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『中国人工智能学会』| 机器人灵巧手的研究概览，学术分享

随着学会的队伍不断发展壮大 ， 分支机构的发展愈发完善 ， 丰富多彩的分支活动与学术分享也频频呈现 。 CAAI认知系统与信息处理专业委员会在助力学会发展的工作中积极开展学术交流 ， 打造了“认知系统和信息处理国际会议”等多个颇具特色的活动 ， 创办了“CognitiveComputationandSystems”国际期刊 。 疫情期间 ， CAAI认知系统与信息处理专委会积极倡导学会“疫情防控不放松 ， 学习充电不间断”的理念 ， 结合本专委会自身领域研究精选相关文献进行研究与解读 ， 与大家分享《机器人灵巧手的研究概览》 。
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灵巧手作为机器人的末端执行器 ， 由于其良好的灵活性和操作能力得到研究者们的广泛关注 。 通过概览近期IEEEROBOTICSANDAUTOMATIONLETTERS（RAL）、INTERNATIONALJOURNALOFROBOTICSRESEARCH（IJRR）等发表的研究工作 ， 我们总结了目前的灵巧手的主要研究方向 ， 包括：灵巧手操作能力的优化、结构的创新、传感器性能的提升等 。
1）灵巧手结构的优化
香港城市大学和香港大学的研究者们在调研了人手指解剖学的理论的前提下 ， 提出了一种新型的、合理的手指驱动结构[1] 。 这种结构可以实现指间关节和掌骨关节的独立运动 ， 提高了灵巧手的操作能力 。 同时采用这种结构的手指在捏取物体时 ， DIP关节会自适应的弯曲 ， 更加符合人手捏取物体时的动作 。 最后 ， 采用这种结构研制的灵巧手可以完成33个静态的稳定抓取动作 ， 验证了其灵活性能 。
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图1.灵巧手外形结构图及改良的中指结构示意图
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图2.采用新型结构的灵巧手指动作示意图 。
(a):从上到下依次显示CMC关节内收、外展、屈曲的拇指运动 ，
以及MCP关节的内旋、MCP关节的屈曲、IP关节的屈曲 。
(b):IP关节的独立运动 。
(c):MCP关节的独立运动 。
(d):指尖对抗外力的过程 。
耶鲁大学的研究者们针对于手指表面的结构进行了优化[2] ， 通过分析人手指指尖结构 ， 他们发现手指软组织被一层更坚硬的皮肤包围 。 这允许手指垫符合周围的物体轮廓 ， 以稳固的抓取 ， 同时也允许低摩擦滑动物体表面与轻触 。 这些不同的操作模式有助于实现手持操作的常见功能 。 因此 ， 他们提出了一个简单的仿照人类的手指垫 ， 通过一个机械手指与高摩擦和低摩擦表面实现 。 低摩擦面悬浮在弹性元件上 ， 当施加足够的法向力(约1.2到2.5N)时 ， 低摩擦面凹进空腔内 ， 露出高摩擦面 。 这样实现了一个可变摩擦力的手指结构 ， 基于这种方法 ， 演示了如何在不需要触觉感知、复杂控制方法的情况下实现物体的手内滚动和滑动 。
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图3.被动可变摩擦手指的结构
2）灵巧手感知研究
对于灵巧手来说 ， 触觉感知一直是个关键的问题 。 在灵巧手执行任务时 ， 触觉传感器能捕获到灵巧手与外界的接触信息 ， 基于对采集到的信息进行分析 ， 灵巧手可以执行一些复杂的操作任务 ， 如：物体姿态检测、滑觉检测等 。 传感器的性能直接决定了灵巧手的操作能力 ， 因此一款好的传感器对于灵巧手来说非常重要 。
首尔大学的研究团队研制出了一种新型的MagneticSynapseSensor用于触觉反馈[3] 。 并且提出了具有磁性突触传感器的多关节机器人手指的综合设计方案 。 传感器灵敏度为0.016mV/kPa ， 传感范围为350kPa 。 与高灵敏度传感器阵列集成的机器人手指可以抓取各种形状和顺应性的物体 ， 而且不会对物品造成损坏 。 该传感器的优点是：远程触控头与磁性传感器在物理上是分离的 ， 从而避免了电气连接问题 ， 在末端执行器中不使用任何电气组件也保证了传感器可在水中等极端环境使用 。 同时手指采用了模块化设计 ， 单元模块可以被组装和重新组装 ， 以适应触觉传感器的替换和维护 ， 并解决了远程触摸头集成问题 。


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