你印象中的“机器手臂”能做什么？
能把地上的球收捡起来。
能将小方块叠起来。
还能转笔。
但看上去似乎还不太流畅灵活。
为使机器人完成定位和抓取物体的工作，史丹佛大学研究人员设计一款机器手臂。不同于传统机器手臂，“指尖”为铰接式主动驱动滚轮，自由度（DoF）为 3，可对物体无限旋转与抓握。论文入围四大奖项，最终获得最佳学生论文奖（Best Student Paper Award）和最佳机器人控制论文奖（Robot Manipulation）。
更令人高兴的是，灵活机器手臂的升级版 V2 已问世──将 V1 指尖部分的圆柱形滚轮换成蓝色小球，增加系统的稳定性。
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，比如向大家展示骰子的 6 面。
再表演转瓶盖。
有时我们无法一下子拿起桌上的纸，看看机器手臂能否做到。
其中一根“手指”累了想休息，也可以轻松抓起篮球向不同方向移动。
那么 V2 表现如何？
看上去就像轻松抓起小球的抓娃娃机爪子。
抓起来的小球可在手中 360 度旋转，这灵活度真接近人手。
3 根“手指”，9 个关节
灵活装置背后的原理又是什么？
据了解，研究团队透过设计自订的硬编码控制方案和模仿人类学习，成功推导出瞬时运动学方程，做到机器手灵活移动物体。
不难看出，史丹佛研究团队的机器手臂有 3 根“手指”，每根“手指”的自由度都为 3，可理解为 3 个特定功能的关节：
- 重新定向物体的枢转运动。
- 移动物体的连续卷动运动。
- 用手指抓取一定大小、形状的物体。
▲ V1 基本构造。
▲ V2 基本构造。
那这装置如何运转？
研究人员开发自订 API，将硬件资讯连线到控制算法或用户输入。资讯主要包括各关节位置、Base Joint 的电流极限及马达控制参数。
设计、组装一台机器人需要不少套件，例如机器人大脑的控制器、五感的感测器等。制作机器人的关节，一般情况下都会用到电机，特点就是价格不高且易控制。
研究团队选用韩国制造商 ROBOTIS 开发的高效能 Dynamixel 电机，电流用于设定 Base Joint 刚度及测量物体控制过程每根“手指”感受到的力。
为了更能控制电机，同时处理与进阶 API 通讯，研究团队还用到基于 USB 的微控制器 Teensy 3.6。
两个版本主要差异在于“指尖”部分──V2 有球形滚筒，V1 的滚筒呈圆柱状。这设计目的在于提升系统稳定性。升级后，滚筒不论如何定向，接触点都能预测。此外 V2 枢轴范围更大，为 180 度，V1 枢轴范围仅 90 度。
外观上，不论 V1 还是 V2，机器手并没有沿袭以往拟人化设计思路，用 IEEE 的话说就是“扔出窗外”。不过比起之前的机器手臂设计，也并非完全标新立异。
此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旋转物体。
论文合著者之一 Shenli Yuan 及团队有关机器手臂 V1 的论文受到机器人领域峰会国际机器人与自动化会议（IEEE International Conference on Robotics and Automation，ICRA）关注。ICRA 2020 设有 12 个奖项，而 Shenli Yuan 团队入围 4 个奖，最终获得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 自然也有不小意义，不过机器手臂的发展依旧道阻且长，正如 Shenli Yuan 接受 IEEE 采访时所说：
拟人化机器手臂是值得研究的方向，但机器手臂要真正达到人手的灵巧程度，还有很长的路要走。我们提出这种设计，是想探索如果不受拟人化限制，机器手臂可有什么独特的能力，有没有什么工作人手做不到，而机器手却可以做到。此外，就许多工作而言，尝试模仿人手不一定是最优解。也许 20~50 年后，当机器手臂发展更好，看起来就不会那么像人手了。
- Fetch Mobile Manipulator
- Design of a Roller-Based Dexterous Hand for Object Grasping and Within-Hand Manipulation
- Roller Grasper V2
- We Can Do Better Than Human-Like Hands for Robots
（本文由 雷锋网 授权转载；首图来源：Shenli Yuan）
