斯坦福“機(jī)械手”成精:優(yōu)雅取雞蛋剽悍運(yùn)籃球 登《科學(xué)》子刊
本周三,斯坦福大學(xué)工程師的一項(xiàng)新成果發(fā)布于國(guó)際學(xué)術(shù)頂刊《科學(xué)》的子刊《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》上。研究人員受壁虎腳趾抓地啟發(fā),開發(fā)了一種兼具靈巧和穩(wěn)健抓握能力的機(jī)械手“farmHand”,它可以平穩(wěn)抓握雞蛋、葡萄、籃球等物體。
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與很多我們常見的機(jī)械手不同,這一機(jī)械手的多指關(guān)節(jié)像人手一樣,可以更大范圍地展開和收合,如下圖所示,能以一種類似“采摘”的方式抓取雞蛋、籃球甚至比自己體積更大的物體。
▲抓取雞蛋
有的機(jī)械手可以靈巧地抓握雞蛋,有的能平穩(wěn)地抓起籃球,但與人手不同的是,很少有機(jī)械手同時(shí)具備這兩類技能。
斯坦福大學(xué)仿生學(xué)和靈巧操作實(shí)驗(yàn)室的前研究生、21歲的威爾遜·羅托洛(Wilson Ruotolo)說:“你會(huì)看到機(jī)械手進(jìn)行強(qiáng)力抓握和精確抓握,然后暗示它們可以做任何事情。我們想要解決的是如何創(chuàng)造既靈巧又強(qiáng)大的機(jī)械手。”
斯坦福大學(xué)仿生學(xué)和靈巧操作實(shí)驗(yàn)室的研究生羅托洛和戴恩·布勞爾(Dane Brouwer)關(guān)于機(jī)械手的論文于12月15日發(fā)表在《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》雜志中。
鏈接:
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abi9773
一、初衷為助農(nóng),采水果、握籃球不在話下
研究人員將基于壁虎腳趾抓地原理制造的粘合劑與定制的機(jī)械手相結(jié)合,旨在創(chuàng)造一種能夠以微妙的力量抓握的機(jī)械手,可以實(shí)現(xiàn)和人手類似的大范圍展開、收合。
研究人員設(shè)計(jì)初衷是作為機(jī)器人農(nóng)業(yè)輔助工具,利用機(jī)械手輕柔地操作水果。作為一款能高效使用干式粘合技術(shù)的通用機(jī)械手,保持了從紙箱里摘雞蛋和從葡萄藤上摘葡萄的輕柔靈巧。
▲抓取葡萄
它可以把“手掌”張開得大大的,操縱較大型的物體,例如籃球、罐型飲料等。
▲抓取籃球
這款機(jī)械手還可以用強(qiáng)力操控比自身大許多倍的重物。
▲操控較大物體
此外,這一機(jī)械手還可以同時(shí)抓取兩個(gè)物體。
▲同時(shí)抓取兩個(gè)物體
“壁虎粘合劑的首次應(yīng)用與攀爬機(jī)器人、攀爬人或抓取空間中非常大、非常光滑的物體有關(guān)。但是我們一直在考慮將它們用于更實(shí)際的應(yīng)用程序。”Cutkosky說,“但事實(shí)證明,壁虎粘合劑實(shí)際上非常挑剔。”
首次在多指擬人機(jī)械手上使用壁虎粘合劑是一項(xiàng)挑戰(zhàn),這需要特別注意控制機(jī)械手手指的肌腱和粘合劑下方的指墊設(shè)計(jì)。
二、利用分子間作用力,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)固抓握
平行機(jī)械手相對(duì)于更擬人化的多指機(jī)械手的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是具有高抓力的潛力,因此可以使用單個(gè)精確手指來獲得力量,而多指機(jī)械手farmHand利用壁虎粘合劑提供了更多的抓握能力。
該機(jī)械手受益于兩種生物靈感。首先是人手,它有多關(guān)節(jié)的手指,不過僅有四個(gè)手指,其次是壁虎,基于壁虎腳趾抓地的靈感,在該論文的作者之一、斯坦福大學(xué)工程學(xué)院弗萊徹瓊斯教授馬克·卡特科斯基(Mark Cutkosky)領(lǐng)導(dǎo)下,研究小組研制了抓地力強(qiáng)但不粘的壁虎粘合劑,涂在這一機(jī)械手的手指上。
▲機(jī)械手原理圖
就像壁虎的腳趾一樣,涂抹壁虎粘合劑的機(jī)械手可以通過微小的皮瓣固定在物體上。當(dāng)與表面完全接觸時(shí),這些皮瓣會(huì)產(chǎn)生范德華力(分子間相互作用力),由分子外部電子位置的細(xì)微差異引起。因此,粘合劑僅需要很小的力量就可以牢固抓握物體。這種粘合劑的另一個(gè)好處就是,它們摸起來不會(huì)發(fā)粘或留下殘留物。
機(jī)械手涂抹壁虎粘合劑后,抓取物體需要依靠手指的正面而不是尖端,這樣可以提供更多可用的接觸區(qū)域。為了探索權(quán)衡,研究人員通過消除最終鏈接長(zhǎng)度固定的約束,來增大機(jī)械手制動(dòng)器的扭矩。
三、增加肋骨結(jié)構(gòu),擴(kuò)大抓握面積
問題的關(guān)鍵在于,壁虎粘合劑必須以特定方式與物體表面接觸,以激活范德華力。當(dāng)將壁虎粘合劑涂抹在較為平坦的表面上時(shí),可以比較容易地控制與物體接觸的方式。但是當(dāng)必須依賴于多個(gè)附有壁虎粘合劑的手指抓握物體,并以不同角度接觸物體時(shí),也就是使用farmHand抓握時(shí),對(duì)于壁虎粘合劑的控制就更加困難。
為了解決這一難題,研究人員在粘合劑下方,為該機(jī)械手增加了一層指墊。這層紙墊由可折疊的像肋骨一樣的結(jié)構(gòu)制成,只需很小的力即可彎曲。無論接觸的位置或角度如何,肋條都呈彎曲狀態(tài),以確保粘合墊上的力相等,并防止產(chǎn)生任何一個(gè)過早滑動(dòng)導(dǎo)致物體掉落。
▲機(jī)械手的指墊設(shè)計(jì)
“如果你移動(dòng)這些肋骨,無論你從哪里開始,肋條都會(huì)產(chǎn)生類似的力。”布勞威爾說,“這是一種簡(jiǎn)單的物理行為,甚至可以部署在機(jī)器人技術(shù)之外的空間中,例如鞋面或全地形輪胎。”
人手的肌腱很重要,可以實(shí)現(xiàn)大范圍的展開和收合。不過很多機(jī)械手和夾子被設(shè)計(jì)成“C”形,就像只用指尖撿起東西一樣,但這一機(jī)械手基于人手的肌腱原理,實(shí)現(xiàn)了更大的抓握面積,在手指末端安裝了墊子,這也為壁虎粘合劑提供了更多的表面積。
設(shè)計(jì)靈活又功能強(qiáng)大的機(jī)械手的的另一個(gè)問題在于,現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)模擬很難預(yù)測(cè)軟物體的真實(shí)性能,因此使設(shè)計(jì)恰到好處尤其困難。但是研究人員在3D打印和測(cè)試許多硬塑料和軟塑料組件過程中受益匪淺,這也加快了他們的研究進(jìn)程。他們甚至說:“如果在五年前,這項(xiàng)研究不太可能成功實(shí)現(xiàn),或者至少要慢得多。”
對(duì)該機(jī)械手的進(jìn)一步改進(jìn)可能會(huì)以反饋功能的形式出現(xiàn),這將幫助用戶了解它的抓握方式以及在使用機(jī)械手時(shí)如何更好地抓握。
結(jié)語(yǔ):兼具靈活與穩(wěn)健,促進(jìn)商業(yè)化落地
多指機(jī)械手相比于平行機(jī)械手更加靈活,但想要在實(shí)際生活中采用,還需要具備平行機(jī)械手的穩(wěn)健功能。而斯坦福的研究人員將機(jī)械手的靈活性和剛度相結(jié)合,既可以抓取雞蛋、西瓜等,也可以抓握比自己大的物體。
其次,初代機(jī)械手farmHand原型是低成本的,這也為其升級(jí)提供了條件。研究人員表示,在未來更高性能的電機(jī)扭矩將實(shí)現(xiàn)更高的肌腱張力,以及采用更硬的肋骨也能提高機(jī)械手的整體穩(wěn)定性。研究人員還在考慮將這一機(jī)械手進(jìn)一步商業(yè)化。
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2022-01-12 16:50:28
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