[圖文]設計靈感源於螳螂的仿生機器手

端起一杯咖啡對一個普通人來說不是什麼難事,可近三十年來這對於機器人來說卻是個棘手的難題。近日,美國哈佛大學和耶魯大學的研究者正在研發一種新的機械手可以解決這個難題。受到螳螂腿部結構的啟發,工程師們設計出的機械手不僅更加靈敏,而且更適用於不會表達的機器人。














機械手的設計靈感來源於螳螂





哈佛大學仿生機器人實驗室的引領人羅伯特D.豪與耶魯大學的助理教授亞倫.多拉爾,共同致力於機械手的研發。他們認為,人類研究機械手近二三十年時間,但制造出的機械手很少能夠完成靈巧的動作。在現實中,機器人和人類同樣存在一定困難來建立起手和要抓取物體之間的聯系。人類通過張開手指使其變得柔韌靈活來彌補這種失誤,從而使手指在握住並拿起物體之前能夠沿著物體的邊緣滑動;而應對失誤,機器人技術研究的傳統方法是使用大量的傳感器、馬達和控制器,其結果導致機械手結構復雜,費用昂貴。由於需要大量的計算機運算來完成最簡單的任務,使得這種機械手動作更加遲緩。如果讓一只機械手端起一只葡萄酒高腳杯,除非它以蝸牛般的速度,否則在觸碰到酒杯時,在傳感信號傳回計算機並作出反應前,機械手已經將這只酒杯碰翻了。


研究者出人意料的設計的靈感源於螳螂的腿部結構,他們選擇了完全相反的途徑,通過仿生螳螂的腿部結構,徹底改造機械手,讓它自動調整以適應抓取各種形狀的物體。在上世紀80年代,加州大學伯克利的羅伯特教授開始研究螳螂如何行走在崎嶇的物體表面。螳螂的大腦很小,羅伯特認為它們不可能如此迅速地計算出敏捷的行動。他分析了螳螂腿部的力學結構和工作原理,研究顯示它們的腿部靈活柔韌,這種結構使得螳螂無需考慮就可自動調整以適應崎嶇的物體表面。羅伯特用彈簧和絞鏈仿制了機器腿,並制造出一個八條腿的機器人,以驚人的速度在崎嶇的物體表面行走,而此前從未有過機器人能達到如此水平。


羅伯特的研究震驚了機器人學界,多拉爾和豪決定通過相似的方法制造出機械手。如果能選擇合適的彈簧和手指的形狀尺寸,機械手將可以變得柔韌並可沿著物體的邊緣滑動,以抓取物體,如同人類的端起一個咖啡杯一樣。首先,他們通過電纜和滑輪控制兩個雙連接的塑料手指和一個單獨的馬達,然後再添加另外一組手指以穩定地抓取。盡管只有四指結構,最終的機械手具備了人手的幾項特性。除此之外,機械手的關節能夠張開25度到45度,並且指根部的關節比手指關節更加靈活。設計者同樣加裝了傳感器來感測手指觸碰物體和關節的角度。雖然機械手的自動調整還存在很多小毛病,但傳感器能夠彌補一些大的失誤。


最終這個結構簡單的機械手能靈巧地完成抓取大多數物體的任務,它為未來的家用服務機器人提供了發展平臺。研究者將這項技術同樣應用於假肢研究,每個手指的重量不到42.5克是個顯著優勢,因為很多被截肢者就是因為假肢的笨重不便而放棄使用。目前,機械手尚無法熟練抓取鑰匙和餐叉之類的小物件,完成這些靈巧的動作需要加裝額外的馬達,這將增加機械手的重量和復雜程度。研究者正在探索一種具有可反向拇指的新構造以解決此問題。


近三十年來,人們為了改善機械手的功能而使其變得更加復雜,多拉爾和豪的研究成果為機器人學界開拓了一個新思路,而這還有很長的路要走
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