逍遥学能 2017-04-21 18:21
端起一杯咖啡对一个普通人来说不是什么难事，可近三十年来这对于机器人来说却是个棘手的难题。近日，美国哈佛大学和耶鲁大学的研究者正在研发一种新的机械手可以解决这个难题。受到螳螂腿部结构的启发，工程师们设计出的机械手不仅更加灵敏，而且更适用于不会表达的机器人。
机械手的设计灵感来源于螳螂
哈佛大学仿生机器人实验室的引领人罗伯特D.豪与耶鲁大学的助理教授亚伦.多拉尔，共同致力于机械手的研发。他们认为，人类研究机械手近二三十年时间，但制造出的机械手很少能够完成灵巧的动作。在现实中，机器人和人类同样存在一定困难来建立起手和要抓取物体之间的联系。人类通过张开手指使其变得柔韧灵活来弥补这种失误，从而使手指在握住并拿起物体之前能够沿着物体的边缘滑动；而应对失误，机器人技术研究的传统方法是使用大量的传感器、马达和控制器，其结果导致机械手结构复杂，费用昂贵。由于需要大量的计算机运算来完成最简单的任务，使得这种机械手动作更加迟缓。如果让一只机械手端起一只葡萄酒高脚杯，除非它以蜗牛般的速度，否则在触碰到酒杯时，在传感信号传回计算机并作出反应前，机械手已经将这只酒杯碰翻了。
研究者出人意料的设计的灵感源于螳螂的腿部结构，他们选择了完全相反的途径，通过仿生螳螂的腿部结构，彻底改造机械手，让它自动调整以适应抓取各种形状的物体。在上世纪80年代，加州大学伯克利的罗伯特教授开始研究螳螂如何行走在崎岖的物体表面。螳螂的大脑很小，罗伯特认为它们不可能如此迅速地计算出敏捷的行动。他分析了螳螂腿部的力学结构和工作原理，研究显示它们的腿部灵活柔韧，这种结构使得螳螂无需考虑就可自动调整以适应崎岖的物体表面。罗伯特用弹簧和绞链仿制了机器腿，并制造出一个八条腿的机器人，以惊人的速度在崎岖的物体表面行走，而此前从未有过机器人能达到如此水平。
罗伯特的研究震惊了机器人学界，多拉尔和豪决定通过相似的方法制造出机械手。如果能选择合适的弹簧和手指的形状尺寸，机械手将可以变得柔韧并可沿着物体的边缘滑动，以抓取物体，如同人类的端起一个咖啡杯一样。首先，他们通过电缆和滑轮控制两个双连接的塑料手指和一个单独的马达，然后再添加另外一组手指以稳定地抓取。尽管只有四指结构，最终的机械手具备了人手的几项特性。除此之外，机械手的关节能够张开25度到45度，并且指根部的关节比手指关节更加灵活。设计者同样加装了传感器来感测手指触碰物体和关节的角度。虽然机械手的自动调整还存在很多小毛病，但传感器能够弥补一些大的失误。
最终这个结构简单的机械手能灵巧地完成抓取大多数物体的任务，它为未来的家用服务机器人提供了发展平台。研究者将这项技术同样应用于假肢研究，每个手指的重量不到42.5克是个显著优势，因为很多被截肢者就是因为假肢的笨重不便而放弃使用。目前，机械手尚无法熟练抓取钥匙和餐叉之类的小物件，完成这些灵巧的动作需要加装额外的马达，这将增加机械手的重量和复杂程度。研究者正在探索一种具有可反向拇指的新构造以解决此问题。
近三十年来，人们为了改善机械手的功能而使其变得更加复杂，多拉尔和豪的研究成果为机器人学界开拓了一个新思路，而这还有很长的路要走。