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《科学·机器人学》| 斯坦福大学开发出神奇机械手“FarmHand
来源:zhidxcom | 作者:编译 | 程茜 | 2021/12/16 17:17:13 | 浏览:526 | 评论:0

《科学·机器人学》| 斯坦福大学开发出神奇机械手“FarmHand

本周三,斯坦福大学工程师的一项新成果发布于国际学术顶刊《科学》的子刊《科学·机器人学》上。研究人员受壁虎脚趾抓地启发,开发了一种兼具灵巧和稳健抓握能力的机械手“FarmHand”,它可以平稳抓握鸡蛋、葡萄、篮球等物体。

与很多我们常见的机械手不同,这一机械手的多指关节像人手一样,可以更大范围地展开和收合,如下图所示,能以一种类似“采摘”的方式抓取鸡蛋、篮球甚至比自己体积更大的物体。

《科学·机器人学》| 斯坦福大学开发出神奇机械手“FarmHand

▲抓取鸡蛋

有的机械手可以灵巧地抓握鸡蛋,有的能平稳地抓起篮球,但与人手不同的是,很少有机械手同时具备这两类技能。

《科学·机器人学》| 斯坦福大学开发出神奇机械手“FarmHand

斯坦福大学仿生学和灵巧操作实验室的前研究生、21岁的威尔逊·罗托洛(Wilson Ruotolo)说:“你会看到机械手进行强力抓握和精确抓握,然后暗示它们可以做任何事情。我们想要解决的是如何创造既灵巧又强大的机械手。”

斯坦福大学仿生学和灵巧操作实验室的研究生罗托洛和戴恩·布劳尔(Dane Brouwer)关于机械手的论文于12月15日发表在《科学·机器人学》杂志中。

《科学·机器人学》| 斯坦福大学开发出神奇机械手“FarmHand

链接:

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abi9773

一、初衷为助农,采水果、握篮球不在话下

研究人员将基于壁虎脚趾抓地原理制造的粘合剂与定制的机械手相结合,旨在创造一种能够以微妙的力量抓握的机械手,可以实现和人手类似的大范围展开、收合。

研究人员设计初衷是作为机器人农业辅助工具,利用机械手轻柔地操作水果。作为一款能高效使用干式粘合技术的通用机械手,保持了从纸箱里摘鸡蛋和从葡萄藤上摘葡萄的轻柔灵巧。

《科学·机器人学》| 斯坦福大学开发出神奇机械手“FarmHand

▲抓取葡萄

它可以把“手掌”张开得大大的,操纵较大型的物体,例如篮球、罐型饮料等。

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▲抓取篮球

这款机械手还可以用强力操控比自身大许多倍的重物。

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▲操控较大物体

此外,这一机械手还可以同时抓取两个物体。

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▲同时抓取两个物体

“壁虎粘合剂的首次应用与攀爬机器人、攀爬人或抓取空间中非常大、非常光滑的物体有关。但是我们一直在考虑将它们用于更实际的应用程序。”Cutkosky说,“但事实证明,壁虎粘合剂实际上非常挑剔。”

首次在多指拟人机械手上使用壁虎粘合剂是一项挑战,这需要特别注意控制机械手手指的肌腱和粘合剂下方的指垫设计。

二、利用分子间作用力,实现稳固抓握

平行机械手相对于更拟人化的多指机械手的一个优势是具有高抓力的潜力,因此可以使用单个精确手指来获得力量,而多指机械手farmHand利用壁虎粘合剂提供了更多的抓握能力。

该机械手受益于两种生物灵感。首先是人手,它有多关节的手指,不过仅有四个手指,其次是壁虎,基于壁虎脚趾抓地的灵感,在该论文的作者之一、斯坦福大学工程学院弗莱彻琼斯教授马克·卡特科斯基(Mark Cutkosky)领导下,研究小组研制了抓地力强但不粘的壁虎粘合剂,涂在这一机械手的手指上。

《科学·机器人学》| 斯坦福大学开发出神奇机械手“FarmHand

▲机械手原理图

就像壁虎的脚趾一样,涂抹壁虎粘合剂的机械手可以通过微小的皮瓣固定在物体上。当与表面完全接触时,这些皮瓣会产生范德华力(分子间相互作用力),由分子外部电子位置的细微差异引起。因此,粘合剂仅需要很小的力量就可以牢固抓握物体。这种粘合剂的另一个好处就是,它们摸起来不会发粘或留下残留物。

机械手涂抹壁虎粘合剂后,抓取物体需要依靠手指的正面而不是尖端,这样可以提供更多可用的接触区域。为了探索权衡,研究人员通过消除最终链接长度固定的约束,来增大机械手制动器的扭矩。

三、增加肋骨结构,扩大抓握面积

问题的关键在于,壁虎粘合剂必须以特定方式与物体表面接触,以激活范德华力。当将壁虎粘合剂涂抹在较为平坦的表面上时,可以比较容易地控制与物体接触的方式。但是当必须依赖于多个附有壁虎粘合剂的手指抓握物体,并以不同角度接触物体时,也就是使用farmHand抓握时,对于壁虎粘合剂的控制就更加困难。

为了解决这一难题,研究人员在粘合剂下方,为该机械手增加了一层指垫。这层纸垫由可折叠的像肋骨一样的结构制成,只需很小的力即可弯曲。无论接触的位置或角度如何,肋条都呈弯曲状态,以确保粘合垫上的力相等,并防止产生任何一个过早滑动导致物体掉落。

《科学·机器人学》| 斯坦福大学开发出神奇机械手“FarmHand

▲机械手的指垫设计

“如果你移动这些肋骨,无论你从哪里开始,肋条都会产生类似的力。”布劳威尔说,“这是一种简单的物理行为,甚至可以部署在机器人技术之外的空间中,例如鞋面或全地形轮胎。”

人手的肌腱很重要,可以实现大范围的展开和收合。不过很多机械手和夹子被设计成“C”形,就像只用指尖捡起东西一样,但这一机械手基于人手的肌腱原理,实现了更大的抓握面积,在手指末端安装了垫子,这也为壁虎粘合剂提供了更多的表面积。

设计灵活又功能强大的机械手的的另一个问题在于,现有的计算机模拟很难预测软物体的真实性能,因此使设计恰到好处尤其困难。但是研究人员在3D打印和测试许多硬塑料和软塑料组件过程中受益匪浅,这也加快了他们的研究进程。他们甚至说:“如果在五年前,这项研究不太可能成功实现,或者至少要慢得多。”

对该机械手的进一步改进可能会以反馈功能的形式出现,这将帮助用户了解它的抓握方式以及在使用机械手时如何更好地抓握。

结语:兼具灵活与稳健,促进商业化落地

多指机械手相比于平行机械手更加灵活,但想要在实际生活中采用,还需要具备平行机械手的稳健功能。而斯坦福的研究人员将机械手的灵活性和刚度相结合,既可以抓取鸡蛋、西瓜等,也可以抓握比自己大的物体。

其次,初代机械手farmHand原型是低成本的,这也为其升级提供了条件。研究人员表示,在未来更高性能的电机扭矩将实现更高的肌腱张力,以及采用更硬的肋骨也能提高机械手的整体稳定性。研究人员还在考虑将这一机械手进一步商业化。

来源:斯坦福大学官网、《科学·机器人学》

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