手指也能滾動？斯坦福會搖骰子擰瓶蓋的機械手出 V2 了
你印象中的「機械手」能做什麼？
能把場上的球撿到筐裏。
能將小方塊壘起來。
還能轉筆。
但整個過程看上去似乎還不算特別流暢靈活。
為使機器人更好地完成定位和抓取物體的任務，斯坦福大學研究人員設計出了一種機械手。不同於傳統機械手，其“指尖”為鉸接式的主動驅動滾輪，自由度（DoF）為 3，可實現對物體無限的旋轉與抓握。論文入圍了四大獎項，最終斬獲最佳學生論文獎（Best Student Paper Award）和最佳機器人控制論文獎（Robot Manipulation）。
更令人欣喜的是，這種靈活機械手的升級版 V2 也已問世——將 V1 指尖部分的圓柱形滾輪換成藍色小球，從而增加系統的穩定性。
先來看看 V1 表現如何。
輕輕鬆鬆旋轉有稜角的立方體，比如向大家展示一下骰子的 6 個面。
再表演一個擰瓶蓋。
有時我們沒法一下子拿起桌子上的紙，看看機械手能不能做到。
其中一隻“手指”累了想歇一歇，也可以輕鬆抓起籃球向不同方向移動。
那麼 V2 表現如何呢？
看上去就像一個輕鬆一懟就能把小球抓起來的抓娃娃機爪子。
抓起來的小球可以在手中 360 度旋轉，這靈活度可真是接近人手了。
這樣靈活的裝置，背後的原理如何？
據瞭解，研究團隊通過設計定製的硬編碼控制方案和仿人學習，成功地推導了瞬時運動學方程、實現了機械手對物體的操作。
不難看出，斯坦福研究團隊的這隻機械手有三根“手指”，每根“手指”的自由度都為 3，我們可以將其理解為三個特定功能的關節：
其一，用於重新定向物體的樞轉運動；
其二，用於移動物體的連續滾動運動；
其三，用於手指抓取一定尺寸、形狀的物體。
【V1 的基本構造】
【V2 的基本構造】
那麼，這樣的裝置是如何運轉的呢？
雷鋒網瞭解到，研究人員開發定製 API，將硬件信息連接到控制算法或用户輸入。這裏所説的信息就主要包括了各關節的位置、Base Joint 的電流極限及馬達的控制參數。
事實上，要設計、組裝一個機器人，自然需要不少組件，例如作為機器人大腦的控制器、充當認知的傳感器等等。而製作機器人的關節，一般情況下都會用到電機，其特點就是價格不高、且易於控制。
因此，在這一設計中，研究團隊就選用了韓國製造商 ROBOTIS 開發的高性能 Dynamixel 電機，其電流用於設置 Base Joint 的剛度以及測量物體控制過程中每根“手指”感受到的力。
而為了更好地控制電機，同時處理與高級 API 的通信，研究團隊還用到了一個基於 USB 的微控制器 Teensy 3.6。
實際上，兩個版本主要的差異在於“指尖”部分——V2 置有球形滾筒，而 V1 的滾筒呈圓柱狀。這一設計背後的目的在於對系統穩定性的提升。升級後，滾筒不論如何定向，接觸點都是可以預測的。此外，V2 樞軸範圍更大，為 180 度，而 V1 樞軸範圍僅為 90 度。
值得一提的是，在外觀上，不論是 V1 還是 V2，這種機械手並沒有繼續沿襲以往擬人化的設計思路，用 IEEE 的話説就是將其“扔出了窗外”。不過，對比之前的一些機械手設計，這一設計也並非是完全標新立異的。
但這一設計的創新點就在於——“手指”無需經過複雜的重新定位過程，就可保證抓住物體之後還能對物體進行旋轉。
據瞭解，論文合著者之一 Shenli Yuan 及其團隊有關機械手 V1 的論文受到了機器人領域頂會國際機器人與自動化會議（IEEE International Conference on Robotics and Automation，ICRA）的關注。ICRA 2020 設有 12 個獎項，而 Shenli Yuan 團隊入圍了 4 個獎項，最終獲得了最佳學生論文獎和最佳機器人控制論文獎。
可見，基於 V1 的升級版 V2 自然也有不小的意義，不過機械手的發展依舊道阻且長，正如 Shenli Yuan 接受 IEEE 採訪時所説：
擬人化機械手是個值得研究的方向，但機械手要想真正達到人手的靈巧程度，還有很長的路要走。我們提出這樣一種設計，是想探索如果不受擬人化的限制，機械手可以有什麼獨特的能力，有沒有什麼任務是人手做不到的，而機械手可以完成。此外，就許多任務而言，嘗試和模仿人手不一定是最優解。也許在 20-50 年後，當機器手發展得更好的時候，它們看起來就不會那麼像人手了。
引用來源：
https://fetchrobotics.com/robotics-platforms/fetch-mobile-manipulator/
https://ras.papercept.net/proceedings/ICRA20/1733.pdf
https://yuanshenli.com/roller_grasper_v2.html
https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-hardware/we-can-do-better-than-humanlike-hands-for-robots
https://icra2020.org/program/conference-awards
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