可摘葡萄、滚面团、玩硬币…CMU科学家将微型Delta机器人制成灵巧机械手！
导读
美国卡耐基梅隆大学的研究人员近来研发了一款由微型Delta机器人制成的高度灵巧抓取机械手。该机械手具有两个厘米级的3自由度（DOF，Degree of Freedom）Delta机器人，使用现成的线性致动器和3D打印软材料，这使得其具有较低的成本，同时可以实现较高的灵活度以处理精细的工作任务。这种小型灵活机械手可以处理药丸、硬币或其他易碎的小物体，由于其安全性优势使得其在医院、家庭等非结构化环境中能发挥重要作用。实验结果表明，机械手可以安全地操纵精细物体并与其环境进行交互。相关研究成果在2021年国际顶级机器人会议Robotics:Science and Systems（RSS）2021上进行了展示。
▍机械手实现拟人化动作存在挑战
多年来，人们一直致力于研究机械手进行抓取等操作，用于代替人手更好的实现抓取、转移、整理等工作。对于大多数机械手而言，要实现拟人化灵活的抓取、捏挤动作，目前而言依然是一大挑战。而且拟人化的机械手具有十分复杂的机械结构，实现其灵活控制则更是需要设计复杂的控制系统，同时采用各种传感信息才有可能，而这依然无法保证其可靠性与安全性，这严重限制了灵活拟人化机械手的广泛应用与商业化。
图2传统平行爪抓手
传统的平行爪抓手由于刚性和灵活性不足而不足以处理精细的物体。其他灵巧的机械手通常手指笨重，依赖复杂的时变电缆驱动器，或者价格过高。
德国FZI研究中心的科研人员受生物启发，曾提出一种尖刺神经网络（SNN），用于控制机器人手进行软抓握动作。该控制系统被应用在Schunk SVH 5指手上，用来抓握具有不用形状、大小和刚度的物体。
图3德国FZI研究中心五指机械手
在医院和家庭等非结构化环境中，机器人需要能够执行灵巧的操作任务，例如处理药丸、硬币或其他易碎的小物体。许多现有的机器人末端执行器专为工业应用而设计，这些应用的重点是对大型刚性物体的可重复和稳健的操作。这些末端执行器可以施加很大的力，这使得它们很容易损坏小巧、精致和非刚性的物体，如浆果和扑克牌。
由于其在安全性方面的优势，最近人们对软机械手的兴趣有所增长。麻省理工学院在机器人领域国际顶级会议Robotics: Science and Systems（RSS） 2020上展示了一对搭载高分辨率触觉传感器的机械手，它们能够灵活操作电缆、电线等可变形物体。
图4麻省理工学院机械手
Delta机器人广泛应用在各种工业制造和包装过程中的拾取和放置任务中且具有极高的效率及准确性。然而，将它们用于其他目的尚未得到广泛研究。特别是学术界和工业界使用的许多协作机器人手臂都配备了两指平行爪爪或真空爪。一些实验室和公司使用了非常昂贵和复杂的拟人（类人）手，但由于其高度自由，通常难以自主控制。其他研究人员已经开发了自己的手，例如软气动抓手或干扰抓手，但它们通常具有较小的工作空间和较低的准确性。
图5 Delta机器人
为了在灵巧操作中利用软机械手的理想特性，美国卡耐基梅隆大学的研究人员近来研发了一款由微型Delta机器人制成的高度灵巧抓取机械手。该机械手由使用软3D打印材料制成的协作3-DOF迷你Delta机器人组成。这使得其具有较低的成本，同时可以实现较高的灵活度以处理精细的工作任务。这种小型灵活机械手可以安全处理药丸、硬币或其他易碎的小物体。相关研究成果在2021年国际顶级机器人会议Robotics: Science and Systems（RSS）2021上进行了展示。
图6微型Delta机器人制成灵巧机械手
▍微型Delta机器人制成灵巧机械手
美国卡耐基梅隆大学的研究人员研发的机械手由一个末端执行器和两个3-自由度Delta 机器人模块组成。与其他抓手相比，他们的微型Delta机器人使用封闭形式的逆运动学解和软材料，进而实现高精确性，同时提供安全性。此外，他们的末端执行器通过使用3D打印和现成的零件来实现，模块化部件可以轻松更换并低成本生产。在将他们的成本与其他商业灵巧的抓手进行比较时，可以发现，他们这种带有并联机构的Delta机器人的机械手是兼容的、低成本、易于制造和模块化的。
图7 Delta机器人近似万向节的两个正交旋转轴
图8近似万向节运动动画
研究人员使用带有活动铰链的柔性平行四边形连杆的Delta机器人，两个活动铰链沿正交轴旋转以近似于三角形连杆中的万向节。每条腿由两根梁组成，这些梁作为四杆平行连杆机构移动，传递从线性致动器到末端执行器的运动。这些平行四边形有0.375毫米的铰链，以及2.5毫米和4.5毫米厚的横梁。三角形连杆连接到三个迷你电动直线执行器的末端，行程为76.2毫米，最大负载为20牛。带有两个Delta模块的夹具总重量为1.03kg。机械手安装在 FrankaPanda 机器人手臂上，可在任务执行期间提供额外的机动性。
图9 Franka Panda机器人
研究人员进行了六种应用场景实验，实验分别如下：
1）抓取单颗葡萄
图10抓取单颗葡萄
2）对齐一堆硬币
图11对齐一堆硬币
3）拿起硬币并在手旋转
图12拿起硬币并在手旋转
4）滑动抓牌
图13滑动抓牌
5）将葡萄从茎上拧下来
图14将葡萄从茎上拧下来
6）用手指在桌子上卷起面团
实验表明，机械手可以在每个Delta机器人提供的自由度下执行灵巧的操作任务，例如滚面团和从葡萄茎上摘下葡萄，同时可避免损坏葡萄等物品。这说明该机械手可以确保安全地操纵精细物体并与环境进行交互。
▍总结与展望
研究人员展示了可以执行精确和低惯性操作的多指手的基础。这项工作的未来扩展可以探索抓力规划和增加协作机械手的数量来处理更大的物体。此外，研究人员表示，计划将内部和外部传感器结合到Delta机器人中，以便使用视觉和触觉反馈进行更精确的自主操作。
文献信息
1. C. Vourtsis, V. C. Rochel, F. R. Serrano, W.Stewart and D. Floreano, "Insect Inspired Self-Righting for Fixed-WingDrones," in IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 6, no. 4, pp.6805-6812, Oct. 2021, doi: 10.1109/LRA.2021.3096159.
2. J. C. VasquezTieck, K. Secker, J. Kaiser, A.Roennau and R. Dillmann, "Soft-grasping with an anthropomorphic robotichand using spiking neurons," in IEEE Robotics and Automation Letters, doi:10.1109/LRA.2020.3034067.