基于模块化结构的受人类启发的机器人手

团队机器人手的组件。（a） 食指的骨骼设计以人类食指骨骼为基础。有四根骨头与三个针关节相连。（b） 将直径磁化的磁铁放置在远端指骨的关节内。（c） 设计并安装在中间指骨的一个关节内的角度传感器板

近年来，机器人专家开发了越来越复杂的机器人系统，旨在模仿人体的结构和功能。这项工作包括机器人手，抓手，允许机器人在完成日常任务时像人类一样抓取物体并操纵它们。

理想情况下，机器人手应该能够执行高度精确的运动，同时也相对实惠且易于制造。然而，迄今为止推出的大多数用于机器人手的生物启发骨骼结构都具有高度复杂的设计，其中包含许多先进组件，这使得它们难以大规模制造。

麻省理工学院（MIT）的研究人员最近创造了一种新的高精度机器人手，可以更容易升级，因为它的组件可以使用常用的技术（如3D打印和激光切割）制作。他们的机器人手在发表在 2023 年 IEEE 软机器人国际会议 （RoboSoft） 杂志上的一篇论文中介绍，基于所谓的模块化结构，这意味着它由多个构建块组成，可以重新排列以实现不同的运动。

“虽然平行抓手和多指机器人手已经发展得很好，并且通常用于结构化设置，但设计一种高度铰接的机器人手仍然是机器人技术的挑战，可以与人手相媲美，以处理各种日常操作和抓取任务，”Chao Liu，Andrea Moncada和他们的同事在他们的论文中写道。

“灵巧性通常需要更多的执行器，但也会导致更复杂的机构设计，并且制造和维护成本更高。软材料在与物理世界交互时能够提供合规性和安全性，但很难建模。

Chao Liu，Andrea Moncada及其合作者最近工作的主要目标是创建一个灵活的机器人手，不需要特别复杂和昂贵的组件。然而，这种灵活的手仍然应该能够执行比仅基于刚性材料的机器人抓手更先进的动作，最终提高机器人的物体操作技能。

“这项工作展示了一种混合的生物启发机器人手，结合了软物质和刚性元素，”Chao Liu，Andrea Moncada和他们的同事写道。“传感被集成到刚体中，从而提供了一种具有高灵敏度的姿势估计的简单方法。”

麻省理工学院研究团队创建的模块化机器人手可以很容易地适应不同的应用。例如，研究人员可以选择添加或删除手指，并以不同的方式排列其组件，以实现不同的抓握类型或在特定场景中提高其性能。

“拟议的手采用模块化结构，允许快速制造和编程，”研究人员写道。“制造过程经过精心设计，因此可以用低成本材料制作完整的手工并以有效的方式组装。

值得注意的是，用于制造新机器人手的刚性和软性组件都易于制造。构成手骨架的“骨头”可以3D打印，而其中包含的磁铁，传感器和电缆在市场上很容易买到。

为了创造围绕骨骼的皮肤，该团队使用了简单的两步成型工艺。他们首先使用3D打印创建不同的模具件，然后使用这些件将硅胶模制成手指的形状。

作为研究的一部分，Chao Liu，Andrea Moncada和他们的同事创建了一个有五个手指的手原型，并评估了它的性能。他们发现手可以成功地执行不同类型的抓握，复制人类手抓住和握住各种物体的方式。他们的机器人手能够牢固地抓住各种不同大小的柔性和刚性物体，包括塑料杯，笔和圆形塑料环。

机器人手很快就可以进一步开发和测试，以增强和验证其能力。最终，它可以与其他机器人肢体集成，以创建更擅长操纵物体的可扩展人形机器人。

“未来的工作包括手掌设计，拇 指有一个额外的旋转DoF，手腕的紧凑设计来固定电子设备，以及开发灵巧的操作和抓取的控制策略，”研究人员在他们的论文中总结道。