突破！东京大学新型机械手，装有特殊磁链，可轻松抓起单张扑克牌！

导读

日本东京大学石川妹尾研究室近日研发出一种装有电磁齿轮的机械手，它的“手指”灵活度令人印象深刻。这种机械手能够实现对薄物体的快速抓取，比如轻松地抓起单张扑克牌。

作者：pumpkin酱

扑克牌是香港电影中的一个经典元素，一张张扑克牌在主角手中灵活游走，打造出不少影迷们心中的名场面。但对于一个典型的机械手来说，轻柔而快速地从一堆纸牌中抓起其中一张，却是一项异常艰巨的任务。近日，这种情况有所改变，日本东京大学石川妹尾研究室研发出一种装有电磁齿轮的“非典型”机械手。

新型执行机构“磁链” 

日本新研发出的是一种紧凑型、低摩擦、高扭矩的执行机构“磁链”。这种磁链由一个紧凑型DD发动机（μDD发动机，MTL公司）、低减速比紧凑型齿轮箱（Shindenssha）和电磁齿轮（Magtran，FEC公司）组成。

当负载施加到输出轴侧时，它以轻微的扭矩旋转，这种角度的变化可以用电机侧的编码器精确测量。

磁链实现了虚拟弹簧/阻尼器特性，动态范围宽，并且无需外部传感器。还具有扭矩限制器功能，因为当对输出轴施加过载时，电磁齿轮将会脱开。

装备磁链的机械手可以滑动并抓住桌上的薄物体，甚至快速地从一堆卡片中抓出其中一张。这与之前的典型机械手相比，称得上是一项突破。

在动态中快速抓取薄物体 

之所以能完成这种突破，是因为石川妹尾研究室利用磁链机械手实现了他们提出的“减震控制（麦克斯韦模型控制）”。在减震控制的研究中，他们提出了利用阻抗控制来生成被动且低反弹的捕捉轨道手法。

通常的阻抗控制，大多是以并联连接弹簧和阻抗的Voigt模型为基础的。由于物体受到外力打击而移动时，经常会产生回到位移原位的反弹力。有些情况中，我们必须明确设定位置的目标值，所以在接触后生成反弹力是不合适的。比如，在对飞行中的球进行捕捉的过程中，它可能会沿与碰撞方向相反的方向移动，从而导致球在被握到手中之前就被弹开了。

而在麦克斯韦模型中，其冲击吸收是通过将由于冲击而产生的驱动运动作用到机器人的塑性变形来实现的。

冲击吸收引起的后驱动运动=机械臂的塑性变形

实验结果表明，在麦克斯韦模型中，弹簧和减震器的连接形式在串行表示和并行表示之间存在等效转换。

石川妹尾研究室提出了基于并行表示和串行表示的控制规则，并通过使用多关节臂的物理模拟证明了它们的有效性。麦克斯韦模型的减震效果已经通过基于实际机器实验的视觉减震器得到了证实。

0.01秒内的精准抓取 

磁链机械手适用于类似抓取单张卡片等高速动态减震控制。而对于高速精密定位控制，则更适合采用“轻量级高速多指手系统”。

实际上，为了实现灵活的抓握功能，研发者一直在进行多指机械手的研究，但大部分是以准静态的手运动为对象，其动作速度并不快。

然而，在人的抓握运动中，结合了视觉功能的高速和动态操纵起着重要作用。原则上，基于当前技术的进步，在工程手动系统中，机械手应该能够以比人类更快的速度来完成类似的操作。因此，研究者在实验中追求了机械系统和视觉系统的速度极限，并在超高速区域实现了类似于人的眼手协调。视觉系统方面，使用了能够在1毫秒内进行通用图像处理的视觉芯片系统，机械系统方面则将新开发的轻量、高扭矩电机用于机械手，从而实现了接近机械系统极限的速度——可以在0.1秒内完成180度打开和关闭。

在这种情况下，机械手可以完成各种各样的任务。

它还可以凭借超高速操作完成人类无法用指尖捏住落球（约4m/s）的动作，抓取用时小于0.01秒，速度快到人眼难以看到。

根据应用的不同情况，使用合适的机械手可以在视觉、接近度和触觉等多方面不断扩展1毫秒高速传感的应用。

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