手指”，每根“手指”的自由度都为 3，我们可以将其理解为三个特定功能的关节：

其一，用于重新定向物体的枢转运动；
其二，用于移动物体的连续滚动运动；
其三，用于手指抓取一定尺寸、形状的物体。

【V1 的基本构造】

【V2 的基本构造】

那么，这样的装置是如何运转的呢？

研究人员开发定制 API，将硬件信息连接到控制算法或用户输入。这里所说的信息就主要包括了各关节的位置、Base Joint 的电流极限及马达的控制参数。

事实上，要设计、组装一个机器人，自然需要不少组件，例如作为机器人大脑的控制器、充当认知的传感器等等。而制作机器人的关节，一般情况下都会用到电机，其特点就是价格不高、且易于控制。

因此，在这一设计中，研究团队就选用了韩国制造商 ROBOTIS 开发的高性能 Dynamixel 电机，其电流用于设置 Base Joint 的刚度以及测量物体控制过程中每根“手指”感受到的力。

而为了更好地控制电机，同时处理与高级 API 的通信，研究团队还用到了一个基于 USB 的微控制器 Teensy 3.6。

实际上，两个版本主要的差异在于“指尖”部分——V2 置有球形滚筒，而 V1 的滚筒呈圆柱状。这一设计背后的目的在于对系统稳定性的提升。升级后，滚筒不论如何定向，接触点都是可以预测的。此外，V2 枢轴范围更大，为 180 度，而 V1 枢轴范围仅为 90 度。

值得一提的是，在外观上，不论是 V1 还是 V2，这种机械手并没有继续沿袭以往拟人化的设计思路，用 IEEE 的话说就是将其“扔出了窗外”。不过，对比之前的一些机械手设计，这一设计也并非是完全标新立异的。

但这一设计的创新点就在于——“手指”无需经过复杂的重新定位过程，就可保证抓住物体之后还能对物体进行旋转。

据了解，论文合著者之一 Shenli Yuan 及其团队有关机械手 V1 的论文受到了机器人领域顶会国际机器人与自动化会议（IEEE International Conference on Robotics and Automation，ICRA）的关注。ICRA 2020 设有 12 个奖项，而 Shenli Yuan 团队入围了 4 个奖项，最终获得了最佳学生论文奖和最佳机器人控制论文奖。

可见，基于 V1 的升级版 V2 自然也有不小的意义，不过机械手的发展依旧道阻且长，正如 Shenli Yuan 接受 IEEE 采访时所说：

拟人化机械手是个值得研究的方向，但机械手要想真正达到人手的灵巧程度，还有很长的路要走。我们提出这样一种设计，是想探索如果不受拟人化的限制，机械手可以有什么独特的能力，有没有什么任务是人手做不到的，而机械手可以完成。此外，就许多任务而言，尝试和模仿人手不一定是最优解。也许在 20-50 年后，当机器手发展得更好的时候，它们看起来就不会那么像人手了。

（云智芯）

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